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萬(wàn)億儲(chǔ)能市場(chǎng),氫能有著怎樣的定位與發(fā)展?

2022-03-17 來(lái)源:李娜,李志遠(yuǎn),王楠,孫翔.氫儲(chǔ)能調(diào)峰站發(fā)展路徑探索研究[J] 瀏覽數(shù):652

通過(guò)電轉(zhuǎn)氫技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、長(zhǎng)期、廣域的儲(chǔ)能。氫儲(chǔ)能或?qū)⒊蔀槲磥?lái)重大創(chuàng)新技術(shù),可有效彌補(bǔ)電能存儲(chǔ)性能差的短板,有力支撐高比例可再生能源發(fā)展,有助于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),提升能源系統(tǒng)整體效率,促進(jìn)能源革命。但氫儲(chǔ)能現(xiàn)階段真的可行么?

  氫能是現(xiàn)代能源體系的重要組成部分,將深刻影響中國(guó)能源應(yīng)用的前景。氫儲(chǔ)能是解決可再生能源消納和緩解峰谷電差的有效方式之一。
 
通過(guò)電轉(zhuǎn)氫技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、長(zhǎng)期、廣域的儲(chǔ)能。氫儲(chǔ)能或?qū)⒊蔀槲磥?lái)重大創(chuàng)新技術(shù),可有效彌補(bǔ)電能存儲(chǔ)性能差的短板,有力支撐高比例可再生能源發(fā)展,有助于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),提升能源系統(tǒng)整體效率,促進(jìn)能源革命。但氫儲(chǔ)能現(xiàn)階段真的可行么?
 
氫儲(chǔ)能是什么?
 
目前氫氣制取主要有以下三種較為成熟的技術(shù)路線:一是化石燃料制氫;二是工業(yè)副產(chǎn)氫尾氣提純制氫;三是電解水制氫。
 
國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,2021年,我國(guó)可再生能源新增裝機(jī)1.34億千瓦,占全國(guó)新增發(fā)電裝機(jī)的76.1%。可再生能源發(fā)電量穩(wěn)步增長(zhǎng),2021年,全國(guó)可再生能源發(fā)電量達(dá)2.48萬(wàn)億千瓦時(shí),占全社會(huì)用電量的29.8%。
 
發(fā)展切實(shí)有效的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù),對(duì)消納棄電、保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義。

四大儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比
 
下表給出了幾種儲(chǔ)能方式的綜合比較:
 
 
注:* 表示電站通常設(shè)計(jì)使用壽命;** 堿性電解設(shè)備壽命15 年,燃料電池發(fā)電受制于現(xiàn)階段的技術(shù)成熟度,壽命約 6年,綜合取 10 年。
 
目前較為成熟的儲(chǔ)能方式主要有抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能兩大類(lèi)。抽水蓄能電站需要具有發(fā)達(dá)的水系和優(yōu)良的地質(zhì)條件,并且建設(shè)周期長(zhǎng);電化學(xué)儲(chǔ)能近些年發(fā)展迅速,但由于成本較高,電池壽命只有五年左右,并且廢舊電池處理面臨諸多環(huán)保問(wèn)題。
 
目前在容量需求小的調(diào)頻率儲(chǔ)能應(yīng)用較多,大規(guī)模調(diào)峰儲(chǔ)能應(yīng)用不具有經(jīng)濟(jì)可行性。其他方式的儲(chǔ)能包括壓縮空氣儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能(超級(jí)電容器、超導(dǎo)儲(chǔ)能)和熱儲(chǔ)能等,受制于技術(shù)成熟度、成本、效率等方面因素影響,目前難以做到大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。
 
氫儲(chǔ)能技術(shù)是利用電力和氫能的互變性而發(fā)展起來(lái)的:
 
利用電解制氫,將間歇波動(dòng)、富余電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存起來(lái);在電力輸出不足時(shí),利用氫氣通過(guò)燃料電池或其他發(fā)電裝置發(fā)電回饋至電網(wǎng)系統(tǒng)。
 
電解水制氫技術(shù)成熟,工藝簡(jiǎn)單,清潔環(huán)保,制取的氫氣和氧氣純度高,而且設(shè)備單機(jī)容量大,市場(chǎng)成熟產(chǎn)品可做到 5 MW/ 臺(tái),制氫量 1000 Nm3/h,可大規(guī)模使用。
 
氫儲(chǔ)能目前存在的問(wèn)題是效率較低、造價(jià)高。電解水制氫效率達(dá) 65%——75%,燃料電池發(fā)電效率為 50%——60%,單過(guò)程轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高,但電 - 氫 -電過(guò)程存在兩次能量轉(zhuǎn)換,整體效率較低。


 
氫儲(chǔ)能調(diào)峰站造價(jià)估算表
 
制氫設(shè)備的單位造價(jià)約 2000 元 /kW,儲(chǔ)氫和輔助系統(tǒng)造價(jià)為 2000 元 /kW,燃料電池發(fā)電系統(tǒng)造價(jià)約9000 元 /kW,燃料電池的投資占到氫儲(chǔ)能系統(tǒng)總投資的接近 70%;且現(xiàn)階段規(guī)模化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用較少,技術(shù)成熟度、系統(tǒng)壽命有待驗(yàn)證。
 
傳統(tǒng)意義的氫儲(chǔ)能是電 -氫 -電的轉(zhuǎn)換,前文已論述存在效率低、價(jià)格高的問(wèn)題。效率主要問(wèn)題是兩次能量轉(zhuǎn)換,整體效率低;價(jià)格主要問(wèn)題是燃料電池投資占比高。

廣義氫儲(chǔ)能利好可再生能源消納
 
相較于傳統(tǒng)儲(chǔ)能,廣義氫儲(chǔ)能強(qiáng)調(diào)電-氫單向轉(zhuǎn)換,由于廣義氫儲(chǔ)能系統(tǒng)效率高和成本低,上游與可再生能源發(fā)電結(jié)合,下游瞄準(zhǔn)高純氫市場(chǎng)需求,具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景,受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究。
 
電解制氫將難以儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)化為可存儲(chǔ)的氫氣,氫作為能源和原料,供氫燃料電池交通、燃料電池應(yīng)急備用電源、天然氣摻氫燃料、化工原料、工業(yè)還原保護(hù)氣體等場(chǎng)景使用。
 
中國(guó)三北地區(qū)風(fēng)光資源豐富,西南部水資源豐富。但是由于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在地域間的較大差異,西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度相對(duì)較為落后,可再生能源在中西部地區(qū)難以就地消納。
 
另外,可再生能源具有季節(jié)性、波動(dòng)性特點(diǎn),使其無(wú)法在市場(chǎng)中準(zhǔn)確申報(bào)電量,造成了可再生能源一定程度上的棄電浪費(fèi)。電網(wǎng)系統(tǒng)為應(yīng)對(duì)大規(guī)模可再生能源上網(wǎng),保障配套投資增加,火電、燃機(jī)深度調(diào)峰,無(wú)法高效最優(yōu)運(yùn)行,以至排放增加。
 
在可再生資源豐富地區(qū)就近建設(shè)大規(guī)模電解水制氫站,消納清潔能源,減緩風(fēng)光發(fā)電間歇波動(dòng),對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)壓性的影響是廣義氫儲(chǔ)能的一種應(yīng)用方式。
 

氫儲(chǔ)能電站如何設(shè)計(jì)
 
東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)用電負(fù)荷量大,峰谷電差也大。以某沿海城市為例,日均用電負(fù)荷功率13500 MW,峰谷電差達(dá) 4000 MW,調(diào)峰問(wèn)題日益突出。利用氫的儲(chǔ)能特性和電 -氫靈活轉(zhuǎn)化關(guān)系,發(fā)揮氫儲(chǔ)能在電網(wǎng)中“填谷”作用。
 
谷電時(shí)段,電網(wǎng)將可再生能源電能輸送到高純氫需求端,通過(guò)電解水制氫儲(chǔ)能,供燃料電池交通和電子等行業(yè)使用,提高可再生能源消納和輸電通道利用率。電解制氫的副產(chǎn)氧純度在 98.5% 以上,主要雜質(zhì)為 H2O 和 H2,提純成本低,經(jīng)濟(jì)價(jià)值高。
 
在峰電時(shí)段,由于氫燃料電池發(fā)電成本較高,可以采用天然氣摻氫富氫燃機(jī)發(fā)電向電網(wǎng)送電。富氫燃機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)——
 
造價(jià)約 3000 元 /kW,遠(yuǎn)低于燃料電池;
 
可利用城市天然氣管網(wǎng)提供燃料;
 
天然氣摻氫 20%,可提高燃燒效率,降低碳排放和污染物排放;
 
摻氫比例可根據(jù)需求在 0——20% 之間調(diào)節(jié);
 
可熱電聯(lián)供,提高綜合效率。日本川崎、三菱、西門(mén)子等公司在天然氣摻氫、純氫燃?xì)廨啓C(jī)方面,都具有相應(yīng)的成功應(yīng)用示范。
 
氫儲(chǔ)能調(diào)峰站配套質(zhì)子膜氫燃料電池(PEMFC)發(fā)電作為應(yīng)急備用電源,替代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)備電。
 
PEMFC 燃料電池利用儲(chǔ)存的氫氣發(fā)電,相比柴油發(fā)電具有運(yùn)行安靜、零排放、燃料成本低(PEMFC 度電成本 1 元,柴油發(fā)電度電成本 2 元)等優(yōu)點(diǎn)。

氫儲(chǔ)能電站調(diào)峰難題
 
儲(chǔ)能電站調(diào)峰面臨三大難題,一是用地條件限制,一是制氫設(shè)備技術(shù)成熟度限制,還有就是產(chǎn)業(yè)下游高純氫市場(chǎng)消納風(fēng)險(xiǎn)的限制。
 
雖然 2020 年 3 月修訂的《能源法》將氫氣作為能源一詞列入諸種能源之一。
 
但仍未改變其危化品管控屬性,規(guī)模化制氫站須入在化工園區(qū),這限制了氫儲(chǔ)能調(diào)峰站的選址,尤其在電、氫負(fù)荷中心的東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市選址更加困難。
 
電解水制氫技術(shù)根據(jù)電解質(zhì)不同,主要可分為堿性(ALK)、質(zhì)子交換膜(PEM)、固體氧化物(SOEC)電解三大類(lèi),SOEC 電解可以利用外供熱源效率最高,PEM 和 ALK 次之。
 
 
其中堿性電解技術(shù)成熟、成本低,是國(guó)內(nèi)商業(yè)化應(yīng)用的主流產(chǎn)品;但是其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢,在需要頻繁啟停、變負(fù)荷運(yùn)行的氫儲(chǔ)能調(diào)峰站中應(yīng)用有較大弊端。
 
PEM 制氫動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、抗電源負(fù)荷波動(dòng)性強(qiáng),適合在氫儲(chǔ)能調(diào)峰站使用;但目前國(guó)內(nèi) PEM 制氫設(shè)備技術(shù)成熟待工程化應(yīng)用驗(yàn)證,其高昂的價(jià)格限制了大規(guī)模工程化推廣。
 
電解制取的高純氫,理想的市場(chǎng)消納方式是高純電子氫和能源氫,高純電子氫市場(chǎng)需求相對(duì)穩(wěn)定,未來(lái)市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn)集中于能源氫在氫燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用。

氫儲(chǔ)能應(yīng)從三方面開(kāi)始探索
 
氫儲(chǔ)能是支撐高比例可再生能源發(fā)展有效方式之一,傳統(tǒng)電 -氫 -電的儲(chǔ)能方式綜合效率低、造價(jià)高,現(xiàn)階段不具備經(jīng)濟(jì)適用性。
 
借助我國(guó)跨區(qū)域特高壓輸電通道優(yōu)勢(shì),將可再生資源豐富地區(qū)的電能輸送到高純氫負(fù)荷中心,建設(shè)氫儲(chǔ)能調(diào)峰站,谷電時(shí)段制氫儲(chǔ)能(P2H),峰電時(shí)段天然氣摻氫富氫燃機(jī)發(fā)電回饋電網(wǎng),可以實(shí)現(xiàn)可再生能源消納,提高輸電通道利用率,緩解東部城市峰谷電差大的問(wèn)題,解決氫氣遠(yuǎn)距離運(yùn)輸成本、安全等難題。
 
針對(duì)氫儲(chǔ)能調(diào)峰站發(fā)展面臨的挑戰(zhàn),建議如下:

1、開(kāi)展用戶端制氫試點(diǎn)探索
 
河北省為發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè),支持可再生能源綠色制氫和風(fēng)光可再生能源消納,率先發(fā)布風(fēng)力發(fā)電配套制氫項(xiàng)目可不進(jìn)化工園區(qū)。
 
建議在認(rèn)真做好技術(shù)評(píng)估、滿足安全要求的前提下,有序推進(jìn)非化工園區(qū)制氫試點(diǎn)探索,開(kāi)展用戶端制氫的示范,參照天然氣管理方式,在以能源方式利用時(shí),將氫氣納入能源管理范疇。
 
2、發(fā)揮電網(wǎng)企業(yè)的作用
 
氫能和電能同屬于清潔的二次能源,充分發(fā)揮電網(wǎng)企業(yè)在二次能源領(lǐng)域的調(diào)度經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)氫電之間深度耦合互補(bǔ),提高能源綜合利用效率。
 
具體而言,建議電網(wǎng)企業(yè)在電網(wǎng)輸送通道利用率低的谷電時(shí)段,降低清潔能源跨區(qū)域輸送過(guò)網(wǎng)費(fèi);對(duì)以削峰填谷為目的的氫儲(chǔ)能調(diào)峰站,建議減免容量費(fèi)。
 
3、試點(diǎn)探索多元化商業(yè)模式
 
建議政府層面的氫能產(chǎn)業(yè)政策從燃料電池交通、加氫站向氫氣清潔高效制取、氫能在能源體系中的耦合利用等“大氫能”產(chǎn)業(yè)擴(kuò)展延伸。
 
加快對(duì)新領(lǐng)域試點(diǎn)項(xiàng)目的論證和規(guī)范審批流程,促進(jìn)示范落地;通過(guò)規(guī)劃政策引領(lǐng),消除能源行業(yè)間壁壘,促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)融合,構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。
閱讀上文 >> 四大儲(chǔ)氫技術(shù),誰(shuí)將成為未來(lái)主流?
閱讀下文 >> 電解水制氫設(shè)備7000億市場(chǎng)前景廣闊,看上去很美仍需時(shí)間換空間

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