通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)備用電源，分析了氫能備用電源的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，包括高能量密度、清潔環(huán)保、可再生性、高效能源轉(zhuǎn)換、長(zhǎng)時(shí)間供電、快速響應(yīng)、體積小噪聲低以及安全可靠等特點(diǎn)。本文以甘肅地區(qū)為例，測(cè)算了變電站直流備用電源容量，并分析了甘肅推廣氫能備用電源的優(yōu)勢(shì)，如新能源資源豐富、產(chǎn)業(yè)裝備基礎(chǔ)好、政策支持力度大等。同時(shí)，指出了氫能備用電源面臨的挑戰(zhàn)，如成本偏高、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后、市場(chǎng)接受度低和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善等，最后提出加快氫能備用電源在甘肅地區(qū)推廣應(yīng)用的建議。

隨著全球能源綠色轉(zhuǎn)型的加速和電力系統(tǒng)對(duì)備用電源要求的提高，傳統(tǒng)的備用電源如鉛酸電池、柴油發(fā)電機(jī)等因存在環(huán)境污染、能源效率低等“先天性”問(wèn)題亟需升級(jí)改造。氫能作為一種清潔、低碳、可靠的能源替代方式， 作為變電站新一代備用電源推廣應(yīng)用具有重要意義。

一、氫能備用電源概述

氫能備用電源主要利用氫燃料電池進(jìn)行發(fā)電，通過(guò)與氧氣的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。氫燃料電池具有無(wú)污染、節(jié)能、高效、安靜、安全、體積小等特點(diǎn)，適用于作為變電站的備用電源。與傳統(tǒng)的鉛酸電池、柴油發(fā)電機(jī)等備用電源相比， 氫能備用電源具有更高的能量密度、更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間和更好的環(huán)境適應(yīng)性。

二、氫能備用電源在我國(guó)變電站中的應(yīng)用實(shí)踐

氫燃料電池技術(shù)自20世紀(jì)60年代就已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天領(lǐng)域，往返于太空和地球之間的“阿波羅”飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置[1]。截至目前，氫燃料電池技術(shù)已相當(dāng)成熟，在航天、飛機(jī)和汽車等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

近年來(lái)，我國(guó)已在變電站中開始試點(diǎn)應(yīng)用氫燃料電池備用電源。2024 年8 月，全國(guó)首個(gè)變電站用氫能直流備用電源系統(tǒng)在廣州南沙110KV 珠二變電站成功試點(diǎn)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電力中斷后氫能備用電源零秒切換與不間斷供電。該系統(tǒng)采用模塊化固態(tài)儲(chǔ)氫設(shè)置， 實(shí)現(xiàn)了固態(tài)儲(chǔ)氫模塊靈活拆卸更換，可以在3Mpa（約等于30 公斤壓力）以下低壓儲(chǔ)氫，提升了系統(tǒng)運(yùn)行安全性。電源容量達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)300安時(shí)， 在極端情況下能實(shí)現(xiàn)直流二次系統(tǒng)不間斷連續(xù)供電10小時(shí)， 相較于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池2小時(shí)的續(xù)航能力優(yōu)勢(shì)顯著。按照鉛酸蓄電池每年71KWh/組的浮充電耗測(cè)算， 僅廣州地區(qū)每年可減少碳排放32噸。

該項(xiàng)目成功檢驗(yàn)了氫能備用電源系統(tǒng)在變電站真實(shí)環(huán)境下的應(yīng)急備用能力， 是推動(dòng)氫能融入電網(wǎng)生產(chǎn)業(yè)務(wù)場(chǎng)景、拓展氫能在電力系統(tǒng)應(yīng)用的重要實(shí)踐，將促進(jìn)傳統(tǒng)備用電源產(chǎn)業(yè)升級(jí)，服務(wù)我國(guó)新型電力系統(tǒng)建設(shè)。

三、氫能備用電源的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

氫能備用電源較鉛酸電池、柴油發(fā)電機(jī)等傳統(tǒng)備用電源技術(shù)，具備更好的先進(jìn)性和環(huán)保屬性。

（一）高能量密度

氫的單位質(zhì)量能量密度約為140MJ/kg， 遠(yuǎn)高于其他傳統(tǒng)能源，約為汽油的3 倍、煤炭的7 倍、天然氣的3.3 倍。這一特性使得氫能源在儲(chǔ)存和運(yùn)輸方面具有顯著優(yōu)勢(shì)， 尤其適合于需要長(zhǎng)時(shí)間供電的應(yīng)急備用電源。

（二）清潔環(huán)保

氫能備用電源通過(guò)燃料電池發(fā)電時(shí)， 只產(chǎn)生水和少量熱，無(wú)污染物排放，是一種真正的綠色能源，符合能源低碳可持續(xù)的發(fā)展趨勢(shì)， 對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

（三）可再生性

氫氣可以通過(guò)電解水、生物質(zhì)制氫等多種方式制備， 其中風(fēng)光電解水制氫可以實(shí)現(xiàn)可再生能源的循環(huán)利用， 在應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和減少溫室氣體排放方面具有巨大潛力。

（四）高效能源轉(zhuǎn)換

氫燃料電池的能源轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，可達(dá)到50%-60%。這一高效率使得氫能源在應(yīng)急備用電源中的應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

（五）長(zhǎng)時(shí)間供電

氫氣儲(chǔ)存能量密度高，儲(chǔ)氫容量可靈活調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定供電。這對(duì)于變電站、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心以及通信基站等對(duì)電力供應(yīng)要求極高的場(chǎng)所尤為適合。

（六）快速響應(yīng)

氫燃料電池可按照負(fù)載要求快速啟動(dòng)輸出功率。最低啟動(dòng)溫度可達(dá)-35℃， 最高工作溫度可達(dá)95℃，可滿足多種應(yīng)急場(chǎng)景的需要，是一種理想的應(yīng)急備用電源解決方案。

（七）體積小噪聲低

氫燃料電池裝置一般為模塊化撬裝式設(shè)計(jì)，可根據(jù)容量大小要求靈活配置。氫燃料電池運(yùn)行安靜，噪聲大約只有55dB， 相當(dāng)于人們正常交談的水平，特別適合于變電站等對(duì)噪聲有限制的室內(nèi)安裝。

（八）安全可靠

氫氣雖具有易燃易爆的特性，但通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)、正確操作和嚴(yán)格管理，安全性是完全有保障的。氫能備用電源系統(tǒng)通常包含多重安全措施，如泄漏檢測(cè)、自動(dòng)關(guān)閉和緊急排氣等系統(tǒng)； 儲(chǔ)氫容器通常采用復(fù)合材料制造，既輕便又具備高強(qiáng)度，能夠在各種極端環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。

四、甘肅地區(qū)變電站備用直流電源容量測(cè)算

（一）甘肅電網(wǎng)基本定位

甘肅電網(wǎng)是西北電網(wǎng)“總樞紐”、西電東送“主通道”、支撐新型電力系統(tǒng)構(gòu)建“重基地”。4 條特高壓直流貫穿全境， 主網(wǎng)通過(guò)19 條省際750kV 線路與陜、青、寧、新四?。▍^(qū)）相連。330千伏電網(wǎng)供電格局分區(qū)合理，110kV 及以下電網(wǎng)不斷優(yōu)化互相轉(zhuǎn)供備供、靈活可靠運(yùn)行。截至2024 年7 月， 全網(wǎng)運(yùn)行750kV 變電站12 座、330kV 變電站78 座、110kV變電站370座。

（二）直流備用電源容量測(cè)算

按照國(guó)家相關(guān)變電站直流備用電源技術(shù)規(guī)程，直流電源主要由蓄電池組、充電裝置、饋線配置三大部分以及保證上述部分安全可靠工作的監(jiān)測(cè)裝置組成（微機(jī)監(jiān)控單元、微機(jī)絕緣監(jiān)察裝置、蓄電池檢測(cè)裝置等）。蓄電池容量選擇應(yīng)滿足全站2小時(shí)事故停電的放電容量。若蓄電池電壓都選擇110V，按照相關(guān)規(guī)程， 則750kV 變電站需標(biāo)配兩組， 各104 只，800Ah；330kV 變電站需標(biāo)配兩組， 各104 只，400Ah；110kV 變電站需標(biāo)配兩組， 各104 只，200Ah。

據(jù)此測(cè)算， 甘肅地區(qū)變電站直流備用電源蓄電池容量總需求約為2.526 萬(wàn)kW，上述各電壓等級(jí)的蓄電池組功率范圍介于22kW—88kW之間，各電壓等級(jí)變電站只需按功率大小配備兩臺(tái)套互為備用即可滿足需求。如氫能備用電源完全替代鉛酸蓄電池組，則每年可節(jié)約蓄電池浮充電耗約221.22萬(wàn)kWh，按照2024年國(guó)家生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的甘肅地區(qū)電力碳排放因子0.4772kgCO2/kWh，則可每年減少二氧化碳排放約1055.66噸。

五、甘肅地區(qū)變電站推廣氫能備用電源的優(yōu)勢(shì)

（一）新能源資源豐富

甘肅地區(qū)豐富的可再生能源資源為氫能的制備提供了充足的電力來(lái)源。截至2024 年底，新能源總裝機(jī)突破6400 萬(wàn)千瓦、占比高達(dá)64%，位列全國(guó)第二，為氫能的制備提供了充足的綠色電力來(lái)源。隨著“十五五”期間新能源建設(shè)規(guī)劃的落地，綠氫制備的資源優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步顯現(xiàn)。

（二）產(chǎn)業(yè)裝備基礎(chǔ)好

氫燃料電池技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟， 我國(guó)已掌握氫燃料電池系統(tǒng)及其關(guān)鍵部件的核心技術(shù)， 多家領(lǐng)先自主品牌擁有核心技術(shù)和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)， 并已實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化。100kW—300kW 主流氫燃料電池在交通領(lǐng)域已有規(guī)?；瘧?yīng)用， 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)受市場(chǎng)考驗(yàn)，商業(yè)化應(yīng)用和規(guī)?；l(fā)展正穩(wěn)步推進(jìn)[3]。甘肅氫能產(chǎn)業(yè)裝備基礎(chǔ)雄厚，蘭石集團(tuán)擁有“甘肅省氫能裝備技術(shù)創(chuàng)新中心”，在氫能產(chǎn)業(yè)“制、儲(chǔ)、加、用”關(guān)鍵環(huán)節(jié)以及氫電耦合儲(chǔ)能、燃料電池等方面具有技術(shù)研發(fā)和裝備制造能力。

（三）政策支持力度大

甘肅省政府高度重視氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)和支持政策。尤其在風(fēng)光制氫一體化、風(fēng)光氫儲(chǔ)能發(fā)電等領(lǐng)域提出了一系列明確的支持措施， 包括產(chǎn)業(yè)發(fā)展體制機(jī)制建設(shè)、技術(shù)研發(fā)成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展規(guī)劃、應(yīng)用場(chǎng)景拓展以及財(cái)政金融和人才引育等方面， 這為氫能備用電源在變電站中的推廣應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的政策保障。

（四）契合甘肅能源發(fā)展戰(zhàn)略

氫燃料電池備用電源系統(tǒng)工作過(guò)程可實(shí)現(xiàn)全流程零碳排放，完全符合甘肅省綠色低碳的發(fā)展理念，環(huán)境價(jià)值潛力巨大； 高度契合甘肅地區(qū)新型電力系統(tǒng)示范區(qū)建設(shè)， 推動(dòng)新能源大規(guī)模就地消納的能源發(fā)展戰(zhàn)略。

六、面臨的挑戰(zhàn)

盡管氫能從能源清潔低碳轉(zhuǎn)型、能源可持續(xù)發(fā)展角度來(lái)看，被譽(yù)為未來(lái)的“終極能源”，已得到業(yè)界的認(rèn)可。但目前仍然需要克服一些不可回避的問(wèn)題。

（一）成本偏高

目前氫燃料電池備用電源的成本仍然較高，包括氫燃料成本、燃料電池電堆、氫氧氣供給系統(tǒng)、排水冷卻系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)成本等， 其中氫氣價(jià)格是其長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的決定因素。隨著甘肅風(fēng)光制氫一體化項(xiàng)目的逐步建設(shè)投運(yùn)，綠氫價(jià)格有望快速下降。

（二）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后

甘肅地區(qū)氫能相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)滯后，如儲(chǔ)氫設(shè)施、加氫站數(shù)量稀少且布局不夠合理，嚴(yán)重限制了氫能備用電源氫氣采購(gòu)和加注的便利性。隨著甘肅“一個(gè)走廊，兩個(gè)示范區(qū)，兩個(gè)基地”氫能規(guī)劃布局的落地，氫能基礎(chǔ)設(shè)施將有一個(gè)質(zhì)的提升。

（三）市場(chǎng)接受度低

與傳統(tǒng)鉛酸電池等備用電源相比， 氫能備用電源的市場(chǎng)接受度較低。這主要是備用電源行業(yè)對(duì)氫能備用電源技術(shù)了解不夠深入， 可供調(diào)研的示范驗(yàn)證項(xiàng)目不多， 且市場(chǎng)對(duì)其性能和可靠性存在一定的疑慮所致。

（四）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善

目前氫能備用電源的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全規(guī)范， 可能影響氫能備用電源的健康發(fā)展。通過(guò)推動(dòng)典型示范項(xiàng)目的建設(shè)，逐步啟動(dòng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定完善， 為行業(yè)規(guī)范發(fā)展保駕護(hù)航。

七、結(jié)論與建議

推廣變電站氫能備用電源是一個(gè)具有前瞻性和戰(zhàn)略意義的舉措，既要有敢為天下先的勇氣，也要遵循嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)規(guī)則。

（一）加快氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

以氫能應(yīng)用市場(chǎng)化發(fā)展為牽引， 推動(dòng)本地氫能產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)協(xié)同發(fā)展，加快制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、加氫站等氫能相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)， 為氫能備用電源的應(yīng)用提供便利條件， 確保氫氣供應(yīng)穩(wěn)定且價(jià)格合理。

（二）加快在變電站示范應(yīng)用

可在甘肅河西等新能源富集地區(qū)新建變電工程項(xiàng)目中作為工程新技術(shù)應(yīng)用一并設(shè)計(jì)建設(shè)；或選擇納入存量變電站備用電源升級(jí)改造項(xiàng)目中開展示范應(yīng)用， 全面展示氫能備用電源的優(yōu)勢(shì)和效益。

（三）提升氫能產(chǎn)業(yè)的社會(huì)認(rèn)知度

通過(guò)媒體、社交平臺(tái)、公共講座等多種渠道普及氫能基礎(chǔ)知識(shí)， 讓公眾了解氫能環(huán)境友好的特質(zhì)以及在能源轉(zhuǎn)型中的重要性。同時(shí)，通過(guò)設(shè)立氫能示范區(qū)， 讓公眾能夠親身體驗(yàn)氫能帶來(lái)的安全便利和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，從而樹立全社會(huì)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的正確認(rèn)知。

（四）加快氫能產(chǎn)業(yè)的推廣

隨著氫能備用電源技術(shù)和商業(yè)模式的日趨成熟，后期可在甘肅大數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、通信基站等對(duì)備用電源可靠性和長(zhǎng)時(shí)供電要求較高的場(chǎng)景推廣應(yīng)用，進(jìn)一步拓寬氫能應(yīng)用領(lǐng)域，深化甘肅氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

作者單位：①國(guó)網(wǎng)甘肅新型電力系統(tǒng)研究院②國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司