儲氫在新型電力系統中應用的關鍵問題及建議

電力規劃設計總院黨委書記、院長 杜忠明

大規模高比例可再生能源電力的接入，對構建新型電力系統提出了巨大挑戰。首先，風電和光伏在時間維度上具有周期特征的間歇波動性、在空間維度上具有資源稟賦的差異性，新型電力系統承擔著復雜繁重的消納任務，需要在不同時間尺度、以不同能源載體形式提高系統靈活響應能力；其次，當前我國電力系統的新型儲能技術形式以儲電尤其是電化學儲能為主，難以滿足大規模、長周期、跨季節的電力調節需求；第三，提高煤電機組靈活調節能力、降低煤電機組最小技術出力同樣是現階段讓渡可再生能源電力、提高可再生能源利用水平的重要手段之一。但是隨著我國碳中和進程的不斷推進，提高非化石能源消費占比是降低碳排放最直接有效的方式。因此，新型電力系統亟需挖掘多元穩定的清潔低碳能源載體，為構建安全可靠的電力系統運行體系提供堅強支撐和有力保障。

氫能作為一種來源廣泛、清潔靈活、應用場景豐富的二次能源，在化工、交通、能源電力、建筑等領域均涉及應用。在構建新型電力系統的背景下，氫能是電能的重要能量轉換載體，基于各類可再生能源制氫技術為基礎的電氫應用體系可以靈活地實現電能-氫能的雙向互動轉化，因地制宜形成滿足電、熱、冷多元化能源需求的多能互補系統，是可再生能源電力的有力補充。

儲氫是電氫應用體系中的重要環節，可以克服新能源電力存儲難以大規模、長周期、跨季節的局限性，助力提高新型電力系統的低碳電源支撐能力。下面主要從構建新型電力系統的角度對儲氫規模和儲氫形式兩個關鍵問題進行討論，并提出儲氫技術應用在電力領域應用的發展建議。

儲氫規模宜合理優化、按需配置形式應因地制宜、經濟可行

隨著構建新型電力系統進程的不斷推進，發展長時間尺度、大規模儲能技術的緊迫性逐漸凸顯。已經商業化的大規模儲能技術主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、熱水/熔鹽等儲熱技術。但抽水蓄能的建設受廠址條件嚴格限制，熔鹽儲熱技術主要應用于光熱發電領域，壓縮空氣儲能技術正在商業化示范的初期。鑒于氫能具有靈活應用的優勢并且可以進行大規模、長周期儲存，儲氫技術受到了廣泛關注。

幾種主要儲能形式的儲能容量和儲能時長

雖然儲氫從時間尺度角度講具有長周期、跨季節的優勢，但是電-氫-電的轉化效率實際僅有40%左右，遠遠低于鋰離子儲能的效率。因此，如果一味增加儲氫規模會顯著降低系統整體發電效率，減少可再生能源電量，直接影響經濟性；但如果儲氫規模過小則會難以滿足長時間儲氫的需求，不利于提高可再生能源消納水平。因此，按需合理配置儲氫規模是充分發揮儲氫技術在新型電力系統中優勢的重要方面。

以內蒙古風光資源較好的地區為例，以電源基地風電/光伏/火電裝機規模為4000MW/8000MW/4000MW、 配置1000MW/2000MWh鋰離子儲能為基礎條件，當固定配置500MW 電解水制氫系統、儲氫時長從以2小時為間隔從2小時增加到16小時，氫電系統發電量隨儲氫時長的變化依次為1.05、1.77、1.98、1.99、1.99、2.00、2.00、2.00。可以看出，當儲氫時長從2小時增加至6小時時儲氫發電量增加明顯，之后隨著儲氫時長的增加發電量增加并不明顯，這說明大規模儲氫的時長存在一個最優值，并非時間越長越好；第二，在給定的資源條件下氫能量存儲可以跨天，從而實現長周期儲能，而鋰電是日內、日間充放電，這說明相比于鋰電儲能儲氫具有長時間尺度儲能的優勢；第三，電氫系統的充放電效率遠小于鋰電，這也導致了電氫系統的能量利用率低，因此，電氫循環系統適用于峰谷價差較大或需要長周期、大規模消納棄風棄光的場景。

仍以內蒙古風光資源較好的地區為例，以電源基地風電/光伏/火電裝機規模為4000MW/8000MW/4000MW、 配置1000MW/2000MWh鋰離子儲能為基礎條件，儲氫時長6小時、儲氫容量以100MW 為間隔從200MW 增加至1000MW，以可再生能源電解水制氫—氣體儲氫—氫燃料電池發電體系的氫電系統發電量隨儲氫容量變化依次為0.83、1.23、1.61、1.99、2.35、2.69、3.03、3.34、3.67。

可以看出，隨著儲氫容量的增加氫電系統的發電量明顯增加，這主要是因為儲氫容量增加后，平抑瞬時風電、光伏波動性的能力增強了，但氫電循環裝置的利用小時數并不是隨之增加的，而呈現先增加后降低的趨勢。這是因為儲氫容量存在一個結合經濟性確定的最佳儲氫容量，當設計儲氫容量小于最佳儲氫容量時不能滿足消納風光的需求；而當設計容量大于最佳儲氫容量時，雖然氫電循環發電量增加、可再生能源利用水平提高，但氫電循環裝置利用小時數下降，實際運行過程中部分裝置可能僅在少數風電峰值時刻運行，其他時間備用或停機從而導致全年閑置時間較長，由此增加的建設運行費用有可能難以滿足項目經濟性要求。因此，合理優化儲氫容量是兼顧可再生能源消納利用和技術經濟性的必然要求。

儲氫形式的劃分有多種說法，一種是以物理形態區分，即氣態儲氫（氣瓶壓縮儲氫，地質儲氫）、液態儲氫（低溫液態儲氫，有機液態儲氫）、固態儲氫（金屬氫化物儲氫）；一種是以化合狀態區分，即氫單質狀態（氣瓶壓縮儲氫，地質儲氫，低溫液態儲氫）、氫化合狀態（有機液態儲氫，金屬氫化物儲氫，氨、甲醇等儲氫）。最早期國內均是以物理形態區分儲氫形式，當時氨和甲醇尚未被納入到儲氫體系中。近年來，隨著對儲氫技術認識的不斷加深，鑒于氨和甲醇等氫化合物作為儲氫方式具有運輸便捷經濟的優勢，逐漸也被納入了儲氫體系中。在新型電力系統中，氫電循環中儲氫的上游制取環節為可再生能源電解水制氫，下游利用環節一般為燃料電池和氫燃機，因此，儲氫被視為是一種提高電力系統靈活性和增加可再生能源電量的方式，且不同類型的燃料電池和氫燃機對氫氣入口的純度要求也有所差異。

在送端來說，儲氫可以和電化學儲能配合應用于大型多能互補綜合能源基地中，電化學儲能用于短時調峰、調頻，儲氫則在新能源發生季節性波動和非常規天氣狀況時發揮長周期、大規模儲能的優勢。在這種情況下，采用儲罐儲氫顯然是不經濟的，在眾多儲氫技術路線中，利用鹽穴、廢棄礦井、含水層等特殊地質條件進行氫氣存儲是長期規模化儲氫的最佳途徑之一。國際上已經開展了利用鹽穴進行規模化儲氫的嘗試，充分說明了該技術路線的可行性，四個已經建成的鹽穴儲氫項目分別位于美國Clemens Dome（1986年建成、體積容量580×103m3、儲能容量81×103m3）、Moss Bluff（2007年建成、體積容量566×103m3、儲能容量123×103m3）、Spindletop（體積容量906×103m3、儲能容量274×103m3）和英國Tesside（1972年建成、體積容量210×103m3、儲能容量27×103m3）。

在受端來說，儲氫主要作為削峰填谷、需求側響應的一種儲能形式，可選擇的儲氫形式比較靈活。可以根據具體的應用場景選擇氣罐壓縮氫氣儲氫、金屬氫化物的固態儲氫形式或低溫液態、有機液態等液態儲氫形式，若氨燃機進一步技術成熟后，也可以選擇儲氨的形式。但具體儲氫形式的確定應重點考慮儲氫下游氫-電系統的技術路線，結合對氫氣純度要求而統籌考慮確定。

發展建議

新型電力系統具有適應大比例可再生能源且全面低碳化的特征，因此在未來的新型電力系統中，能夠大容量、長時間尺度充分消納利用可再生能源的儲氫技術是其他儲能形式的有益補充，是推動多能互補和源網荷儲一體化發展的重要手段。

推動各種儲氫技術裝備的技術進步和發展，鼓勵開展能源電力領域范圍內的不同場景、不同規模的儲氫技術示范，為高比例可再生能源接入電力系統進行技術儲備。結合可再生能源電力制氫為制取環節、燃料電池發電或氫燃機發電為利用環節的不同應用模式，探索在電源側、電網側、用戶側因地制宜開展不同儲氫技術形式的示范，形成不同儲氫技術的適用應用場景及規模配置建議。

盡快完善能源電力領域電氫循環體系的技術標準規范，明確氫的能源屬性，建立能源電力領域氫能利用的安全監管和風險評價體系。一方面，氫能現階段仍然按危化品進行管控，由氫合成的甲醇和氨同屬危化品，這使得氫的能源化利用存在諸多障礙；另一方面，氫能尚未建立完整完善的制、儲、運、用各環節的技術標準體系，尤其是在氫電應用方面，如電解水制氫系統的電力系統接入、電氫系統集成優化設計規范、電氫循環項目的安全管理規范等，未來仍然需要進一步研究制定相關標準規范體系，以支撐氫能的健康、穩步發展。

建立健全電力市場、碳市場的市場機制，客觀反映以可再生能源電解水制氫為基礎的綠氫及儲氫在新型電力系統中的實際價值。現階段，可再生能源電解水制氫價格仍然較高，規模化儲氫技術尚未具備技術經濟性，然而在“雙碳”目標下，具有綠色低碳屬性的大規模、長周期的儲氫及其轉化為的電力必將是維持新型電力系統供需平衡和保障系統安全的重要方式，相應地，必須盡快建立健全能源、電力系統輔助服務和價格形成機制，加快完善碳市場相關機制，客觀反映儲氫的實際價值。