上海電力大學 二級教授 趙晉斌  出席論壇并發表主題演講—— 《支撐新型電力系統建設的氫儲能關鍵技術路線及思考》

 

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，現在大家更側重偏技術的點，這個我們經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建設的綠氫應用的關鍵路線及它的思考。

匯報的內容有以下四個方面：

1、新型電力系統的關鍵技術。

2、結合特性做了氫儲能系統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、結合源網荷氫做了優化調度，建立了一個模型。

4、在“雙碳”目標下氫儲能系統碳排放潛力。

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

第二，電網形態發生了改變。大家知道以前潮流從高往低走，現在分布式電源接入以后，潮流方向有很大的改變。

新型儲能規模化應用大家看得比較多，在里面怎么做這個事情？可以看得出來從發電側和用戶側都是波動性的，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，甚至起調節的（作用），因此我們認為儲能是解決新能源儲能出力不穩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，涉及到跨季節的時候，氫的優勢非常好地體現出來。

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

氫儲能作為化學儲能的方式，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、棄光現象比較嚴重。氫的成本比較高，如果棄風、棄光利用起來的話，成本有一個有效降低；風光處理的預測準確程度有限，其處理隨機性會對電網造成一定沖擊。

我們做了含氫儲能微網系統，右側是風和光，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，我也可以通過外部氫的接入，實現氫容量的增減。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做補充，量不一定大，但是在一定范圍以內有效性可以體現出來。

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、氣態、固態儲氫，還有燃料電池充換電的情況。

電解槽是關鍵設備，大家用得比較多是堿性電解槽，質子膜和固態的也有，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用，除了在電力系統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，氫最后怎么儲是關鍵問題，氣態儲氫是目前用得比較多，氣態的力度比較低，對儲能有一些要求，利用率不高，所以現在大家在做液態儲氫、固態儲氫的情況，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。固態儲氫雖然大家都在做，但是目前技術不成熟，隨著時間的推移這個技術一定會取得比較大的進展。

2、氫儲能系統中長期運行特性

從單一儲能有一定的局限性，因此會向多元儲能做轉變，為了實現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、跨季節時間尺度內。

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，它比電化學儲能有一定優勢。

怎么做這個事情？我們專門做了一張圖，把電網和氣網做了比較好的結合。這里面通過分布式發電或者集中式發電，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到電網；還有一種是把電跟氫和二氧化碳做交換，可以產生甲烷，把甲烷反過來輸送到燃氣網里面。這樣做起來可以實現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。新能源接入以后會造成質量的下降，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，通過燃料電池反輸到電網，另外一部分可以通過氫轉甲烷到氣網，這是氫的比較大的優勢。

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

跨季節的時候有什么樣的情況？區域電網上面有水、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，通過燃料電池發電以后，返到電網里面，可以實現比較好的交換。

結論是什么？針對可再生能源季節性波動，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，可以自儲氫電轉換方案。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，混氫燃氣輪機組發電。實現風能季富裕能源向枯能季的轉移。我們經過驗證以后，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子膜，電網陸上風電和海上風電到底成本是多少？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。

結論：由于PEMEC比AEC設備成本高，氫氣平準化成本將增加40%左右。隨著可再生能源發電成本下降，預計2050年，氫成本將低至11.63元/Kg，目前電-氫-電的發電成本也較高，達到3.61元（kw·h），也遠超現有度電，需從技術、商業模式創新等多方面協同發力。

當時提出一個情況也是結合去年的情況，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，水電沒有水發不出來，負荷側溫度太高，大家要用空調，這時候負荷比較高，會對電力系統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電光伏，這個時候沒有了怎么解決？再通過火力發電頂這個缺失的量。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，可以用來發電、用來制氫，當光或者風不夠的時候，可以把氫用來發電。如果能夠合理利用氫儲能長周期季節性儲能的優勢，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域的輸送，可以實現長時間尺度和長時間的空間尺度優勢。如果能夠把這個跟氣網融合起來，可能對整個系統的穩定性有比較好的提升。

3、源-網-荷-氫優化調度模型

這是傳統電力系統和新型電力系統最大的變化（如圖），“源網荷儲”四個端如何進行互動？這是現在大家所希望從技術上解決的，那怎么做？一般儲能側為了實現調峰調頻或調壓，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。這里電網和氣網之間的交叉融合，可以看到火電發電以后通過集中式發電輸配送，這是傳統的電網，可以通過電解水制氫跟氣網形成比較好的結合，下面是氣網的情況，上面是電網的情況（如圖），可以通過電解水制氫和燃料電池進行能量雙向的調控，氫儲能可以做靈活性可調節的資源，可以實現查漏補缺，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的經濟運行，以及系統的安全、穩定。那我們如何來做？從電源側，利用綠氫將電站轉化為氫能，推動氫能產業的發展。電網側利用氫儲能跨季節中長周期的特性，參與到電網調峰；用戶側可以通過氫燃料電池熱電聯供做調峰調頻，我們做了相關的模型（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。也就是說在儲氣罐當中，氫氣和氧氣在95%的區間怎么控制在我的區間。這是三個階段所考慮的條件。

我們做了經濟性模型，主要考慮到尺寸的設計，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的成本，這里面我們做了風光互補。圖中說明新能源制氫的時候必須做風和光的互補，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，我們在規劃的時候，要考慮風光裝機容量的比較，運行的時候要考慮波動性，降低壓力，我們將氫儲能做了風光互補，從供電側和需求側。

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，把春秋季節的氫利用起來，我們做了一年四個季節的制氫和用氫的情況。

結論：風能和太陽能的互補特性，同時要挖掘負荷側調節的情況，可以通過氫儲能實現能量跨季節的運行，同時新能源的利用率和系統的可靠性。

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，我們做了串并聯的控制，從而實現光伏發電量的應用。

4、雙碳目標下氫儲能系統碳排放潛力

我們通過并網和離網做了結論，國內外目前研究重點是并網型風電制氫技術在不同應用場景下的可行性和經濟分析，例如棄制氫、結合燃料電池發電。并網型風電制氫可充分利用棄風，將棄風率從35.8%降至7.5%，明顯降低制氫成本；風電制氫另一打油詩是利用電解制氫的靈活性，提高風電并網友好性；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電提高風電出力效率。

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，以及電化學制氫，還有光伏的、氫能的系統，目前來說這些技術處于實驗的階段，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的綜合需求響應能力的時候，這個模型如何實現里面能量上的交換。

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

謝謝大家！