氫綜合能源電站應(yīng)用前景＊

滕 越，王 締，趙 騫，張 健，徐 晨

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230000；2.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

2021年，中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議提出，要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，截至2020年底，全國(guó)可再生能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的29.1%，全國(guó)可再生能源發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量占全部電力裝機(jī)的42.5%?？稍偕茉窗l(fā)電量迅速增加，同樣會(huì)給電力系統(tǒng)帶來(lái)運(yùn)行壓力。

在調(diào)峰方面，在可再生能源富集區(qū)域，具有調(diào)峰能力的新型儲(chǔ)能電站占比過(guò)低，造成電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性不足；在調(diào)度方面，風(fēng)電、光伏的大規(guī)模接入，增加了短時(shí)間內(nèi)調(diào)度計(jì)劃調(diào)整的頻率，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；在發(fā)電側(cè)，為大規(guī)模消納風(fēng)光電量，通常需要發(fā)電站提供大量調(diào)峰、調(diào)壓、備用等輔助服務(wù)，增加了運(yùn)行成本[1]。為消納可再生能源發(fā)電量，滿足電網(wǎng)調(diào)度需求，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)達(dá)到國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和的雙碳目標(biāo)，近年來(lái)包括氫儲(chǔ)能電站在內(nèi)的一系列新型儲(chǔ)能電站在電源、電網(wǎng)側(cè)得到廣泛運(yùn)用。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)國(guó)網(wǎng)能源研究院發(fā)布的《中國(guó)能源電力發(fā)展展望》，2060年，中國(guó)新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到4.2億kW左右，氫儲(chǔ)能電站市場(chǎng)前景廣闊。

能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型需求、大量可再生能源并網(wǎng)需求、電力系統(tǒng)平滑運(yùn)行需求都將成為氫儲(chǔ)能電站快速發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，本文簡(jiǎn)述了氫儲(chǔ)能電站與其他儲(chǔ)能電站在應(yīng)用領(lǐng)域的區(qū)別及在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)的分布式應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，分析了氫儲(chǔ)能電站儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展前景及氫儲(chǔ)能電站標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)需求。

1 氫儲(chǔ)能電站簡(jiǎn)介

目前國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能技術(shù)主要有機(jī)械儲(chǔ)能方式、電化學(xué)儲(chǔ)能方式和變相儲(chǔ)能方式等。機(jī)械儲(chǔ)能方式包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等，電化學(xué)儲(chǔ)能方式主要指鉛酸電池、鎳鉻電池、鋰離子電池，變相儲(chǔ)能主要指熔鹽儲(chǔ)能。

氫儲(chǔ)能電站是一種制氫、儲(chǔ)氫、發(fā)電模塊化運(yùn)行的儲(chǔ)能電站。與其他儲(chǔ)能電站相比，氫儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)能介質(zhì)為氫氣，在依靠發(fā)達(dá)的氫氣管網(wǎng)輸送體系下，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)性發(fā)電。氫氣作為存儲(chǔ)介質(zhì)時(shí)，存儲(chǔ)周期長(zhǎng)，在特殊的存儲(chǔ)方式下零逸散，依此能夠完成電力系統(tǒng)的跨季度調(diào)峰。

在響應(yīng)速度方面，目前國(guó)內(nèi)在建的氫儲(chǔ)能電站采用新型PEM電解槽，冷啟動(dòng)速度達(dá)到分鐘級(jí)，響應(yīng)速度達(dá)到秒級(jí)。飛輪儲(chǔ)能和大部分的電化學(xué)儲(chǔ)能電池均可以達(dá)到毫秒級(jí)響應(yīng)，抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能達(dá)到分鐘級(jí)響應(yīng)。

在持續(xù)發(fā)電能力方面，氫儲(chǔ)能電站的發(fā)電時(shí)間取決于電解制氫的時(shí)間和氫氣儲(chǔ)罐的容量，目前在建的氫儲(chǔ)能電站，1 700 m3氫氣可供兆瓦級(jí)發(fā)電2 h。其他儲(chǔ)能電站發(fā)電時(shí)間均為2～24 h之間。

在應(yīng)用場(chǎng)景方面，氫儲(chǔ)能電站無(wú)場(chǎng)地要求，占地面積小。抽水蓄能電站需要建在水資源豐富的地區(qū)，受氣候和地域影響較大。

在調(diào)峰周期上，氫儲(chǔ)能電站將電解的氫氣作為發(fā)電的能源，存儲(chǔ)的氫氣不會(huì)產(chǎn)生逸散，因此可參與日調(diào)峰、月調(diào)峰及跨季度調(diào)峰。例如將汛期的水電站發(fā)電量存儲(chǔ)到旱季進(jìn)行發(fā)電，或者將夏季的光伏電站發(fā)電量存儲(chǔ)到冬季進(jìn)行發(fā)電。

氫儲(chǔ)能電站屬于新型發(fā)展的儲(chǔ)能電站，與其他儲(chǔ)能電站相比，具有調(diào)節(jié)靈活性更高（最小載荷低至5%）、可參與跨季度調(diào)峰等優(yōu)點(diǎn)。但其劣勢(shì)也同樣突出，由于膜的成本和貴金屬催化劑的使用，PEM電解設(shè)備造價(jià)高昂，同時(shí)目前國(guó)內(nèi)氫氣的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)薄弱。

2 氫儲(chǔ)電站應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 電源側(cè)應(yīng)用模式

目前電力系統(tǒng)中的靈活性主要由火電機(jī)組提供。隨著可再生能源發(fā)電站大規(guī)模并網(wǎng)腳步的加快及國(guó)家政策的要求，在電力系統(tǒng)中，可再生能源電站占比越來(lái)越大。這將導(dǎo)致電力系統(tǒng)靈活性降低，同時(shí)改變了區(qū)域的潮流動(dòng)態(tài)，導(dǎo)致電壓、頻率等電能參數(shù)變化，影響電能質(zhì)量[2]。

由于風(fēng)電、光伏等新能源出力具有季節(jié)性和間歇性，將氫儲(chǔ)能電站用于可再生能源電站，發(fā)揮氫儲(chǔ)能電站響應(yīng)時(shí)間短、調(diào)節(jié)靈活性高、調(diào)峰周期長(zhǎng)、存儲(chǔ)逸散等優(yōu)點(diǎn)。將可再生能源富裕季節(jié)發(fā)出的風(fēng)電、光電電解制氫進(jìn)行存儲(chǔ)，在可再生能源匱乏季節(jié)進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)跨季度調(diào)峰。促進(jìn)新能源平滑并網(wǎng)，緩解棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，大大提高電網(wǎng)對(duì)新能源消納的接納能力。

2.2 電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用模式

氫儲(chǔ)能電站應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷，氫儲(chǔ)能電站制氫系統(tǒng)可在電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)消納富余電力，起到削峰填谷的作用，從而提高電網(wǎng)整體運(yùn)行水平，促進(jìn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行[3]。同時(shí)由于氫氣應(yīng)用的靈活性，同樣可以在電網(wǎng)側(cè)配備加氫站，給氫燃料電池車加氫。另一方面，氫儲(chǔ)能電站用于電網(wǎng)側(cè)可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、黑啟動(dòng)以及作為備用電源提高供電可靠性等作用。

2.3 用戶側(cè)應(yīng)用模式

氫儲(chǔ)能電站在用戶側(cè)的場(chǎng)景可以降低用戶用電成本及提高用戶側(cè)電能可靠性。改善電網(wǎng)負(fù)荷特性，增加負(fù)荷側(cè)調(diào)峰能力[2]。

氫儲(chǔ)能電站應(yīng)用在負(fù)荷側(cè)主要用于燃料電池?zé)犭娐?lián)供與燃料電池車加氫。氫儲(chǔ)能電站制取的氫氣，可用于燃料電池車加氫，擴(kuò)展氫儲(chǔ)能電站的盈利范圍。燃料電池發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱量輸送到暖氣片，同時(shí)滿足用戶電能、熱能需求，促進(jìn)電網(wǎng)與熱/冷網(wǎng)互聯(lián)。

3 氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)

與普通的儲(chǔ)能電站不同，氫儲(chǔ)能電站作為包含制、儲(chǔ)、發(fā)一體化的儲(chǔ)能電站，其發(fā)電時(shí)間受到氫氣儲(chǔ)罐容量的影響。其次氫氣作為能量存儲(chǔ)介質(zhì)，在能量調(diào)動(dòng)靈活性上是其他所有儲(chǔ)能電站所不具備的，氫儲(chǔ)能電站既能通過(guò)給氫燃料電池車提供燃料的方式豐富研究經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式，也可以通過(guò)補(bǔ)充氫氣儲(chǔ)罐的方法持續(xù)發(fā)電，增強(qiáng)其發(fā)電性能。而其他儲(chǔ)能電站不具備補(bǔ)充儲(chǔ)能介質(zhì)進(jìn)行持續(xù)發(fā)電的能力。氫儲(chǔ)能電站的發(fā)展和應(yīng)用極為依賴氫氣的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。

目前國(guó)內(nèi)主要的應(yīng)用的氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式為20 MPa的長(zhǎng)管拖運(yùn)輸和35 MPa的氫氣儲(chǔ)罐。隨著氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)在2025年，75 MPa的氫氣儲(chǔ)罐、45 MPa的長(zhǎng)管拖車、氫氣管道等儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)會(huì)陸續(xù)在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。預(yù)計(jì)2026—2035年，隨著氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的進(jìn)一步提升，低溫液態(tài)、固態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)氫罐、氫氣管道等儲(chǔ)氫技術(shù)將更加成熟，儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)將達(dá)到5.5%。

3.1 高壓氫氣儲(chǔ)罐

目前國(guó)內(nèi)最為常用的氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)為高壓氫氣儲(chǔ)罐，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉、應(yīng)用廣泛、充放氫氣速度快、對(duì)存儲(chǔ)環(huán)境要求較低。同樣缺點(diǎn)也很明顯，需要配備氫氣壓縮機(jī)，且存儲(chǔ)過(guò)程中需消耗大量電能。另外氫氣儲(chǔ)罐屬于特種設(shè)備，在存儲(chǔ)氫氣時(shí)容易發(fā)生氫脆，大容量存儲(chǔ)時(shí)危險(xiǎn)系數(shù)高。

目前國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用領(lǐng)域大部分氫氣儲(chǔ)罐為20～35 MPa，中材科技的大容積鋼制無(wú)縫儲(chǔ)氫容器的運(yùn)行壓力達(dá)到45 MPa。浙江大學(xué)設(shè)計(jì)了全多層鋼制高壓儲(chǔ)氫容器，設(shè)計(jì)壓力最高能達(dá)到90 MPa，具有壓力高、體積大、抑爆抗爆功能，達(dá)到了國(guó)際水平[4]。

3.2 低溫液態(tài)儲(chǔ)氫

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及工藝都比較復(fù)雜，運(yùn)行過(guò)程需要嚴(yán)格的絕熱措施[5]。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫的最大優(yōu)勢(shì)是質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度相對(duì)較高，按照目前的設(shè)備水平氫氣儲(chǔ)運(yùn)中質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠超過(guò)5%。

液態(tài)氫氣容易揮發(fā)損失并且儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中需要配套低溫設(shè)備，成本較高。當(dāng)在大容量?jī)?chǔ)存應(yīng)用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)熱分層，產(chǎn)生大量氣態(tài)氫，使儲(chǔ)罐壓力增加，存在爆破風(fēng)險(xiǎn)。液氫存儲(chǔ)同樣需要冷卻設(shè)備配合，成本較高，主要用于軍事領(lǐng)域和航天領(lǐng)域。

2011年由中國(guó)中集集團(tuán)旗下的圣達(dá)因低溫裝備有限公司成功開發(fā)出300 m3的液氫儲(chǔ)罐，該貯罐的成功研制填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型液氫貯罐領(lǐng)域的空白，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平[6]。

3.3 固態(tài)儲(chǔ)氫

固態(tài)儲(chǔ)氫是以金屬氫化物、化學(xué)氫化物和納米材料等作為儲(chǔ)氫載體，通過(guò)化學(xué)吸附和物理吸附的方式，將氫儲(chǔ)存其中。固態(tài)儲(chǔ)氫方式的儲(chǔ)氫體積密度大、操作容易、運(yùn)輸方便、成本低、安全性好，即使遇劇烈撞擊也不會(huì)發(fā)生爆炸[7]。同時(shí)，固態(tài)儲(chǔ)氫目前在實(shí)際應(yīng)用中存在著放氫溫度高、速度慢等缺點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)在研應(yīng)用領(lǐng)域的固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)主要為浙江大學(xué)研究的金屬氮基氫化物固態(tài)儲(chǔ)氫和氨硼烷固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)。其中金屬氮基氫化物固態(tài)儲(chǔ)氫目前存在的主要技術(shù)問(wèn)題是放氫溫度較高（放氫溫度在90℃左右，放氫壓力在0.1 MPa左右）且放氫過(guò)程伴隨少量氨氣釋放[8]。氨硼烷固態(tài)儲(chǔ)氫理論儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)19.6%，而且熱穩(wěn)定性好、放氫的條件溫和，是當(dāng)下被認(rèn)為最具有研究性的儲(chǔ)氫材料之一[9]。但是氨硼烷的放氫效率較低，放氫過(guò)程中同樣伴隨著雜質(zhì)且再生成本較高等問(wèn)題，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

3.4 氫氣管道

隨著氫能產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展，氫氣管網(wǎng)必然成為氫氣運(yùn)輸?shù)闹匾侄?，截至目前，美?guó)和歐洲是世界上最早發(fā)展氫氣管網(wǎng)的地區(qū)[10]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)氫氣輸送管道總里程已超過(guò)4 600 km[11]。

與油氣管道不同，氫氣管道的建設(shè)成本要遠(yuǎn)高于油氣管道，由于氫氣的特殊物理性質(zhì)，運(yùn)輸管道極易遭受氫脆腐蝕，對(duì)管道材料和工藝的要求極高。

目前中國(guó)由于技術(shù)限制，氫氣管道建設(shè)應(yīng)用較為滯后，分別于2014年和2015年建立2條氫氣管道。其中，“巴陵—長(zhǎng)嶺”氫氣輸送管線設(shè)計(jì)壓力為5 MPa，目前每小時(shí)可輸送8 000 m3氫氣；“濟(jì)源—吉利”輸氫管道全長(zhǎng)25 km，設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa，年輸送量為10.04萬(wàn)t。

4 氫儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系建立

氫儲(chǔ)能電站屬于中國(guó)正在研究且未應(yīng)用的儲(chǔ)能電站，不同于抽水蓄能電站、電化學(xué)電池儲(chǔ)能電站等成熟電站，在現(xiàn)存的標(biāo)準(zhǔn)體系中，氫儲(chǔ)能電站的設(shè)計(jì)、建造、實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)收、運(yùn)行和安全等一系列標(biāo)準(zhǔn)尚屬空白。如何研究建立氫儲(chǔ)能電站，健全氫儲(chǔ)能電站的標(biāo)準(zhǔn)體系，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步與氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是目前亟待解決的問(wèn)題。在當(dāng)前中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)呈爆發(fā)式發(fā)展背景下，如何發(fā)揮氫能的儲(chǔ)能作用并保證其安全性，針對(duì)氫儲(chǔ)能電站標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)過(guò)程中可能遇到的技術(shù)問(wèn)題，提出以下建議供參考。

氫氣屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，在氫氣的使用和存儲(chǔ)方面需要遵循化工領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品的要求。

氫儲(chǔ)能電站內(nèi)運(yùn)行的涉氫能設(shè)備較多，而且缺失現(xiàn)存的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系。在氫儲(chǔ)能電站的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要參考大量的有類似設(shè)備的建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和危險(xiǎn)環(huán)境下的電氣設(shè)備設(shè)計(jì)要求，如GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》。

氫儲(chǔ)能電站中把電能轉(zhuǎn)換為氫的設(shè)備為電解槽，而電解槽的種類不同，應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)也不同。符合儲(chǔ)能電站技術(shù)要求的主要是PEM電解槽，而國(guó)內(nèi)廣泛用于大規(guī)模風(fēng)光制氫的電解槽為堿性電解槽，兩者的性能和參數(shù)并不一致。目前標(biāo)準(zhǔn)體系中關(guān)于PEM電解槽的內(nèi)容較少，用于儲(chǔ)能電站的情況下，對(duì)于PEM電解槽的運(yùn)行要求和安全要求主要參考GB/T 37563—2019《壓力型水電解制氫系統(tǒng)安全要求》。

氫儲(chǔ)能電站發(fā)電設(shè)備主要為氫燃料電池，標(biāo)準(zhǔn)體系中對(duì)于氫燃料電池的安全性能和實(shí)驗(yàn)都有詳細(xì)的要求，但是作為儲(chǔ)能電站發(fā)電部分，氫燃料電池在啟停性能、供電能力、實(shí)驗(yàn)要求方面的要求需要符合GB/T 36544—2018《變電站用質(zhì)子交換膜燃料電池供電系統(tǒng)》的要求。

5 結(jié)論

在氫能的大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)方面，中國(guó)與國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距。氫氣的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)涉及到材料和工藝等一系列基礎(chǔ)學(xué)科，中國(guó)在基礎(chǔ)學(xué)科的研究尚屬薄弱；氫儲(chǔ)能電站使用的電解槽和燃料電池設(shè)備成本過(guò)高，發(fā)電成本超過(guò)8 000元/kW，與其他儲(chǔ)能電站相比，不具備成本優(yōu)勢(shì)。國(guó)家需加快完善氫儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，填補(bǔ)氫儲(chǔ)能電站在設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)收及安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的空白，完善和推廣大容量氫儲(chǔ)能電站建設(shè)。

隨著國(guó)家政策的推進(jìn)、氫能技術(shù)的發(fā)展、電力系統(tǒng)運(yùn)行的需要，以及氫能在能源領(lǐng)域不可取代的重要性，在未來(lái)氫儲(chǔ)能電站的應(yīng)用規(guī)模必將逐步擴(kuò)大。目前，氫儲(chǔ)能電站作為電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，尚有很多技術(shù)難點(diǎn)尚未突破。氫儲(chǔ)能電站在未來(lái)依靠氫的靈活調(diào)配，實(shí)現(xiàn)持續(xù)性發(fā)電、跨季度調(diào)峰、通過(guò)售氫擴(kuò)展盈利模式等優(yōu)勢(shì)是其他儲(chǔ)能電站不具備的。氫儲(chǔ)能電站作為清潔能源系統(tǒng)的支柱環(huán)節(jié)，需要在政策引導(dǎo)和技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)一步加大支持力度。