徐 飛，李曉霞，馬 馳

（1.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000；2.中廣核太陽(yáng)能開發(fā)有限公司，北京 100071）

在“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)背景下，國(guó)家已明確提出要著力建設(shè)以清潔電力為主導(dǎo)的新型電力系統(tǒng)[1]。新型電力系統(tǒng)的建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)性工程，將重新構(gòu)造電能生產(chǎn)、消費(fèi)、運(yùn)輸格局，改變電網(wǎng)調(diào)度模式、提升清潔能源的占比。其中以風(fēng)電、光伏為主的可再生能源裝機(jī)規(guī)模，將在“十四五”期間大幅提升，到2030年規(guī)劃裝機(jī)規(guī)模達(dá)12億KW以上[2-3]。

而構(gòu)建以清潔電力為主導(dǎo)的新型電力系統(tǒng)，氫能可在其中發(fā)揮舉足輕重的作用。首先，從電源側(cè)看，氫能與電能的結(jié)合可以極大促進(jìn)可再生能源電力的消納[4]。可再生能源受天氣影響，其出力具有波動(dòng)性、季節(jié)性、隨機(jī)性特點(diǎn)。而高比例的可再生能源對(duì)于電力系統(tǒng)穩(wěn)定而言是巨大挑戰(zhàn)。利用可再生能源電力制氫，將瞬時(shí)性的電力轉(zhuǎn)化為可長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存的氫氣，可抑制出力波動(dòng)，減小不確定性對(duì)電網(wǎng)的影響，促進(jìn)可再生能源消納。其次，氫能的儲(chǔ)存與消納不受時(shí)間限制，且儲(chǔ)存成本與儲(chǔ)能容量相關(guān)性比電化學(xué)儲(chǔ)能弱，使其可作為大規(guī)模、長(zhǎng)周期儲(chǔ)能的潛在手段。

在新型電力系統(tǒng)中，風(fēng)力、光伏等新能源市電力供應(yīng)的主題，而煤炭、天然氣等化石能源發(fā)電，將耦合碳捕集與封存技術(shù)，作為電網(wǎng)基礎(chǔ)供應(yīng)與調(diào)節(jié)手段。在負(fù)荷側(cè)，電采暖、電動(dòng)汽車等電能替代的方式，雖亦能支撐更高比例的新能源接入，但對(duì)新型電力系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。而利用“綠氫”替代原基礎(chǔ)能源熱、氣、電(缺電時(shí)段)等，借助氫能制、儲(chǔ)、輸、加/用各環(huán)節(jié)的柔性，增加電負(fù)荷的同時(shí)能夠維持或提升電力系統(tǒng)可靠性。

此外，氫能可耦合碳捕集技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中構(gòu)建碳循環(huán)，助力“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。碳元素是化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域必不可少的資源。新型電力系統(tǒng)中的化石能源利用產(chǎn)生的二氧化碳，通過(guò)碳捕集技術(shù)收集后，與氫氣耦合進(jìn)行復(fù)雜化合物的合成，減少相關(guān)領(lǐng)域的化石能源消耗。

氫能對(duì)于新型電力系統(tǒng)構(gòu)建具有重要意義。但目前來(lái)看，氫能在新型電力系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用，仍存在諸多問(wèn)題需要解決：（1）氫氣的消納問(wèn)題、成本問(wèn)題制約著氫能的大規(guī)模推廣。（2）在新型電力系統(tǒng)中，氫能的發(fā)展路徑、發(fā)展前景與經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。

1 氫能推廣面臨挑戰(zhàn)

1.1 氫消納問(wèn)題

在新型電力系統(tǒng)中，清潔電力電解制取的氫氣，除了作為電源側(cè)的儲(chǔ)能手段平抑出力波動(dòng)外，也可以向外輸送至氫氣用戶，替代化石能源的使用。對(duì)于氫氣外送的氫能消納，當(dāng)前存在消納難度大的問(wèn)題，該問(wèn)題主要源于化石能源競(jìng)爭(zhēng)限制、氫氣外送路徑約束以及氫能法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)限制問(wèn)題。

（1）“雙碳”約束對(duì)先進(jìn)生產(chǎn)力的需求與能源粗獷利用間的矛盾。傳統(tǒng)工業(yè)、交通領(lǐng)域、熱力行業(yè)仍保留化石能源為主要原料與燃料的生產(chǎn)方式，堵塞了氫能作為原料與燃料的消納路徑。該問(wèn)題的解決，需要國(guó)家出臺(tái)相關(guān)政策，限制化石能源利用，鼓勵(lì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

（2）受制于規(guī)?；瘍?chǔ)運(yùn)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)約束，氫能外送的通道被“電能外送”方案壓制。氫氣的物質(zhì)屬性，使其外送速度和外送成本與電能外送相比處于劣勢(shì)。受限于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況，當(dāng)前氫氣外送的主要輸送方式是長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸，單次運(yùn)送量低、運(yùn)輸成本隨運(yùn)輸距離顯著增加。而這一問(wèn)題的解決，一方面可通過(guò)推進(jìn)“綠氫”的就地消納，減少氫氣外送需求；一方面可通過(guò)長(zhǎng)距離的氫氣輸送管道基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及鼓勵(lì)利用現(xiàn)有的天然氣管道進(jìn)行天然氣管道摻氫運(yùn)輸，提高氫氣的外送能力。

（3）氫能行業(yè)各項(xiàng)法律法規(guī)及配套實(shí)施細(xì)則尚未成熟，制約了氫能在電力、工業(yè)交通等領(lǐng)域的多途徑消納。法規(guī)層面，氫能是?；?，需要限制在工業(yè)園區(qū)內(nèi)使用。標(biāo)準(zhǔn)層面，氫能標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范不完善，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)施未落地。技術(shù)層面，相關(guān)技術(shù)仍在研發(fā)，產(chǎn)業(yè)配套須進(jìn)一步完善以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。

1.2 系統(tǒng)能效問(wèn)題

在新型電力系統(tǒng)中，氫儲(chǔ)能的過(guò)程是清潔電力轉(zhuǎn)化為氫氣，再由氫氣轉(zhuǎn)化為其他能源或者資源的一個(gè)過(guò)程，該過(guò)程的系統(tǒng)能效問(wèn)題影響著氫能的推廣利用。

對(duì)于發(fā)電側(cè)的狹義氫儲(chǔ)能，氫儲(chǔ)能的作用是實(shí)現(xiàn)波動(dòng)性可再生能源的“削峰填谷”，該能量轉(zhuǎn)化過(guò)程為“電-氫-電”，整體的能量轉(zhuǎn)化效率低于40%，遠(yuǎn)低于電化學(xué)儲(chǔ)能的能量轉(zhuǎn)化效率。因此，在新型電力系統(tǒng)中，氫儲(chǔ)能的概念應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大為將電網(wǎng)無(wú)法及時(shí)消納的電能轉(zhuǎn)化為氫氣中的化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，而對(duì)于氫氣的后續(xù)應(yīng)用，則不加以限制。

制氫設(shè)備利用率是影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要因素?？稍偕茉磮?chǎng)站設(shè)備的等效利用小時(shí)數(shù)較低，光伏場(chǎng)站的等效利用小時(shí)數(shù)在1 700小時(shí)/年左右，風(fēng)力發(fā)電的等效利用小時(shí)數(shù)則在2 400小時(shí)/年左右。對(duì)于光伏、風(fēng)電耦合制氫工程，制氫設(shè)備的等效利用小時(shí)數(shù)與可再生能源場(chǎng)站設(shè)備等效利用小時(shí)數(shù)相當(dāng)，造成制氫設(shè)備的利用率較低，影響制氫工程經(jīng)濟(jì)性[5]。

2 發(fā)展氫能的路徑

2.1 發(fā)展氫能的思路

國(guó)家《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》提出了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本原則，主要思路如下：開發(fā)技術(shù)、產(chǎn)品、應(yīng)用和商業(yè)模式，主攻氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)瓶頸，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定性和競(jìng)爭(zhēng)力；強(qiáng)化氫能全產(chǎn)業(yè)鏈重大風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防和管控，重點(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫，嚴(yán)格控制化石能源制氫；探索氫能利用的商業(yè)化路徑，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)規(guī)范發(fā)展；統(tǒng)籌考慮氫能供應(yīng)能力、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、市場(chǎng)空間和技術(shù)創(chuàng)新水平，有序開展氫能技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范。地方上各省政府也陸續(xù)出臺(tái)氫能產(chǎn)業(yè)扶持政策，發(fā)展天然氣分布式能源、分布式光伏發(fā)電，加快儲(chǔ)能、氫能發(fā)展。

氫能使用的應(yīng)用場(chǎng)景主要是電力、交通、熱能、工業(yè)4個(gè)板塊。具體來(lái)說(shuō)，工業(yè)領(lǐng)域，合成氨、冶金、石油煉化是氫能的主要消納途徑；電力領(lǐng)域，主要是構(gòu)建氫電耦合系統(tǒng)，利用氫的儲(chǔ)能特性，促進(jìn)可再生能源的消納；熱力領(lǐng)域，集中體現(xiàn)在天然氣管氣摻氫，降低天然氣的使用；交通領(lǐng)域，主要是氫燃料電池汽車、重卡等交通工具采用新能源替代化石能源的燃料，起到降污減排的作用[5]。新型電力系統(tǒng)背景下，結(jié)合實(shí)際情況，其氫能發(fā)展路徑如圖1所示。

圖1 氫能發(fā)展路徑

2.2 氫能需求評(píng)估

目前，“中國(guó)氫能聯(lián)盟”數(shù)據(jù)顯示，2018年我國(guó)氫能約占終端能源總量份額的2.7%，產(chǎn)量2 000萬(wàn)噸左右，到2030年，預(yù)計(jì)在終端能源體系占比達(dá)到5%，氫氣年需求量將達(dá)3 500萬(wàn)噸，可再生能源電解制氫、碳捕獲與封存技術(shù)配合煤制氫將成為有效供氫主體，各占比50%，電解制氫市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到每年2 000萬(wàn)噸。到2050年氫氣需求量約為6 000萬(wàn)噸，占比接近10%，可減排7億噸CO2[6]。我國(guó)中長(zhǎng)期氫能需求預(yù)測(cè)如圖2所示。

圖2 中國(guó)中長(zhǎng)期氫能需求預(yù)測(cè)[7]

目前來(lái)看，氫氣在工業(yè)領(lǐng)域未來(lái)需求主要包括合成氨、冶金、石油煉化等方面，在交通領(lǐng)域的需求主要集中在氫燃料電池汽車上。

通過(guò)探索可再生能源制氫耦合合成氨工藝，增大新型電力系統(tǒng)中可再生能源的比例，可以促進(jìn)氫的就地消納。合成氨行業(yè)對(duì)氫氣的需求量巨大，全球年氫氣產(chǎn)量的一半用于合成氨生產(chǎn)，其中95%的氫氣來(lái)源于化石燃料，導(dǎo)致每年420 000萬(wàn)噸的二氧化碳排放。目前國(guó)外正在積極開展可再生能源制氫耦合合成氨工藝的探索，建設(shè)了“水電+堿性電解槽+合成氨工廠”“風(fēng)電+高溫電解+合成氨工藝”等多種形式的“綠氨”示范工程。將氫能作為脫碳介質(zhì)，利用“綠氫”合成氨耦合二氧化碳生產(chǎn)尿素，在有色金屬冶煉領(lǐng)域和氫氣長(zhǎng)距離運(yùn)輸課題研究方面探索天然氣摻氫，在電力企業(yè)發(fā)展氫儲(chǔ)能。

通過(guò)探索可再生能源制氫耦合鋼鐵工藝，也可以促進(jìn)氫的就地消納。一直以來(lái)，鋼鐵行業(yè)的碳排放量較高，在我國(guó)CO2排放量中鋼鐵工業(yè)CO2排放量約占15%，約占全球鋼鐵行業(yè)碳排放量的60%以上。而在煉鋼過(guò)程中，氫氣可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝中的焦炭，作為還原劑去除鐵礦石中的雜質(zhì)，從而減少CO2的排放，因此，“氫氣煉鋼”技術(shù)是目前減碳的較好選擇。德國(guó)正在建設(shè)全球首家氫氣煉鋼示范工廠，以100%的氫作為還原劑的直接還原鐵，生鐵年生產(chǎn)能力約10萬(wàn)噸，生產(chǎn)氫的能源來(lái)自德國(guó)北部沿海的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)[8]。

新型電力系統(tǒng)耦合化工產(chǎn)業(yè)方面也需要用到氫氣，如用“綠氫”耦合煤化工全產(chǎn)業(yè)，可以減少煤炭的消耗，降低CO2的排放[7]。寧東自產(chǎn)“綠氫”耦合精細(xì)化工不僅價(jià)格低廉，還能減小物流運(yùn)輸量，省時(shí)省力，滿足園區(qū)內(nèi)部經(jīng)濟(jì)性發(fā)展需求。

新型電力系統(tǒng)在交通領(lǐng)域發(fā)展方面也能促進(jìn)可再生能源制氫的消納，主要是利用氫燃料電池汽車替代現(xiàn)有的燃油汽車，實(shí)現(xiàn)綠氫對(duì)化石燃料的替代。氫燃料電池汽車推廣的路徑為前期在運(yùn)行路線與使用頻次較為穩(wěn)定的商業(yè)車市場(chǎng)率先推廣，后續(xù)擴(kuò)展到普通乘用車領(lǐng)域。據(jù)預(yù)計(jì)，到2030年，燃料電池商業(yè)車需求達(dá)36萬(wàn)輛，占商業(yè)車總銷量的7%，燃料電池乘用車占比將達(dá)到3%[7]。也可以發(fā)展氫能重卡，某些地區(qū)規(guī)劃到“十四五”末期重載運(yùn)輸車中氫能源汽車占比達(dá)到20%以上。如果將1 200輛重載柴油車替換成氫能重卡，按照每輛車平均每天行駛150 km計(jì)算，每年又可減排二氧化碳8萬(wàn)噸。以氫能重卡為代表的交通運(yùn)輸業(yè)，開展氫能源汽車運(yùn)營(yíng)示范，充分發(fā)揮氫能源汽車高效、綠色、環(huán)保的特性，實(shí)現(xiàn)氫能源車替代傳統(tǒng)重載運(yùn)輸汽車，這不僅符合國(guó)家發(fā)展氫能、創(chuàng)建氫能源汽車示范城市的戰(zhàn)略目標(biāo)，還有利于“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2.3 氫能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

氫能成本是其在新型電力系統(tǒng)中推廣應(yīng)用的決定性因素。整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈成本來(lái)看，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，氫能最終到達(dá)終端的成本約為3.2元/Nm3當(dāng)前國(guó)內(nèi)氫能發(fā)展仍處在示范推進(jìn)時(shí)期。雖然目前國(guó)際上已經(jīng)對(duì)氫能的經(jīng)濟(jì)投入與收益能力開展了較深入的探討，比如，有些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)給出了氫能項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)，并針對(duì)具體示范工程開展了資源的測(cè)算，但沒(méi)有商業(yè)應(yīng)用的驗(yàn)證結(jié)果。如甘肅省能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程，使用風(fēng)能開展的大型電解水制氫項(xiàng)目，在經(jīng)濟(jì)可行性分析時(shí)，構(gòu)建制、加氫一體化的年收益模型，指出0.69元/(kW·h)以上的風(fēng)電價(jià)格和5.8元/Nm3的氫價(jià)為項(xiàng)目的盈虧平衡點(diǎn)。類似的政府補(bǔ)貼、商業(yè)模式等還在探索中[9]。

為了降低氫能的成本，各地區(qū)可以結(jié)合當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)，因地制宜，獲取便利的氫源。當(dāng)前，氫氣成本較高的客觀原因是低成本制氫地與高需求用氫地距離較遠(yuǎn)，增加了運(yùn)輸成本。例如內(nèi)蒙古、山東、山西等地煤炭資源豐富，制氫價(jià)格低廉；西北地區(qū)的光伏資源、風(fēng)力資源較為便宜；西南地區(qū)水電資源豐富等，這些地區(qū)利用當(dāng)?shù)刭Y源獲取氫氣成本較低。而中東部地區(qū)才是用氫大戶，這種情況下，長(zhǎng)距離運(yùn)輸是不可少的環(huán)節(jié)。研究表明，氫氣運(yùn)輸距離超過(guò)200 km時(shí)，運(yùn)輸成本就會(huì)超過(guò)較為經(jīng)濟(jì)的工業(yè)副產(chǎn)氫的成本。因此，單一的制氫最優(yōu)模式并不現(xiàn)實(shí)，整合當(dāng)?shù)刭Y源，因地制宜才是具有可持續(xù)性的發(fā)展模式。在運(yùn)輸氫能方面未有大的突破情況下，沿海區(qū)域氫氣來(lái)源還是工業(yè)副產(chǎn)氫，內(nèi)陸區(qū)域氫氣來(lái)源于煤炭和可再生能源。產(chǎn)氫企業(yè)與城市之間采用管道方式輸送，短距離，如城市內(nèi)部采用拖車輸送，長(zhǎng)距離，如300 km以上采用液氫罐車輸送。

另一方面，據(jù)統(tǒng)計(jì)，制氫設(shè)備的單價(jià)和光伏電價(jià)呈逐年遞減趨勢(shì)，而制氫系統(tǒng)收益率逐年提高，氫能的綜合利用成本在不斷降低，未來(lái)市場(chǎng)前景廣闊[7]。

另外，在當(dāng)前低碳能源的大環(huán)境下，征收碳稅也是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向。有專家估計(jì)，到2025年，建議碳稅為200元/噸，到2030年，建議碳稅為100元/噸。未來(lái)隨著碳稅政策的實(shí)施，氫能的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)將逐漸突顯出來(lái)。

3 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)，能源結(jié)構(gòu)中的新型電力占比將不斷提高，可再生能源與傳統(tǒng)電力能源將實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化與互補(bǔ)，新能源儲(chǔ)能與傳統(tǒng)電力儲(chǔ)能協(xié)調(diào)配合，以增加能源系統(tǒng)的靈活性和安全性，實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用。

而氫能的多途徑消納攬括了工業(yè)、交通、天然氣管道等領(lǐng)域，尤其是利用風(fēng)力、光伏等新能源電解制氫后，通過(guò)氫能的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和利用，能夠最大限度地跨區(qū)域、跨季節(jié)地利用可再生能源，降低碳的排放。