發展氫能破局張家口新能源產業消納困境

孟凡英，許燕飛

(張家口職業技術學院 機電工程學院，河北 張家口 075000)

引言

1 碳中和呼喚新能源的發展

1.1 碳中和項目中國的目標

將全球變暖控制在1.5攝氏度，這是巴黎協定的目標，需要到2050年實現全球二氧化碳凈零排放。因此，自2015年巴黎峰會以來，覆蓋全球經濟約三分之二的凈零目標的存在代表著氣候雄心的顯著進步。設定與科學一致的長期目標可以成為行動的重要驅動力，但如果不立即采取行動，長期目標將永遠遙不可及。

截至2021年4月，已有超過130個國家和地區提出碳中和目標，部分國家已進入立法階段，如表1所示。

表 1 世界各國實現碳中和目標年份

中國力爭于2030年前達到碳達峰，努力爭取2060年前實現碳中和。碳達峰是指我國二氧化碳的排放在2030年前不再增長，達到峰值后逐步降低。碳中和是指我國在2060年前，通過二氧化碳去除技術，抵消自身的二氧化碳排放，實現凈零排放。

1.2 碳中和項目中氫能發展的可行性

由于對碳減排和能源供應安全的擔憂，可再生能源(RE)技術在過去幾十年中受到各國的青睞。到2020年底，全球可再生能源發電能力達到2802 GW，其中水電占最大份額(1333 GW)。2020年，太陽能和風能裝機容量分別增加了126 GW和110 GW。可再生能源在全球發電量中的份額從2019年的27 %上升到2020年的29 %[1]。與此同時，長期以來不使用化石燃料生產的綠色氫氣(H2)被認為是清潔能源，有助于世界實現凈零排放目標。RE技術在全球范圍內的迅速發展以及綠色H2S技術的發展為實現碳中和目標提供了一個很有前景的解決方案。

氫氣作為一種低碳清潔能源正在全球范圍內復蘇，并被認為是一種替代能源載體，可以幫助世界實現碳中和。然而，擴大規模是限制氫經濟增長的主要挑戰之一。關于氫能在全球能源轉型中的關鍵作用，目前已有一些研究在進行中。由于再生能源具有內在的輸出間隔性，因此要可靠和安全地運行高可再生能源系統是一項挑戰。同樣，氫能也被用于彌補發電與消納之間的不匹配[2]。研究發現，由可再生能源生產氫能可以改變目前的能源市場格局,此外利用風力發電生產氫氣的商業可行性在參考文獻[3]中進行了研究。可作為可再生氫氣生產和利用的完整可行性研究，特別是對氫氣在低碳能源系統中可能扮演的角色進行了全面評述[4]。結果表明，H2的成本和性能方面的挑戰依然存在，要使H2具有真正的競爭力，還需要相當大的改進。

實踐中，H2在運輸、工業加工、燃料電池和加熱方面已經有了廣泛的應用。盡管有這些機會，但在大規模生產H2方面仍然存在挑戰和問題。在參考文獻[5]中研究了各種H2的生產途徑和相關技術，包括綠色、藍色和灰色氫能。為了促進H2經濟的發展，參考文獻[5]也對當前的挑戰、未來的方向和政策建議進行了研究，要成功地將全球綠色能源產業商業化并擴大其規模，需要大量的新投資。

目前，壓縮和液化H2的儲存成本很高，而長距離運輸H2O在經濟上是不充分的。盡管人們越來越多地考慮H2載體，如氨、甲烷和甲醇，但人們對它們的認證和使用時產生的排放感到擔憂。在參考文獻[6]中研究了各種壓縮H2儲存技術(例如儲存容器、地質儲存和其他地下儲存替代方案)，探討了每種儲存和運輸技術的操作原理、局限性和挑戰。該分析證實，在實際應用中需要進行技術經濟鏈分析，以評估特定選項相對于另一個選項的可行性。

2 張家口新能源產業發展現狀

張家口是重要的能源輸出基地。建國后從最早的煤電開始就是首都北京的重要能源供應站，隨著張家口新能源產業及國內特高壓輸變電技術的發展，風電、光伏等逐漸興起的可再生能源也源源不斷地輸送至京津地區。

“剛到寺院時，也挺想家的，加上當時僧舍落魄、衣食貧乏，沒少受苦。下雨時，經常會有雨水漏進來。那時一個青稞饅頭大家會輪著啃，很多時候飯都吃不飽的。好在寺院所在地農仁村的人，會經常接濟我們。”陳蓮曲珠說。

2.1 北京2022冬奧會促進張家口新能源產業高速發展

2022冬奧會，從2019年年中的籌備工作開始到奧運會結束，各場館將需要約400吉瓦時(GWh)的電力，這相當于中國約18萬戶家庭的年用電量。北京—張家口并沒有簡單地通過交易機制購買可再生電力的綠證，而是利用奧運會開辟了一個專用的可再生能源電網。為了實現100 %可再生電力目標，使用跨地區的“綠色電力交易”機制，在交易平臺上，冬奧會電力需求被優先考慮，場館可以以更低的價格購買可再生電力。

這些電力主要來自張家口的11家風能和太陽能發電公司，冬奧會加快了張北可再生能源柔性直流電網的建設。北京2022年冬奧會依靠張家口市新建的基礎設施，這是一個耗資20億美元的項目，于2020年6月啟動，用于分配風能和太陽能，并通過抽水蓄能來調節產出的變化。張家口的風電和太陽能裝機也有所加快，裝機容量達到23.4 GW，包括16.4 GW風電和7.0 GW太陽能。如果張家口是一個國家，它的風能和太陽能總裝機容量將排在世界第12位，如下圖1所示，僅次于巴西，但領先于越南。

圖 1 張家口地區清潔能源世界排名

2022年冬奧會，張家口市賽區共投入氫燃料大巴車710臺，包括賽區623輛。后奧運時代的4年內，張家口制氫量達到5萬噸以上，建成加氫站14座，推廣燃料電池公交車、通勤客車、物流車、重卡、環衛車總共1130輛。

2.2 國家政策支持促進張家口新能源產業穩健前進

張家口是華北地區風能和太陽能資源最豐富的地區之一，也是京津冀地區重要的生態涵養區和國家規劃的新能源基地之一。2015年7月，張家口可再生能源示范區成為首個由國務院批復同意的新能源示范區，并由國家發展改革委發布示范區發展規劃。2022年國家發改委印發《張家口可再生能源示范區發展“十四五”規劃》。根據《規劃》，以碳達峰、碳中和為主線示范區探索新體制、新機制，健全完善可再生能源市場體系。突破制約可再生能源協同發展體制機制障礙，著力推進規劃管理、電力市場交易和跨區利益補鏈等改革創新，為構建新型電力系統、京津冀綠色能源一體化聯動發展提供支撐。到2025年，示范區新能源利用率達到95 %以上，可再生能源終端消費占比45 %，可再生能源提供70 %的電力消費。

3 發展氫能讓張家口新能源產業形成閉環

張家口是風電集中建設區，消納問題較為嚴峻，由于電網建設滯后于風電項目的建設，在局部地區受電網送出建設、當地消納能力等因素的影響，風電輸出問題制約風電項目的開發。在清潔能源、碳中和大背景下，若風電制氫形成可復制推廣模式，不僅可解決棄風問題，風電轉換后儲氫也將成為儲能的一種重要形式。在可再生能源方面，目前光伏與風電行業均已處于平價前夕，平價后行業發展將由政策驅動轉變為消納驅動，電網消納能力將成為制約行業發展的首要因素。與基于化石能源的電能和石油制品生產方式相比，可再生能源具有地域分布偏遠和生產不穩定的特性，氫能與電能的深度耦合恰能支撐更高份額的可再生能源電力的發展，主要表現為：氫能可滿足可再生能源規模化、長周期儲能需求；氫能可作為燃料，通過燃料電池為交通和工業領域提供電能、熱能，有效降低化石能源的使用，繼續提升電力在能源系統中的比重。

3.1 張家口氫能是最清潔的綠氫

根據來源分類，氫能可分為灰氫、藍氫和綠氫，如圖2。

圖 2 氫能種類

氫能未來發展的一個重要問題是擺脫并取代對傳統化石能源制氫。統計表明全球約96 %的氫能來自化石能源制氫和工業副物制氫。因此，即便從消費端氫能得到大規模推廣應用，但從生產端不擺脫制氫對化石能源的依賴，依然無法實現深度脫碳[1-2]。蓬勃發展的可再生能源制氫的CO2排放量遠低于化石能源制氫，有利于氫能實現資源與環境的雙重可持續發展。

張家口氫能產業能源端主要來源為風電、太陽能等清潔能源，電解水制氫是“零碳排放”模式下氫氣的主要來源，俗稱“綠氫”。“綠氫”制造是將風電、光伏等生成的電能通過電解水技術制備成氫氣，將氫氣輸送至加氫站或通過氫電池發電進行電網調峰。實現可再生能源轉化氫能和氫能轉化為電能。

3.2 張家口需引進或發展的氫能技術

可再生能源因其自然稟賦的特性，其發電具有間歇性、波動性等特點，使得接入電網的能荷比例受到限制，疊加本地電能消納能力不足，張家口新能源發展經歷過較為嚴重的棄風、棄光階段。張家口制氫需要引進的技術領域包括區域綜合能源多能互補優化調度數字化平臺、高效低成本制氫技術和新型氫能存儲技術。

3.2.1 區域綜合能源多能互補優化調度數字化平臺

建設張家口源網荷儲一體化及多能互補平臺，利用物聯網、大數據、智能AI等技術，實現電源側、負荷側、儲能側的各類可控資源的數據接入、數據處理，實現數據資源透明感知、特性建模、性能評估和建模應用，為電力系統提供資源信息管理、評估、生產、資源可調控能力及交易能力評估和可調負荷應用服務夯實數據基礎，并提供準確的評估手段。有效促進源網荷儲資源靈活互動，促進新能源消納，合理削峰填谷，減少電網建設投資成本，提高可再生能源的有效利用。

3.2.2 高效低成本制氫技術

堿性與PEM電解水技術各具優勢，目前堿性電解槽成本更低，而PEM對波動性電源的適應能力更強[7]，兩者各有其適用場景，需要通過技術示范，來探索技術路線的選擇。目前國內的堿液電解槽技術已在全球處于較領先地位，而PEM的部分裝置仍然依賴進口，導致成本較高。面對新能源的波動性，堿液電解槽比PEM遜色，所以未來需要引進或發展PEM電解水技術，進一步提高張家口綠色氫能的經濟性。

3.2.3 新型氫能存儲技術

新型儲能技術可以克服目前電力供需時間上峰谷錯配、空間上生產遠離消費的缺陷，儲能生產具有快速響應電網波動的特點，可有效應對新能源生產不穩定，充分提高可再生能源的利用率，因此，張家口規模化發展新型氫能存儲勢在必行。可再生能源高比例消納需要快速增加電力系統調峰、調頻、備用等靈活性資源，科學合理的儲能應用可以為電力系統提供調峰、調頻、備用、電壓支持等服務，將在以新能源為主體的新型電力系統中發揮重要作用。從氫—電耦合的角度來看，電解水合實現了電能到氫能的轉換，氫能還可以通過燃料電池轉換為電能。大規模低成本的儲氫技術便成了電力儲能的重要研究方向，為擴大張家口可再生能源應用的便利性和提升應用規模，規模化低成本儲氫技術是未來需要引進和發展的重點方向之一。

結語

本文對碳中和背景下張家口新能源產業的發展進行了梳理、分析和總結，得出發展氫能可破解張家口新能源消納難題，同時可以促進新能源產業的進一步發展。對張家口未來需要在氫能方面引進和發展的重點技術領域進行了研究，對張家口可再生能源產業的穩健發展具有重要參考價值。