作者 | 劉林 張絲鈺 盧靜 李蘇秀
氫能作為一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應(yīng)用場景豐富的二次能源，是支撐能源轉(zhuǎn)型變革、構(gòu)建現(xiàn)代能源體系的重要載體，未來與電網(wǎng)的關(guān)系將更加密切。
2020年，國家能源局發(fā)布《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》首次將氫能正式列為能源；隨后，國家“十四五”規(guī)劃中也確立了氫能的戰(zhàn)略定位，可以預(yù)見，未來在技術(shù)、成本、機(jī)制、政策突破的前提下，氫能將迎來更大發(fā)展。預(yù)計(jì)2030年我國氫能在終端能源消費(fèi)的占比約為6%，2060年占比有望超過15%。
“雙碳”目標(biāo)下，未來氫能將以新能源制氫（綠氫）為主要來源，成為多元清潔能源供應(yīng)體系的重要組成部分。一方面，制氫可以大量消納清潔能源發(fā)電，提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力；另一方面，氫能可以填補(bǔ)電能在部分高耗能、高排放領(lǐng)域的替代能力不足，助力能源消費(fèi)側(cè)深度脫碳。
電氫耦合，如何互補(bǔ)？
習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)委員會第九次會議中指出，要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)的核心特征是新能源成為電力供應(yīng)的主體。面對新能源的高度波動性和不確定性等特點(diǎn)，“電-氫”耦合體系可以突破可再生能源的發(fā)展限制，有效推動多種能源方式互聯(lián)互濟(jì)、源網(wǎng)荷儲深度融合，實(shí)現(xiàn)清潔低碳、安全可靠、智慧靈活、經(jīng)濟(jì)高效等目標(biāo)。
氫能是連接氣、電、熱等不同能源形式的橋梁，與電力系統(tǒng)形成互補(bǔ)協(xié)同關(guān)系。
預(yù)計(jì)近期就地制氫將成為主要發(fā)展方向，作為電網(wǎng)可變負(fù)荷吸納新能源的波動性；中遠(yuǎn)期來看，可再生能源制氫不斷發(fā)展，氫能在化工、冶金和交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，氫能與電網(wǎng)耦合關(guān)系逐步增強(qiáng)，以制氫為主要負(fù)荷的局部電網(wǎng)與大電網(wǎng)融合互聯(lián)。
尤其是在新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建中，氫能具有重要戰(zhàn)略價(jià)值，其可在大容量載體、靈活調(diào)節(jié)器和穩(wěn)定保障資源三方面發(fā)揮重要作用。
首先，氫能可以成為新型電力系統(tǒng)消納新能源的大容量載體。電制氫產(chǎn)生的可時(shí)移電量需求將擴(kuò)大新能源消納空間，通過電制氫運(yùn)行控制策略與新能源出力波動的緊密耦合，實(shí)現(xiàn)新能源的充分消納利用，緩解棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。將氫能與富余新能源發(fā)電耦合發(fā)展可以有效降低制氫成本，促進(jìn)氫能規(guī)模化推廣應(yīng)用。預(yù)計(jì)2030年新能源制氫用電量約2000億千瓦時(shí)；2060年有望達(dá)到約2萬億～4萬億千瓦時(shí)。
其次，氫能可以作為參與新型電力系統(tǒng)高效運(yùn)行的靈活調(diào)節(jié)器。電制氫既是靈活性負(fù)荷，又可作為儲能，為新型電力系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的調(diào)節(jié)資源。當(dāng)前堿性電解水制氫負(fù)荷在50%～100%內(nèi)可調(diào)；未來質(zhì)子交換膜電制氫設(shè)備的調(diào)節(jié)范圍高達(dá)160%，冷啟動時(shí)間為5分鐘。短周期來看，啟停響應(yīng)速度較快的電制氫廠站可以提供調(diào)頻等輔助服務(wù)，提升系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。長周期來看，通過氫能可實(shí)現(xiàn)電能的大規(guī)模、長周期存儲，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨季節(jié)調(diào)峰，優(yōu)化新型電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配置能力。
最后，氫能可以充當(dāng)新型電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定供應(yīng)的保障資源。氫能作為長周期能源儲備的優(yōu)良載體，如高壓氣罐、液態(tài)、氫轉(zhuǎn)氨、氫轉(zhuǎn)甲烷等儲氫方式，對提升電網(wǎng)韌性和保障能源安全具有重要意義。氫能的大規(guī)模利用可以實(shí)現(xiàn)電-氣、氣-電的靈活轉(zhuǎn)換，推動電網(wǎng)與氣網(wǎng)深度融合，充分利用電網(wǎng)響應(yīng)速度快、能源效率高的優(yōu)勢和氣網(wǎng)適宜能量存儲的優(yōu)勢，顯著增強(qiáng)電力系統(tǒng)應(yīng)急保供能力。此外，儲氫作為重要戰(zhàn)略資源在終端可以替代進(jìn)口油氣，大幅降低我國能源對外依存度，對保障能源安全具有重要意義。
2021年5月25日，巴黎的地標(biāo)性建筑——埃菲爾鐵塔通過綠氫發(fā)電點(diǎn)亮。
電氫耦合，如何跨界？
對“雙碳”目標(biāo)而言，氫能是不可或缺的支撐載體。氫能有望填補(bǔ)電能的不足，助力能源消費(fèi)側(cè)部分高能耗、高排放領(lǐng)域的深度脫碳。
對新型電力系統(tǒng)而言，氫能是電化學(xué)儲能的重要補(bǔ)充，在快速發(fā)展的情況下甚至可以與其他儲能方式共同成為“多足鼎立”的支柱。氫能可以彌補(bǔ)電化學(xué)儲能難以實(shí)現(xiàn)長周期調(diào)節(jié)、核心稀有金屬材料依賴進(jìn)口以及全生命周期污染嚴(yán)重等不足，實(shí)現(xiàn)從秒級到季節(jié)的負(fù)荷平移與優(yōu)化，對全時(shí)段源荷電量平衡具有重要意義。
未來，電氫耦合可從以下三方面發(fā)力。
一是積極開展相關(guān)研究，助力電-氫協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)的突破。近期加快研究適應(yīng)新能源動態(tài)特性以及復(fù)雜工況下的電解制氫系統(tǒng)動/靜態(tài)響應(yīng)特性與建模方法、以新能源為主體的電力系統(tǒng)中電解堆適應(yīng)性評價(jià)和表征方法、源-網(wǎng)-氫互動的全系統(tǒng)協(xié)同控制技術(shù)，做好氫能規(guī)?；l(fā)展下的技術(shù)儲備。
二是加快圍繞電、氫、氣、冷、熱一體化的多能綜合規(guī)劃技術(shù)研究、工程示范建設(shè)和運(yùn)行方式探索。在現(xiàn)有綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合微電網(wǎng)、有源配電網(wǎng)、局部直流電網(wǎng)等場景，研發(fā)考慮氫能時(shí)空特性的一體化規(guī)劃建模方法；選取新能源滲透率高和消納需求迫切的區(qū)域，從源側(cè)和荷側(cè)開展圍繞電-氫協(xié)同的多能互補(bǔ)示范工程；探索獨(dú)立電網(wǎng)供電制氫、自建電站組網(wǎng)供電制氫以及自建電站與電網(wǎng)聯(lián)合供電制氫等典型模式的系統(tǒng)運(yùn)行方式。
三是密切跟蹤掌握氫能產(chǎn)業(yè)動態(tài)，探索共建、共享、共贏的商業(yè)模式。拓展電網(wǎng)、石化、發(fā)電等能源企業(yè)合作，探索新能源電制氫和氫儲能參與電力調(diào)峰的商業(yè)模式，探索交通領(lǐng)域的油氫電一體化供能服務(wù)站和建筑領(lǐng)域“電氫氣熱冷”綜合能源供應(yīng)站的建設(shè)運(yùn)營模式，共同推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。
電氫互補(bǔ)的前提
在新型電力系統(tǒng)中，盡管電氫耦合被賦予諸多想象，但在當(dāng)下的制氫環(huán)節(jié)，我們?nèi)孕枰瓤邕^幾道關(guān)卡。
一是成本關(guān)。氫能成本居高不下，體現(xiàn)在由于基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、技術(shù)成熟度不高，導(dǎo)致其各環(huán)節(jié)成本都較高。在氫能成本中，氫氣制取、儲運(yùn)、加注成本分別占到約44%、24%、32%。作為實(shí)現(xiàn)電氫耦合的關(guān)鍵，綠氫終端價(jià)格需降低至40元/千克以下（預(yù)計(jì)2030年）才具有競爭力。
二是機(jī)制關(guān)。針對綠氫設(shè)備的補(bǔ)貼機(jī)制尚不完善；電解槽需要較高利用小時(shí)來分?jǐn)傇O(shè)備投資成本、降低制取成本，而作為可控負(fù)荷必將降低設(shè)備利用效率，如何通過調(diào)峰等輔助服務(wù)方式獲得經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，相關(guān)市場機(jī)制還不明確；綠氫的溯源、認(rèn)證和強(qiáng)制配額等機(jī)制也亟待探索。
三是效率關(guān)。氫能從全環(huán)節(jié)利用效率來看，一般在30%左右，這就涉及所謂“可再生能源額外性原則”，即如果可再生能源產(chǎn)生的電力有其他更適宜用途，就不應(yīng)該利用電力生產(chǎn)綠氫。綠氫應(yīng)該用富余的可再生能源產(chǎn)能來生產(chǎn)。這樣就需要可再生能源的大規(guī)模發(fā)展以及氫能各環(huán)節(jié)效率大幅提升。
四是工程關(guān)。長周期儲能的方式，如液氫儲能，存在低溫條件嚴(yán)格以及日常揮發(fā)逸散等問題；鹽穴、洞穴儲能的選址、泄漏等問題都需要攻克，目前也都處于探索階段；氫轉(zhuǎn)氨、甲醇、液態(tài)有機(jī)氫等方式，由于轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)進(jìn)一步增加，成本和效率將受到影響，其儲能價(jià)值發(fā)揮還需工程驗(yàn)證和技術(shù)突破。
五是標(biāo)準(zhǔn)關(guān)。缺乏圍繞其能源屬性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括氫氣制取、儲運(yùn)、加注標(biāo)準(zhǔn)以及燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系。并且氫能作為能源缺乏核心主管部門，在制氫站和加氫站等配套設(shè)施的建設(shè)上都存在審批難的問題，這也在一定程度上阻礙了氫能的發(fā)展。
（作者均供職于國網(wǎng)能源研究院有限公司）
