电力低碳转型背景下氢储能的挑战与展望

电力低碳转型背景下氢储能的挑战与展望

罗四刚 王晨 高广

上海航天能源股份有限公司  上海 200040

摘要：为构建低碳、环保、创新的电力系统，需要对电力行业的能源结构进行全面重构。氢能是一种极具发展潜力的清洁能源，市场前景广阔。氢是一种新能源，可通过氧化反应释放电能，可替代传统能源如煤、天然气等。因此，氢作为一种绿色、清洁的新能源，在未来的电力系统中占有举足轻重的地位。然而，要充分发挥其核心优势，需要深入研究氢储能、氢发电等关键技术，探索氢在我国新兴电力系统中的应用价值。

关键词：电力；低碳转型；氢储能

1氢储能系统中的关键技术

1.1制氢

在氢储存系统中，氢能利用的主要是可再生能源。通过对国内外典型案例的分析与比较，分析了氢能源的利用方式。风能与光能互补发电，实现氢能耦合产氢。目前，我国已经建立了一批大规模的分布式氢能源示范项目，并在部分城市开展了应用研究。相对于其它能源生产过程，可再生能源生产氢的成本约为1.1-2.2元/立方米，常规燃煤制氢成本为0.69-1.18元/立方米，天然气制氢成本为0.8-1.7元/立方米。与传统燃料相比，利用可再生能源生产氢具有资源利用率高、环境友好等优点。而将可再生能源转换成氢能则是一种综合价值更高的“环保生产”过程。

1)新能源消纳趋势在我国风电、风电、风电、储能等示范工程中尤为突出，对推动氢能储能技术的进一步发展意义重大。另外，由于大规模安装可再生能源，氢的制造成本也将大幅降低。

2)电解水制氢技术包括碱性电解法、质子交换膜电解法和固体氧化物电解法等。目前，电解水制氢是我国最常用的氢储能方式之一，且电解制氢技术相对成熟且成本低廉，已成为新能源制氢项目开发的首选技术。

1.2储氢

储氢技术作为氢储能系统的核心技术之一，是氢生产完成后的主要利用方式。目前，氢储存的方法主要有化学方法和电化学方法，其中化学方法和电化学方法是主要的。氢储存技术的核心思路是采用氢化物的产生与分解，或采用“物理吸附”的方式进行储氢，其储氢方式多种多样。

氢能源存储与输送技术的核心问题是在保证氢储存安全的前提下，兼顾经济性。从经济性上分析，采用高压气体或有机液体储氢方案既经济又能提高安全性。从目前氢储存与运输的实际情况看，我国在高压气体储氢技术上已较为成熟，且成本低廉，综合优势明显。有机液体储氢技术是目前氢能源存储领域中最具发展潜力的一项技术。

1.3氢发电

氢发电技术以“电化学反应”原理为基础，利用氢产生的化学能转化为电能。随着我国对能源需求的日益增长及环保意识的增强，氢能源已成为新时期的重要发展方向。在氢储能技术的实际应用中，发电技术是氢能源高效利用的重要途径之一。目前，氢储能技术主要应用于电网调峰、应急备用、电动汽车等场合。随着我国新一代电力系统的建设，氢发电技术展现出了巨大的发展潜力，利用新型燃料电池可实现氢的存储功能。

目前，风力发电、光伏发电等新增、累计装机容量均居世界第一，已成为我国电力工业的核心能源。近年来，以风、光等新能源为代表的新能源并网给电网带来了巨大的冲击，尤其是新能源并网带来的一系列新情况、新挑战。利用氢发电技术，氢储能系统可将新能源接入我国新能源与传统电力系统并纳入国家电网，有助于解决新能源发电过程中的失稳问题。

2氢储能在电力系统的应用展望

2.1充分发挥市场力量促进氢储能发展

借助国家“加快建设全国统一大市场”的契机，构建氢-电-碳多层次合作市场，推进氢能存储产业的进一步发展。在对世界主要经济体的相关政策和我国氢能源产业发展现状进行分析的基础上，提出了我国应在借鉴国外经验的基础上，结合我国国情，构建市场主导的多元化供给模式，建立多元化的融资和融资体系，完善的法律保障体系。在氢能源市场方面，我国正积极开展氢能源市场交易与结算中心的建设，同时也密切关注氢能源的进出口贸易。本项目拟从沙特阿拉伯和智利等资源丰富的国家进口廉价绿氢，利用我国近海风力发电技术优势，将氢氨能源出口到日本和韩国等需求较大的国家。在电力市场方面，我国电力辅助服务市场尚处于初级阶段，亟需完善氢、储能定价机制，开展氢储能交易规则研究。就天然气市场而言，应加快天然气管网调峰设施的建设，并建立相应的储气技术应用模式和监管体系。在碳交易方面，未来将有8个行业纳入到碳交易系统中，其中包括直接制氢的化学品工业和需要氢的钢铁和建筑材料。因此，需要积极探索氢能产业合理的碳价信号，引导高碳制氢过程向低碳制氢过程转化，高碳制氢过程向低碳制氢过程转化，推动绿氢减排量纳入核证减排市场。

2.2积极探索氢能运输方式的最优组合

我国风光资源以“三北”为主，水资源以西南地区为主，同时，氢能需求以东南沿海为主，呈现逆向分布特征。因此，发展氢能远距离传输技术是解决我国氢能源发展难题的关键。高压气体拖车在氢能源短途运输方面表现出明显的成本优势。采用不同的压缩方法，既可实现长距离、长距离存储，又可减少对环境的污染。假设压力为20MPa，在不超过200公里的情况下，氢的运输成本只有每公斤9.57元；当航程达到500千米时，运费约为每千克22.3元。考虑到目前我国管线建设投资巨大，输量有限，采用低压管线技术是今后的发展方向。另外，这种方法需要的劳动力成本也比较高，所以能节省的空间有限。此外，与传统的管道氢输送方式相比，氢输送系统的运行成本较低，可以实现大范围的分布式供气，对促进我国能源结构的调整和清洁高效发展具有重要意义。因此，要实现氢能远距离传输，需积极探索以下创新途径：利用西气东输、川气东输等长达800,000公里的输气干线和支线输气管道，掺入5%~20%安全氢。在分析比较国内外氢输送系统研究现状和发展现状的基础上，针对不同的运输方式和不同的能源结构，提出了氢运输系统的规划方案和实施措施。考虑液氨储存、运输成本及安全性问题，选用液氨作为储氢介质，采用“氢+氨+氢”的方式实现氢的输运。据估计，如果运输距离达10,000公里，到2030年液氨运输成本将达到每公斤16.7元，到2050年，该价格将下降到每公斤4.7元。未来，需要对多种新能源运输方式的技术与经济效益进行比较，找出最优的氢能输送方式。

2.3氢储能发展加速电力系统形态演进

氢储能技术的广泛应用，将促进电力系统快速演化，为构建新型电网提供重要的支撑。氢储能技术可突破新能源比例限制，促进新能源向更高比例发展，推动新能源装机与发电总量的50%以上。利用电解制氢、储氢及氢燃料电池发电，构建微电网，实现热能、电能、氢等多能源协同供给。该研究不仅能有效解决偏远地区清洁能源需求，还能提高微电网在电网中的渗透率，增强其抵御风险的能力。氢储能作为“源网荷”等多方面的关键柔性资源，可促进“源网荷储”各环节间的协同效应，保证新能源系统在不同时段的电量均衡。氢储能系统有望成为能源网络的重要组成部分，实现源荷侧多能互补利用。

3结语

随着“碳达峰、碳中和”的目标逐步明晰，我国各产业都将继续走低碳、绿色和可持续发展之路。其中，氢能源作为一种新能源，具有清洁、无污染等特点，被视为最有发展潜力的新能源。氢储能系统是新能源领域的重要补充，其与电力行业的深度融合是未来新能源发展的重要推动力。在这种情况下，电力行业应该积极响应国家政策，把氢能源作为自己转型升级的突破口。针对我国氢能源的分布、存储、输送及电力系统建设现状，需要对氢能源产业链进行持续深入的研究，完善其技术体系，为电力工业的高质量发展注入新的活力。

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