胡 杰，李東耀，于 淼

（中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021）

0 引言

2022年3月，國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，將氫能正式納入國家能源體系，并明確氫是能源轉(zhuǎn)型的重要載體。同年5月，兩部委再次聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于促進新時代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實施方案》，提出新能源開發(fā)利用仍存在電力系統(tǒng)對大規(guī)模高比例新能源接網(wǎng)和消納適應(yīng)性不足、受土地資源約束明顯等制約因素，要求要全面提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和靈活性，推動新型儲能快速發(fā)展。

吉林省有豐富的風(fēng)、光資源，是“松遼清潔能源基地”的重要組成部分，新能源發(fā)展?jié)摿薮?，但目前整體開發(fā)程度偏低，新能源開發(fā)與利用矛盾突出，在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)中仍存在較多的問題需要解決，對氫能作為新型儲能載體的需求強烈。

本文分析了吉林省新能源與氫能發(fā)展現(xiàn)狀，并對當(dāng)前新能源發(fā)展面臨的主要問題進行梳理，通過對氫能多種發(fā)展方式的分析，探究氫對全省新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的重要意義，并提出全省電-氫協(xié)同發(fā)展的構(gòu)想以及未來全省電-氫協(xié)同發(fā)展的相關(guān)建議。

1 吉林省新能源及氫能發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 吉林省新能源發(fā)展現(xiàn)狀

2021 年，吉林省新能源裝機容量達1 120.6×104k W，約占全省裝機容量的32.2%。其中，風(fēng)電裝機容量664.7×104k W，光伏裝機容量345.9×104k W。2019年，吉林省風(fēng)電建設(shè)由紅色預(yù)警調(diào)整為綠色后，于近兩年有較快增長；光伏建設(shè)情況一直較好，并在“十三五”初期出現(xiàn)爆發(fā)式增長。

2021 年，吉林省新能源發(fā)電量達221.6×108k Wh，約占全省總發(fā)電量的22.5%。其中，風(fēng)電發(fā)電量137.9×108k Wh，光伏發(fā)電量52.3×108k Wh。全省新能源發(fā)電量比重逐年提高，近期風(fēng)電利用時間維持在2 200 h以上，光伏利用時間在1 500 h左右。

吉林省西部地區(qū)所在的“松遼清潔能源基地”是“九大國家級清潔能源基地”的重要組成部分，新能源發(fā)展?jié)摿薮?。吉林省風(fēng)電年平均利用時間為2 700～3 500 h，可裝機容量約為6 900×104k W；太陽能年平均日照時間為2 800～3 000 h，可裝機容量約為4 600×104k W。截至2021年，全省新能源開發(fā)率尚不足10%。

1.2 吉林省氫能發(fā)展現(xiàn)狀

吉林省氫能示范應(yīng)用工作開展較早，為全省氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。目前，氫能試點建設(shè)項目主要有白城堿液聯(lián)合質(zhì)子交換膜電解水制氫試點項目、長春中韓國際合作示范區(qū)“可再生能源＋質(zhì)子交換膜電解水制氫＋加氫”一體化試點項目、白城風(fēng)電動態(tài)堿液制氫實驗裝置試點項目等。此外，氫能交通已在吉林省白城、延邊等地區(qū)成功示范應(yīng)用，全省建成示范加氫站3座，中國第一汽車集團有限公司已有氫燃料電池乘用車投入運行。

2 吉林省新能源發(fā)展面臨的問題

2.1 新能源消納能力不足

吉林省是典型的送端電網(wǎng)，“大機小網(wǎng)”特征突出。2021年，吉林省最大發(fā)受電量1 386×104k W，全省常規(guī)電源裝機容量2 475×104k W，省內(nèi)負(fù)荷不能滿足電源發(fā)展的需要，送出需求強烈。此外，受地域和氣候影響，在冬季采暖期，供熱需求與新能源開發(fā)矛盾突出，電網(wǎng)調(diào)峰壓力巨大，近10年火電機組利用時間均低于4 000 h。

經(jīng)測算，在考慮吉林省新能源利用率95%的條件下，計及省間通道及魯固直流輸電能力，并疊加需求側(cè)響應(yīng)和跨省現(xiàn)貨交易電量，全省新能源已基本無新增可消納空間，亟須尋求新的消納市場。

2.2 新能源開發(fā)力度不強

目前，風(fēng)電已成為吉林省第二大裝機容量電源，但風(fēng)、光發(fā)電量合計僅占全省發(fā)電量的22.5%，新能源已開發(fā)比例不足10%，新能源利用程度明顯偏低。在加快構(gòu)建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)大背景下，全省新能源將迎來新一輪快速發(fā)展，新能源定位也將由補充電源過渡為主力電源［1］，增強新能源開發(fā)力度，助力“雙碳”目標(biāo)的盡早實現(xiàn)尤顯重要。

2.3 新能源資源與調(diào)峰資源匹配度不高

吉林省風(fēng)、光資源較豐富地區(qū)主要集中在西部地區(qū)，而全省的常規(guī)水電、抽水蓄能電站等優(yōu)質(zhì)調(diào)峰資源主要集中在東部，風(fēng)、光資源與調(diào)峰資源存在空間差異性。目前，西部地區(qū)風(fēng)、光資源開發(fā)以規(guī)模化、集中式電站為主，通常采用電力匯集方式，經(jīng)長距離、高電壓等級在更大范圍內(nèi)消納，為發(fā)揮系統(tǒng)調(diào)峰作用，須對電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提出更高要求，省內(nèi)主干網(wǎng)架潮流涌動調(diào)整頻次及運行壓力也將明顯增加。

2.4 新能源開發(fā)對調(diào)峰電源要求提高

受風(fēng)、光等新能源發(fā)電間歇性和波動性特點影響，隨著其接入系統(tǒng)規(guī)模的不斷增加，系統(tǒng)出力可控性降低，系統(tǒng)運行的隨機性和不確定性增加，對調(diào)峰電源要求不斷提高?，F(xiàn)有常規(guī)抽水蓄能及電化學(xué)儲能等調(diào)峰手段，僅能滿足小時級或日內(nèi)調(diào)節(jié)需要，而隨著新能源占比的不斷提高，新能源在周、月、季、年等時間尺度上的不均衡性逐漸凸顯，對長時段調(diào)節(jié)需求將更為迫切［2］。

3 氫能對吉林省新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要意義

氫能具有質(zhì)量能量密度高、體積能量密度低的特點，可采用多種方式存儲，是一種清潔、高效的二次能源，能夠?qū)崿F(xiàn)與新能源的協(xié)同發(fā)展。其中，制氫與燃料電池是實現(xiàn)氫能與電能相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)［3-5］，而作為一種優(yōu)質(zhì)的高燃燒熱值燃料，氫能在重卡運輸、鐵路貨運、航運和航天等交通領(lǐng)域也有很大的發(fā)展空間。氫能對吉林省新型電力系統(tǒng)建設(shè)具有重要意義。

3.1 電制氫提升電力系統(tǒng)靈活性

制氫過程通常按照碳排放情況，分為灰氫（煤制氫）、藍氫（天然氣制氫）和綠氫（電解水制氫）。目前，制氫以灰氫為主。而從新能源和氫能總體發(fā)展需求來看，以新能源電力制氫的零排放“綠氫”將成為電制氫未來發(fā)展的主流。

根據(jù)電解液的不同，當(dāng)前具備大規(guī)模推廣的電制氫技術(shù)主要分為堿性電解、質(zhì)子交換膜電解、固體氧化物電解。其中，堿性電解技術(shù)電制氫負(fù)荷能夠?qū)崿F(xiàn)50%～100%可調(diào)；質(zhì)子交換膜電解技術(shù)制氫負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍更大，啟動時間短，爬坡速度快，“荷隨源動”特點突出；固體氧化物電解技術(shù)能量效率高，可構(gòu)成可逆電解池。電解水制氫主要技術(shù)對比見表1［6-7］。

表1 電解水制氫主要技術(shù)對比

通過電制氫的建設(shè)發(fā)展，可充分發(fā)揮其在較大范圍內(nèi)的功率連續(xù)調(diào)節(jié)作用，為滿足全省新能源大規(guī)模開發(fā)提供有效的靈活性調(diào)節(jié)電源。

3.2 多元化儲氫方式滿足長時間儲能需求

隨著新能源規(guī)模的不斷增加，新能源出力的波動性將體現(xiàn)在更長的時間軸線上，現(xiàn)有成熟的以小時為單位的電化學(xué)儲能及抽水蓄能電站都很難滿足新型電力系統(tǒng)的儲能需要。

氫能的儲存方式相對較多，如壓縮氣態(tài)氫存儲、低溫液態(tài)氫存儲、制造燃料電池、天然氣管道摻氫等。這些儲氫方式的充放周期可在上千小時，能夠滿足日、周、月等長時間軸線的儲能需求，增強高比例新能源對新型電力系統(tǒng)的電力平衡需求。抽水蓄能、電化學(xué)儲能及氫儲能優(yōu)缺點對比見表2。

表2 抽水蓄能、電化學(xué)儲能及氫儲能優(yōu)缺點對比

3.3 建設(shè)氫能電站改善電網(wǎng)運行

隨著新能源裝機占比的增加，電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量、調(diào)節(jié)能力和抗擾動能力明顯下降，影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的不利因素增加。此外，隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，能源空間的不平衡性將更加突出。現(xiàn)有的以火電、抽水蓄能為主的調(diào)峰模式將越發(fā)不能匹配碳排放及新能源建設(shè)周期等要求，建設(shè)氫能電站，既可以將利用新能源電解生產(chǎn)的氫能再次轉(zhuǎn)換為電能回饋電力系統(tǒng)，又能夠為電力系統(tǒng)提供調(diào)峰資源和事故備用，從而提高電力系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定性，進一步增加新能源的消納。

隨著現(xiàn)有煤電機組的退役及有限抽水蓄能電站資源的開發(fā)，對以氫能為代表的大規(guī)模、長時間、跨區(qū)域的新型調(diào)峰資源需求將更為強烈。

4 吉林省電-氫協(xié)同發(fā)展構(gòu)想

根據(jù)吉林省新能源發(fā)展面臨的問題，為加快構(gòu)建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)，充分發(fā)揮氫能作為新型儲能載體的技術(shù)優(yōu)勢，對全省電-氫協(xié)同發(fā)展提出3點構(gòu)想。

4.1 建立送端電-氫輸電模式

從全省新能源發(fā)展迫切與電力需求偏小的矛盾出發(fā)，應(yīng)考慮利用特高壓直流通道送出電力的同時，實現(xiàn)送端電-氫輸電協(xié)同利用。

在吉林省西部新能源集中匯集外送基地，建立電制氫、儲氫及氫能發(fā)電站，實現(xiàn)送端“源網(wǎng)荷儲”。其中，電制氫和氫能發(fā)電作為外送通道的調(diào)峰電源，能夠提高西部新能源特高壓外送通道的系統(tǒng)靈活性和運行穩(wěn)定性。而儲氫設(shè)備則作為儲能措施，實現(xiàn)對長時間軸線上的調(diào)節(jié)能力。送端電-氫協(xié)同輸電模式見圖1。

圖1 送端電-氫協(xié)同輸電模式

4.2 建立電-氫就地消納模式

在吉林省西部新能源富集地區(qū)利用新能源制氫，并直接應(yīng)用于周邊化工廠、汽車燃料電池加氫站等，豐富氫能產(chǎn)業(yè)鏈，擴大用氫需求。

該模式的應(yīng)用，既可減少儲運氫氣的成本，又可避免電-氫-電能源轉(zhuǎn)換過程的損耗，提高能源利用率。吉林省作為中國汽車產(chǎn)業(yè)和化工產(chǎn)業(yè)的搖籃，產(chǎn)業(yè)協(xié)同優(yōu)勢更加顯著。同時，吉林省作為農(nóng)業(yè)大省，對化肥的剛性需求強烈，采用該模式可以充分發(fā)揮省內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)與氫能產(chǎn)業(yè)快速融合的優(yōu)勢。此外，利用氫能發(fā)電站作為數(shù)據(jù)中心應(yīng)急電源替代柴油發(fā)電機組，從而使得高耗能的數(shù)據(jù)中心可以完全使用新能源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心零碳排放，有利于促進數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)在吉林省的發(fā)展。

4.3 研究利用“中俄東線”輸氫

當(dāng)前，氫能儲運成本約占到“制儲輸用”全產(chǎn)業(yè)鏈總成本的30%～40%［8-9］，是制約氫能大規(guī)模發(fā)展的“卡脖子”環(huán)節(jié)之一。

“中俄東線”是目前世界上距離最長的輸氣管道，其主要供應(yīng)市場為東北區(qū)域、華北渤海地區(qū)及長三角地區(qū)，其中吉林省有長嶺和雙遼2個分輸站及長嶺—長春1個分支管線。

為解決氫能儲運問題，建議近期結(jié)合省內(nèi)及省間“中俄東線”天然氣管網(wǎng)，充分利用天然氣基礎(chǔ)設(shè)施及管網(wǎng)覆蓋面積優(yōu)勢，在天然氣管網(wǎng)允許摻氫比例波動的條件下，實現(xiàn)天然氣管網(wǎng)輸氫，解決“綠氫”大規(guī)模生產(chǎn)、儲運和消納問題，從而大幅度降低碳排放量。

5 結(jié)論與建議

1）受吉林省“大機小網(wǎng)”、供暖期供熱需求及風(fēng)電大發(fā)疊加、東西部地區(qū)能源資源分布及電力系統(tǒng)運行需求等多方面因素影響，新能源開發(fā)程度整體偏低，新能源發(fā)展面臨消納能力不足、開發(fā)力度不強、與調(diào)峰資源匹配度不高及對調(diào)峰電源的要求提高等問題。

2）氫能作為新型儲能載體，可通過電制氫—氫能發(fā)電提升電力系統(tǒng)靈活性、多元化儲氫方式，滿足長時間儲能需求、改善電網(wǎng)運行，對吉林省新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建具有重要意義。

3）結(jié)合吉林省新能源開發(fā)及現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，提出建立送端電-氫輸電模式、建立電-氫就地消納模式及研究利用“中俄東線”輸氫3種電-氫協(xié)同發(fā)展構(gòu)想，促進近期吉林省電-氫協(xié)同發(fā)展，并在相關(guān)技術(shù)成熟后，推動建立電-氫-電循環(huán)發(fā)展模式。

4）氫能作為新型儲能載體，在新型電力系統(tǒng)發(fā)展中，仍面臨著在新能源隨機波動情況下，制氫系統(tǒng)隨工況變化對設(shè)備安全及運行的新要求、氫儲能系統(tǒng)效率偏低及成本偏高、天然氣管道摻氫所面臨的氫脆及分離效率低等問題。建議加大對“綠氫”技術(shù)攻關(guān)與規(guī)?；芯繎?yīng)用力度，降低制氫成本，提高“綠氫”經(jīng)濟性；利用全省現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)及政策優(yōu)勢，加快裝備企業(yè)落地，提升自主化水平；推動氫“制儲輸用”全產(chǎn)業(yè)鏈建立，利用全省產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，發(fā)展本省化工、氫燃料產(chǎn)業(yè)，吸引國家中東部氫能消費產(chǎn)業(yè)進入吉林；提升本省氫能源高端裝備制造技術(shù)競爭力，把握氫能發(fā)展路線先機，打造氫能技術(shù)產(chǎn)業(yè)高地。