氢电耦合系统的应用场景分析与发展建议

氢电耦合系统的应用场景分析与发展建议 为充分发挥氢能助力能源绿色低碳转型、支撑实现碳达峰碳中和目标的重要作用，源端通过可再生能源电解水制取清洁低碳氢已经成为行业共识，用户端电能和氢能的互补协同应用也成为能源利用的重要途径之一。未来，氢能与电能的发展将紧密相关、协调互补，氢电耦合系统正成为重要发展趋势。 一、氢能和电能存在全链条互补特性，统筹研究可发挥协同优势 发展氢能，构建氢电耦合系统是加快能源低碳转型进程的重要途径之一。在氢能供给端，可再生能源电解水制氢是未来最有潜力的绿氢制取方式。随着相关技术加速迭代和产业规模不断扩大，电解水制氢技术经济性有望不断提高，由清洁电能转化为绿色氢能的比例将逐步提升。根据国内外有关机构预测，到2060年，我国氢能年需求约1亿吨，其中约80将来自于可再生能源电解水制取的绿氢。在氢能消费端，电能和氢能均为重要的二次能源，在交通、储能、建筑等领域均具有广泛的应用场景，氢能和电能互补应用潜力巨大；氢燃料电池发电、氢燃气轮机发电等技术实现氢能到电能的转化，支撑氢能发挥其长周期、大规模储能的独特优势，弥补电能不易长时间、大容量储存的不足。 国家发展改革委、国家能源局发布的氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）明确指出将重点发展可再生能源制氢；国内多个省份发布氢能相关政策文件，均对可再生能源制氢及氢能多元应用进行重点部署。可以预见，“十四五”及中长期，随着氢能在能源电力领域的应用场景加速拓宽，氢电耦合系统将在增加新能源消纳能力、提升电力系统灵活调节能力、提高综合能源利用效率、减少二氧化碳等污染物排放等方面发挥重要作用，氢电耦合系统将成为氢能发挥其二次能源优势最重要的方式之一。 二、氢电耦合系统内涵丰富，应用场景多元 氢电耦合系统涉及氢能制储输运、电能发输配用的各个环节，涵盖两个产业的全链条。笔者认为氢电耦合系统是以绿色低碳发展为原则，以资源优化配置为目标，依托电解水制氢、氢能发电、多能源品种协同控制等技术，实现氢能和电能双向灵活转化、高效互补发展，支撑氢能绿色供给、脱碳应用和高比例可再生能源消纳。氢电耦合系统既可以是电能到氢能或氢能到电能的单向转换系统，也可以是实现电能和氢能双向转换的系统。 根据氢能和电能生产-储存-输送-使用的多个环节，氢电耦合系统可组合为三大类典型耦合应用场景，各场景主要特征如下 典型场景一为可再生能源电解水制氢及就近综合利用耦合场景。一是在可再生能源资源丰富且当地氢能需求较大地区，设立可再生能源电解水制氢专区，制取的氢作为原料或者燃料就近利用，应用场景包括石化、化工、交通、电力等应用（见图1a），例如，张家口近年来大力发展可再生能源制氢，在北京冬奥会期间为交通用氢提供保障。二是用户端氢电互补应用耦合场景，即通过氢能和电能的协同支撑，满足用户多样化、低成本、高可靠性用能需求（见图1b），例如，山东省正在牵头开展的“氢进万家”科技示范项目。 a 可再生能源电解水制氢及多元利用 b 用户端氢能和电能互补利用 图1 可再生能源电解水制氢及就近综合利用场景示意图 典型场景二为氢储能场景，即在可再生能源资源丰富，且电网大规模、长周期灵活性调节需求较大地区，设立可再生能源电解水制氢专区，结合氢能存储和氢能发电技术，通过电-氢-电的转换技术，发挥氢能长周期、大容量储能优势（见图2）。 图2 氢储能场景示意图 典型场景三为能源远距离运输耦合场景，即针对可再生能源丰富地区和氢能需求端逆向分布，综合论证输电与输氢的技术经济性，实现新能源发电与氢能需求匹配的场景，既包括在可再生能源资源丰富地区设立制氢专区，采用氢能输运技术，满足远端用户侧用氢需求的场景（见图3a）；也包括将可再生能源发电远距离输到用户侧，通过用户侧电解水制氢，满足远端用户侧多元化用氢和用电等能源需求（见图3b）。 a 基于远距离输氢的氢电耦合场景 b 基于远距离输电的氢电耦合场景 图3 能源远距离运输氢电耦合场景 三、科学构建氢电耦合系统的几个关键问题 科学构建氢电耦合系统是实现氢能和电能协调互补优势的关键。需结合用户需求，统筹资源条件和基础设施情况，深入系统开展技术经济论证，因地制宜推进工程实践。在此过程中，建议把握“四个结合”原则 一是将氢电耦合系统发展与能源绿色低碳发展目标相结合。坚持目标导向，将是否有利于推动绿色低碳发展作为发展氢电耦合系统的目标和检验标准，从是否有利于节能、减排、提效、减碳的角度分析论证发展氢电系统的必要性。 二是将氢电耦合系统发展与能源布局和区域协调发展相结合。以满足能源需求为导向，将氢电耦合系统发展与地方能源布局和不同区域协调互济发展相结合，因地制宜，宜电则电、宜氢则氢、氢电协同，为解决能源供给和需求的逆向分配矛盾提供新的解决方案。 三是将氢电耦合系统发展与科技创新能力相结合。氢能作为战略性新兴产业，尚有很多技术装备难题需要攻关，在产业布局过程中，需要持续提升科技自立自强能力，科学判断氢电耦合系统关键技术装备的自主化水平和攻关能力，避免将国内市场变为国外技术装备的试验场。 四是将氢电耦合系统发展与可持续发展能力相结合。坚持系统思维，将定性分析和定量分析相结合，统筹氢能制储输运和电能发输配用全链条，算好氢电耦合系统的综合账、长远账和经济账，以安全、经济为基础，推进氢电耦合系统稳步持续健康发展。 四、推进氢能和电能协同有序发展的路径建议 当前，我国氢能产业仍处于起步期，能源转型将加快氢能技术和产业的发展步伐，使氢能产业不断成长、成熟，其支撑“双碳”目标实现的能力不断增强。在这个过程中，氢电耦合系统的发展路径将不断演化，并向着多元化方向发展。对此，提出以下四方面建议 一是科学研究，明确发展路线。建议进一步以国家氢能规划为纲领和指引，深入研究我国氢能产业发展的路线图，尤其是将氢电耦合系统纳入氢能发展全局进行部署，构建促进氢电耦合系统科学发展的产业体系，制定更加详细的技术和经济指标目标，分阶段、有序推动氢能和电能产业协同发展。 二是标准先行，健全标准体系。建议尽快构建满足氢电耦合系统发展的相关标准体系，健全规划设计、建设运行、验收评价、经济分析等全过程标准，逐步解决标准滞后问题，夯实技术基础，推进国标、行标、团标协同发展，并依托典型工程开展先进标准应用和示范。 三是稳慎有序，推动试点示范。加强国家级-省级-项目级规划的统筹衔接，以系统思维对具体问题进行具体分析。建议在全国氢能资源丰富、应用场景明确、基础设施较好的地区先行先试，以需求牵引带动可再生能源电解水制氢规模化、低成本发展，示范开展技术创新、模式创新，为全国的政策、法规、模式等的制定提供样板和借鉴。 四是超前部署，推动技术攻关。围绕制约氢-电耦合系统发展的具体问题超前部署、集中攻关，提高可再生能源电解水制氢、燃料电池、掺氢燃机、大规模储氢、长距离输氢等技术装备水平；运用系统思维破解电氢耦合系统发展问题，提升系统规划设计能力，从技术研发-装备制造-系统优化-协同控制的全流程进行攻关，提高生产能力和生产效率。 5