郜 捷，宋 潔，王劍曉，鄧占鋒，安 麒，鄭力濤

（1.北京智慧能源研究院,北京市 102200；2.大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,北京大學(xué),北京市 100871；3.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）,北京市 102206）

0 引言

在能源資源、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多重約束下,全球能源格局正在經(jīng)歷深刻變革。中國在“雙碳”目標(biāo)與能源清潔化轉(zhuǎn)型背景推動(dòng)下,一次能源供應(yīng)加速低碳化,以風(fēng)光為代表的非化石能源逐步成為能源供應(yīng)的主體。據(jù)預(yù)測(cè),至2030 年,中國非化石能源占一次能源消費(fèi)的比重將由2020 年的16%提高到25%以上,并在2060 年達(dá)到79%～89%,其中,風(fēng)光占比將超過50%［1］。高比例非碳能源快速發(fā)展的同時(shí),其引發(fā)的能源供給復(fù)雜性、源荷雙側(cè)的強(qiáng)隨機(jī)性逐漸成為中國能源安全的新邊界。探尋新的能源系統(tǒng)形態(tài)和解決方案,對(duì)推動(dòng)能源高質(zhì)量發(fā)展、保障國家能源安全至關(guān)重要。

氫能作為新興的零碳二次能源,是低碳驅(qū)動(dòng)下全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的共識(shí)性解決方案。實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)與氫能的耦合發(fā)展,可以突破可再生能源的發(fā)展限制,有效推動(dòng)多種能源方式互聯(lián)互補(bǔ)、源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度融合。近年來,世界主要發(fā)達(dá)國家高度重視電氫耦合發(fā)展,并將其作為各自經(jīng)濟(jì)去碳化的重要戰(zhàn)略選擇。歐盟利用可再生氫推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型,著力推進(jìn)電網(wǎng)、管網(wǎng)互聯(lián)互通,重點(diǎn)發(fā)展可再生電力制氫及其在難以脫碳和電氣化的重載運(yùn)輸、建筑物供能和工業(yè)過程的應(yīng)用［2］。美國利用氫能燃料電池促進(jìn)能源獨(dú)立和高效利用,重點(diǎn)將氫作為一種便攜式的電力儲(chǔ)存選擇,應(yīng)用于分布式固定發(fā)電、載具燃料電池以及合成燃料的生產(chǎn)［3］。日本將氫能經(jīng)濟(jì)列為國家創(chuàng)新發(fā)展新戰(zhàn)略,致力于降低氫能成本和提升電力效率,重點(diǎn)發(fā)展家庭用分散式燃料電池小規(guī)模發(fā)電和供暖以及輕型燃料電池汽車［4］。中國電氫耦合技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加快,可再生能源制氫的產(chǎn)業(yè)生態(tài)已在萌芽,氫能高效轉(zhuǎn)存和新型儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)不斷涌現(xiàn),以燃料電池技術(shù)為代表的終端應(yīng)用場景正向大眾商業(yè)化、多元化方向發(fā)展。

盡管技術(shù)發(fā)展已取得初步成效,但作為一種新的能源系統(tǒng)形態(tài),其未來大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。中國氫能核心技術(shù)、裝備制造、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面與國外存在一定差距,核心產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)外依存度高,自主創(chuàng)新能力亟待加強(qiáng)；電力系統(tǒng)和氫能耦合應(yīng)用較少,系統(tǒng)形態(tài)認(rèn)知不足,氫能與電力系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷耦合互動(dòng)技術(shù)亟待突破。

為推動(dòng)氫能與電力系統(tǒng)的深度融合,支撐中國高比例新能源發(fā)展需求,本文從氫能供應(yīng)鏈的制-儲(chǔ)-輸-用一體化技術(shù)以及氫能對(duì)電力系統(tǒng)典型場景的關(guān)鍵支撐技術(shù)兩方面入手,評(píng)述了電解制氫、氫能儲(chǔ)運(yùn)以及氫能綜合利用在內(nèi)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,圍繞時(shí)間與空間維度剖析了氫能供應(yīng)鏈支撐電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù),闡述了電氫耦合技術(shù)發(fā)展面臨的問題并給出了相關(guān)政策建議。

1 電氫耦合系統(tǒng)框架

在中國能源體系向高比例可再生能源轉(zhuǎn)型的過程中,面臨著多時(shí)空能量平衡的挑戰(zhàn),而電氫耦合系統(tǒng)這一概念的提出為該問題的解決提供了全新的思路。電氫耦合系統(tǒng)的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)新能源消納和能源系統(tǒng)高效安全運(yùn)行的重要途徑。

因此,構(gòu)建電氫耦合系統(tǒng)的框架如圖1 所示。耦合系統(tǒng)主要包含電力系統(tǒng)和氫能系統(tǒng)的制-儲(chǔ)-輸-用環(huán)節(jié),兩個(gè)子系統(tǒng)主要通過電解制氫和燃料電池進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。電氫耦合系統(tǒng)通過電解制氫設(shè)備將電力系統(tǒng)中富余的可再生能源轉(zhuǎn)化為氫氣,將氫氣進(jìn)行長距離運(yùn)輸與大規(guī)模存儲(chǔ)以實(shí)現(xiàn)氫能在時(shí)間與空間維度上的優(yōu)化配置,推動(dòng)氫能在交通、發(fā)電與工業(yè)等領(lǐng)域的多元應(yīng)用以保障氫能的高效利用,通過上述過程促進(jìn)電氫系統(tǒng)之間的深度耦合以及氫能供應(yīng)鏈的制-儲(chǔ)-輸-用一體化發(fā)展。

圖1 電氫耦合系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of integrated electricity-hydrogen system

如圖1 所示,氫能供應(yīng)鏈在時(shí)間與空間兩個(gè)維度上支撐電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在時(shí)間維度上,氫能供應(yīng)鏈向電力系統(tǒng)提供多時(shí)間尺度的輔助服務(wù),包括:1）秒級(jí)的虛擬同步慣量,氫能系統(tǒng)通過協(xié)助虛擬慣量控制,提高可再生能源接入電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性；2）小時(shí)級(jí)的深度調(diào)峰,電解制氫裝置協(xié)同常規(guī)電源機(jī)組參與深度調(diào)峰,通過改善電源側(cè)結(jié)構(gòu)為可再生能源消納提供空間；3）中長期的季節(jié)性儲(chǔ)能,將富余的電能轉(zhuǎn)化為氫氣并進(jìn)行存儲(chǔ),在電力系統(tǒng)供需關(guān)系緊張時(shí),利用氫能發(fā)電助力電能供需平衡。

在空間維度上,氫能供應(yīng)鏈參與電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)多環(huán)節(jié)協(xié)同運(yùn)行,包括:1）可再生能源消納,利用電解制氫裝置將富余的可再生能源轉(zhuǎn)化為氫氣,提升電力系統(tǒng)的源側(cè)靈活性；2）潮流阻塞管理,利用氫能系統(tǒng)的儲(chǔ)能特性實(shí)現(xiàn)電能的時(shí)空平移,從而解決輸電線路過載問題,緩解線路阻塞；3）靈活性資源調(diào)度,在需求側(cè)對(duì)分布式氫能發(fā)電、氫燃料電池汽車配合云儲(chǔ)能等靈活性資源進(jìn)行調(diào)度控制,從而提升需求側(cè)靈活性［5］。

2 氫能供應(yīng)鏈技術(shù)現(xiàn)狀

氫能系統(tǒng)的供應(yīng)鏈主要包含制、儲(chǔ)、輸、用4 個(gè)環(huán)節(jié)。在以電和氫作為二次能源的能源系統(tǒng)中,電氫之間的耦合將變得更加密切,通過電解制氫、氫儲(chǔ)運(yùn)以及氫能綜合利用技術(shù),可以為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供可靠支撐,提升可再生能源在能源消費(fèi)中的占比,促進(jìn)碳減排,推進(jìn)中國清潔低碳、安全高效的能源轉(zhuǎn)型。

2.1 電解水制氫技術(shù)

目前,氫氣的制取方法主要包括水電解制氫、化石燃料制氫、生物質(zhì)制氫等。在現(xiàn)有氫能系統(tǒng)中,生產(chǎn)的氫氣大部分來自化石燃料（約60%來自天然氣和煤炭）,這與氫能的低碳環(huán)保理念并不相符。因此,基于可再生能源的電解水制氫技術(shù)的開發(fā)對(duì)于氫能助力能源轉(zhuǎn)型以及電氫系統(tǒng)聯(lián)合發(fā)展具有重要意義。電力系統(tǒng)可以向電解設(shè)備提供綠色的可再生能源,而電解制氫設(shè)備又可以作為電力系統(tǒng)中的可控負(fù)荷,助力新能源的消納。電解水制氫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電能向氫能的轉(zhuǎn)換,是電氫耦合系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。圖2 展示了電氫耦合背景下,氫能系統(tǒng)供應(yīng)鏈中主要技術(shù)路徑的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 氫能供應(yīng)鏈主要技術(shù)路徑結(jié)構(gòu)Fig.2 Main technical path structure of hydrogen supply chain

附錄A 表A1［6-10］給出了4 種電解制氫方式的技術(shù)參數(shù)。 堿水電解（alkaline water electrolysis,AWE）是最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、最為成熟的電解水技術(shù),目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之中。得益于堿性的電解環(huán)境和成熟的工業(yè)技術(shù),AWE 具有最低的造價(jià)和較高的安全性和可靠性［6］,目前已能實(shí)現(xiàn)較寬負(fù)載范圍內(nèi)的快速響應(yīng),且使用壽命較長。但堿水電解具有氫氣純度較低、電流密度低、體積和重量大的缺點(diǎn)［11］。

質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane,PEM）電解采用具有高質(zhì)子傳導(dǎo)性、低氣體穿透性和薄厚度的PEM 替代傳統(tǒng)的石棉［7］。PEM 良好的質(zhì)子傳導(dǎo)性使得其可以在更高的電流密度下運(yùn)行（0.7～2.0 A/cm2）,對(duì)輸入功率的波動(dòng)做出快速響應(yīng)［12］。目前,PEM 電解的響應(yīng)速度可以達(dá)到秒級(jí),運(yùn)行功率可以在額定功率的5%～150%之間調(diào)節(jié)［13］,適應(yīng)具有波動(dòng)特性的可再生能源。但昂貴稀有的材料和組件使得PEM 的造價(jià)居高不下,而寬工況運(yùn)行則會(huì)加速組件衰減過程,降低使用壽命［14］。

固體氧化物電解（solid oxide electrolysis,SOE）采用固體氧化物作為電解質(zhì)。極高的工作溫度抑制了電解過程中的反應(yīng)過電壓,降低了能量損耗,提升了電解效率。同時(shí),其還具有可以在電解池和燃料電池之間轉(zhuǎn)換的可逆運(yùn)行特性［15］。但過高的運(yùn)行溫度提高了對(duì)電解池材料與結(jié)構(gòu)的要求,使得整體造價(jià)較高。目前,SOE 技術(shù)的研究已隨著示范項(xiàng)目的推進(jìn)逐步進(jìn)入商業(yè)化階段。

陰離子交換膜（anion exchange membrane,AEM）電解采用只允許陰離子通過的AEM 作為隔膜。AEM 的使用提升了能量轉(zhuǎn)換效率和氫氣純度［16］,避免了酸性和強(qiáng)堿性的反應(yīng)環(huán)境,降低了對(duì)材料的要求［8］。然而,在電解反應(yīng)過程中,AEM 的表面會(huì)形成局部強(qiáng)堿性環(huán)境,導(dǎo)致膜的降解以及電導(dǎo)率的降低,這使得運(yùn)行時(shí)間和壽命成為AEM 電解的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸［17］。目前,AEM 電解技術(shù)尚未成熟,研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。

2021 年,中國年棄風(fēng)電量高達(dá)20.61 TW?h,棄光 電 量 達(dá)6.78 TW?h［18］,而 電 解 制 氫 技 術(shù) 的 發(fā) 展 不僅為綠氫的來源提供了有力支撐,也為電力系統(tǒng)中新能源的消納提供了途徑。目前,AWE、PEM 電解和SOE 均已突破兆瓦級(jí),隨著相關(guān)工程項(xiàng)目的落地,電解制氫已逐漸參與到電力系統(tǒng)之中。AWE和PEM 電解具有良好的波動(dòng)電源適應(yīng)性,可用于平抑可再生能源的功率波動(dòng)、提高可再生能源的靈活性和并網(wǎng)能力；秒級(jí)/分鐘級(jí)的響應(yīng)速度以及寬運(yùn)行工況使其在調(diào)頻領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì),可以參與電力系統(tǒng)的調(diào)頻或調(diào)峰服務(wù),維持供需平衡［19-20］；可以作為可控負(fù)荷進(jìn)行需求響應(yīng),參與電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行［21］；還可以與整流器配合用于提供電壓支持［22-23］。電解制氫系統(tǒng)作為靈活性負(fù)荷所具有的快速響應(yīng)調(diào)節(jié)能力契合高比例可再生能源的新型電力系統(tǒng),可以為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供有力支撐。因此,電解制氫技術(shù)的發(fā)展是電氫耦合系統(tǒng)建設(shè)過程中的重要一環(huán)。

2.2 氫氣存儲(chǔ)技術(shù)

氫能的高效存儲(chǔ)是氫能運(yùn)輸、利用的基礎(chǔ),也是氫能保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要支撐技術(shù)之一。以現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性,電力系統(tǒng)仍難以大規(guī)模經(jīng)濟(jì)地存儲(chǔ)電能,為保持系統(tǒng)實(shí)時(shí)的供需平衡,利用氫能的存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行能量存儲(chǔ),結(jié)合運(yùn)輸技術(shù)將氫氣運(yùn)輸配置到需要的地點(diǎn),再通過燃料電池供電是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中長期、大規(guī)模儲(chǔ)能的方法,對(duì)電氫耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行具有重要意義。

根據(jù)氫氣形態(tài)的不同,氫氣的存儲(chǔ)方式可以分為氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫與固態(tài)儲(chǔ)氫4 種。

目前,高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)氫方式。該儲(chǔ)氫方式的充放速度快,存儲(chǔ)能耗低,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,且相關(guān)技術(shù)成熟,成本較低。但儲(chǔ)氫的效率較低,單位儲(chǔ)氫密度小,安全性較差［24］。液態(tài)儲(chǔ)氫大大提升了儲(chǔ)氫密度［25］,但液氫的低溫（-253 ℃）也提高了對(duì)儲(chǔ)氫容器材料和結(jié)構(gòu)的要求,液化過程需要消耗大量能量（約占總能量的30%～40%）,且揮發(fā)損失較大［26］,整體經(jīng)濟(jì)性還有待提升。有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫通過化學(xué)反應(yīng)將氫氣與有機(jī)介質(zhì)結(jié)合,將氫氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)飽和烴進(jìn)行存儲(chǔ)［24］,有效提升了儲(chǔ)氫密度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.2%～7.3%）［27］,具有儲(chǔ)氫密度高、穩(wěn)定性好、儲(chǔ)運(yùn)方便等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是脫氫反應(yīng)技術(shù)復(fù)雜,能耗大,所需溫度高,整體存儲(chǔ)效率較低。固態(tài)儲(chǔ)氫是通過物理或化學(xué)吸附將氫氣儲(chǔ)存在固體材料之中［28］。固態(tài)儲(chǔ)氫避免了高壓和低溫條件,具有儲(chǔ)氫密度高、儲(chǔ)氫壓力低、安全性好、放氫純度高等優(yōu)勢(shì),但主流金屬儲(chǔ)氫材料的質(zhì)量儲(chǔ)氫率仍偏低。

除了上述4 種短期存儲(chǔ)方式外,氫氣還可以利用枯竭的油氣儲(chǔ)藏庫、地下含水層以及巖穴實(shí)現(xiàn)中長期大規(guī)模存儲(chǔ)。3 種方式均基于天然或已有氣室進(jìn)行存儲(chǔ),減少了投資成本和建設(shè)周期,大規(guī)模存儲(chǔ)時(shí)經(jīng)濟(jì)性高（單位投資成本約在1.0 元/（kW ?h）以內(nèi)）,且存儲(chǔ)容量大（可達(dá)太瓦時(shí)級(jí)別）,是理想的季節(jié)性儲(chǔ)能方式［29］。

氫的存儲(chǔ)特性使其可以實(shí)現(xiàn)短、中、長期儲(chǔ)能,是極具發(fā)展?jié)摿Φ膬?chǔ)能介質(zhì),氫儲(chǔ)能以及常見的儲(chǔ)能技術(shù)特征對(duì)比如圖3 所示［30-31］。氫存儲(chǔ)技術(shù)也是氫氣運(yùn)輸以及維持氫能供需平衡的基礎(chǔ),是氫能產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)。對(duì)電力系統(tǒng)而言,一方面,短期的儲(chǔ)氫與電解制氫裝置配合可以促進(jìn)電力系統(tǒng)的新能源消納、平抑新能源帶來的功率波動(dòng),與燃料電池發(fā)電裝置配合可以促進(jìn)電源的穩(wěn)定供能,為電力系統(tǒng)提供黑啟動(dòng)、調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)；另一方面,風(fēng)電、水電等可再生能源受季節(jié)性的影響較大,資源在不同季節(jié)之間分配不均,而氫氣中長期的大規(guī)模存儲(chǔ)可以幫助電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)季節(jié)性的調(diào)峰以及大時(shí)間尺度的能源供需平衡。

圖3 主要儲(chǔ)能技術(shù)特征Fig.3 Characteristics of main energy storage technologies

除了常規(guī)的儲(chǔ)存方式外,氫還可以通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氫化物以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模轉(zhuǎn)存。目前,常用的氫化物有甲醇、氨、甲酸等,這些氫化物在標(biāo)況下均為液體,可以大大減小儲(chǔ)運(yùn)難度,且氨、甲醇等氫化物已有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈,市場需求量大,其生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸及利用所需的各類基礎(chǔ)設(shè)施已相對(duì)完善,這為氫氣的大規(guī)模轉(zhuǎn)存以及后續(xù)利用提供了巨大便利［32］。此外,這些氫化物的用途并不局限于氫氣的存儲(chǔ),氫轉(zhuǎn)氫化物的過程賦予了氫更多的附加值,轉(zhuǎn)化為價(jià)值更高的氫化物本身就是氫氣利用的經(jīng)濟(jì)行為,是氫氣的一種消納方式?？偟膩碚f,氫氣的規(guī)模轉(zhuǎn)存擁有廣闊的應(yīng)用前景,為氫能的存儲(chǔ)與消納提供了新的思路。

2.3 氫氣運(yùn)輸技術(shù)

氫氣運(yùn)輸是氫能系統(tǒng)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié),雖然該環(huán)節(jié)不直接與電力系統(tǒng)相關(guān)聯(lián),但氫氣運(yùn)輸技術(shù)是氫能傳遞和優(yōu)化配置的重要基礎(chǔ)。氫氣的存儲(chǔ)和運(yùn)輸擴(kuò)展了氫能的應(yīng)用范圍,可以解決氫能的跨區(qū)域利用難題,是實(shí)現(xiàn)可再生能源跨季節(jié)存儲(chǔ)和跨地域輸送的關(guān)鍵。通過氫氣存儲(chǔ)和運(yùn)輸技術(shù)的結(jié)合才能保證氫能系統(tǒng)的靈活性,從而為電氫耦合系統(tǒng)的能源優(yōu)化配置和高效運(yùn)行提供技術(shù)支撐,對(duì)構(gòu)建多元融合的能源系統(tǒng)具有重要意義。

氫氣的運(yùn)輸按運(yùn)輸工具的不同可以分為公路運(yùn)輸、船舶運(yùn)輸和管道運(yùn)輸。氫氣的公路運(yùn)輸主要采用集裝瓶和管式拖車,結(jié)構(gòu)簡單、操作方便,靈活性高,但儲(chǔ)氫容量小,僅適用于短距離運(yùn)輸。相比于公路運(yùn)輸,船舶運(yùn)輸具有運(yùn)輸容量大、運(yùn)送距離遠(yuǎn)的特點(diǎn),但設(shè)施建設(shè)成本相對(duì)昂貴,且液化過程耗能大、效率低。管道運(yùn)輸具有傳輸容量大、效率高、能耗及運(yùn)輸成本低的優(yōu)勢(shì),是氫能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長距離、大規(guī)模低成本運(yùn)輸最有效的方式,缺點(diǎn)是設(shè)施建設(shè)成本昂貴,存在氫脆等問題。附錄A 表A2 給出了主要運(yùn)輸方式的技術(shù)參數(shù)。

總的來說,高壓氣態(tài)的公路運(yùn)輸適合于氫能發(fā)展初期,滿足氫能系統(tǒng)小規(guī)模、短距離運(yùn)輸需求。以液態(tài)氫為主的氫氣船舶海運(yùn)可以實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模、長距離的運(yùn)輸,契合大規(guī)模跨洋跨洲的氫能運(yùn)輸需求；而未來隨著氫能系統(tǒng)的發(fā)展、生產(chǎn)規(guī)模和運(yùn)輸需求的不斷上升,氫氣管道運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)氫能的大規(guī)模、大范圍覆蓋,滿足氫能系統(tǒng)的發(fā)展需求。氫氣運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展不僅對(duì)氫能供應(yīng)鏈的完善具有重要意義,也可以為電力系統(tǒng)以及能源系統(tǒng)提供更多支撐,解決中國能源資源分布不均的問題。在可再生資源富裕的西部地區(qū),通過電解制氫可以消納富余的可再生能源,制取低成本綠氫,以氫氣或氫化合物的形式,通過管道運(yùn)輸或車船運(yùn)輸?shù)姆绞綄淠芩椭翓|部負(fù)荷中心。在此形態(tài)下,可以降低電網(wǎng)外送通道和特高壓等輸電線路的負(fù)載率,緩解電網(wǎng)能源傳輸壓力［33-34］。雖然目前氫轉(zhuǎn)電-電網(wǎng)-電轉(zhuǎn)氫的方式效率較低,但可以在一定程度上彌補(bǔ)氫能運(yùn)輸技術(shù)尚不成熟的問題,未來氫網(wǎng)、電網(wǎng)兩種能源運(yùn)輸方式可以相輔相成,共同實(shí)現(xiàn)能源時(shí)空優(yōu)化配置。

2.4 氫能綜合利用技術(shù)

依據(jù)國際氫能委員會(huì)的預(yù)測(cè),從2030 年開始,世界將開始大規(guī)模使用氫能,到2050 年,氫能將占全球最終能源消費(fèi)的18%［35］。氫能供應(yīng)鏈技術(shù)的發(fā)展情況如附錄A 表A3［36-38］所示。清潔低碳的氫能在能源、交通、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景,氫能的廣泛運(yùn)用可以推動(dòng)中國能源體系的清潔低碳、安全高效轉(zhuǎn)型。氫能利用方式主要可以分為氫燃料電池、氫燃燒和氫化工3 種。

2.4.1 氫燃料電池

氫燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)將氫能轉(zhuǎn)化為電能,而電能又可以方便地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能等形式。氫燃料電池既是氫作為二次能源重要的利用技術(shù),又在電力系統(tǒng)中充當(dāng)電能供應(yīng)源,實(shí)現(xiàn)氫能向電能的轉(zhuǎn)換,是電氫系統(tǒng)中重要的耦合環(huán)節(jié)。

氫燃料電池?cái)[脫了卡諾循環(huán)的限制,具有較高的電熱能量轉(zhuǎn)換效率,且清潔無污染［39］。氫所具有的高能量密度賦予氫燃料電池載具長續(xù)航能力和高加氫速度,在交通領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景,如氫燃料電池車、重載卡車、軌道交通、船舶、飛行器等［40］。氫燃料電池另一個(gè)用途則是參與電力系統(tǒng)固定式發(fā)電,主要形式包括分布式電源、備用電源和氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)［41］。分布式燃料電池電站規(guī)?？蛇_(dá)兆瓦級(jí),具有良好的場景適應(yīng)性和擴(kuò)展性,適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)孤網(wǎng)的供電或?yàn)橹骶W(wǎng)提供補(bǔ)充［42］。燃料電池備用電源則具有響應(yīng)速度快、噪聲低、占地小等優(yōu)點(diǎn),目前正逐步商業(yè)化,國內(nèi)常見規(guī)格為3～5 kW,運(yùn)行時(shí)間可超4 000 h。氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)通過燃料電池反應(yīng)供電,同時(shí)又利用高溫燃料電池工作時(shí)產(chǎn)生的余熱供熱,實(shí)現(xiàn)了能源的綜合利用,有效提高了能源利用效率［43］。目前使用較多的為家庭式微型熱電聯(lián)供系統(tǒng),功率為1～10 000 kW,電效率為50%～60%,總效率可達(dá)80%～90%［44］。附錄A 表A4［45-46］展示了5 種主要燃料電池的技術(shù)參數(shù)。

截至2020 年,全球燃料電池的裝機(jī)量達(dá)1 318.7 MW,預(yù)計(jì)在2060 年,中國交通運(yùn)輸領(lǐng)域的氫能需求將占總體的30%,需求量達(dá)4 051 萬t；在發(fā)電與電網(wǎng)平衡領(lǐng)域的氫能需求將占總體的5%,需求量約600 萬t。隨著燃料電池的普及,大規(guī)模移動(dòng)式燃料電池可以為能源系統(tǒng)提供更多的靈活性,如燃料電池載具可與電動(dòng)汽車和電解制氫裝置配合,削減能源需求的峰谷差,幫助消納新能源。而固定式燃料電池則可以進(jìn)一步作為固定電源、備用電源,既可以為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和低碳轉(zhuǎn)型提供支持,也可以為孤網(wǎng)提供能源支撐等。燃料電池將以吉瓦級(jí)以上的規(guī)模接入電力系統(tǒng),成為電氫耦合系統(tǒng)中的重要一環(huán)。

2.4.2 氫燃燒

燃燒也是氫氣釋放能量的一個(gè)重要途徑。氫氣的熱值高達(dá)140.4 MJ/kg,是汽油的3.2 倍、天然氣的2.8 倍,且燃燒速度快、可燃范圍寬。氫氣可以替代或摻入現(xiàn)有天然氣,作為燃?xì)夤┙o城市居民或參與供熱服務(wù)。

在理想狀態(tài)下,氫氣燃燒的生成物只有水,但在實(shí)際反應(yīng)過程中,受燃燒溫度以及能量品位的影響,會(huì)產(chǎn)生氮氧化物等污染物。目前,主要發(fā)展思路是通過濃淡燃燒技術(shù)、化學(xué)鏈燃燒技術(shù)以及催化燃燒技術(shù)等克服這一缺點(diǎn)。

氫的能量還可以通過氫內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行釋放。相比于汽油和天然氣,氫氣的點(diǎn)火能量低,有利于持續(xù)燃燒,不易熄火；自燃溫度高,有利于提高壓縮比和熱效率［47］；擴(kuò)散系數(shù)大,混合氣均勻程度高,燃燒充分,能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定高效的內(nèi)燃機(jī)燃燒。相應(yīng)的純氫內(nèi)燃機(jī)和摻氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)正在開發(fā)中［48］。

氫燃燒是氫能利用最直接的方式之一,隨著氫價(jià)的降低和相應(yīng)技術(shù)的成熟,氫氣將逐漸滲透燃?xì)忸I(lǐng)域,減少能源系統(tǒng)對(duì)天然氣的需求。預(yù)計(jì)在2060 年,氫氣可替代32%的天然氣需求,氫燃燒的氫能需求約占總體的4%,需求量達(dá)585 萬t。

2.4.3 氫化工及其他利用

氫除了能作為能源載體外,還是十分重要的化工原料。目前,氫氣在工業(yè)中被廣泛用于化工、煉油以及冶金領(lǐng)域。在化工領(lǐng)域,氫氣可分別與氮?dú)?、二氧化碳結(jié)合合成氨、甲醇、甲烷,以此為基礎(chǔ)又可進(jìn)一步制取氮肥、復(fù)合肥料、純堿、乙炔、甲醛等［49］。在煉油工業(yè)領(lǐng)域,氫氣廣泛參與加氫精制、加氫裂化等環(huán)節(jié),用于石油的精煉、催化裂化和重油的脫硫等［50］。在冶金領(lǐng)域,氫能可以作為優(yōu)質(zhì)的還原劑實(shí)現(xiàn)金屬的冶煉,富氫冶金和純氫冶金技術(shù)的開發(fā)使得氫冶金有望替代傳統(tǒng)碳冶金［51］,實(shí)現(xiàn)冶金工業(yè)的清潔、低碳化轉(zhuǎn)型。

目前,氫作為化工原料參與工業(yè)生產(chǎn)是氫氣最主要的用途,其中,氨和甲醇等化工產(chǎn)品的生產(chǎn)占世界氫能需求的65%以上,煉油工業(yè)領(lǐng)域則消耗近25%的氫,只有約10%的氫被用于其他用途［52］。隨著氫作為新型二次能源的不斷發(fā)展,以能源形式消耗的氫氣勢(shì)必不斷增加,氫氣作為化工原料的終端消費(fèi)比例將會(huì)減小,預(yù)計(jì)到2060 年約降至60%,但隨著氫價(jià)的降低,整體需求量會(huì)繼續(xù)上升,氫化工作為氫能最主要的消耗方式,其與電解制氫裝置的結(jié)合會(huì)形成大規(guī)模電力系統(tǒng)負(fù)荷,進(jìn)一步加深電氫系統(tǒng)的耦合。

3 氫能供應(yīng)鏈支撐電網(wǎng)安全的關(guān)鍵場景

3.1 氫能供應(yīng)鏈與電力系統(tǒng)的交互作用

當(dāng)前新能源開發(fā)與電網(wǎng)建設(shè)脫節(jié),為保證輸電線路安全,很大一部分光伏發(fā)電被迫棄光,導(dǎo)致能源利用率降低［53］。中國西部光伏電站平均棄電率已達(dá)20%［54］。將多余發(fā)電轉(zhuǎn)化為氫能可以提高電網(wǎng)性能［55］,用氫氣取代煤炭發(fā)電可以降低碳排放［56］,氫能與電力系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行已成為未來氫能發(fā)展的一大趨勢(shì)。

圖4 為氫能供應(yīng)鏈與電力系統(tǒng)關(guān)系的三維說明圖,用于更直觀地認(rèn)識(shí)氫能對(duì)電力系統(tǒng)的多時(shí)空影響。圖中:氫能供應(yīng)鏈與電力系統(tǒng)之間的連線箭頭表示各氫能供應(yīng)鏈組件于電力系統(tǒng)各側(cè)的應(yīng)用位置；氫能供應(yīng)鏈與時(shí)間尺度的連線箭頭表示各組件實(shí)現(xiàn)響應(yīng)的時(shí)間尺度。

圖4 氫能供應(yīng)鏈與電力系統(tǒng)關(guān)系Fig.4 Relationship between hydrogen supply chain and power system

如圖4 所示,氫能供應(yīng)鏈主要包括制、儲(chǔ)、輸、用4 個(gè)環(huán)節(jié),各環(huán)節(jié)可以分別為電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、用環(huán)節(jié)提供從秒級(jí)到季節(jié)性的多時(shí)間尺度支撐。首先,從電能供應(yīng)側(cè)展開,解讀氫能供應(yīng)鏈對(duì)電力系統(tǒng)的支撐作用。對(duì)于發(fā)電側(cè),太陽能和風(fēng)能等可再生能源可為電解制氫系統(tǒng)供電,這一過程有助于新能源消納,新能源發(fā)電側(cè)與電解制氫系統(tǒng)協(xié)作可以改善由新能源特性導(dǎo)致的輸出功率波動(dòng),進(jìn)一步將產(chǎn)生的氫氣進(jìn)行儲(chǔ)存利用,以及將其他氫能運(yùn)輸至發(fā)電側(cè),實(shí)現(xiàn)氫能供應(yīng)鏈對(duì)發(fā)電側(cè)各時(shí)間尺度的支撐；對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)來說,可以將獲得的氫能通過固碳技術(shù)得到碳?xì)浠衔?進(jìn)而通過燃?xì)廨啓C(jī)回饋給發(fā)電側(cè)；電網(wǎng)側(cè)與電解制氫系統(tǒng)協(xié)作可以緩解潮流阻塞、維持電網(wǎng)頻率,同時(shí)電網(wǎng)和氫能輸送之間有一定替代關(guān)系,氫能的輸送可以分擔(dān)電網(wǎng)送電壓力,緩解潮流堵塞,實(shí)現(xiàn)氫能供應(yīng)鏈對(duì)電網(wǎng)側(cè)的秒級(jí)-小時(shí)級(jí)響應(yīng)；消費(fèi)側(cè)的分布式光伏、戶用儲(chǔ)能等靈活性資源可與電解制氫系統(tǒng)協(xié)同,通過電解槽進(jìn)行電轉(zhuǎn)氣以及對(duì)氫能的使用,實(shí)現(xiàn)氫能供應(yīng)鏈對(duì)消費(fèi)側(cè)的小時(shí)級(jí)支撐。然后,從氫能供應(yīng)鏈側(cè)展開,解讀氫能供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)對(duì)電力系統(tǒng)的多時(shí)間尺度支撐方式。電解制氫系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)超短期（秒級(jí)）的短時(shí)響應(yīng),縮短頻率擾動(dòng)的持續(xù)時(shí)間［57］,制氫過程同樣可以參與氫能對(duì)電能的短期（小時(shí)級(jí)）支撐過程,儲(chǔ)氫罐具有可以長期存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì),可實(shí)現(xiàn)從短期（小時(shí)級(jí)）到中長期（季節(jié)性）能源供需平衡的大時(shí)間范圍內(nèi)的儲(chǔ)能需求［58］。氫氣遠(yuǎn)距離輸送可以通過管道或者卡車運(yùn)輸,將氫氣傳輸?shù)狡渌貐^(qū)再利用燃料電池發(fā)電實(shí)現(xiàn)中長期響應(yīng)。氫能通過燃料電池和燃料電池汽車等應(yīng)用主要用于電力系統(tǒng)小時(shí)級(jí)調(diào)度響應(yīng)。

表1 展示了電氫耦合系統(tǒng)現(xiàn)存形態(tài)和關(guān)鍵技術(shù),以電能供應(yīng)鏈的角度展開,從多時(shí)間尺度介紹現(xiàn)存形態(tài),進(jìn)一步對(duì)其中所提關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論,PEM 電解槽的PEM 電解具有高質(zhì)子傳導(dǎo)性和較快的響應(yīng)速度,但是其成本高和壽命短；堿性電解槽的AWE 安全性和可靠性高,使用壽命較長,但需要輔助設(shè)備去除雜質(zhì)以提升氫的純度；高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫充放速度快,存儲(chǔ)能耗低,壽命較長,但安全性較差；堿性燃料電池的技術(shù)相對(duì)成熟,單機(jī)功率大、啟?？烨页杀镜?但體積較大,功率密度低；分布式燃料電池電站具有良好的場景適應(yīng)性和擴(kuò)展性,適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)孤網(wǎng)的供電或?yàn)橹骶W(wǎng)提供補(bǔ)充,規(guī)?？蛇_(dá)兆瓦級(jí)。

表1 電氫耦合系統(tǒng)現(xiàn)存形態(tài)和關(guān)鍵技術(shù)Table 1 Existing forms and key technologies of integrated electricity-hydrogen system

結(jié)合圖4 和表1 可知,氫能供應(yīng)鏈在電力系統(tǒng)的發(fā)電側(cè)可以實(shí)現(xiàn)全時(shí)間尺度的支撐,發(fā)電側(cè)的短期支撐主要依靠PEM 電解槽和堿性電解槽的快速響應(yīng),小時(shí)級(jí)的短期支撐則依靠電解制氫和空氣分離合成氨等形式,中長期響應(yīng)則主要依靠氫能技術(shù)的季節(jié)性優(yōu)勢(shì)完成。氫能供應(yīng)鏈對(duì)電網(wǎng)側(cè)的響應(yīng)主要由電解槽、儲(chǔ)氫罐和燃料電池組合緩解電網(wǎng)側(cè)擁堵,同時(shí)氫能的運(yùn)輸可以分擔(dān)輸電線路的壓力,這一組合實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)的短期響應(yīng),而PEM 電解槽的快速響應(yīng)保障了對(duì)電網(wǎng)的超短期支撐；消費(fèi)側(cè)隨著分布式燃料電池的發(fā)展,電解槽、分布式光伏及燃料電池的形態(tài)更加普遍,用戶側(cè)氫能的存在價(jià)值更多是對(duì)電能的短期支撐。

3.2 氫能供應(yīng)鏈對(duì)電力系統(tǒng)的多時(shí)空尺度響應(yīng)

3.2.1 發(fā)電側(cè)

可再生能源有巨大的資源潛力和清潔度被視為減少碳排放和環(huán)境污染的有效途徑［59-60］。光伏、風(fēng)能等產(chǎn)業(yè)作為可再生能源利用的主要形式,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了快速大規(guī)模的發(fā)展。然而,絕大多數(shù)可再生能源具有間歇性和不確定性,大規(guī)模光伏、風(fēng)能發(fā)電的并網(wǎng)已逐漸成為一個(gè)全球性問題,在一定程度上阻礙了可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［61］。氫能對(duì)發(fā)電側(cè)的支撐體現(xiàn)在每個(gè)時(shí)間維度。

氫能供應(yīng)鏈對(duì)新能源發(fā)電側(cè)的秒級(jí)-分鐘級(jí)響應(yīng)支撐并未被完全開發(fā)研究,許多研究并未考慮頻率的影響。文獻(xiàn)［62］提出一種含制氫環(huán)節(jié)的新能源系統(tǒng)的基本架構(gòu),結(jié)果顯示,系統(tǒng)中增加制氫和儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)可以在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)抑制輸出功率波動(dòng),以及提高系統(tǒng)的故障穿越能力和運(yùn)行穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［57］表明,在集成電氫系統(tǒng)中,電解質(zhì)膜氫電解槽在1～2 s 內(nèi)以快速有功功率輸入變化的形式提供應(yīng)急后頻率響應(yīng)。文獻(xiàn)［63］提出的風(fēng)光氫超級(jí)電容系統(tǒng)同樣可以穩(wěn)定電壓、優(yōu)化電能質(zhì)量、提高電能供應(yīng)可靠性。文獻(xiàn)［64］研究了電網(wǎng)規(guī)模的氫電解裝置快速頻率響應(yīng)的建模基礎(chǔ),并通過對(duì)實(shí)際案例的模擬驗(yàn)證了其建模的氫電解槽可以支持低碳系統(tǒng)在正常和極端停電情況下更安全、更具彈性的運(yùn)行。運(yùn)行PEM 電解和堿性電解系統(tǒng)時(shí),滿載響應(yīng)時(shí)間在1 s 到幾秒不等,從而允許PEM 電解和堿性電解提供電網(wǎng)平衡服務(wù)［59］。PEM 電解槽和堿性電解槽都能夠通過增大或降低電堆功率來提供秒級(jí)響應(yīng),從而縮短電網(wǎng)中頻率擾動(dòng)的持續(xù)時(shí)間［57］。電解槽極大地支持穩(wěn)定和彈性的系統(tǒng)運(yùn)行,但同時(shí)對(duì)頻率控制構(gòu)成威脅。

小時(shí)級(jí)響應(yīng)支撐的相關(guān)研究中,文獻(xiàn)［65］使用數(shù)值模型,根據(jù)歷史負(fù)荷、風(fēng)能和太陽能等概況確定其能夠提供給電解制氫裝置的最大功率來確定裝置尺寸,然后通過燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度,將產(chǎn)生的氫氣用于重塑電力負(fù)荷曲線。文獻(xiàn)［66］提出了一種大規(guī)模新能源制氫系統(tǒng)模型,考慮實(shí)時(shí)電價(jià)變化、多電解槽運(yùn)行狀態(tài)和新能源的間歇性,以小時(shí)為步長,滿足供需平衡并提高發(fā)電側(cè)新能源系統(tǒng)出力的穩(wěn)定性。發(fā)電側(cè)小時(shí)級(jí)響應(yīng)主要根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度,通過氫能供應(yīng)鏈完成發(fā)電側(cè)功率調(diào)節(jié)［67］。對(duì)于季節(jié)性的中長期響應(yīng),文獻(xiàn)［68］考慮時(shí)間和空間相關(guān)性,選擇典型日來確定規(guī)模,利用季節(jié)性儲(chǔ)氫罐有效、經(jīng)濟(jì)地儲(chǔ)存剩余電力,在電力短缺時(shí)為系統(tǒng)提供大量能源,實(shí)現(xiàn)能源的跨季節(jié)利用,采用電-氫-熱-冷聯(lián)產(chǎn)的綜合能源系統(tǒng)更具經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［69］將氫能應(yīng)用于地下太陽能存儲(chǔ)項(xiàng)目,地下儲(chǔ)氣罐用于容納氫,平衡可再生能源季節(jié)性供應(yīng)。此外,文獻(xiàn)［70］考慮光伏發(fā)電的輸出特性,以光伏發(fā)電限電最小為目標(biāo)建立并網(wǎng)調(diào)度模型,考慮不同儲(chǔ)存配置下制氫過程的制氫系統(tǒng)運(yùn)行控制策略,提出考慮并網(wǎng)方式、儲(chǔ)氫方式、輸氫方式以及輸氫距離的最優(yōu)容量決策方法,并以中國青海示范工程為例,驗(yàn)證了其可行性,此方法對(duì)減少二氧化碳排放、實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。除了光伏,還有電解制氫與風(fēng)能等并網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行。文獻(xiàn)［71］研究了一種基于海上風(fēng)力發(fā)電的制氫系統(tǒng),該系統(tǒng)可以通過將電能轉(zhuǎn)化為氫氣來緩解能源削減。文獻(xiàn)［72］討論了基于制氫系統(tǒng)的風(fēng)電場投資潛力,并提出了用于靈活風(fēng)電場并網(wǎng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營策略。氫能供應(yīng)鏈在新能源發(fā)電側(cè)可以促進(jìn)風(fēng)光消納,利用棄風(fēng)棄光制氫,降低氫氣制造成本,但是新能源耦合制氫系統(tǒng)存在流程長、效率偏低等問題,仍需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2.2 電網(wǎng)側(cè)

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)和電解制氫系統(tǒng)等可以為電網(wǎng)提供輔助服務(wù),如電解制氫系統(tǒng)可以緩解潮流阻塞,當(dāng)線路容量不足時(shí),氫儲(chǔ)能作為電解制氫系統(tǒng)的重要部分可以與燃料電池一起用于緩解輸電和配電線路的擁堵［22,73］。氫能供應(yīng)鏈對(duì)電網(wǎng)側(cè)的支撐主要體現(xiàn)在小時(shí)級(jí)或更短時(shí)間尺度上。

當(dāng)可再生能源發(fā)電超過了出線容量或者負(fù)載需求時(shí),多余的電可提供給電解制氫裝置來產(chǎn)生氫氣。潮流阻塞往往會(huì)升高電的市場價(jià)格,以及降低可再生能源的利用率［21］。氫能供應(yīng)設(shè)施也有助于推遲對(duì)新的、昂貴的輸電和配電設(shè)備的投資,延緩擴(kuò)展投資規(guī)劃。氫氣設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)電壓支持,將燃料電池和電解制氫裝置通過電力電子設(shè)備連接到電網(wǎng),燃料電池和電解制氫裝置通過逆變器或整流器控制提供或吸收無功功率來滿足當(dāng)?shù)貙?duì)電壓支持的需求。同時(shí),可以通過協(xié)調(diào)注入或吸收功率來保持電網(wǎng)頻率接近其參考值,以確保小時(shí)級(jí)供需平衡［74］。文獻(xiàn)［75-76］分析了大規(guī)模電轉(zhuǎn)氣（P2G）的整合,基于可再生能源裝機(jī)容量的大幅增加,評(píng)估了P2G 裝機(jī)的可能性,并分析了將氫能作為主要供能資源,與太陽能和風(fēng)能協(xié)作削峰的性能。氫能供應(yīng)鏈在電網(wǎng)側(cè)的應(yīng)用可以減少系統(tǒng)升級(jí)成本,提高電網(wǎng)的供電可靠性,但投入的電解槽和燃料電池作為氫能供應(yīng)鏈的重要一環(huán),無論是制氫還是消耗氫氣都會(huì)產(chǎn)生大量熱能散失,降低效率,因而每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)考慮提高能源利用率。

3.2.3 消費(fèi)側(cè)

氫能供應(yīng)鏈在下游消費(fèi)端的應(yīng)用主要包括與分布式光伏協(xié)同、將多余光伏發(fā)電通過電解制氫裝置產(chǎn)生氫氣以實(shí)現(xiàn)P2G、將氫氣通過燃料電池在家庭中實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供,以及燃料電池車用等,通過將氫能與消費(fèi)側(cè)結(jié)合,消耗多余光伏等可再生能源以及將氫能利用的方式推動(dòng)用戶側(cè)零碳能源的消耗,氫能供應(yīng)鏈在下游主要參與環(huán)節(jié)為小時(shí)級(jí)調(diào)度。

燃料電池的高性能、低維護(hù)成本和自由排放優(yōu)勢(shì),使其擁有應(yīng)用于混合可再生能源系統(tǒng)的極大優(yōu)勢(shì)［77］。集成太陽能-氫氣聯(lián)合的熱電系統(tǒng)可以為獨(dú)立應(yīng)用提供電力和熱量（熱水需求）［78］。文獻(xiàn)［79］提出住宅燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)中燃料處理器系統(tǒng)和燃料電池堆在各自的有效負(fù)載系數(shù)下獨(dú)立運(yùn)行,為燃料電池堆的運(yùn)行開發(fā)了最佳調(diào)度模型。文獻(xiàn)［80］使用軟件模擬太陽能-氫氣聯(lián)合發(fā)電和供熱系統(tǒng),為澳大利亞的農(nóng)村家庭供電,該系統(tǒng)可以滿足每年所需的電力需求和每年約95%的熱水需求。文獻(xiàn)［81］通過預(yù)測(cè)的天氣數(shù)據(jù),利用算法來增強(qiáng)尺寸精度,以優(yōu)化偏遠(yuǎn)地區(qū)和孤島系統(tǒng)風(fēng)能、光伏和儲(chǔ)存氫氣的3 種混合動(dòng)力系統(tǒng)場景,其混合能源系統(tǒng)加入氫氣后更加穩(wěn)健。氫能供應(yīng)鏈可以在消費(fèi)側(cè)與分布式能源配合,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,但系統(tǒng)運(yùn)行可靠性仍需要提高,同樣存在前面各環(huán)節(jié)提到的流程長、效率低等問題,需要在規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行策略以及經(jīng)濟(jì)評(píng)估等方面作改進(jìn)。

4 電氫耦合的關(guān)鍵問題

4.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)

中國光伏等新能源發(fā)電棄電嚴(yán)重,發(fā)電效率低,氫氣基于能源的燃料電池混合能源系統(tǒng)已被用于提高可再生能源的可靠性和連續(xù)性［82-83］,在替代能源技術(shù)中,氫氣被認(rèn)為是一種重要的能源載體,可以克服石油和自然資源枯竭、氣候變化和環(huán)境污染等問題。

文獻(xiàn)［84］提出一種利用剩余電能制氫的混合能源系統(tǒng),其結(jié)合太陽能、制氫系統(tǒng)和冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)冷卻、加熱、電力和氫氣的產(chǎn)生。該系統(tǒng)為中國遼寧省大連市的3 座公共建筑供電,通過優(yōu)化獲得單位能源成本最低的系統(tǒng)配置,文獻(xiàn)［85］提出了由光伏、電解槽、PEM 燃料電池組成的混合可再生能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法,為土耳其溫室提供電能和熱能,結(jié)論顯示該系統(tǒng)的平準(zhǔn)化度電成本低且效率高。文獻(xiàn)［86］提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)多準(zhǔn)則決策框架,以研究單機(jī)風(fēng)能、光伏、氫能系統(tǒng)的優(yōu)化配置,目標(biāo)是同時(shí)最小化平準(zhǔn)化能源成本、電源損失可能性和功率放棄率,得到混合能源系統(tǒng)的規(guī)模,以滿足中國甘肅省某離網(wǎng)工業(yè)園區(qū)電能需求。文獻(xiàn)［87］研究開發(fā)并應(yīng)用了一個(gè)模擬可再生能源滲透率極高時(shí)電力系統(tǒng)平衡的模型,分析了氫作為大規(guī)模能源供需平衡主要儲(chǔ)存手段時(shí)的容量需求,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域的100%清潔供能,最后討論了可能的替代方案,包括與燃料電池存儲(chǔ)系統(tǒng)的比較。針對(duì)電氫耦合系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中對(duì)可再生能源出力隨機(jī)性考慮不足的問題,對(duì)于氫能這類可長期儲(chǔ)存的能源應(yīng)考慮多能源系統(tǒng)中的時(shí)空互補(bǔ)性,體現(xiàn)能源和負(fù)荷的季節(jié)性差異和中長期特性。目前,國內(nèi)外針對(duì)電氫耦合系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行進(jìn)行的研究可以歸結(jié)為:電解槽及燃料電池與風(fēng)光配合實(shí)現(xiàn)電氫耦合,以成本、環(huán)境和能源利用率等不同出發(fā)點(diǎn)的系統(tǒng)收益最大化為目標(biāo),協(xié)調(diào)燃料電池在并網(wǎng)供電容量與氫能供應(yīng)系統(tǒng)裝置裝量的容量配比。

中國首個(gè)兆瓦級(jí)氫能源儲(chǔ)能電站為PEM 電解水制氫及燃料電池發(fā)電示范項(xiàng)目,首次實(shí)現(xiàn)了兆瓦級(jí)氫儲(chǔ)能在電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用。目前,電氫耦合系統(tǒng)的技術(shù)不斷發(fā)展,但是氫能制、儲(chǔ)、輸、用各環(huán)節(jié)的成本依然相對(duì)較高,AWE、PEM 電解、大規(guī)模氫氣存儲(chǔ)、摻氫管道網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展對(duì)于氫能系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性的提升具有重要意義。

4.2 優(yōu)化運(yùn)行

新能源與氫能耦合的情況下,為了保證光伏、風(fēng)電等可再生能源生產(chǎn)與電解負(fù)荷相匹配,避免電網(wǎng)擁堵,有利于綠色制氫,需要實(shí)施限制［88］,通過優(yōu)化調(diào)度和運(yùn)行控制保證系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行。

文獻(xiàn)［89］提出一種考慮風(fēng)電制氫效率的風(fēng)氫系統(tǒng)最優(yōu)調(diào)度方法,以堿性電解槽制氫為例,提出一種基于分段模糊控制的提高電解槽陣列效率的方法,通過對(duì)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的仿真分析,驗(yàn)證了所提方法的有效性。文獻(xiàn)［90］提出一種考慮電解系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自耗狀態(tài),將光伏電源連接到電解工廠的經(jīng)濟(jì)模型,該模型計(jì)算了電解系統(tǒng)的最佳小時(shí)調(diào)度,考慮了生產(chǎn)、備用和閑置等運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)中的負(fù)荷系數(shù)以及對(duì)電網(wǎng)的能源進(jìn)出口等因素,模型結(jié)果顯示該方法降低了制氫成本。目前,對(duì)于電氫耦合系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的研究可總結(jié)為:利用不同的組件構(gòu)成系統(tǒng),根據(jù)出發(fā)點(diǎn)不同列寫不同的運(yùn)行目標(biāo),通過組件和系統(tǒng)約束尋求系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的計(jì)劃。此外,也有考慮新能源出力和負(fù)荷的預(yù)測(cè)不穩(wěn)定性,通過滾動(dòng)預(yù)測(cè)優(yōu)化彌補(bǔ)長時(shí)間尺度預(yù)測(cè)帶來的誤差。新能源出力不穩(wěn)定帶來的問題是電能耦合系統(tǒng)運(yùn)行控制要解決的關(guān)鍵,目前,國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的應(yīng)用角度是主從控制,將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為上、下層,系統(tǒng)層次采用協(xié)調(diào)控制策略,將系統(tǒng)的每個(gè)運(yùn)行狀態(tài)劃分成不同的運(yùn)行模式,其中,各層可以是器件控制以及系統(tǒng)穩(wěn)定性控制。電氫耦合系統(tǒng)運(yùn)行控制根據(jù)關(guān)注重點(diǎn)不同,主要分為降低制氫成本和提高制氫效率,此外,還應(yīng)更加關(guān)注社會(huì)綜合效益以及運(yùn)行穩(wěn)定性和對(duì)電網(wǎng)的支撐作用。

在Thüga 項(xiàng) 目 中,300 kW 的PEM 制 氫 裝 置 能夠針對(duì)波動(dòng)的可再生能源進(jìn)行響應(yīng),將其以氫氣方式儲(chǔ)存,并注入當(dāng)?shù)靥烊粴夤芫W(wǎng)［90］。電氫子系統(tǒng)之間的耦合機(jī)理復(fù)雜,如何利用電氫系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系構(gòu)建其協(xié)同運(yùn)行模型,提出合理高效的電氫耦合系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行技術(shù),是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全平衡和高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。

4.3 市場交易

氫氣被視為未來可持續(xù)能源系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,通過對(duì)新能源制氫系統(tǒng)進(jìn)行可用性和可靠性等分析來關(guān)注氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)的完整技術(shù)、環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)評(píng)估的研究,可以對(duì)研究人員、政府政策制定者、不同行業(yè)和能源市場客戶起到指導(dǎo)作用。

文獻(xiàn)［91］使用模糊層次分析法對(duì)傳統(tǒng)能源電解、風(fēng)能電解、光伏電解、核熱化學(xué)水分解循環(huán)、光電化學(xué)電池電解等不同的制氫方案進(jìn)行可持續(xù)性分析,通過考慮經(jīng)濟(jì)績效、環(huán)境績效、社會(huì)績效、技術(shù)績效和可靠性這5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估不同制氫方法的可持續(xù)性。文獻(xiàn)［92］對(duì)光伏電站制氫進(jìn)行了綜合評(píng)估,研究結(jié)果表明,光伏電解是一種可持續(xù)的替代方案,可以小規(guī)模和大規(guī)模生產(chǎn)氫氣。文獻(xiàn)［93］對(duì)14種不同的制氫過程進(jìn)行了比較,進(jìn)而對(duì)其可持續(xù)性進(jìn)行評(píng)估,評(píng)估過程考慮了生產(chǎn)成本、系統(tǒng)效率、可擴(kuò)展性和投資成本等,此外,還對(duì)傳統(tǒng)制氫方法和新型氫氣生產(chǎn)方法的可持續(xù)性進(jìn)行了對(duì)比,得出熱化學(xué)熱解和氣化是最具經(jīng)濟(jì)效益的制氫方法,未來將發(fā)揮較大潛力的結(jié)論?；诰G色證書的交易機(jī)制,發(fā)展綠色氫能證書交易機(jī)制,文獻(xiàn)［94］根據(jù)新能源制氫公司以及氫氣銷售公司的共同利益關(guān)系,構(gòu)建基于共享收益的綠色氫能證書交易機(jī)制模型,提高個(gè)體期望利潤。文獻(xiàn)［95-96］建立了含氫能、電能、熱能的綜合能源交易機(jī)制,使市場交易在多能源之間得到耦合,提升能源使用效率。氫能供應(yīng)鏈在電力系統(tǒng)的支撐作用主要體現(xiàn)在消納新能源和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面。隨著氫能系統(tǒng)的發(fā)展,電解制氫系統(tǒng)可以作為輔助服務(wù)供應(yīng)商參與電力市場,同時(shí),氫燃料電池以及燃?xì)漭啓C(jī)等發(fā)電設(shè)備也可以為電力系統(tǒng)提供靈活調(diào)峰、黑啟動(dòng)、備用等服務(wù)。在含氫能的綜合能源市場交易中,制氫方式對(duì)成本有重要影響。目前,國內(nèi)外制定了多種標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估各制氫方式,為提高能源使用效益建立綜合能源交易機(jī)制。電力市場與氫能市場之間的耦合關(guān)系將愈發(fā)密切,目前,氫氣的主要來源依然是化石燃料,交易體系相對(duì)傳統(tǒng),綠氫的生產(chǎn)缺乏有效的激勵(lì)措施,如何構(gòu)建契合未來高比例可再生能源制氫場景下的氫氣交易機(jī)制和定價(jià)機(jī)制是氫能系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。同時(shí),電氫市場的時(shí)間尺度存在一定差別,如何實(shí)現(xiàn)電氫市場之間的高效融合,如氫能系統(tǒng)如何參與電力系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)對(duì)促進(jìn)電氫系統(tǒng)的深度融合具有重要意義。

5 存在的問題和政策建議

5.1 存在的問題

據(jù)預(yù)測(cè),至2060 年,中國可再生能源制氫將達(dá)到1 億t（占比為77%）,電解裝機(jī)預(yù)計(jì)達(dá)500 GW。盡管電氫耦合技術(shù)未來市場前景廣闊,要實(shí)現(xiàn)在能源系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用,尚存在亟待解決的問題及挑戰(zhàn)。

1）成本居高不下,經(jīng)濟(jì)性尚難以滿足技術(shù)普及應(yīng)用。目前,主流制氫技術(shù)的生產(chǎn)成本如圖5 所示。由于中國氫能領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、技術(shù)成熟度不高,關(guān)鍵材料部件依賴進(jìn)口,導(dǎo)致氫能各環(huán)節(jié)成本較高。以化石燃料為基礎(chǔ)的氫氣生產(chǎn)方式相對(duì)成熟,生產(chǎn)成本在7～25 元/kg 之間［97-98］,考慮到碳排放等因素,綠氫成本價(jià)格需降低至20 元/kg 以下才具有競爭力［99］。亟須加強(qiáng)高效氫能制取、儲(chǔ)運(yùn)、規(guī)模轉(zhuǎn)存和燃料電池等環(huán)節(jié)技術(shù)創(chuàng)新,突破“卡脖子”難點(diǎn),降低綠氫生產(chǎn)成本,開拓氫能市場。

圖5 主要制氫技術(shù)的生產(chǎn)成本Fig.5 Production cost of main hydrogen production technologies

2）系統(tǒng)形態(tài)和關(guān)鍵技術(shù)研究尚不充分,氫能系統(tǒng)效率亟待提升。氫能對(duì)電力系統(tǒng)的多維度支撐研究剛剛起步,相應(yīng)示范工程較少,對(duì)電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷側(cè)與氫能耦合互動(dòng)的系統(tǒng)形態(tài)和關(guān)鍵技術(shù)的研究尚不充分,缺乏氫能與電網(wǎng)規(guī)劃、風(fēng)光耦合的波動(dòng)性制氫、適用于電力系統(tǒng)的高密度儲(chǔ)氫、電氫耦合運(yùn)行控制、氫能應(yīng)用安全等方向的研究。同時(shí),氫能從全環(huán)節(jié)利用效率來看,一般僅為30%左右。因此,在滿足電氫系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,亟須提升系統(tǒng)的整體效率和新能源利用率。

3）缺少針對(duì)氫能安全特性的安全技術(shù)及安全管理。氫氣具有易燃、易爆和高壓等特性,制氫和儲(chǔ)氫安全是非常重要的問題。當(dāng)前,制氫和儲(chǔ)氫安全標(biāo)準(zhǔn)大多針對(duì)工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室場所制定,沒有考慮到日益擴(kuò)大的氫能源應(yīng)用領(lǐng)域,如汽車、熱水器等家庭和商業(yè)用途。同時(shí),標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)發(fā)展不匹配,隨著制氫和儲(chǔ)氫技術(shù)的不斷發(fā)展,許多新的安全隱患也隨之而來?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)可能無法及時(shí)跟上技術(shù)進(jìn)步的步伐,從而無法全面保障制氫和儲(chǔ)氫的安全。

4）市場機(jī)制尚不健全。目前,針對(duì)可再生能源發(fā)電制氫的支持性電價(jià)補(bǔ)貼政策、覆蓋氫儲(chǔ)能的儲(chǔ)能價(jià)格機(jī)制、氫儲(chǔ)能直接參與電力市場交易機(jī)制以及綠氫的溯源、認(rèn)證和強(qiáng)制配額政策等尚在摸索過程,制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和異質(zhì)能源之間的融合［100］。

5.2 政策建議

2022 年,國家發(fā)展改革委發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃》,明確了氫能是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)方向,推進(jìn)了中國氫能產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)有序發(fā)展［101］。美國能源部發(fā)布了《國家清潔氫能戰(zhàn)略和路線圖》,提出在氫能高效利用、成本降低、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等方面的發(fā)展戰(zhàn)略和支撐政策［102］。歐盟委員會(huì)發(fā)布了《歐洲廉價(jià)、安全、可持續(xù)能源聯(lián)合行動(dòng)》,明確了高比例可再生能源下氫能系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)［103］。日本自然資源與能源署發(fā)布了《以實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)為目標(biāo),建構(gòu)大規(guī)模氫能供應(yīng)鏈》,大力推進(jìn)氫能供應(yīng)鏈的建設(shè)［104］。針對(duì)目前中國氫能發(fā)展存在的問題并結(jié)合各國的發(fā)展經(jīng)驗(yàn),本文提出4 條氫能發(fā)展政策建議如下。

1）強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì),推進(jìn)電氫協(xié)同發(fā)展

充分發(fā)揮氫能對(duì)新型電力系統(tǒng)的支撐作用需要加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì),以系統(tǒng)思維統(tǒng)籌考慮電力系統(tǒng)與氫能系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃,明確氫能在源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各環(huán)節(jié)應(yīng)用發(fā)展的路線圖,制定電氫系統(tǒng)近、中、遠(yuǎn)期階段性規(guī)劃目標(biāo)和任務(wù),提出符合地域發(fā)展的電氫系統(tǒng)規(guī)劃方案,統(tǒng)籌激勵(lì)政策設(shè)計(jì)、應(yīng)用引導(dǎo)和優(yōu)化補(bǔ)貼政策,并在實(shí)施過程中不斷完善。

2）堅(jiān)持創(chuàng)新引領(lǐng),確保核心技術(shù)自主可控

圍繞新型電力系統(tǒng)建設(shè)和氫能高質(zhì)量發(fā)展重大需求,持續(xù)加強(qiáng)電氫耦合方向科研布局,突破短板弱項(xiàng),盡快掌握適應(yīng)波動(dòng)性電源的大規(guī)模電解制氫裝備與控制技術(shù),攻克貴金屬電解制氫核心材料與部件研發(fā),加強(qiáng)高密度儲(chǔ)氫新材料研制,探索規(guī)模制氨、醇等轉(zhuǎn)存新技術(shù),突破燃料電池材料-部件-系統(tǒng)環(huán)節(jié)核心技術(shù),實(shí)現(xiàn)自主可控的燃料電池系統(tǒng)批量生產(chǎn),積極推進(jìn)試點(diǎn)示范和工程化應(yīng)用,形成具有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電氫耦合技術(shù)體系。

聚焦產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù),構(gòu)建多層次、多元化創(chuàng)新平臺(tái),依托龍頭企業(yè)整合行業(yè)資源,統(tǒng)籌布局電氫耦合技術(shù)創(chuàng)新中心、工程研究中心等創(chuàng)新平臺(tái)和基地,加強(qiáng)電氫系統(tǒng)與信息、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)融合共建,搭建產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái),支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展［105］。

3）統(tǒng)籌電氫產(chǎn)業(yè)布局,推動(dòng)示范應(yīng)用

綜合考慮資源稟賦、技術(shù)與產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、市場需求、經(jīng)濟(jì)性等因素,統(tǒng)籌電氫產(chǎn)業(yè)布局,合理推動(dòng)應(yīng)用示范。選取可再生能源滲透率高且消納需求迫切的區(qū)域,建設(shè)電-氫協(xié)同的多能互補(bǔ)示范工程,研究微電網(wǎng)、有源配電網(wǎng)、局部直流電網(wǎng)等場景下系統(tǒng)運(yùn)行方式、氫儲(chǔ)能電站參與電網(wǎng)的靈活性調(diào)節(jié)能力,統(tǒng)籌推動(dòng)電氫在交通、工業(yè)等方面的多元化應(yīng)用,因地制宜建設(shè)“油氫電”一體化綜合能源服務(wù)站、“電氫氣熱冷”綜合能源供應(yīng)站［106］,逐步構(gòu)建跨區(qū)域聯(lián)通的電氫能源交通綜合示范線,結(jié)合燃料電池汽車示范城市群、“氫進(jìn)萬家”示范建設(shè),實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)動(dòng)發(fā)展。充分發(fā)揮電氫系統(tǒng)在綠色低碳轉(zhuǎn)型和高排放、高污染行業(yè)綠色發(fā)展中的重要支撐作用。

4）強(qiáng)化機(jī)制創(chuàng)新完善市場機(jī)制,構(gòu)建電氫系統(tǒng)商業(yè)發(fā)展新模式

加強(qiáng)電氫產(chǎn)業(yè)政策支持,完善市場機(jī)制,研究并推動(dòng)實(shí)施政府補(bǔ)貼、稅收減免等財(cái)稅政策措施,鼓勵(lì)地方政府結(jié)合自身情況制定配套鼓勵(lì)政策,著力解決制約電氫市場的瓶頸,不斷提升市場競爭力。積極促進(jìn)電氫系統(tǒng)參與電網(wǎng)輔助服務(wù)市場、碳交易市場,提升電氫系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收益,釋放市場對(duì)電氫系統(tǒng)多元化發(fā)展的需求,持續(xù)深化電力-氫能市場的耦合程度,建立電力、氫能、碳交易等多類型能源耦合市場的全新商業(yè)發(fā)展模式。

6 結(jié)語

以電和氫為代表的載體能源呈現(xiàn)出來源多樣化、應(yīng)用場景多元化、轉(zhuǎn)換靈活和運(yùn)行零排放等形態(tài)特征?；诖?電氫系統(tǒng)將電和氫作為核心能源載體,通過氫能供應(yīng)鏈和電力系統(tǒng)耦合互動(dòng),支撐可再生能源的大規(guī)模消納,保障電力系統(tǒng)運(yùn)行安全,實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域深度脫碳,其具體作用形式表現(xiàn)在時(shí)間和空間維度上。其中,時(shí)間維度上,氫能供應(yīng)鏈向電力系統(tǒng)提供短時(shí)、日前、跨季節(jié)等多時(shí)間尺度的輔助服務(wù)；在空間維度上,氫能供應(yīng)鏈參與電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)多環(huán)節(jié)協(xié)同運(yùn)行。近年來,氫能供應(yīng)鏈技術(shù)趨于成熟,為電氫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究奠定了良好基礎(chǔ)。一系列政策的出臺(tái)也為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了契機(jī)。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)引領(lǐng)下,推動(dòng)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展,應(yīng)以系統(tǒng)視角統(tǒng)籌推動(dòng)電氫協(xié)同發(fā)展,“抓關(guān)鍵、補(bǔ)短板”持續(xù)推動(dòng)核心技術(shù)攻關(guān),不斷完善產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境,推動(dòng)場景驅(qū)動(dòng)下的機(jī)制創(chuàng)新和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展,構(gòu)建電氫系統(tǒng)商業(yè)發(fā)展新模式。本文綜述了電氫耦合系統(tǒng)的形態(tài)和關(guān)鍵技術(shù),提出了產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的關(guān)鍵問題和建議,是對(duì)能源系統(tǒng)形態(tài)的有益探索,有利于支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè),維護(hù)能源供給安全,支撐能源低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。

本文得到華北電力大學(xué)王鵬雅的大力支持與幫助，特此感謝！

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