氫基能源支撐新型電力系統(tǒng)構(gòu)建及其技術(shù)分析

　　摘　要：隨著全球能源轉(zhuǎn)型加速，氫基能源成為清潔能源的核心之一，對(duì)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)具有重要意義。首先對(duì)氫基能源的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，并深入分析煤電摻氨、氣電摻氫、燃料電池技術(shù)，探討其在解決可再生能源消納、火電低碳轉(zhuǎn)型和長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能方面的潛力;最后對(duì)氫基能源儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：煤電摻氨、氣電摻氫等儲(chǔ)能技術(shù)可有效解決可再生能源電力消納不足、火電低碳轉(zhuǎn)型難度大等問(wèn)題;相較于目前成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，氫基能源在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能上展現(xiàn)出顯著的成本優(yōu)勢(shì);氫基能源在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用價(jià)值，未來(lái)將發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用。

　　關(guān)鍵詞：新型電力系統(tǒng);氫基能源;可再生能源消納;火電;低碳轉(zhuǎn)型;長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)中圖分類號(hào)：TK91　文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

　　在當(dāng)今全球能源體系的深刻變革中，能源的供需格局、貿(mào)易流向、轉(zhuǎn)型路徑和價(jià)格體系受到巨大沖擊。中國(guó)能源安全問(wèn)題依然嚴(yán)峻，預(yù)計(jì)2024 年需進(jìn)口原油5 億t、天然氣1.3 億t，以彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)能源缺口[1]。氫能作為能源綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，其戰(zhàn)略地位正逐步上升。而通過(guò)可再生能源制取的綠氫，正加速替代傳統(tǒng)的灰氫和藍(lán)氫，且其已拓展至綠氨和綠色甲醇領(lǐng)域，推動(dòng)著化石能源的清潔化進(jìn)程[2]。據(jù)《中國(guó)氫能行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀研究與投資前景預(yù)測(cè)報(bào)告(2023—2030 年)》，2022 年制氫技術(shù)結(jié)構(gòu)中，以煤制氫為主導(dǎo)技術(shù)( 占62%)，天然氣制氫次之( 占19%)，醇類制氫為第3( 占15%)，電解水制氫所占份額有限( 占4%)，這反映出中國(guó)制氫技術(shù)路徑多元，但仍需整合優(yōu)化[3]。

　　中國(guó)氫能戰(zhàn)略規(guī)劃正加速推進(jìn)，氫能的實(shí)際應(yīng)用范圍在逐步擴(kuò)大。2021 年實(shí)施“氫進(jìn)萬(wàn)家”與燃料電池汽車示范項(xiàng)目，極大地深化了氫能應(yīng)用 [4]。隨后，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》、國(guó)家發(fā)展改革委與國(guó)家能源局發(fā)布的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》分別明確了氫能對(duì)“雙碳”目標(biāo)的貢獻(xiàn)與儲(chǔ)能示范路徑 [5]。此外，國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035 年)》確立了氫能是未來(lái)國(guó)家能源體系的重要組成部分，以及是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體;2022 年，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等9 部門聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》再次強(qiáng)調(diào)了制氫對(duì)可再生能源消納的重要性，力推綠氫示范基地建設(shè)與電解槽技術(shù)創(chuàng)新。2024年11 月8 日第14 屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第12次會(huì)議通過(guò)了《中華人民共和國(guó)能源法》，并于2025 年1 月1 日起正式施行，氫能首次被納入國(guó)家能源管理體系，與煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源并列。

　　“雙碳”戰(zhàn)略下，中國(guó)致力于構(gòu)建靈活高效的新型電力系統(tǒng)。制氫可作為靈活負(fù)荷，能夠有效提升可再生能源消納，驅(qū)動(dòng)能源體系的低碳轉(zhuǎn)型。同時(shí)，儲(chǔ)氫所具有的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)能夠進(jìn)一步優(yōu)化能源配置。針對(duì)“西電東送”和“沙戈荒”基地開(kāi)發(fā)，綠氫、綠氨、綠色甲醇的管道輸送可以作為特高壓傳輸?shù)暮髠溲a(bǔ)充，提升項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和靈活性 [6-8]。然而，在當(dāng)前電力系統(tǒng)中，盡管可再生能源電力( 比如：風(fēng)電、光伏發(fā)電) 的發(fā)展矚目，但受限于電網(wǎng)調(diào)峰能力低、儲(chǔ)能技術(shù)差和跨區(qū)域調(diào)度協(xié)調(diào)復(fù)雜等因素，大量可再生能源電力難以有效消納。同時(shí)，火電在發(fā)電方式中仍占主導(dǎo)地位，但其低碳轉(zhuǎn)型過(guò)程挑戰(zhàn)巨大，技術(shù)革新與結(jié)構(gòu)調(diào)整的任務(wù)艱巨且復(fù)雜。

　　基于此，本文首先對(duì)氫基能源產(chǎn)業(yè)及其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概述;然后針對(duì)目前可再生能源電力消納不足、火電低碳轉(zhuǎn)型難度大的問(wèn)題，分析氫基能源的技術(shù)特性，并闡述其在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建中的應(yīng)用潛力;最后，在氫基能源實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的基礎(chǔ)上，測(cè)算并對(duì)比氫基能源儲(chǔ)能與目前成熟儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。

　　1 氫基能源產(chǎn)業(yè)概述及發(fā)展現(xiàn)狀

　　“雙碳”戰(zhàn)略下，中國(guó)正構(gòu)建高效靈活的電力系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)大規(guī)?？稍偕茉措娏Φ膽?yīng)用[9-10]。高效靈活的電力系統(tǒng)是指集成了火電靈活性改造、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)( 比如：儲(chǔ)氫、氨) 與需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)的電力系統(tǒng)。綠氫、綠氨、綠色甲醇作為氫基能源的應(yīng)用典范，其核心作用為煤電摻氨助力低碳轉(zhuǎn)型、氣電摻氫增強(qiáng)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性、通過(guò)氫儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)調(diào)節(jié)。直接消費(fèi)已成為需求側(cè)柔性響應(yīng)的新形態(tài)，共促電力系統(tǒng)低碳靈活轉(zhuǎn)型。隨著“西電東送”與 “沙戈荒”基地開(kāi)發(fā)，特高壓傳輸壓力日益增大，綠氫、綠氨、綠色甲醇的管道輸送成為經(jīng)濟(jì)、高效的長(zhǎng)距離輸能補(bǔ)充方案。當(dāng)前，綠氨、綠色甲醇的單位能量成本已低于汽油，競(jìng)爭(zhēng)力已顯現(xiàn)。若綠氫成本下降至 25 元/kg，則綠氨、綠色甲醇的單位能量成本將分別降至0.09 元/MJ、0.10 元/MJ，將展現(xiàn)出顯著的綠色經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

　　歷經(jīng)50 年發(fā)展，全球范圍內(nèi)氫基能源技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用( 比如：內(nèi)燃機(jī)、燃料電池)，但經(jīng)濟(jì)性瓶頸仍是制約其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的主要因素。在能源安全與“碳減排”的雙重驅(qū)動(dòng)下，氫基能源技術(shù)，尤其是應(yīng)用于交通領(lǐng)域的技術(shù)，正快速發(fā)展，并逐漸向多產(chǎn)業(yè)滲透 [11]。國(guó)際氫能產(chǎn)業(yè)鏈的競(jìng)爭(zhēng)與合作聚焦在電解槽、燃料電池、氫燃料汽車、國(guó)際貿(mào)易、標(biāo)準(zhǔn)專利等領(lǐng)域。為實(shí)現(xiàn)碳中和，國(guó)際企業(yè)正積極構(gòu)建綠氫能源鏈，并爭(zhēng)奪可再生能源開(kāi)發(fā)權(quán);面對(duì)中國(guó)這一巨大的潛力市場(chǎng)，國(guó)際企業(yè)競(jìng)相爭(zhēng)奪上述各領(lǐng)域的市場(chǎng)份額，并深化與中國(guó)企業(yè)的合作。

　　當(dāng)前，低碳?xì)涞男枨蠹ぴ?，正?qiáng)力驅(qū)動(dòng)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是從化石能源配碳捕集、利用與封存(CCUS) 向綠氫的轉(zhuǎn)型。同時(shí)，高效、大規(guī)模的氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)備受重視，多國(guó)競(jìng)相布局泛歐氫氣管網(wǎng)及液氫、有機(jī)化合物儲(chǔ)運(yùn)方案，70～90 MPa 儲(chǔ)氫容器及液氫技術(shù)已成為國(guó)際焦點(diǎn)。在可再生能源支撐下，氫能應(yīng)用正不斷拓展至工業(yè)、建筑、交通等多個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)電- 氫耦合體系促進(jìn)減碳，并推動(dòng)電解槽與燃料電池技術(shù)的產(chǎn)能與應(yīng)用發(fā)展[9]。

　　2 氫基能源賦能新型電力系統(tǒng)構(gòu)建

　　2.1 新型電力系統(tǒng)特征

　　2021 年，習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào)，加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，推動(dòng)可再生能源替代與電力體制改革。2023 年，國(guó)家能源局發(fā)布的《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》詳述了以可再生能源為核心、強(qiáng)化源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同、依托智能電網(wǎng)平臺(tái)、融合技術(shù)創(chuàng)新與機(jī)制改革的新型電力系統(tǒng)的愿景[12]，該系統(tǒng)旨在顛覆化石能源主導(dǎo)現(xiàn)狀，促進(jìn)全面電氣化轉(zhuǎn)型，構(gòu)建多能互補(bǔ)的能源互聯(lián)體系。

　　氫基能源作為關(guān)鍵的二次能源，其電- 氫雙向轉(zhuǎn)換特性可使其成為新型電力系統(tǒng)中的平衡調(diào)節(jié)者，可有效解決可再生能源消納、火電低碳化及長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的難題，為電力系統(tǒng)提供“雙碳”路徑下的創(chuàng)新解決方案。

　　2.2 解決可再生能源電力消納

　　氫基能源兼具過(guò)程性能源與含能體能源的雙重特性，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域;其可作為可再生能源載體，通過(guò)電解槽技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷用電靈活調(diào)節(jié)，促進(jìn)可再生能源充分消納。構(gòu)建電- 氫耦合體系，不僅能夠穩(wěn)固電力系統(tǒng)，還可拓寬綠色能源至氨、醇等非電領(lǐng)域，增強(qiáng)綠色能源的非電消納能力。在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建下，可再生能源發(fā)展追求大規(guī)模、高比例、市場(chǎng)化與高質(zhì)量。氫基能源與可再生能源電力耦合，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、一體化開(kāi)發(fā)，能夠有效應(yīng)對(duì)可再生能源電力的波動(dòng)性挑戰(zhàn)，提升其消納效率，成為可再生能源高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵路徑。尤其在“沙戈荒”基地開(kāi)發(fā)背景下，通過(guò)制氫消納方式，可有效消納可再生能源，為其進(jìn)一步規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用提供了可行的解決方案。

　　2.3 解決火電低碳轉(zhuǎn)型問(wèn)題

　　火力發(fā)電主要分為煤電( 即煤炭發(fā)電) 與氣電( 即天然氣發(fā)電)，其作為電力結(jié)構(gòu)主要電力來(lái)源之一，高碳排放問(wèn)題亟待解決，低碳轉(zhuǎn)型迫在眉睫。采用低碳燃料摻燒是低碳轉(zhuǎn)型核心策略之一，該策略不僅可減少化石能源的消耗，同時(shí)可維持穩(wěn)定的電力供應(yīng)。綠氫與綠氨作為該策略的關(guān)鍵路徑，通過(guò)漸進(jìn)式摻混至純質(zhì)燃燒( 比如：煤電摻氨混燒至純氨燃燒、氣電摻氫混燒至純氫燃燒) 推動(dòng)火電的低碳轉(zhuǎn)型，是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)與應(yīng)對(duì)氣候變化的學(xué)術(shù)化實(shí)踐。

　　1) 煤電摻氨混燒是指在燃煤發(fā)電過(guò)程中，將氨作為燃料與煤炭進(jìn)行摻混燃燒的技術(shù)，旨在降低燃煤電廠的碳排放，是實(shí)現(xiàn)減排的重要技術(shù)方向。氨作為零碳燃料和氫能的高效載體，其燃燒產(chǎn)物為N2、H2O，完全清潔無(wú)碳排放。氨可以在一定程度上替代煤炭，減少燃煤產(chǎn)生的N2O、CO2 等溫室氣體排放量。

　　2) 氣電摻氫混燒是指在天然氣中摻入一定比例的氫氣，然后用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒發(fā)電的技術(shù)。這種技術(shù)可以顯著削減溫室氣體的排放量和天然氣的消費(fèi)量，是氣電實(shí)現(xiàn)減排的重要路徑之一。通過(guò)摻氫，氣電系統(tǒng)可以更加環(huán)保和高效，同時(shí)促進(jìn)氫基能源的廣泛應(yīng)用和氫基能源經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

　　2.4 解決跨季節(jié)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能問(wèn)題

　　在以可再生能源為主導(dǎo)的能源體系中，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的新型電力系統(tǒng)面臨的核心挑戰(zhàn)在于應(yīng)對(duì)可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性和季節(jié)性。為平衡這些特性導(dǎo)致的功率與能量波動(dòng)，發(fā)展多樣化時(shí)間尺度的儲(chǔ)能技術(shù)尤為關(guān)鍵。

　　目前，發(fā)展較為成熟的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能，此外還有壓縮空氣儲(chǔ)能、光熱儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、電容器儲(chǔ)能等[13-15]。其中，抽水蓄能的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)一般為6～8 h，其技術(shù)成熟且容量大，是電力系統(tǒng)削峰填谷的重要工具;但該方式的建設(shè)周期長(zhǎng)且初期投資大，且選址建設(shè)對(duì)地理?xiàng)l件要求較高，難以與可再生能源的高速發(fā)展需求相協(xié)調(diào)[16-17]。電化學(xué)儲(chǔ)能的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)一般為2～8 h，其配置相對(duì)靈活且響應(yīng)速度快;但由于受容量和成本的限制，這一方式難以應(yīng)對(duì)中長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)新型電力系統(tǒng)的能量平衡問(wèn)題[18-19]。壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)一般為4～10 h，其儲(chǔ)能密度高、響應(yīng)速度快，適合大規(guī)模儲(chǔ)能;但該方式的技術(shù)復(fù)雜度高，投資成本大，且對(duì)地質(zhì)條件有要求[20-21]。光熱儲(chǔ)能的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)一般為6～10 h，其發(fā)電穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)性強(qiáng)、環(huán)保效益顯著;但該方式的初期投資高昂、技術(shù)復(fù)雜，且對(duì)建設(shè)條件要求較高[22-23]。此外，飛輪儲(chǔ)能和電容器儲(chǔ)能的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)過(guò)短，無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的需求[24-25]。

　　前述儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)均未超過(guò)12 h，而利用可再生能源制備氫基能源，并通過(guò)存儲(chǔ)介質(zhì)，可完全實(shí)現(xiàn)跨日、月、季節(jié)性長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能調(diào)節(jié)。在此背景下，氫基能源儲(chǔ)能技術(shù)作為一種新興技術(shù)，通過(guò)電- 氫轉(zhuǎn)化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)電能向氫能的高效轉(zhuǎn)化與長(zhǎng)期儲(chǔ)存，為跨季節(jié)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能提供了創(chuàng)新解決方案。

　　3 “電 - 氫- 電”轉(zhuǎn)化技術(shù)分析

　　“電 - 氫- 電”轉(zhuǎn)化技術(shù)是一種新的能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換方式，通過(guò)電解水制氫或合成氨、甲醇技術(shù)，并在需要時(shí)通過(guò)煤電摻氨、氣電摻氫或燃料電池的方式，再將氫基能源轉(zhuǎn)化為電能。此轉(zhuǎn)化技術(shù)為可再生能源的靈活利用提供了高效解決方案。

　　3.1 煤電摻氨技術(shù)分析

　　煤電摻氨是指在燃煤鍋爐中混氨，該方法可使煤粉和氨高效燃盡，且NOx 排放量的增勢(shì)與氨摻燒比例并不成正比，通過(guò)優(yōu)化燃燒策略，可大幅降低NOx 排放量。煤電摻氨在中國(guó)已有實(shí)例項(xiàng)目運(yùn)行，其主要涵蓋煤摻氨與純氨燃燒器技術(shù)[26]，包含4 種運(yùn)行模式：1) 純煤燃燒器與純氨燃燒器同時(shí)運(yùn)行;2) 純煤燃燒器與煤摻氨燃燒器同時(shí)運(yùn)行;3) 純煤燃燒器、純氨燃燒器和煤摻氨燃燒器3 種燃燒器同時(shí)運(yùn)行;4) 純氨燃燒器單獨(dú)運(yùn)行。前3 種運(yùn)行模式適用于近中期碳減排，尤其是3 種燃燒器并行模式的調(diào)節(jié)性最佳，而純氨燃燒器模式則面向中遠(yuǎn)期碳減排。從能效角度來(lái)看，當(dāng)前從制備綠氫至氨燃燒的全鏈條效率約為20%，其受限于電解水制氫(電解效率為70%)、綠氨合成( 效率為70%) 及氨燃燒( 燃燒效率為40%) 各環(huán)節(jié)自身的效率。隨著技術(shù)進(jìn)步，預(yù)期電解效率可達(dá)80%( 耗電為4.5kWh/Nm3 )，燃燒效率可提升至45%，則電- 氫( 氨)- 電轉(zhuǎn)化的整體效率有望增至25%;若電解效率進(jìn)一步突破，提升至90%( 耗電為4.0 kWh/Nm3 ) 且燃燒效率提升至50%，則電- 氫( 氨)-電轉(zhuǎn)化的整體效率峰值可提升至近31%[27]。

　　3.2 氣電摻氫技術(shù)分析

　　近年來(lái)，可再生能源發(fā)電的擴(kuò)張?jiān)黾恿藲怆姄綒浼夹g(shù)的受關(guān)注度，其被視為氣電邁向零碳的關(guān)鍵路徑。中國(guó)在該領(lǐng)域積極開(kāi)展實(shí)踐，取得了顯著進(jìn)展，比如：國(guó)家電投集團(tuán)荊門綠動(dòng)能源有限公司成功實(shí)施15% 等熱值的摻氫燃燒改造運(yùn)行，其設(shè)計(jì)理論摻氫上限為30% 等熱值;廣東惠州某項(xiàng)目采用10% 體積比的氫氣摻混天然氣，證明了氣電摻氫技術(shù)的應(yīng)用潛力[28];浙江石油化工有限公司開(kāi)創(chuàng)性引入了天然氣- 氫氣-一氧化碳混合介質(zhì)燃?xì)廨啓C(jī)，為全球首例。

　　燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電指利用高溫燃?xì)? 比如：天然氣) 驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能的發(fā)電技術(shù)，其技術(shù)演進(jìn)與氣電摻氫技術(shù)緊密相關(guān)。美國(guó)GE公司已在全球運(yùn)營(yíng)超百臺(tái)含氫燃料機(jī)組，其零碳燃?xì)饧夹g(shù)路線圖設(shè)定了“至 2030 年HA 級(jí)燃?xì)鈾C(jī)組實(shí)現(xiàn)100% 燒氫”的目標(biāo)，這預(yù)示著燃?xì)廨啓C(jī)全摻氫運(yùn)行的技術(shù)可行性已獲驗(yàn)證。重型燃?xì)廨啓C(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)在燃料摻氫方面展現(xiàn)出較高的潛力，摻混比例分別可達(dá) 30%～50% 與50%～70%。相較于煤電，氣電在減碳與能效方面的優(yōu)勢(shì)顯著，同等電量下CO2 排放量降低超60%，HA 級(jí)燃?xì)鈾C(jī)組聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的CO2排放量?jī)H為320 g/kWh。此外，氣電的發(fā)電效率比煤電高30%，目前頂尖9HA.02 型燃?xì)鈾C(jī)組的發(fā)電效率達(dá)64%，折算煤耗僅為192 g/kWh，碳強(qiáng)度大幅降低。

　　3.3 燃料電池技術(shù)分析

　　燃料電池作為一種高效能量轉(zhuǎn)換裝置，可直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，突破了傳統(tǒng)熱機(jī)卡諾循環(huán)的效率瓶頸。相較于內(nèi)燃機(jī)( 發(fā)電效率通常低于30%)，燃料電池( 比如：氫燃料電池)展現(xiàn)出卓越的發(fā)電效率( 超過(guò)50%)，綜合能量利用率可高達(dá)80%～90%，且其具有環(huán)境友好、可靠性高、靈活性強(qiáng)及空間優(yōu)化顯著的特性[29]。同時(shí)，根據(jù)燃料類型，燃料電池可分為氫、甲醇、氨燃料電池等類別。1)氫燃料電池的基本原理是電解水逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陽(yáng)極和陰極，在催化劑的作用下，氫通過(guò)陽(yáng)極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子并通過(guò)外部的負(fù)載到達(dá)陰極。整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生電能，同時(shí)氫與氧反應(yīng)生成水，十分清潔。2) 甲醇燃料電池的研究聚焦于直接和間接兩種技術(shù)路徑。直接甲醇燃料電池是通過(guò)甲醇直接進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，目前該技術(shù)尚面臨較大挑戰(zhàn)，仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)室研發(fā);間接甲醇燃料電池是利用甲醇重整制氫，再結(jié)合氫燃料電池的技術(shù)，該技術(shù)的成熟度較高，有望在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。3) 氨燃料電池技術(shù)是零碳應(yīng)用的新焦點(diǎn)，同樣也包含直接和間接兩種技術(shù)路徑。直接氨燃料電池是直接利用氨氣分解發(fā)電，技術(shù)難度大，尚處于初步研發(fā)階段;而間接氨燃料電池是通過(guò)裂解氨氣制氫，再供給氫燃料電池的技術(shù)，雖然該技術(shù)的系統(tǒng)復(fù)雜，但效率提升顯著，已初步實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，有助于推動(dòng)氫能及燃料電池技術(shù)發(fā)展。在能量利用方面，燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)通過(guò)高效整合電能與熱能，綜合能量利用率可提升至80～90%，展現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)價(jià)值。

　　4 氫基能源長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性分析

　　目前，成熟的儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)均未超過(guò)12 h，而利用氫基能源進(jìn)行儲(chǔ)能可完全實(shí)現(xiàn)跨日、月、季節(jié)性長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能調(diào)節(jié)。下文對(duì)氫基能源長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，以平準(zhǔn)化度電成本(LCOE) 作為具體評(píng)價(jià)指標(biāo)。

　　4.1 電化學(xué)儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

　　以裝機(jī)容量100 萬(wàn)kW 的電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目為例，運(yùn)行周期為10 年，固定資產(chǎn)殘值為5%，年儲(chǔ)能小時(shí)數(shù)為1500 h，儲(chǔ)能效率為90%。假設(shè)，該項(xiàng)目的年發(fā)電量為13.5 億kWh，單位建設(shè)成本為1300 元/kWh，單位運(yùn)行成本為40 元/kWh，則電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)12 h 儲(chǔ)能的LCOE約為1.69 元/kWh。

　　4.2 煤電摻氨儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

　　通過(guò)兩個(gè)方案分析煤電摻氨儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性，均設(shè)定為1 臺(tái)100 萬(wàn)kW 煤電機(jī)組進(jìn)行100% 摻氨改造，煤電改造費(fèi)用為9000 萬(wàn)元，運(yùn)行周期為20 年，固定資產(chǎn)殘值為10%。方案1 為煤電直供，起到電力保障的作用;方案2 為調(diào)峰型，以煤電調(diào)節(jié)新能源。

　　方案1 具體為：增設(shè)儲(chǔ)氨設(shè)施費(fèi)用為1000萬(wàn)元，考慮直供高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)煤電，年利用小時(shí)數(shù)為5000 h。假設(shè)摻氨量為236 萬(wàn)t/ 年，燒氨發(fā)電量為50 億kWh。

　　方案2 具體為：增設(shè)儲(chǔ)氨設(shè)施的費(fèi)用為600萬(wàn)元，年利用小時(shí)數(shù)為3000 h。假設(shè)摻氨量為142 萬(wàn)t/ 年，燒氨發(fā)電量為30 億kWh。

　　考慮煤電運(yùn)行成本的影響( 煤電運(yùn)行成本隨綠氨成本下降而下降)，計(jì)算得到兩種方案中不同綠氨成本對(duì)應(yīng)的煤電摻氨儲(chǔ)能的LCOE，具體如圖1 所示。

　　4.3 氣電摻氫儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

　　按1 臺(tái)容量為50 萬(wàn)kW 的燃?xì)鈾C(jī)組100%摻氫計(jì)算，燃?xì)怆娬就顿Y單價(jià)為2600 元/kW，增加儲(chǔ)氣設(shè)施的投資為3000 萬(wàn)元，年利用小時(shí)數(shù)為3000 h，運(yùn)行周期為20 年，固定資產(chǎn)殘值為10%。按等熱值換算后的燒氫量為7 萬(wàn)t/ 年，發(fā)電量為15 億kWh，計(jì)算得到不同綠氫成本對(duì)應(yīng)的氣電摻氫儲(chǔ)能的LCOE，具體如圖2 所示。

　　4.4 燃料電池儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

　　通過(guò)兩個(gè)方案進(jìn)行燃料電池儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，均按容量為1 MW 的燃料電池計(jì)算，運(yùn)行周期為10 年，固定資產(chǎn)殘值為10%，用氫量為83.5 t/ 年。其中，方案A 為燃料電池發(fā)電，年利用小時(shí)數(shù)為2000 h，轉(zhuǎn)化效率為60%，發(fā)電量為200 萬(wàn)kWh;方案B 為燃料電池?zé)犭娐?lián)供，年利用小時(shí)數(shù)為3000 h，轉(zhuǎn)化效率為90%，發(fā)電量為300 萬(wàn)kWh。兩種方案的不同綠氫成本對(duì)應(yīng)的LCOE 如圖3 所示。

　　4.5 結(jié)果分析

　　通過(guò)對(duì)比不同氫基能源儲(chǔ)能的LCOE，從圖1～圖3 可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)綠氨價(jià)格低于3 元/kg 時(shí)，煤電摻氨的LCOE 為1.49 元/kWh;當(dāng)綠氫價(jià)格低于30 元/kg 時(shí)，氣電摻氫儲(chǔ)能的LCOE 為1.48元/kWh。這兩種儲(chǔ)能技術(shù)的LCOE 均已明顯低于目前電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)12 h 儲(chǔ)能的LCOE(1.69元/kWh)。這表明，基于氫基能源實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，在未來(lái)將具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

　　此外，隨著未來(lái)規(guī)?；稍偕茉措娏χ迫浠茉聪嚓P(guān)技術(shù)的成熟發(fā)展，氫基能源的成本將逐步降低，這將進(jìn)一步降低基于氫基能源儲(chǔ)能技術(shù)的LCOE，使其在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮更加巨大的作用。

　　5 結(jié)論

　　氫基能源作為清潔能源核心之一，在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。本文通過(guò)分析氫基能源的技術(shù)特性，展現(xiàn)了其在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，并得出結(jié)論：煤電摻氨、氣電摻氫等儲(chǔ)能技術(shù)可有效解決可再生能源電力消納不足、火電低碳轉(zhuǎn)型難度大等問(wèn)題;相較于目前成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，氫基能源通過(guò)電- 氫- 電轉(zhuǎn)化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)跨日、月、季節(jié)性長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，且在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的情境下，其LCOE 較目前成熟的儲(chǔ)能技術(shù)已具備一定優(yōu)勢(shì)。未來(lái)在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的進(jìn)程中，氫基能源將發(fā)揮更加巨大的作用。

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　　氫基能源支撐新型電力系統(tǒng)構(gòu)建及其技術(shù)分析

　　余官培1,2，姜海1*，康慨2 ，賈浩帥1 ，楊航3 ，張順3

　　(1. 水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120;2. 中國(guó)電建集團(tuán)湖北工程有限公司，武漢430040;3. 湖北省電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430040)

　　來(lái)源：太陽(yáng)能雜志