氫能利用：電氫耦合及其應(yīng)用場景

世界各國政府和公司都在增加對氫研究和開發(fā)的投資，這表明人們越來越認識到氫在實現(xiàn)能源系統(tǒng)脫碳目標的方面可以發(fā)揮重要作用。由于氫重量輕、能量密集、可儲存，并且在使用時不會直接產(chǎn)生二氧化碳排放，這種多功能的能源載體有潛力在未來的清潔能源系統(tǒng)中以各種方式加以利用。

在電網(wǎng)儲能的背景下,氫重新引起了人們的興趣。隨著碳達峰碳中和工作的推進，氫能作為清潔能源的載體，將在工業(yè)、交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

氫及衍生氣體可以在保證經(jīng)濟性的條件下實現(xiàn)大規(guī)模長周期儲能，存儲規(guī)模從百千瓦到吉瓦，存儲時間從小時到季節(jié)，存儲特性與電化學(xué)儲能互補。通過構(gòu)建電-抽蓄-氫耦合的混合儲能系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全社會負荷從秒級到季節(jié)的輸出特性平移與優(yōu)化，氫能與電力系統(tǒng)的耦合發(fā)展，將進一步推動新型電力系統(tǒng)建設(shè)。

圖 儲能示意圖，圖源浙電e家

氫電耦合就是利用電網(wǎng)谷電、清潔能源制氫存儲，在用電高峰時再通過氫燃料電池發(fā)電，實現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷。

隨著可再生能源裝機快速增長以及用戶側(cè)負荷的多樣性變化，電網(wǎng)面臨諸多問題與挑戰(zhàn)。在碳中和目標下，氫能作為新興零碳二次能源得到快速發(fā)展，為電力系統(tǒng)發(fā)展帶來了難得的機遇。

1、利用可再生能源電制氫，促進可再生能源消納。

我國可再生能源發(fā)展先全球，水、風(fēng)、光裝機量均為世界一，隨著大規(guī)模可再生能源的快速發(fā)展，其運行消納問題會進一步顯現(xiàn)，利用可再生能源制氫可有效提升我國可再生能源消納水平。

2、利用氫儲能特性，實現(xiàn)電能跨季節(jié)長周期大規(guī)模存儲。

電化學(xué)儲能時間短，容量規(guī)模等級小，目前主要用于電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰、平滑新能源出力波動性，實現(xiàn)小時級別的短周期響應(yīng)與調(diào)節(jié)，而氫儲能具有儲能容量大、儲存時間長、清潔無污染等優(yōu)點，在大容量長周期調(diào)節(jié)的場景中，氫儲能在經(jīng)濟性上更具有競爭力。

3、利用氫能電站快速響應(yīng)能力，為新型電力系統(tǒng)提供靈活調(diào)節(jié)手段。

基于PEM（質(zhì)子交換膜）的電解水制氫裝備具有較寬的功率波動適應(yīng)性，可實現(xiàn)輸入功率秒級、毫秒級響應(yīng)，同時可適應(yīng) 10%—150%的寬功率輸入，為電網(wǎng)提供調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)，提高電力系統(tǒng)安全性、可靠性、靈活性，是構(gòu)建零碳電網(wǎng)和新型電力系統(tǒng)的重要手段。

4、推動跨領(lǐng)域多類型能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，拓展電能綜合利用途徑。

氫能作為靈活高效的二次能源，在能源消費端可以利用電解槽和燃料電池，通過電氫轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電力、供熱、燃料等多種能源網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互補和協(xié)同優(yōu)化，推動分布式能源發(fā)展，提升終端能源利用效率。

圖 電氫耦合示意圖。圖源《中國能源報》

氫能在能源、交通、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，可作為能源互聯(lián)轉(zhuǎn)化的重要媒介，推動能源清潔高效利用，實現(xiàn)大規(guī)模深度脫碳。氫能發(fā)展的初衷是解決低碳和生態(tài)環(huán)保等問題，可再生能源電制氫是未來氫能發(fā)展的主要方向，將應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)“源、網(wǎng)、荷”各環(huán)節(jié)，呈現(xiàn)電氫耦合發(fā)展態(tài)勢。

1、應(yīng)用于電源側(cè)

利用可再生能源綠色制氫技術(shù)，將風(fēng)能、太陽能等可再生能源電力清潔高效地轉(zhuǎn)換為氫能，推動氫能在電源側(cè)與可再生能源耦合，促進大規(guī)模可再生能源消納，提高可再生能源利用率。

2、應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)

利用氫能具有跨季節(jié)、長時間的儲能特性，發(fā)揮氫儲能作用，可積極參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)，提高電力系統(tǒng)安全性、可靠性、靈活性，實現(xiàn)能源跨地域和跨季節(jié)的能源優(yōu)化配置。

3、應(yīng)用于用戶側(cè)

通過氫燃料電池熱電聯(lián)供、區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻及建筑深度脫碳減排的應(yīng)用，可擴展氫能在終端用能領(lǐng)域的應(yīng)用范圍和綜合能源業(yè)務(wù)發(fā)展，推動冷-熱-電-氣多能融合互補， 提升終端能源效率和低碳化水平。

通過分析源側(cè)棄電制氫、網(wǎng)側(cè)氫儲能、負荷側(cè)利用特高壓通道直接制氫三大場景，可以看出：

• 在源端利用富余風(fēng)、光、水等可再生能源制氫，就地銷售到市場上可獲得較好收益，但是輸氫成本較高，長距離輸送到需求端不具備經(jīng)濟性；

• 在網(wǎng)側(cè)，氫儲能站通過參與電網(wǎng)輔助服務(wù)和售氫氧收入，具備一定的經(jīng)濟性；

從當前風(fēng)電和光伏的整體建設(shè)上來看，西北地區(qū)具有豐富的風(fēng)力和光伏資源，經(jīng)濟發(fā)達的東南地區(qū)是重要的用氫需求地，綠氫的輸送通道和特高壓輸送通道基本重合，合理利用特高通道長途輸電，在負荷側(cè)通過特高壓通道直接制氫，在成熟的電力市場價格機制下， 相比“源側(cè)電制氫+管道輸氫”應(yīng)用場景，“特高壓輸電+負荷側(cè)制氫”在經(jīng)濟上更具有競爭力。

根據(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)組織的估計，到2050年中國電制氫的規(guī)模將達到5000萬噸，折合電能約為30000億千瓦時，約為2019年全國用電量的40%，發(fā)展空間巨大。

在“力爭2030年前碳達峰、努力爭取在2060年前碳中和”的背景與目標下，電氫系統(tǒng)將在未來能源系統(tǒng)中扮演重要的角色。當前，已有部分電氫耦合項目開始落地規(guī)劃。

1、慈溪氫電耦合直流微網(wǎng)示范工程：氫電耦合國家重點項目

2021年3月30日，國家重點研發(fā)計劃項目“可離網(wǎng)型風(fēng)/光/氫燃料電池直流互聯(lián)與穩(wěn)定控制技術(shù)”項目實施方案論證暨啟動會在杭州召開，這是國家電網(wǎng)公司牽頭承擔的氫能相關(guān)的國家重點項目。該項目將在寧波建成“氫電耦合直流微網(wǎng)示范工程”，*實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化，計劃在2022年6月前建設(shè)成為擁有先進水平的氫能直流微網(wǎng)示范基地，提供氫能關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化的技術(shù)驗證。

據(jù)悉，該工程每日制氫規(guī)模可超100千克、供熱能力超120千瓦，滿足10輛氫能燃料電池汽車加氫、50輛純電動汽車直流快充對電網(wǎng)的沖擊需求，在制氫、儲氫、用氫等環(huán)節(jié)的規(guī)模均位于省內(nèi)氫能示范工程，裝備性能達到先進水平。

未來，慈溪氫電耦合直流微網(wǎng)示范工程將與寧波氫能上下游產(chǎn)業(yè)布局高度契合，形成集科研、制取、儲運、交易、應(yīng)用一體化的“零碳”氫能產(chǎn)業(yè)體系。

2、浙江杭州低碳氫電耦合應(yīng)用示范項目

2021年10月18日，杭州亞運低碳氫電耦合應(yīng)用示范項目在浙江杭州錢塘區(qū)正式啟動建設(shè)。這是浙江省融合柔性直流、氫電耦合、多能互補的低碳園區(qū)。

杭州亞運低碳氫電耦合應(yīng)用示范項目投運后，格力電器杭州生產(chǎn)基地可利用清潔能源與電網(wǎng)谷電制備氫氣，供氫量每天可達200千克。這些氫氣將供給基地的氫燃料大巴車和物流車使用。制氫時產(chǎn)生的氧氣將用于空調(diào)生產(chǎn)焊接助燃，系統(tǒng)運行產(chǎn)生的余熱可供高溫注塑使用。

該項目預(yù)計每年可減少基地用能成本約256萬元，減少碳排放860噸。基地的單位產(chǎn)值能耗可下降約22%，每天需要的大電網(wǎng)負荷從6400千瓦減至5010千瓦以下。

3、縉云城水氫生物質(zhì)近零碳示范工程

該工程位于浙江省麗水市景云上湖，將建成基于鄉(xiāng)村場景的水-光-氫-生物質(zhì)綜合利用示范工程，該工程將構(gòu)建以電為核心的多能轉(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，形成電氫生物質(zhì)協(xié)同的鄉(xiāng)村碳中和樣本，工期計劃2022年8月底投產(chǎn)。

4、深圳市光明區(qū)公明氫電耦合綜合能源示范站

該45MPa氫電氣耦合站隸屬深圳市深燃燃氣技術(shù)研究院，占地面積約3000m²，加氫能力1000kg/天，并同時具備充電樁和制氫功能，可解決深圳地區(qū)加氫站從無到有的問題。2021年3月17日公開相關(guān)信息。