上海電力大學(xué) 二級教授 趙晉斌  出席論壇并發(fā)表主題演講—— 《支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)的氫儲能關(guān)鍵技術(shù)路線及思考》

 

以下為演講實錄：  

前面三位專家從政策和運營模式做了介紹，現(xiàn)在大家更側(cè)重偏技術(shù)的點，這個我們經(jīng)過將近三年的研究之后，把成果做了整理和歸納。題目是支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)的綠氫應(yīng)用的關(guān)鍵路線及它的思考。

匯報的內(nèi)容有以下四個方面：

1、新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

2、結(jié)合特性做了氫儲能系統(tǒng)的中長周期的運行特性，中長期的效果比一般儲能好一點。

3、結(jié)合源網(wǎng)荷氫做了優(yōu)化調(diào)度，建立了一個模型。

4、在“雙碳”目標下氫儲能系統(tǒng)碳排放潛力。

我們知道新型電力系統(tǒng)把新型能源的利用，主要是風(fēng)和光以及其他的儲能方式。大家可以看到從發(fā)電電網(wǎng)用戶側(cè)，以及電能平衡方式和技術(shù)形態(tài)有很大的變化。在這里面最主要是“雙高”，接入以后對電力系統(tǒng)有很大的影響。

第二，電網(wǎng)形態(tài)發(fā)生了改變。大家知道以前潮流從高往低走，現(xiàn)在分布式電源接入以后，潮流方向有很大的改變。

新型儲能規(guī)模化應(yīng)用大家看得比較多，在里面怎么做這個事情？可以看得出來從發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)都是波動性的，而且是隨機性的。這里面儲能有比較好的方式，它可以起緩沖的作用，甚至起調(diào)節(jié)的（作用），因此我們認為儲能是解決新能源儲能出力不穩(wěn)定的因素或者比較好的手段。

怎么做這個事情？剛才鄭老師說通過不同的時間尺度做了分析。在里面做了分鐘到小時，以及小時及以上的分類，可以看出來用得比較多的是磷酸鐵鋰或者電化學(xué)電池，里面包括還有抽水蓄能。這里面有一個問題，如果在跨季度甚至跨年的時候，這個東西怎么辦？很難處理，但是氫有比較好的優(yōu)勢。

左上角可以看到，這是儲能的對比，X軸上是時間，涉及到跨季節(jié)的時候，氫的優(yōu)勢非常好地體現(xiàn)出來。

我們做了一個規(guī)劃，如果把電化學(xué)儲能跟儲氫結(jié)合起來，可以解決多時間尺度平衡的需求。現(xiàn)在綜合能源做得比較好，氫可以作為樞紐進行互聯(lián)互通，所以氫有比較好的優(yōu)勢，氫還可以跟交通結(jié)合起來，它具有這方面的優(yōu)勢以后，我們覺得這個點可以往下做的。

氫儲能作為化學(xué)儲能的方式，具有適合長時間的儲能，而且適合容量比較大的情況。問題是什么？我們知道新能源接入以后，問題是棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象比較嚴重。氫的成本比較高，如果棄風(fēng)、棄光利用起來的話，成本有一個有效降低；風(fēng)光處理的預(yù)測準確程度有限，其處理隨機性會對電網(wǎng)造成一定沖擊。

我們做了含氫儲能微網(wǎng)系統(tǒng)，右側(cè)是風(fēng)和光，通過交直流的變換，通過直流對電解槽制氫，通過燃料電池閉環(huán)，我也可以通過外部氫的接入，實現(xiàn)氫容量的增減。這個可以解決新能源處理富余的情況下把電能進行利用，當電力不足的時候，通過燃料電池對電網(wǎng)做補充，量不一定大，但是在一定范圍以內(nèi)有效性可以體現(xiàn)出來。

電池氫換電效率不高，可能40-50%的效率，但是前提條件是你用什么樣的電，不能用高峰電做氫，這是不劃算的，在氫的選擇上有一個計算。

氫主要干什么事情？制氫、儲氫和用氫。圍繞這三階段做，里面針對的是電解槽和儲氫罐，以及液態(tài)、氣態(tài)、固態(tài)儲氫，還有燃料電池充換電的情況。

電解槽是關(guān)鍵設(shè)備，大家用得比較多是堿性電解槽，質(zhì)子膜和固態(tài)的也有，但涉及到成本問題，所以用得比較多的是堿性電解槽。

另外一個是氫換電，這個跟電池氫是反向的過程，目前主要圍繞堿性燃料電池來做，在十年前的時候800瓦的燃料電池，那時候比較大的特點是電壓比較低，需要經(jīng)過升壓的過程才能變成我們所需要的電壓等級。

燃料電池還有其他方面的應(yīng)用，除了在電力系統(tǒng)可以做成氫換電以外，還可以在交通可以獲得比較好的利用。

這里做了歸納，氫最后怎么儲是關(guān)鍵問題，氣態(tài)儲氫是目前用得比較多，氣態(tài)的力度比較低，對儲能有一些要求，利用率不高，所以現(xiàn)在大家在做液態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫的情況，它的密度高了，但是成本也高了，我們會有這樣的選擇。

高壓儲氫情況下有一些運輸方式，一開始氫不是用電池氫，氫是化工廠的副產(chǎn)品，那個氫用得比較多，包括燃料電池、燃料電阻汽車都是從化工廠里面，沒有通過電制氫的概念。新能源大力發(fā)展以后，造成電在某個階段有富余，所以考慮到電池氫。

有些資源的因素是儲運成本比較高，消耗比較大，這目前存在的問題。固態(tài)儲氫雖然大家都在做，但是目前技術(shù)不成熟，隨著時間的推移這個技術(shù)一定會取得比較大的進展。

2、氫儲能系統(tǒng)中長期運行特性

從單一儲能有一定的局限性，因此會向多元儲能做轉(zhuǎn)變，為了實現(xiàn)不同時間尺度的補充，中長周期運行的時間范圍定義在周、月、跨季節(jié)時間尺度內(nèi)。

如圖所示，這里跨年（1-12月份），氫怎么來？氫肯定要制，在4-6月份的時候，因為風(fēng)電資源比較多，把這個電用來制氫。對于一年的時候，市4-6月份和9-11月份是存氫的時間，到了冬季和夏天要制冷和制暖，這時候可以把在春天和秋天的氫利用起來，也就是說我可以跨季節(jié)利用起來，這個是對氫的利用率，包括對長時間尺度補充的時候，它比電化學(xué)儲能有一定優(yōu)勢。

怎么做這個事情？我們專門做了一張圖，把電網(wǎng)和氣網(wǎng)做了比較好的結(jié)合。這里面通過分布式發(fā)電或者集中式發(fā)電，用電制氫，主要是電解槽。儲能需要電的時候，把氫儲能通過燃料電池再輸?shù)诫娋W(wǎng)；還有一種是把電跟氫和二氧化碳做交換，可以產(chǎn)生甲烷，把甲烷反過來輸送到燃氣網(wǎng)里面。這樣做起來可以實現(xiàn)分布式光伏對我需要的時候進行電能的提供，當我有富裕電量的時候，可以返送到配電網(wǎng)。新能源接入以后會造成質(zhì)量的下降，一般情況下是棄光的，我們把光利用起來做了電轉(zhuǎn)氫，這樣就把富余的“垃圾電”用來制氫。當我負荷比較大的時候，把氫換成電，通過燃料電池反輸?shù)诫娋W(wǎng)，另外一部分可以通過氫轉(zhuǎn)甲烷到氣網(wǎng)，這是氫的比較大的優(yōu)勢。

我們做了一些應(yīng)用場景的分析，電網(wǎng)和氣網(wǎng)之間能量交換的時候，氫可以在里面做一個轉(zhuǎn)換比較有效的方式。

跨季節(jié)的時候有什么樣的情況？區(qū)域電網(wǎng)上面有水、光伏、火電、負荷。當電比較多的時候，把這個電用來制氫了，通過儲氫利用起來，當水電不夠的時候，可以把這部分氫利用起來，通過燃料電池發(fā)電以后，返到電網(wǎng)里面，可以實現(xiàn)比較好的交換。

結(jié)論是什么？針對可再生能源季節(jié)性波動，這是比較長時間的尺度變化，可以采用氫能作為中間的模態(tài)，可以自儲氫電轉(zhuǎn)換方案。當豐能季的時候，電解槽制氫與巖洞長期儲氫；枯能季的時候，氫余量充分利用，混氫燃氣輪機組發(fā)電。實現(xiàn)風(fēng)能季富裕能源向枯能季的轉(zhuǎn)移。我們經(jīng)過驗證以后，有比較好的效果。

電制氫主要考慮成本上的問題，我們做了電解槽的分析，有一個堿性電解槽和質(zhì)子膜，電網(wǎng)陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電到底成本是多少？我們做了對比。在這個情況下不光考慮電的成本，還要考慮設(shè)備的成本，它是一個綜合成本。

左上角的圖如果按照度電成本考慮的話，可以看出來海上布電和上網(wǎng)的電價成本相對比較高，這里面最好的是水電，相對來說它的成本比較低。

結(jié)論：由于PEMEC比AEC設(shè)備成本高，氫氣平準化成本將增加40%左右。隨著可再生能源發(fā)電成本下降，預(yù)計2050年，氫成本將低至11.63元/Kg，目前電-氫-電的發(fā)電成本也較高，達到3.61元（kw·h），也遠超現(xiàn)有度電，需從技術(shù)、商業(yè)模式創(chuàng)新等多方面協(xié)同發(fā)力。

當時提出一個情況也是結(jié)合去年的情況，極端天氣情況下，去年四川水電沒有水了，這個電怎么辦？那時候天氣又熱，發(fā)不出電，但是負荷又大，所以帶來了這個電怎么解決的問題，浙江后來花10塊錢一度電來買。電化學(xué)的電池也沒有用，因為電池最基本的成分是電充了才能放，而且這個電做了比較短時間尺度的替換/交換，我們這里面怎么做？

去年8月份的時候，由于氣象因素的影響，電無法發(fā)，水電沒有水發(fā)不出來，負荷側(cè)溫度太高，大家要用空調(diào)，這時候負荷比較高，會對電力系統(tǒng)形成兩頭擠壓的情況，這時候怎么解決？以前的情況下一般用風(fēng)電光伏，這個時候沒有了怎么解決？再通過火力發(fā)電頂這個缺失的量。這時候怎么辦？能不能用氫？一年中四分之三的時間新能源比較多，可以用來發(fā)電、用來制氫，當光或者風(fēng)不夠的時候，可以把氫用來發(fā)電。如果能夠合理利用氫儲能長周期季節(jié)性儲能的優(yōu)勢，實際上可以解決/部分解決這樣的問題。

氫儲能可以作為跨區(qū)域的輸送，可以實現(xiàn)長時間尺度和長時間的空間尺度優(yōu)勢。如果能夠把這個跟氣網(wǎng)融合起來，可能對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性有比較好的提升。

3、源-網(wǎng)-荷-氫優(yōu)化調(diào)度模型

這是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和新型電力系統(tǒng)最大的變化（如圖），“源網(wǎng)荷儲”四個端如何進行互動？這是現(xiàn)在大家所希望從技術(shù)上解決的，那怎么做？一般儲能側(cè)為了實現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻或調(diào)壓，以及備用的功能，這是在建模型要基本考慮的標準。

氫儲能要做模型，要考慮它的情況。這里電網(wǎng)和氣網(wǎng)之間的交叉融合，可以看到火電發(fā)電以后通過集中式發(fā)電輸配送，這是傳統(tǒng)的電網(wǎng)，可以通過電解水制氫跟氣網(wǎng)形成比較好的結(jié)合，下面是氣網(wǎng)的情況，上面是電網(wǎng)的情況（如圖），可以通過電解水制氫和燃料電池進行能量雙向的調(diào)控，氫儲能可以做靈活性可調(diào)節(jié)的資源，可以實現(xiàn)查漏補缺，去改變電能時域的特性。

我清楚了容量，目標是新能源的消納和最優(yōu)的經(jīng)濟運行，以及系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定。那我們?nèi)绾蝸碜觯繌碾娫磦?cè)，利用綠氫將電站轉(zhuǎn)化為氫能，推動氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。電網(wǎng)側(cè)利用氫儲能跨季節(jié)中長周期的特性，參與到電網(wǎng)調(diào)峰；用戶側(cè)可以通過氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供做調(diào)峰調(diào)頻，我們做了相關(guān)的模型（如圖）。

這里面考慮到什么問題？氫有制氫、儲氫和運氫。電制氫如何提升它的效率？第二個問題是氫換電的效率，兩頭都要考慮轉(zhuǎn)化效率。制氫的時候，要考慮電解槽容量的影響，要考慮在高效率期間如何讓電解槽更多的制氫。儲氫的時候要考慮安全的問題，因此這里做了安全系數(shù)。也就是說在儲氣罐當中，氫氣和氧氣在95%的區(qū)間怎么控制在我的區(qū)間。這是三個階段所考慮的條件。

我們做了經(jīng)濟性模型，主要考慮到尺寸的設(shè)計，對于投資和運營有什么影響。這時候提供了氫儲能平準化的成本以及系統(tǒng)的成本，這里面我們做了風(fēng)光互補。圖中說明新能源制氫的時候必須做風(fēng)和光的互補，這時候是比較好的。

但是怎么做？首先可以平衡好新能源出力，二是高效利用新能源，三是減少配置成本。因此，我們在規(guī)劃的時候，要考慮風(fēng)光裝機容量的比較，運行的時候要考慮波動性，降低壓力，我們將氫儲能做了風(fēng)光互補，從供電側(cè)和需求側(cè)。

我簡單把這個圖說一下，這是按照一天的情況。紅顏色是光伏，藍顏色是風(fēng)機，在這個期間新能源是用來制氫的，下面綠顏色的線是氫儲能（如圖）。我們把春天和秋天用來制氫，到了夏天和冬天的時候，把春秋季節(jié)的氫利用起來，我們做了一年四個季節(jié)的制氫和用氫的情況。

結(jié)論：風(fēng)能和太陽能的互補特性，同時要挖掘負荷側(cè)調(diào)節(jié)的情況，可以通過氫儲能實現(xiàn)能量跨季節(jié)的運行，同時新能源的利用率和系統(tǒng)的可靠性。

怎么做這個事情？我們做了光制氫，這是我們自己提的方法。我通過發(fā)電量的情況來做電解槽的切換，也就是電解槽有點類似于光伏增電，做了最大功率的跟蹤。在這個時候，我的電解槽可以隨著光伏發(fā)電情況做最大的輸出，這個文章也有，大家如果有興趣可以看一看是如何進行追蹤的。除了這個以外，我們做了串并聯(lián)的控制，從而實現(xiàn)光伏發(fā)電量的應(yīng)用。

4、雙碳目標下氫儲能系統(tǒng)碳排放潛力

我們通過并網(wǎng)和離網(wǎng)做了結(jié)論，國內(nèi)外目前研究重點是并網(wǎng)型風(fēng)電制氫技術(shù)在不同應(yīng)用場景下的可行性和經(jīng)濟分析，例如棄制氫、結(jié)合燃料電池發(fā)電。并網(wǎng)型風(fēng)電制氫可充分利用棄風(fēng)，將棄風(fēng)率從35.8%降至7.5%，明顯降低制氫成本；風(fēng)電制氫另一打油詩是利用電解制氫的靈活性，提高風(fēng)電并網(wǎng)友好性；用電低谷時段，制氫儲能，用電高峰時段，利用燃料電池或氫氣輪機發(fā)電提高風(fēng)電出力效率。

這是用光伏來制氫的情況，目前有光伏電解水制氫，還有通過光熱，以及電化學(xué)制氫，還有光伏的、氫能的系統(tǒng)，目前來說這些技術(shù)處于實驗的階段，在推廣的時候還需要一定的時間。

這是我們做的經(jīng)濟上的模型，這個要做一個前提條件，才能從成本上做計算。這時候考慮綜合能源，去考慮IES的綜合需求響應(yīng)能力的時候，這個模型如何實現(xiàn)里面能量上的交換。

這是從碳排放目標來說，目前來說通過風(fēng)電和太陽能實現(xiàn)無碳能源加上氫儲能，一是制氫電力來源我國三北地區(qū)棄風(fēng)、光；二是主要依靠氫儲能“電-氫-電”轉(zhuǎn)換特性，將電力饋入電網(wǎng)，還可以通過氣網(wǎng)把制的氫傳輸過來，目前主要為了通過電能和氫能實現(xiàn)能量交換，以及能源的利用，這是最終的目標。

謝謝大家！