氫能是現(xiàn)代能源體系的重要組成部分，將深刻影響中國能源應(yīng)用的前景。氫儲(chǔ)能是解決可再生能源消納和緩解峰谷電差的有效方式之一。

　　通過電轉(zhuǎn)氫技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、長期、廣域的儲(chǔ)能。氫儲(chǔ)能或?qū)⒊蔀槲磥碇卮髣?chuàng)新技術(shù)，可有效彌補(bǔ)電能存儲(chǔ)性能差的短板，有力支撐高比例可再生能源發(fā)展，有助于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提升能源系統(tǒng)整體效率，促進(jìn)能源革命。但氫儲(chǔ)能現(xiàn)階段真的可行么?

　　氫儲(chǔ)能是什么?

　　目前氫氣制取主要有以下三種較為成熟的技術(shù)路線：一是化石燃料制氫;二是工業(yè)副產(chǎn)氫尾氣提純制氫;三是電解水制氫。

　　國家能源局統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2021年，我國可再生能源新增裝機(jī)1.34億千瓦，占全國新增發(fā)電裝機(jī)的76.1%。可再生能源發(fā)電量穩(wěn)步增長，2021年，全國可再生能源發(fā)電量達(dá)2.48萬億千瓦時(shí)，占全社會(huì)用電量的29.8%。

　　發(fā)展切實(shí)有效的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，對(duì)消納棄電、保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義。

　　四大儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比

　　下表給出了幾種儲(chǔ)能方式的綜合比較：

　　

 

　　注：* 表示電站通常設(shè)計(jì)使用壽命;** 堿性電解設(shè)備壽命15 年，燃料電池發(fā)電受制于現(xiàn)階段的技術(shù)成熟度，壽命約 6年，綜合取 10 年。

　　目前較為成熟的儲(chǔ)能方式主要有抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能兩大類。抽水蓄能電站需要具有發(fā)達(dá)的水系和優(yōu)良的地質(zhì)條件，并且建設(shè)周期長;電化學(xué)儲(chǔ)能近些年發(fā)展迅速，但由于成本較高，電池壽命只有五年左右，并且廢舊電池處理面臨諸多環(huán)保問題。

　　目前在容量需求小的調(diào)頻率儲(chǔ)能應(yīng)用較多，大規(guī)模調(diào)峰儲(chǔ)能應(yīng)用不具有經(jīng)濟(jì)可行性。其他方式的儲(chǔ)能包括壓縮空氣儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能(超級(jí)電容器、超導(dǎo)儲(chǔ)能)和熱儲(chǔ)能等，受制于技術(shù)成熟度、成本、效率等方面因素影響，目前難以做到大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

　　氫儲(chǔ)能技術(shù)是利用電力和氫能的互變性而發(fā)展起來的：

　　利用電解制氫，將間歇波動(dòng)、富余電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存起來;在電力輸出不足時(shí)，利用氫氣通過燃料電池或其他發(fā)電裝置發(fā)電回饋至電網(wǎng)系統(tǒng)。

　　電解水制氫技術(shù)成熟，工藝簡單，清潔環(huán)保，制取的氫氣和氧氣純度高，而且設(shè)備單機(jī)容量大，市場成熟產(chǎn)品可做到 5 MW/ 臺(tái)，制氫量 1000 Nm3/h，可大規(guī)模使用。

　　氫儲(chǔ)能目前存在的問題是效率較低、造價(jià)高。電解水制氫效率達(dá) 65%~75%，燃料電池發(fā)電效率為 50%~60%，單過程轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高，但電 - 氫 -電過程存在兩次能量轉(zhuǎn)換，整體效率較低。

　　

 

　　氫儲(chǔ)能調(diào)峰站造價(jià)估算表

　　制氫設(shè)備的單位造價(jià)約 2000 元 /kW，儲(chǔ)氫和輔助系統(tǒng)造價(jià)為 2000 元 /kW，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)造價(jià)約9000 元 /kW，燃料電池的投資占到氫儲(chǔ)能系統(tǒng)總投資的接近 70%;且現(xiàn)階段規(guī)模化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用較少，技術(shù)成熟度、系統(tǒng)壽命有待驗(yàn)證。

　　傳統(tǒng)意義的氫儲(chǔ)能是電 -氫 -電的轉(zhuǎn)換，前文已論述存在效率低、價(jià)格高的問題。效率主要問題是兩次能量轉(zhuǎn)換，整體效率低;價(jià)格主要問題是燃料電池投資占比高。

　　廣義氫儲(chǔ)能利好可再生能源消納

　　相較于傳統(tǒng)儲(chǔ)能，廣義氫儲(chǔ)能強(qiáng)調(diào)電-氫單向轉(zhuǎn)換，由于廣義氫儲(chǔ)能系統(tǒng)效率高和成本低，上游與可再生能源發(fā)電結(jié)合，下游瞄準(zhǔn)高純氫市場需求，具有廣闊的應(yīng)用場景，受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究。

　　電解制氫將難以儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)化為可存儲(chǔ)的氫氣，氫作為能源和原料，供氫燃料電池交通、燃料電池應(yīng)急備用電源、天然氣摻氫燃料、化工原料、工業(yè)還原保護(hù)氣體等場景使用。

　　中國三北地區(qū)風(fēng)光資源豐富，西南部水資源豐富。但是由于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在地域間的較大差異，西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度相對(duì)較為落后，可再生能源在中西部地區(qū)難以就地消納.

　　另外，可再生能源具有季節(jié)性、波動(dòng)性特點(diǎn)，使其無法在市場中準(zhǔn)確申報(bào)電量，造成了可再生能源一定程度上的棄電浪費(fèi)。電網(wǎng)系統(tǒng)為應(yīng)對(duì)大規(guī)模可再生能源上網(wǎng)，保障配套投資增加，火電、燃機(jī)深度調(diào)峰，無法高效最優(yōu)運(yùn)行，以至排放增加。

　　在可再生資源豐富地區(qū)就近建設(shè)大規(guī)模電解水制氫站，消納清潔能源，減緩風(fēng)光發(fā)電間歇波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)壓性的影響是廣義氫儲(chǔ)能的一種應(yīng)用方式。

　　

 

　　氫儲(chǔ)能電站如何設(shè)計(jì)

　　東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)用電負(fù)荷量大，峰谷電差也大。以某沿海城市為例，日均用電負(fù)荷功率13500 MW，峰谷電差達(dá) 4000 MW，調(diào)峰問題日益突出。利用氫的儲(chǔ)能特性和電 -氫靈活轉(zhuǎn)化關(guān)系，發(fā)揮氫儲(chǔ)能在電網(wǎng)中“填谷”作用。谷電時(shí)段，電網(wǎng)將可再生能源電能輸送到高純氫需求端，通過電解水制氫儲(chǔ)能，供燃料電池交通和電子等行業(yè)使用，提高可再生能源消納和輸電通道利用率。電解制氫的副產(chǎn)氧純度在 98.5% 以上，主要雜質(zhì)為 H2O 和 H2，提純成本低，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高。在峰電時(shí)段，由于氫燃料電池發(fā)電成本較高，可以采用天然氣摻氫富氫燃機(jī)發(fā)電向電網(wǎng)送電。富氫燃機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)——

　　造價(jià)約 3000 元 /kW，遠(yuǎn)低于燃料電池;

　　可利用城市天然氣管網(wǎng)提供燃料;

　　天然氣摻氫 20%，可提高燃燒效率，降低碳排放和污染物排放;

　　摻氫比例可根據(jù)需求在 0~20% 之間調(diào)節(jié);

　　可熱電聯(lián)供，提高綜合效率。日本川崎、三菱、西門子等公司在天然氣摻氫、純氫燃?xì)廨啓C(jī)方面，都具有相應(yīng)的成功應(yīng)用示范。

　　氫儲(chǔ)能調(diào)峰站配套質(zhì)子膜氫燃料電池(PEMFC)發(fā)電作為應(yīng)急備用電源，替代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)備電。

　　PEMFC 燃料電池利用儲(chǔ)存的氫氣發(fā)電，相比柴油發(fā)電具有運(yùn)行安靜、零排放、燃料成本低(PEMFC 度電成本 1 元，柴油發(fā)電度電成本 2 元)等優(yōu)點(diǎn)。

　　氫儲(chǔ)能電站調(diào)峰難題

　　儲(chǔ)能電站調(diào)峰面臨三大難題，一是用地條件限制，一是制氫設(shè)備技術(shù)成熟度限制，還有就是產(chǎn)業(yè)下游高純氫市場消納風(fēng)險(xiǎn)的限制。

　　雖然 2020 年 3 月修訂的《能源法》將氫氣作為能源一詞列入諸種能源之一。

　　但仍未改變其危化品管控屬性，規(guī)模化制氫站須入在化工園區(qū)，這限制了氫儲(chǔ)能調(diào)峰站的選址，尤其在電、氫負(fù)荷中心的東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市選址更加困難。

　　電解水制氫技術(shù)根據(jù)電解質(zhì)不同，主要可分為堿性(ALK)、質(zhì)子交換膜(PEM)、固體氧化物(SOEC)電解三大類，SOEC 電解可以利用外供熱源效率最高，PEM 和 ALK 次之。

 

　　其中堿性電解技術(shù)成熟、成本低，是國內(nèi)商業(yè)化應(yīng)用的主流產(chǎn)品;但是其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，在需要頻繁啟停、變負(fù)荷運(yùn)行的氫儲(chǔ)能調(diào)峰站中應(yīng)用有較大弊端。

　　PEM 制氫動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、抗電源負(fù)荷波動(dòng)性強(qiáng)，適合在氫儲(chǔ)能調(diào)峰站使用;但目前國內(nèi) PEM 制氫設(shè)備技術(shù)成熟待工程化應(yīng)用驗(yàn)證，其高昂的價(jià)格限制了大規(guī)模工程化推廣。

　　電解制取的高純氫，理想的市場消納方式是高純電子氫和能源氫，高純電子氫市場需求相對(duì)穩(wěn)定，未來市場增長點(diǎn)集中于能源氫在氫燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　氫儲(chǔ)能應(yīng)從三方面開始探索

　　氫儲(chǔ)能是支撐高比例可再生能源發(fā)展有效方式之一，傳統(tǒng)電 -氫 -電的儲(chǔ)能方式綜合效率低、造價(jià)高，現(xiàn)階段不具備經(jīng)濟(jì)適用性。

　　借助我國跨區(qū)域特高壓輸電通道優(yōu)勢，將可再生資源豐富地區(qū)的電能輸送到高純氫負(fù)荷中心，建設(shè)氫儲(chǔ)能調(diào)峰站，谷電時(shí)段制氫儲(chǔ)能(P2H)，峰電時(shí)段天然氣摻氫富氫燃機(jī)發(fā)電回饋電網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)可再生能源消納，提高輸電通道利用率，緩解東部城市峰谷電差大的問題，解決氫氣遠(yuǎn)距離運(yùn)輸成本、安全等難題。

　　針對(duì)氫儲(chǔ)能調(diào)峰站發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，建議如下：

　　1、開展用戶端制氫試點(diǎn)探索

　　河北省為發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，支持可再生能源綠色制氫和風(fēng)光可再生能源消納，率先發(fā)布風(fēng)力發(fā)電配套制氫項(xiàng)目可不進(jìn)化工園區(qū)。

　　建議在認(rèn)真做好技術(shù)評(píng)估、滿足安全要求的前提下，有序推進(jìn)非化工園區(qū)制氫試點(diǎn)探索，開展用戶端制氫的示范，參照天然氣管理方式，在以能源方式利用時(shí)，將氫氣納入能源管理范疇。

　　2、發(fā)揮電網(wǎng)企業(yè)的作用

　　氫能和電能同屬于清潔的二次能源，充分發(fā)揮電網(wǎng)企業(yè)在二次能源領(lǐng)域的調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)氫電之間深度耦合互補(bǔ)，提高能源綜合利用效率。

　　具體而言，建議電網(wǎng)企業(yè)在電網(wǎng)輸送通道利用率低的谷電時(shí)段，降低清潔能源跨區(qū)域輸送過網(wǎng)費(fèi);對(duì)以削峰填谷為目的的氫儲(chǔ)能調(diào)峰站，建議減免容量費(fèi)。