氫電耦合的應(yīng)用場景、發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)分析

摘要：氫能和電力作為可再生能源規(guī)?；咝Ю煤陀媚芙K端綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，已成為全球?qū)崿F(xiàn)碳中和的關(guān)鍵路徑。構(gòu)建耦合氫能與電力的新型能源系統(tǒng)對推動全球能源革命、低碳經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義。深入探討氫電耦合應(yīng)用場景與發(fā)展現(xiàn)狀，分析氫電耦合發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)研究項目涉及的政策、建設(shè)合規(guī)性、安全和經(jīng)濟性風險，旨在為政策制定者、產(chǎn)業(yè)從業(yè)者以及研究人員提供參考，推動氫電耦合技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：氫電耦合；應(yīng)用場景；發(fā)展現(xiàn)狀；挑戰(zhàn)；氫電轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）06-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.033

Analysis of application scenarios， development status， and challenges of hydrogen electric coupling

HUANG Lili1， SONG Bisang1， WANG Hong1， LI Hui1， LIN Dongjing2

（1. Jinyun Power Supply Company， State Grid Zhejiang Electric Power Co.， Ltd.;

2. Zhejiang Zhentai Energy Technology Co.， Ltd.， Lishui 321400， China）

Abstract： Hydrogen and electricity， as important carriers for the large-scale and efficient utilization of renewable energy and the green and low-carbon transformation of energy terminals， have become key paths for achieving carbon neutrality globally， and the construction of a new energy system that couples hydrogen energy and electricity is of great significance for promoting the global energy revolution and low-carbon economic development. The application scenarios and development status of hydrogen electric coupling are deeply explored， the challenges faced by the development of hydrogen electric coupling are analyzed， and the policy， construction compliance， safety， and economic risks involved in the project are systematically studied， aiming to provide reference for policy makers， industry practitioners， and researchers， and promote the sustainable development of hydrogen electric coupling technology.

Keywords： hydrogen electric coupling; application scenarios; development status; challenge; hydrogen to electricity conversion

在碳達峰碳中和的新形勢下，推進能源革命，建設(shè)新能源體系，是中國能源行業(yè)當前的重要使命。作為極具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵍文茉?，氫能具有熱值高、來源廣、可長期存儲等特點，成為構(gòu)建清潔低碳高效能源體系的理想媒介，能夠溝通新能源與電力系統(tǒng)，對促進能源結(jié)構(gòu)低碳化、實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型、大規(guī)模深度脫碳具有重要意義[1-2]。利用電解制氫與氫燃料電池技術(shù)構(gòu)建新型能源電力系統(tǒng)，實現(xiàn)氫能與電能相互轉(zhuǎn)換，是推動能源領(lǐng)域變革的關(guān)鍵驅(qū)動力之一。闡述氫電耦合的概念，總結(jié)氫電耦合應(yīng)用場景與發(fā)展現(xiàn)狀，分析氫電耦合項目建設(shè)的政策、建設(shè)合規(guī)性、安全性以及經(jīng)濟性等，旨在為未來氫電耦合項目建設(shè)提供參考，助力碳達峰碳中和目標的實現(xiàn)。

1 氫電耦合概念

2020年12月，國務(wù)院新聞辦公室發(fā)布《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書，提出要加速發(fā)展氫能制、儲、輸、用等全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)及裝備[3]。2022年，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，明確氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展定位、目標與總體任務(wù)，指出要探索站內(nèi)制氫、儲氫和加氫一體化的加氫站等新模式[4]。對電力系統(tǒng)而言，氫能是一種靈活性資源，將氫能與電力耦合，可以實現(xiàn)電能與氫能的轉(zhuǎn)換與協(xié)同，支撐更高份額的可再生能源電力的發(fā)展[5]，有希望解決新能源大規(guī)模發(fā)展后電力系統(tǒng)的靈活調(diào)度問題，實現(xiàn)脫碳電力的消納，提升電網(wǎng)彈性[6-8]。

氫電耦合系統(tǒng)主要由電能和氫能兩部分組成，包含電制氫、氫存儲、氫發(fā)電、氫電接口轉(zhuǎn)換和管理系統(tǒng)等模塊，可利用電低谷期或富余的清潔能源進行電解水制氫，將產(chǎn)生的氫氣送至加氫站或存儲罐中供外部使用，在用電高峰期，利用氫燃料電池發(fā)電并網(wǎng)，實現(xiàn)電廠富余發(fā)電負荷與電解水制氫的有機耦合，從而實現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷[9-10]。相較于傳統(tǒng)的氫化工行業(yè)，將氫能及其產(chǎn)業(yè)與電網(wǎng)結(jié)合，構(gòu)建基于氫-電能量靈活轉(zhuǎn)換的新型電力系統(tǒng)，能夠降低電網(wǎng)對煤炭等化石能源的依賴，促進電力行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，同時緩解可再生能源大規(guī)模、高比例接入電網(wǎng)帶來的巨大調(diào)峰調(diào)頻壓力[11]，有助于優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高電力系統(tǒng)的彈性。

2 氫電耦合應(yīng)用場景與發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 氫電耦合應(yīng)用場景

氫能在制儲輸用環(huán)節(jié)與電能源儲網(wǎng)荷可以產(chǎn)生緊密的耦合關(guān)系。在能源測，利用可再生能源綠電實現(xiàn)綠氫的制取，達到近零碳排放的目的；在電網(wǎng)側(cè)，可以利用氫能能夠?qū)崿F(xiàn)長周期、規(guī)?；瘍δ艿奶匦?，增強電網(wǎng)對新能源的消納能力，完成能源的跨區(qū)域調(diào)度、跨品種耦合；在負荷側(cè)，通過氫燃料電池、氫燃機和加氫機等利用方式，實現(xiàn)“氫-電-熱-氣”轉(zhuǎn)換，滿足用戶端多元化利用；通過氫及其衍生品合成轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)電能多途徑利用，以綠色原料或者燃料的利用形式實現(xiàn)建筑、工業(yè)和交通等高排放、難減排領(lǐng)域的能源清潔化與低碳化[12-13]。在多元化背景下，氫電耦合系統(tǒng)展現(xiàn)出多樣的組織形式。目前，氫電耦合應(yīng)用場景主要分為5類。

2.1.1 制氫加氫一體站

制氫加氫一體站采用分布式制氫與站內(nèi)加注氫氣設(shè)備相結(jié)合的建設(shè)方式，可提供穩(wěn)定氫源。相較于傳統(tǒng)模式，一體站減少氫氣運輸環(huán)節(jié)，降低使用成本，避免高壓加氣與運輸環(huán)節(jié)，提高安全性與高效性，將成為供氫的主流模式之一。

2.1.2 電-氫-熱-車耦合氫能產(chǎn)業(yè)基地

電-氫-熱-車耦合氫能產(chǎn)業(yè)基地指在氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)中充分發(fā)揮產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，利用可再生能源進行發(fā)電、電解水制氫、儲氫、氫燃料電池汽車加氫、氫燃料電池熱電聯(lián)供等，滿足用戶對電、氫、熱等多種能源的需求。

2.1.3 可再生能源制氫-儲氫-燃料電池熱電聯(lián)供工業(yè)園區(qū)

可再生能源制氫-儲氫-燃料電池熱電聯(lián)供工業(yè)園區(qū)是指利用可再生能源制取綠氫，通過儲氫、氫燃料電池熱電聯(lián)供等環(huán)節(jié)，助力工業(yè)園區(qū)實現(xiàn)脫碳目標，為可持續(xù)發(fā)展提供支持。

2.1.4 水-光-電-氫-生物質(zhì)綜合利用鄉(xiāng)村場景

水-光-電-氫-生物質(zhì)綜合利用鄉(xiāng)村場景是指在鄉(xiāng)村充分利用水電、光伏、生物質(zhì)等資源，以電能為核心構(gòu)建多能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實現(xiàn)水電制氫、生物質(zhì)制氣，促進富余水電就地消納、農(nóng)村廢棄物循環(huán)利用，滿足建筑、交通、工業(yè)等多種用能需求。

2.1.5 風-電-氫-燃料電池熱電聯(lián)供海島

風-電-氫-燃料電池熱電聯(lián)供海島是指利用海島豐富的風電資源，通過風電制氫、儲氫、加氫站、氫燃料電池汽車（船舶）、氫燃料電池熱電聯(lián)供等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)海島氫能綜合利用。要結(jié)合當?shù)乜稍偕茉促Y源稟賦，選擇分布式風、光、水為主要能量來源。制氫設(shè)備方面，關(guān)注制氫規(guī)模與可再生能源耦合的需求，分別選擇堿性或質(zhì)子交換膜方式制氫；儲氫方面，考慮暫無遠距離輸運需求，結(jié)合儲氫經(jīng)濟性與安全性，采用高壓氣態(tài)儲氫作為儲氫方案；燃料電池方面，重點關(guān)注質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，同時在場景中開展小規(guī)模固體氧化物燃料電池技術(shù)測試與驗證；用氫方面，結(jié)合用戶側(cè)需求，以燃料電池熱電聯(lián)供和車輛加氫為主，開展技術(shù)試點應(yīng)用。

2.2 氫電耦合發(fā)展現(xiàn)狀

2021年9月，中共中央、國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念 做好碳達峰碳中和工作的意見》，指出統(tǒng)籌推進氫能制儲輸用的全鏈條發(fā)展[14]。浙江省作為“兩山”理論的發(fā)源地和率先實踐地，高度重視氫能領(lǐng)域的建設(shè)與發(fā)展，利用氫電耦合技術(shù)開展“制-儲-用”全流程示范，如表1所示[15-17]。

以麗水縉云水光氫生物質(zhì)零碳能源示范項目為例，工程構(gòu)建基于鄉(xiāng)村場景的綠電、綠氫、生物質(zhì)等多種綠色能源高效一體化的綜合系統(tǒng)，系統(tǒng)分為6個模塊，即可再生清潔能源、高溫電池燃料、綠電制氫、加氫、沼氣化以及甲烷化。項目利用屋頂光伏和水電余電進行質(zhì)子交換膜技術(shù)電解水制氫，制得的氫氣存儲在壓強3 MPa、容積600 Nm3的存儲罐中，產(chǎn)出的氫氣可應(yīng)用于3個場景。一是通往加氫機，給園區(qū)的氫能叉車供能；二是通往項目自主研發(fā)的國內(nèi)首臺應(yīng)用于戶外的高溫氫燃料電池，用于園區(qū)的應(yīng)急照明，電池工作生產(chǎn)的熱量又通過余熱回收系統(tǒng)給園區(qū)熱水加熱；三是通往甲烷化裝置，與沼氣反應(yīng)生成高純度的生物天然氣，通過管道為園區(qū)食堂提供燃氣。

項目研制全國首套基于沼氣加氫的甲烷化設(shè)備，沼氣CO2轉(zhuǎn)化率不小于95%，甲烷純度不小于98%，處于國際領(lǐng)先的水平。收集縉云縣農(nóng)戶產(chǎn)出的茭白秸稈和麻鴨糞便等，作為沼氣的原料，可為當?shù)剞r(nóng)民創(chuàng)收。作為全國首個鄉(xiāng)村生態(tài)氫能示范工程，該項目為鄉(xiāng)村振興提供可復制與推廣的可再生能源與氫能多元融合的一體化供能方案，還能緩解我國天然氣產(chǎn)量不足的難題，工程價值與推廣應(yīng)用前景明顯。

2.3 小結(jié)

氫能在制儲輸用環(huán)節(jié)與電能源儲網(wǎng)荷進行緊密耦合，可形成多種氫電耦合系統(tǒng)的應(yīng)用場景，涵蓋制氫加氫一體站、電-氫-熱-車耦合氫能產(chǎn)業(yè)基地、可再生能源制氫-儲氫-燃料電池熱電聯(lián)供工業(yè)園區(qū)、水-光-電-氫-生物質(zhì)綜合利用鄉(xiāng)村場景以及風-電-氫-燃料電池熱電聯(lián)供海島等方面。氫電耦合系統(tǒng)的多樣化應(yīng)用場景不僅為清潔能源的生產(chǎn)和利用提供創(chuàng)新性的解決方案，而且為實現(xiàn)能源清潔化、低碳化的目標進行了有益探索。多種示范項目的成功經(jīng)驗為氫能技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了寶貴參考，為未來氫電耦合系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用提供堅實基礎(chǔ)。項目建設(shè)可根據(jù)當?shù)乜稍偕茉促Y源稟賦，選擇能量的主要來源，在制氫設(shè)備、儲氫方案、燃料電池技術(shù)以及用氫需求等方面，要綜合考慮經(jīng)濟性、安全性以及當?shù)厥褂眯枨螅捎煤线m的技術(shù)方案。

3 氫電耦合發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

3.1 政策風險分析

氫能作為中長期科學技術(shù)發(fā)展的重點，受到國家和地方政府的支持，相關(guān)政策和規(guī)范性文件較全面覆蓋氫儲運與加注、氫能應(yīng)用等技術(shù)類別。然而，在可再生能源制氫、電力系統(tǒng)儲氫、電氫耦合運行控制、氫燃料電池發(fā)電與熱電聯(lián)供等方面，相關(guān)標準體系和政策仍然存在不健全和空白的問題[18-19]。例如，電網(wǎng)新建項目實行“三免三減半”的稅收政策[20]，但仍然存在稅收返還周期長、稅收方式不靈活的情況，同時項目用地資源的短缺導致新能源電力項目在獲取用地批復時面臨困難，進展緩慢。2020年9月，財政部、工業(yè)和信息化部、科學技術(shù)部等部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》，該通知提出采取“以獎代補”的購置補貼方式，對符合條件的燃料電池汽車示范應(yīng)用提供補貼支持。但是，在上游電解水制取綠氫的過程中，只有部分省級行政單位制定電價優(yōu)惠政策，各地綠氫生產(chǎn)成本差異較大，項目的經(jīng)濟可行性不同步，相應(yīng)的頂層激勵機制尚未建立，投資回報限制該環(huán)節(jié)的發(fā)展。電氫耦合方面，政府和相關(guān)產(chǎn)業(yè)協(xié)會應(yīng)加速推動新能源制氫、電制氫加氫一體化、可逆式燃料電池、電氫耦合系統(tǒng)運行等方面的技術(shù)標準的制定和修訂。政府部門、產(chǎn)業(yè)界、學術(shù)界以及研究機構(gòu)需要建立更緊密的協(xié)作機制，形成標準制定的聯(lián)合力量，確保標準符合各方的需求和利益。

3.2 建設(shè)合規(guī)性要點分析

氫電耦合項目的建設(shè)涉及氫制備儲運、充裝、發(fā)電應(yīng)用等環(huán)節(jié)，涉及安全生產(chǎn)、燃氣管理、危險化學品管理、特種設(shè)備管理以及能源管理等維度的合規(guī)性監(jiān)管，需要獲得燃氣經(jīng)營許可證、危險化學品安全生產(chǎn)許可證、危險化學品經(jīng)營許可證、工業(yè)生產(chǎn)許可證、移動式壓力容器/氣瓶充裝許可證等資質(zhì)證照。項目的固定資產(chǎn)投資需要依法取得相應(yīng)立項、報批和驗收手續(xù)，主要合規(guī)手續(xù)包括核準/備案、消防、建設(shè)用地規(guī)劃許可證、建設(shè)工程規(guī)劃許可證、建筑工程施工許可證、竣工驗收及備案。氫電耦合項目建設(shè)涉及前沿技術(shù)，多為企業(yè)與科研所或院校合作，在合同簽署過程中，要注意研發(fā)成果歸屬、知識產(chǎn)權(quán)商業(yè)利用和收入分配等問題，同時關(guān)注科技人員是否通過審核，以防參與人員沒有履行相應(yīng)程序?qū)е马椖繚撛诮ㄔO(shè)不合規(guī)與技術(shù)成果風險。

3.3 安全風險分析

氫電耦合系統(tǒng)涉及電解水制氫、氫存儲和氫發(fā)電等環(huán)節(jié)，存在多種危險工況的復合狀態(tài)，分析系統(tǒng)的安全性至關(guān)重要。氫氣具有易燃易爆、點火能量低和擴散系數(shù)大等特性，制、儲、運和用的過程都可能發(fā)生泄漏和爆炸等危險情況[21]，其中儲氫瓶和壓縮機等裝備是易引發(fā)氫安全事故的風險點，而設(shè)計缺陷、密封問題以及操作失誤是導致事故的主要原因[22]。為了降低氫電耦合系統(tǒng)的安全風險，提出相應(yīng)措施。一是布置氫氣泄漏監(jiān)測點，特別是在容易發(fā)生泄漏的地方、氫氣易聚集的位置和通風口，安裝傳感器實時監(jiān)測氫氣濃度，建立報警系統(tǒng)。二是針對涉氫設(shè)備，加強設(shè)計審查，防范設(shè)計缺陷，確保密封性。定期進行設(shè)備的維護檢查，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題，減少設(shè)備運行的隱患。三是制定詳細的涉氫設(shè)備操作規(guī)程，確保操作人員按照規(guī)程進行操作。開展定期的安全培訓，提高操作人員對氫氣危險性的認知，培養(yǎng)其應(yīng)急處理能力。四是加強對涉氫設(shè)備操作人員的管理，確保其具備相關(guān)的技能和經(jīng)驗。建立安全管理制度，規(guī)范操作流程，提高整體的安全生產(chǎn)水平。

3.4 經(jīng)濟性風險分析

氫電耦合項目的建設(shè)受多種因素的影響，項目容易因融資、資源配置和營商環(huán)境等原因中途停止建設(shè)或投產(chǎn)后運營失敗。氫電耦合項目需要大規(guī)模的投資進行制氫、儲氫、燃料電池等設(shè)備的建設(shè)和購置，前期投資成本高且回收期長，融資渠道狹窄及周期長，將阻礙項目推進?，F(xiàn)階段，能源市場不穩(wěn)定，能源政策仍不確定。能源價格波動性大，原材料價格上漲，可能導致生產(chǎn)成本增加，從而對項目的盈利能力產(chǎn)生負面影響，氫能的需求與價格不穩(wěn)定，將影響項目的盈利水平。氫電耦合項目的市場交易機制仍不健全，全國電力市場存在多種交易模式，但符合新能源電力交易特征的模式仍較少，“新能源+儲能”模式的電力缺乏并網(wǎng)保障，上網(wǎng)交易價格機制不明確導致投資回報不確定。

3.5 小結(jié)

氫電耦合項目在政策、合規(guī)性、安全和經(jīng)濟性方面仍面臨一系列風險。政策方面，雖然國家和地方已經(jīng)發(fā)布一系列支持氫能發(fā)展的政策，但仍存在標準體系不健全、激勵機制缺失等問題，要進一步提高各方的協(xié)同水平。建設(shè)合規(guī)性方面，項目需要滿足多個維度的合規(guī)監(jiān)管，同時需要關(guān)注合同簽署中潛在的問題。安全風險方面，氫氣的易燃易爆性使得系統(tǒng)各環(huán)節(jié)存在多種安全風險，要采取監(jiān)測、預防和培訓等措施來降低風險。經(jīng)濟性方面，項目存在長回收期和投資回報不確定性等風險，經(jīng)濟風險挑戰(zhàn)大。因此，在推進氫電耦合項目的過程中，要密切關(guān)注相關(guān)政策的更新和完善，加強合規(guī)性管理，強化安全防范和培訓，同時在經(jīng)濟層面尋找多元化的融資渠道，關(guān)注能源市場的變化，積極參與市場機制的建設(shè)，以降低項目在各個方面的風險，確保項目的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

深入探討氫能與電能在能源系統(tǒng)中的緊密耦合關(guān)系，并詳細分析不同應(yīng)用場景，展示氫電耦合系統(tǒng)在制儲輸用、源儲網(wǎng)荷等環(huán)節(jié)的多樣組織形式。從制氫加氫一體站、電-氫-熱-車耦合氫能產(chǎn)業(yè)基地、可再生能源制氫-儲氫-燃料電池熱電聯(lián)供工業(yè)園區(qū)、水-光-電-氫-生物質(zhì)綜合利用鄉(xiāng)村場景到風-電-氫-燃料電池熱電聯(lián)供海島，各場景展示氫電耦合技術(shù)在清潔低碳能源方面的靈活應(yīng)用。以麗水縉云水光氫生物質(zhì)零碳能源示范項目為例，介紹多種綠色能源高效一體化的綜合系統(tǒng)，提出可再生能源與氫能多元融合的一體化供能方案，創(chuàng)造可復制與推廣的示范工程，為鄉(xiāng)村振興、清潔能源應(yīng)用以及氫能技術(shù)推廣提供寶貴經(jīng)驗。氫電耦合系統(tǒng)在多元化能源場景中展現(xiàn)出強大的應(yīng)用潛力，但在推進過程中仍然面臨一系列挑戰(zhàn)。政策層面存在標準體系不健全、電價優(yōu)惠不足等問題，要加快制定和修訂相關(guān)標準，完善支持政策。建設(shè)合規(guī)性方面，要關(guān)注合規(guī)手續(xù)，包括燃氣管理、危險化學品管理等，確保項目的合法合規(guī)。安全風險和經(jīng)濟性風險方面，提出一系列降低安全風險、提高經(jīng)濟效益的措施。總體而言，氫電耦合系統(tǒng)作為清潔可再生能源的前沿技術(shù)，為構(gòu)建可持續(xù)、低碳的能源體系提供新思路。通過克服種種挑戰(zhàn)，促進政、產(chǎn)、學和研各方的協(xié)同合作，有望推動氫電耦合技術(shù)的不斷創(chuàng)新與推廣，為實現(xiàn)能源清潔化、低碳化目標貢獻重要力量。

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作者簡介：黃麗麗（1992—），女，浙江臨海人，碩士，工程師。研究方向：電力系統(tǒng)、新能源發(fā)展。