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氢能、

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氢储能在我国新型电力系统中的应用价值、挑战及展望

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氢 储 能 在 我 国 新 型 电 力 系 统 中 的 应 用 价 值 、 挑 战 及 展 望 _ 电 力 网 首 页 | 咨 询 报 告 氢 储 能 在 我 国 新 型 电 力 系 统 中 的 应 用 价 值 、 挑 战 及 展 望 中 国 电 力 网 2 0 2 3 1 2 2 1   来 源 ： 中 国 工 程 院 院 浏 览 ： 　 　 文 章 摘 要 　 　 本 文 探 讨 了 氢 储 能 在 中 国 新 型 电 力 系 统 中 的 应 用 价 值 、 挑 战 和 展 望 。 文 章 分 析 了 氢 储 能 相 对 于 其 他 储 能 技 术 的 优 势 ， 并 构 建 了 氢 储 能 在 新 型 电 力 系 统 中 的 应 用 价 值 体 系 。 同 时 ， 文 章 也 指 出 了 目 前 氢 储 能 面 临 的 效 率 低 和 成 本 高 等 挑 战 。 　 　 氢 储 能 具 有 跨 季 节 、 跨 区 域 和 大 规 模 存 储 的 优 势 ， 对 于 新 型 电 力 系 统 的 建 设 具 有 重 要 作 用 。 　 　 氢 储 能 可 以 突 破 新 能 源 电 力 占 比 的 限 制 ， 促 进 更 高 比 例 的 新 能 源 发 展 。 　 　 积 极 探 索 氢 能 运 输 方 式 的 最 优 组 合 ， 以 促 进 氢 储 能 的 发 展 ， 推 动 新 型 电 力 系 统 的 建 设 。 　 　 加 快 发 展 氢 能 产 业 ， 是 应 对 实 现 “ 碳 达 峰 、 碳 中 和 ” 目 标 和 保 障 国 家 能 源 安 全 的 战 略 选 择 。 氢 储 能 具 有 跨 季 节 、 跨 区 域 和 大 规 模 存 储 的 优 势 ， 在 能 量 维 度 、 时 间 维 度 和 空 间 维 度 上 具 有 突 出 优 势 ， 在 新 型 电 力 系 统 的 “ 源 网 荷 ” 各 个 环 节 均 有 很 强 的 应 用 价 值 ， 可 在 新 型 电 力 系 统 建 设 中 发 挥 重 要 作 用 。 　 　 中 国 工 程 院 院 刊 《 中 国 工 程 科 学 》 2 0 2 2 年 第 3 期 刊 发 华 北 电 力 大 学 能 源 电 力 创 新 研 究 院 刘 建 国 教 授 研 究 团 队 的 《 氢 储 能 在 我 国 新 型 电 力 系 统 中 的 应 用 价 值 、 挑 战 及 展 望 》 一 文 。 文 章 剖 析 了 氢 储 能 相 对 其 他 储 能 技 术 的 优 势 ， 阐 述 了 新 型 电 力 系 统 对 氢 能 的 诉 求 ， 并 构 建 了 氢 储 能 在 新 型 电 力 系 统 “ 源 网 荷 ” 中 的 应 用 价 值 体 系 ; 文 章 可 以 促 进 氢 储 能 产 业 与 新 型 电 力 系 统 建 设 的 有 机 融 合 ， 驱 动 电 力 、 交 通 、 建 筑 和 工 业 等 部 门 的 碳 排 放 快 速 达 峰 。 　 　 一 、 前 言 　 　 我 国 能 源 资 源 禀 赋 的 特 点 是 “ 富 煤 、 缺 油 、 少 气 ” ， 能 源 结 构 主 要 以 煤 炭 为 主 ， 原 油 和 天 然 气 资 源 的 对 外 依 存 度 较 高 。 2 0 1 4 年 6 月 ， 习 近 平 总 书 记 就 推 动 能 源 生 产 和 消 费 革 命 提 出 “ 四 个 革 命 、 一 个 合 作 ” 的 能 源 发 展 战 略 思 想 ， 为 推 进 我 国 能 源 清 洁 低 碳 转 型 发 展 指 明 了 方 向 。 “ 十 三 五 ” 时 期 ， 我 国 能 源 消 费 结 构 持 续 优 化 ， 非 化 石 能 源 消 费 比 重 从 1 2 . 1 % 提 高 至 1 5 . 9 % ， 平 均 每 年 提 高 了 0 . 7 6 个 百 分 点 。 　 　 面 对 全 球 性 的 气 候 危 机 ， 中 国 在 2 0 2 0 年 9 月 向 世 界 郑 重 承 诺 ： 我 国 二 氧 化 碳 排 放 力 争 于 2 0 3 0 年 前 达 到 峰 值 ， 努 力 争 取 2 0 6 0 年 前 实 现 碳 中 和 。 2 0 2 0 年 我 国 全 社 会 碳 排 放 约 1 . 0 6 × 1 0 1 0 t ， 其 中 电 力 行 业 碳 排 放 约 4 . 6 × 1 0 9 t ， 占 比 高 达 4 3 . 4 % 。 在 此 形 势 下 ， 电 力 行 业 肩 负 着 “ 双 碳 ” 目 标 实 现 的 重 要 历 史 使 命 ， 将 承 担 着 主 力 军 的 关 键 角 色 。 　 　 2 0 2 1 年 中 央 财 经 委 员 会 第 九 次 会 议 指 出 ： 要 构 建 以 新 能 源 为 主 体 的 新 型 电 力 系 统 。 新 型 电 力 系 统 的 内 涵 是 ： 以 新 能 源 为 供 给 主 体 、 以 确 保 能 源 电 力 安 全 为 基 本 前 提 、 以 满 足 经 济 社 会 发 展 电 力 需 求 为 首 要 目 标 ， 以 坚 强 智 能 电 网 为 枢 纽 平 台 ， 以 “ 源 网 荷 储 ” 互 动 与 多 能 互 补 为 支 撑 ， 具 有 清 洁 低 碳 、 安 全 可 控 、 灵 活 高 效 、 智 能 友 好 、 开 放 互 动 的 基 本 特 征 。 氢 能 是 一 种 来 源 丰 富 、 绿 色 低 碳 、 应 用 广 泛 的 二 次 能 源 ， 将 为 新 型 电 力 系 统 的 安 全 低 碳 建 设 发 挥 重 要 价 值 。 2 0 2 2 年 3 月 ， 国 家 发 展 和 改 革 委 员 会 发 布 《 氢 能 产 业 发 展 中 长 期 规 划 ( 2 0 2 1 — 2 0 3 5 年 ) 》 ， 氢 能 的 战 略 定 位 被 提 升 到 了 未 来 国 家 能 源 体 系 的 重 要 组 成 部 分 。 　 　 目 前 ， 许 多 国 内 外 主 流 机 构 对 氢 能 在 终 端 能 源 的 消 费 比 重 进 行 了 预 测 。 国 际 氢 能 委 员 会 发 布 的 报 告 《 氢 能 规 模 化 — — 全 球 能 源 转 型 的 可 持 续 途 径 》 预 计 到 2 0 5 0 年 ， 在 将 温 度 升 幅 控 制 在 2 ℃ 前 提 下 ， 氢 能 将 承 担 全 球 1 8 % 的 终 端 能 源 消 费 ( 约 8 0 E J ) ， 全 年 的 二 氧 化 碳 排 放 量 能 够 较 现 在 减 少 约 6 × 1 0 9 t 。 　 　 美 国 燃 料 电 池 和 氢 能 协 会 ( F C H E A ) 发 布 的 报 告 《 美 国 氢 能 经 济 路 线 图 — — 减 排 及 驱 动 氢 能 在 全 美 实 现 增 长 》 预 计 到 2 0 5 0 年 ， 氢 能 将 满 足 美 国 终 端 能 源 需 求 的 1 4 % 。 欧 盟 委 员 会 发 布 的 两 项 战 略 计 划 《 欧 盟 氢 能 战 略 》 和 《 欧 盟 能 源 系 统 集 成 战 略 》 预 计 到 2 0 5 0 年 ， 氢 能 可 以 满 足 全 欧 盟 2 4 % 的 终 端 能 源 需 求 。 　 　 从 中 国 范 围 来 看 ， 根 据 中 国 氢 能 源 及 燃 料 电 池 产 业 创 新 战 略 联 盟 ( 简 称 “ 中 国 氢 能 联 盟 ” ) 预 测 ， 到 2 0 3 0 年 中 国 氢 气 需 求 量 将 达 到 3 . 5 × 1 0 7 t ， 在 终 端 能 源 体 系 中 占 比 5 % ， 到 2 0 5 0 年 氢 气 需 求 量 接 近 6 × 1 0 7 t ， 氢 能 将 在 中 国 终 端 能 源 体 系 中 占 比 至 少 达 到 1 0 % ， 可 减 排 约 7 × 1 0 8 t 二 氧 化 碳 ; 《 中 国 氢 能 产 业 发 展 报 告 2 0 2 0 》 和 《 2 0 2 1 中 国 能 源 化 工 产 业 发 展 报 告 》 得 出 2 0 5 0 年 氢 能 在 我 国 能 源 体 系 中 占 比 1 0 % 的 相 同 结 论 。 　 　 与 上 述 时 点 不 同 ， 《 中 国 氢 能 源 及 燃 料 电 池 产 业 白 皮 书 2 0 2 0 》 预 计 在 2 0 6 0 年 氢 能 在 我 国 终 端 能 源 消 费 中 占 比 将 达 2 0 % 左 右 。 综 合 以 上 数 据 ， 保 守 估 计 2 0 5 0 年 氢 能 在 我 国 终 端 能 源 体 系 占 比 将 达 1 0 % 。 氢 能 将 与 电 能 耦 合 互 补 ， 共 同 成 为 我 国 终 端 能 源 体 系 的 重 要 消 费 主 体 。 　 　 当 前 关 于 氢 储 能 的 综 述 性 研 究 较 多 关 注 技 术 研 发 与 应 用 进 展 、 可 再 生 能 源 系 统 集 成 等 方 面 ， 而 针 对 氢 储 能 在 新 型 电 力 系 统 中 的 应 用 价 值 分 析 研 究 较 为 匮 乏 。 针 对 于 此 ， 本 文 从 我 国 新 型 电 力 系 统 “ 源 网 荷 ” 各 个 环 节 对 氢 储 能 的 应 用 价 值 进 行 梳 理 和 归 纳 ， 力 求 深 入 探 讨 氢 储 能 在 新 型 电 力 系 统 中 应 用 存 在 的 挑 战 并 展 望 未 来 发 展 。 通 过 本 文 的 研 究 ， 可 以 促 进 氢 储 能 产 业 与 新 型 电 力 系 统 建 设 的 有 机 融 合 ， 驱 动 电 力 、 交 通 、 建 筑 和 工 业 等 部 门 的 碳 排 放 快 速 达 峰 。 　 　 二 、 氢 储 能 系 统 与 技 术 　 　 ( 一 ) 氢 储 能 系 统 　 　 近 年 来 ， 我 国 新 能 源 发 展 势 头 迅 猛 。 截 至 2 0 2 1 年 年 底 ， 我 国 新 能 源 发 电 装 机 达 到 7 . 2 6 × 1 0 8 k W ， 其 中 风 电 3 . 2 8 × 1 0 8 k W 、 太 阳 能 发 电 3 . 0 7 × 1 0 8 k W ， 分 别 连 续 1 2 年 和 7 年 稳 居 全 球 首 位 。 由 于 新 能 源 的 间 歇 性 特 点 ， 加 之 输 电 容 量 有 限 ， 弃 风 和 弃 光 问 题 随 着 新 型 电 力 系 统 中 风 电 、 光 伏 渗 透 率 的 不 断 增 加 将 日 益 突 出 。 　 　 此 外 ， 在 连 续 无 风 、 无 光 等 极 端 天 气 下 ， 将 造 成 新 型 电 力 系 统 电 力 供 应 可 靠 性 大 幅 下 降 甚 至 出 现 大 面 积 缺 电 现 象 。 储 能 作 为 重 要 的 调 节 资 源 ， 对 于 促 进 新 能 源 高 比 例 消 纳 和 保 障 电 力 电 量 实 时 平 衡 具 有 重 要 作 用 。 2 0 2 1 年 7 月 ， 国 家 发 展 和 改 革 委 员 会 、 国 家 能 源 局 发 布 的 《 关 于 加 快 推 动 新 型 储 能 发 展 的 指 导 意 见 》 提 出 ， 2 0 3 0 年 新 型 储 能 装 机 规 模 达 到 3 0 G W 以 上 ， 首 次 从 政 策 层 面 明 确 和 量 化 了 储 能 产 业 发 展 目 标 。 　 　 现 有 的 储 能 系 统 主 要 分 为 五 类 ： 机 械 储 能 、 电 化 学 储 能 、 电 磁 储 能 、 热 储 能 和 化 学 储 能 。 机 械 储 能 主 要 包 括 抽 水 蓄 能 、 压 缩 空 气 储 能 和 飞 轮 储 能 等 ; 电 化 学 储 能 主 要 包 括 铅 酸 电 池 、 锂 离 子 电 池 、 钠 硫 电 池 和 液 流 电 池 ; 电 磁 储 能 包 括 超 级 电 容 器 储 能 和 超 导 储 能 ; 热 储 能 是 将 热 能 储 存 在 隔 热 容 器 的 媒 介 中 ， 适 时 实 现 热 能 直 接 利 用 或 者 热 发 电 ; 化 学 储 能 是 指 利 用 氢 等 化 学 物 作 为 能 量 的 载 体 。 　 　 储 能 即 储 存 能 量 ， 根 据 能 量 形 式 的 不 同 ， 储 能 又 可 以 分 为 电 储 能 、 热 储 能 和 氢 储 能 三 类 。 机 械 储 能 、 电 化 学 储 能 和 电 磁 储 能 属 于 电 储 能 ， 目 的 是 储 电 ， 适 用 于 充 放 电 短 周 期 内 的 就 地 使 用 。 　 　 氢 储 能 是 一 种 新 型 储 能 ， 在 能 量 维 度 、 时 间 维 度 和 空 间 维 度 上 具 有 突 出 优 势 ， 可 在 新 型 电 力 系 统 建 设 中 发 挥 重 要 作 用 。 氢 储 能 技 术 是 利 用 电 力 和 氢 能 的 互 变 性 而 发 展 起 来 的 。 氢 储 能 既 可 以 储 电 ， 又 可 以 储 氢 及 其 衍 生 物 ( 如 氨 、 甲 醇 ) 。 狭 义 的 氢 储 能 是 基 于 “ 电 ‒ 氢 ‒ 电 ” ( P o w e r t o P o w e r ， P 2 P ) 的 转 换 过 程 ， 主 要 包 含 电 解 槽 、 储 氢 罐 和 燃 料 电 池 等 装 置 。 　 　 利 用 低 谷 期 富 余 的 新 能 源 电 能 进 行 电 解 水 制 氢 ， 储 存 起 来 或 供 下 游 产 业 使 用 ; 在 用 电 高 峰 期 时 ， 储 存 起 来 的 氢 能 可 利 用 燃 料 电 池 进 行 发 电 并 入 公 共 电 网 。 广 义 的 氢 储 能 强 调 “ 电 ‒ 氢 ” 单 向 转 换 ， 以 气 态 、 液 态 或 固 态 等 形 式 存 储 氢 气 ( P o w e r t o G a s ， P 2 G ) ， 或 者 转 化 为 甲 醇 和 氨 气 等 化 学 衍 生 物 ( P o w e r t o X ， P 2 X ) 进 行 更 安 全 地 储 存 。 　 　 氢 储 能 与 其 他 储 能 方 式 相 比 ， 具 有 以 下 4 个 方 面 的 明 显 优 势 ： 　 　 ① 在 新 能 源 消 纳 方 面 ， 氢 储 能 在 放 电 时 间 ( 小 时 至 季 度 ) 和 容 量 规 模 ( 百 吉 瓦 级 别 ) 上 的 优 势 比 其 他 储 能 明 显 ， 如 图 1 所 示 ; 　 　 ② 在 规 模 储 能 经 济 性 方 面 ， 随 着 储 能 时 间 的 增 加 ， 储 能 系 统 的 边 际 价 值 下 降 ， 可 负 担 的 总 成 本 也 将 下 降 ， 规 模 化 储 氢 比 储 电 的 成 本 要 低 一 个 数 量 级 ; 　 　 ③ 在 储 运 方 式 灵 活 性 方 面 ， 氢 储 能 可 采 用 长 管 拖 车 、 管 道 输 氢 、 天 然 气 掺 氢 、 特 高 压 输 电 ‒ 受 端 制 氢 和 液 氨 等 方 式 ; 　 　 ④ 在 地 理 限 制 与 生 态 保 护 上 ， 相 较 于 抽 水 蓄 能 和 压 缩 空 气 储 能 等 大 规 模 储 能 技 术 ， 氢 储 能 不 需 要 特 定 的 地 理 条 件 且 不 会 破 环 生 态 环 境 。 图 1 各 类 储 能 在 放 电 时 间 和 容 量 性 能 的 对 比 　 　 2 0 2 0 年 1 2 月 ， 美 国 能 源 部 ( D O E ) 发 布 了 储 能 大 挑 战 路 线 图 ， 这 是 美 国 发 布 的 首 个 关 于 储 能 的 综 合 性 战 略 ， 氢 储 能 是 其 中 的 主 要 探 讨 对 象 。 根 据 美 国 国 家 可 再 生 能 源 实 验 室 ( N R E L ) 预 测 ， 到 2 0 5 0 年 ， 持 续 放 电 时 间 1 2 h 以 上 的 长 时 储 能 的 装 机 容 量 将 会 显 著 增 长 ， 在 未 来 3 0 年 将 会 部 署 装 机 容 量 为 1 2 5 G W 到 6 8 0 G W 的 长 时 储 能 。 根 据 H y d r o g e n C o u n c i l 研 究 报 告 ， 当 可 再 生 能 源 份 额 达 到 6 0 % ~ 7 0 % 以 上 时 ， 对 氢 储 能 的 需 求 会 呈 现 出 指 数 增 长 势 态 。 　 　 截 至 2 0 2 1 年 1 1 月 ， 世 界 主 要 发 达 国 家 在 运 营 的 氢 储 能 设 施 已 有 9 座 ， 均 分 布 在 欧 盟 ， 如 表 1 所 示 。 　 　 表 1 主 要 发 达 国 家 在 运 营 氢 储 能 设 施 　 　 目 前 ， 国 内 也 有 少 量 氢 储 能 项 目 已 正 式 运 行 或 试 运 行 。 安 徽 六 安 兆 瓦 级 制 氢 综 合 利 用 示 范 工 程 是 国 内 首 座 兆 瓦 级 氢 储 能 电 站 ， 利 用 1 M W 质 子 交 换 膜 电 解 制 氢 和 余 热 利 用 技 术 ， 实 现 电 解 制 氢 、 储 氢 、 售 氢 、 氢 能 发 电 等 功 能 。 　 　 宁 夏 宝 丰 一 体 化 太 阳 能 电 解 水 制 氢 储 能 及 综 合 应 用 示 范 项 目 为 全 球 单 厂 规 模 最 大 、 单 台 产 能 最 大 的 电 解 水 制 氢 项 目 ， 采 用 新 能 源 发 电 ‒ 电 解 水 制 绿 氢 ‒ 绿 氧 直 供 煤 化 工 的 模 式 ， 包 括 2 × 1 0 5 k W 光 伏 发 电 装 置 和 产 能 为 每 小 时 2 × 1 0 4 m 3 的 电 解 水 制 氢 装 置 ， 项 目 投 产 后 每 年 可 减 少 二 氧 化 碳 排 放 约 4 . 4 5 × 1 0 5 t 。 大 陈 岛 氢 能 综 合 利 用 示 范 工 程 是 全 国 首 个 海 岛 “ 绿 氢 ” 综 合 能 源 示 范 项 目 ， 通 过 构 建 基 于 1 0 0 % 新 能 源 发 电 的 制 氢 ‒ 储 氢 ‒ 燃 料 电 池 热 电 联 供 系 统 ， 实 现 清 洁 能 源 百 分 百 消 纳 与 全 过 程 零 碳 供 能 。 　 　 ( 二 ) 氢 储 能 技 术 　 　 与 其 他 燃 料 相 比 ， 氢 的 质 量 能 量 密 度 大 ， 但 体 积 能 量 密 度 低 ( 汽 油 的 1 / 3 0 0 0 ) ， 因 此 构 建 氢 储 能 系 统 的 重 要 前 提 条 件 之 一 是 在 较 高 体 积 能 量 密 度 下 储 存 氢 气 。 目 前 ， 主 要 储 氢 方 式 可 以 分 为 物 理 储 氢 和 化 学 储 氢 。 物 理 储 氢 包 括 高 压 气 态 储 存 技 术 、 低 温 液 态 储 存 技 术 和 地 质 储 氢 技 术 ; 化 学 储 氢 包 括 固 态 储 存 技 术 、 有 机 液 态 储 氢 技 术 和 液 氨 储 氢 技 术 。 不 同 储 氢 技 术 的 密 度 如 表 2 所 示 。 　 　 表 2 不 同 储 氢 技 术 的 密 度 　 　 1 . 物 理 储 氢 技 术 　 　 ( 1 ) 高 压 气 态 储 存 技 术 。 高 压 气 态 储 氢 是 指 在 高 压 下 ， 将 氢 气 压 缩 ， 以 高 密 度 气 态 形 式 储 存 于 特 定 容 器 中 ， 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 储 氢 方 式 。 相 对 其 他 储 氢 技 术 ， 其 具 有 成 本 较 低 、 能 耗 低 、 易 脱 氢 、 工 作 条 件 较 宽 松 等 特 点 ， 是 目 前 最 常 用 并 且 发 展 最 成 熟 的 储 氢 技 术 ， 其 难 点 主 要 集 中 在 储 氢 容 器 的 研 制 上 。 目 前 ， 储 氢 容 器 通 常 为 耐 高 压 的 钢 制 气 瓶 ， 主 要 包 括 金 属 储 罐 、 金 属 内 衬 纤 维 缠 绕 储 罐 和 全 复 合 轻 质 纤 维 缠 绕 储 罐 。 　 　 ( 2 ) 低 温 液 态 储 存 技 术 。 低 温 液 态 储 氢 将 氢 气 冷 却 至 2 5 3 ℃ ， 液 化 储 存 于 低 温 绝 热 液 氢 罐 中 ， 储 氢 密 度 可 达 约 7 1 k g / m 3 ， 体 积 密 度 为 气 态 时 的 8 4 5 倍 ， 实 现 高 效 储 氢 ， 其 输 送 效 率 高 于 气 态 氢 。 但 液 氢 装 置 一 次 性 投 资 较 大 ， 液 化 过 程 中 能 耗 较 高 ， 储 存 过 程 中 有 一 定 的 蒸 发 损 失 ， 其 蒸 发 率 与 储 氢 罐 容 积 有 关 ， 大 储 罐 的 蒸 发 率 远 低 于 小 储 罐 。 国 内 液 态 储 氢 应 用 成 本 较 高 ， 目 前 主 要 用 于 航 天 航 空 领 域 及 军 事 领 域 。 北 京 航 天 试 验 技 术 研 究 所 ( 1 0 1 所 ) 以 及 北 京 中 科 富 海 低 温 科 技 有 限 公 司 等 正 在 突 破 相 关 核 心 装 备 。 　 　 ( 3 ) 地 质 储 氢 技 术 。 氢 气 地 质 储 存 是 氢 能 大 规 模 和 长 期 储 存 的 最 佳 选 择 。 国 际 上 ， 根 据 现 有 的 地 理 条 件 ， 选 择 盐 穴 、 废 弃 矿 井 、 油 气 井 和 含 水 层 大 规 模 长 期 储 存 压 缩 氢 气 的 方 式 。 这 种 储 氢 成 本 低 ， 约 0 . 6 美 元 / k g ， 效 率 约 为 9 8 % 。 从 具 体 国 家 来 看 ， 美 国 具 有 最 大 的 可 储 存 氢 的 盐 穴 ( 1 × 1 0 4 ~ 2 × 1 0 4 t ) ， 英 国 有 3 个 盐 穴 可 以 储 存 1 0 0 0 t 氢 气 ， 德 国 计 划 于 2 0 2 3 年 建 设 1 个 氢 气 的 盐 穴 储 存 示 范 项 目 ( 3 5 0 0 t ) 。 　 　 2 . 化 学 储 氢 技 术 　 　 与 物 理 储 氢 不 同 ， 化 学 储 氢 方 案 一 般 通 过 利 用 储 存 介 质 与 氢 气 结 合 为 稳 定 化 合 物 的 方 式 实 现 氢 储 存 。 用 氢 时 ， 通 过 加 热 或 其 他 方 式 使 化 合 物 分 解 放 氢 ， 同 时 回 收 储 存 介 质 。 根 据 储 存 介 质 种 类 不 同 ， 化 学 储 氢 技 术 主 要 包 括 金 属 氢 化 物 储 氢 、 液 态 有 机 氢 载 体 储 氢 、 无 机 物 储 氢 、 液 氨 储 氢 等 。 与 高 压 气 态 储 氢 和 低 温 液 态 储 氢 相 比 ， 化 学 储 氢 技 术 成 熟 度 相 对 较 低 ， 目 前 多 在 实 验 室 、 示 范 项 目 环 节 。 　 　 ( 1 ) 固 态 储 存 技 术 。 固 态 储 氢 是 利 用 氢 气 和 储 氢 材 料 之 间 发 生 物 理 或 化 学 反 应 从 而 转 化 为 固 溶 体 或 者 氢 化 物 的 形 式 进 行 氢 气 储 存 。 固 态 储 氢 材 料 主 要 可 分 为 物 理 吸 附 储 氢 和 化 学 氢 化 物 储 氢 。 相 较 于 高 压 气 态 和 低 温 液 态 储 氢 ， 其 储 氢 体 积 密 度 较 大 、 储 氢 压 力 小 、 运 输 方 便 、 安 全 性 高 、 可 重 复 利 用 等 优 点 ， 适 用 于 对 体 积 要 求 较 严 格 的 应 用 场 景 ， 是 最 具 发 展 潜 力 的 一 种 储 氢 方 式 。 但 其 对 储 氢 材 料 要 求 较 高 ， 目 前 ， 各 种 材 料 多 数 处 于 研 究 阶 段 。 　 　 ( 2 ) 有 机 液 态 储 氢 。 有 机 液 态 储 氢 是 通 过 不 饱 和 液 体 有 机 物 的 可 逆 加 氢 和 脱 氢 反 应 来 实 现 氢 能 储 存 的 方 法 。 该 技 术 先 将 液 体 有 机 氢 能 载 体 催 化 加 氢 储 能 ， 再 将 加 氢 后 的 液 体 输 送 至 各 站 点 分 发 ， 最 后 输 入 脱 氢 反 应 装 置 中 发 生 催 化 脱 氢 反 应 ， 释 放 氢 能 。 有 机 液 态 储 氢 具 有 较 高 储 氢 密 度 ， 在 环 境 条 件 下 即 可 储 氢 ， 安 全 方 便 ， 可 实 现 跨 季 节 、 跨 地 区 的 长 期 储 存 ， 便 于 长 距 离 运 输 ， 但 也 存 在 费 用 高 ， 氢 气 纯 度 不 够 等 缺 点 。 　 　 ( 3 ) 液 氨 储 氢 技 术 。 氢 与 氮 气 在 催 化 剂 作 用 下 合 成 液 氨 ， 以 液 氨 形 式 储 运 。 液 氨 在 常 压 、 约 4 0 0 ℃ 下 分 解 放 氢 。 相 比 于 低 温 液 态 储 氢 技 术 要 求 的 极 低 氢 液 化 温 度 ( 2 5 3 ℃ ) ， 氨 在 一 个 大 气 压 下 的 液 化 温 度 要 高 得 多 ( 3 3 ℃ ) ， “ 氢 ‒ 氨 ‒ 氢 ” 方 式 的 耗 能 、 实 现 难 度 及 运 输 难 度 相 对 更 低 。 同 时 ， 液 氨 储 氢 中 体 积 储 氢 密 度 比 液 氢 高 1 . 7 倍 ， 更 远 高 于 长 管 拖 车 式 气 态 储 氢 技 术 。 该 技 术 在 长 距 离 氢 能 储 运 中 有 一 定 优 势 。 　 　 三 、 氢 储 能 在 新 型 电 力 系 统 中 的 应 用 价 值 及 规 模 分 析 　 　 相 比 于 传 统 电 力 系 统 ， 新 型 电 力 系 统 有 以 下 几 点 重 要 变 化 ， 如 图 2 所 示 。 　 　 ① 从 发 电 侧 形 态 上 看 ， 将 从 以 火 电 为 主 转 向 以 风 、 光 等 新 能 源 发 电 为 主 。 特 征 变 化 方 面 ， 从 高 碳 电 力 系 统 变 为 低 碳 电 力 系 统 、 从 连 续 可 控 电 源 变 为 随 机 波 动 电 源 。 　 　 ② 从 电 网 侧 形 态 上 看 ， 将 从 单 一 大 电 网 演 变 为 大 电 网 与 微 电 网 互 补 并 存 。 特 征 变 化 方 面 ， 从 刚 性 电 网 变 为 灵 活 韧 性 电 网 、 电 网 数 字 化 水 平 从 低 到 高 。 　 　 ③ 从 用 户 侧 形 态 来 看 ， 将 从 电 力 消 费 者 转 变 为 电 力 “ 产 消 者 ” 。 特 征 变 化 方 面 ， 从 静 态 负 荷 资 源 转 变 为 动 态 可 调 负 荷 资 源 、 从 单 向 电 能 供 给 变 为 双 向 电 能 互 济 、 终 端 电 能 替 代 比 例 从 低 到 高 。 　 　 ④ 从 电 能 平 衡 方 式 上 看 ， 将 由 “ 源 随 荷 动 ” 转 变 为 “ 源 网 荷 储 ” 互 动 。 特 征 变 化 方 面 ， 从 自 上 而 下 调 度 模 式 变 为 全 网 协 同 的 调 度 模 式 、 从 实 时 平 衡 模 式 变 为 非 完 全 实 时 平 衡 模 式 。 　 　 ⑤ 从 技 术 基 础 形 态 上 看 ， 将 从 以 同 步 机 为 主 的 机 械 电 磁 系 统 变 为 以 同 步 机 和 电 力 电 子 设 备 共 同 主 导 的 混 合 系 统 。 特 征 变 化 方 面 ， 从 高 转 动 惯 量 系 统 变 为 弱 转 动 惯 量 系 统 。 图 2 新 型 电 力 系 统 与 传 统 电 力 系 统 的 对 比 　 　 针 对 上 述 变 化 ， 新 型 电 力 系 统 面 临 着 诸 多 新 诉 求 ： 　 　 ① 构 建 新 型 电 力 系 统 的 核 心 是 新 能 源 成 为 主 体 电 源 后 如 何 实 现 不 同 时 间 尺 度 上 的 功 率 与 能 量 平 衡 ， 其 关 键 在 于 统 筹 发 展 不 同 功 能 定 位 的 储 能 。 电 化 学 储 能 主 要 解 决 系 统 短 期 尺 度 的 功 率 平 衡 ， 难 以 应 对 周 、 月 、 季 等 长 期 尺 度 下 的 能 量 不 平 衡 问 题 ， 亟 需 引 入 先 进 的 长 时 储 能 技 术 。 　 　 ② 随 着 新 能 源 逐 步 取 代 化 石 能 源 装 机 ， 能 量 在 空 间 上 的 不 平 衡 性 愈 发 凸 显 。 现 阶 段 调 峰 资 源 以 火 电 机 组 、 抽 水 蓄 能 电 站 为 主 ， 跨 区 域 调 峰 能 力 受 输 配 电 网 络 布 局 和 容 量 的 限 制 ， 且 随 着 煤 电 机 组 的 提 前 退 役 和 抽 水 蓄 能 电 站 开 发 殆 尽 ， 未 来 调 节 能 力 有 限 ， 亟 需 引 入 大 规 模 、 跨 区 域 的 新 兴 调 峰 手 段 。 　 　 ③ 电 能 替 代 是 实 现 碳 中 和 目 标 的 重 要 手 段 。 然 而 ， 单 纯 依 靠 电 气 化 难 以 实 现 重 卡 运 输 、 铁 路 货 运 、 航 空 航 天 等 交 通 领 域 和 冶 金 、 水 泥 、 化 工 等 工 业 领 域 的 深 度 脱 碳 ， 新 型 电 力 系 统 亟 需 与 其 他 深 度 脱 碳 的 能 源 品 种 进 行 有 机 融 合 。 　 　 面 对 以 上 新 型 电 力 系 统 的 诉 求 ， 氢 能 可 发 挥 如 下 的 关 键 作 用 ： 　 　 ① 氢 可 以 多 种 方 式 进 行 储 存 ， 如 高 压 压 缩 、 低 温 液 化 、 固 体 储 氢 、 转 化 为 液 体 燃 料 或 与 天 然 气 混 合 储 存 在 天 然 气 基 础 设 施 中 ， 从 而 实 现 小 时 至 季 节 的 长 时 间 、 跨 季 节 储 存 ; 　 　 ② 液 态 氢 能 量 密 度 大 ( 1 4 3 M J / k g ， 可 折 算 为 4 0 k W h · k g ) ， 约 为 汽 油 、 柴 油 、 天 然 气 的 2 . 7 倍 、 电 化 学 储 能 ( 根 据 种 类 不 同 ， 在 1 0 0 ~ 2 4 0 W h / k g ) 的 百 倍 ， 氢 储 能 是 少 有 的 能 够 储 存 百 吉 瓦 时 以 上 的 方 式 ， 且 氢 气 的 运 输 方 式 多 元 ， 不 受 输 配 电 网 络 的 限 制 ， 从 而 实 现 大 规 模 、 跨 区 域 调 峰 。 　 　 ③ 氢 能 作 为 高 能 量 密 度 、 高 燃 烧 热 值 的 燃 料 ， 可 在 重 卡 运 输 、 铁 路 货 运 、 航 运 和 航 天 等 交 通 应 用 场 景 发 挥 重 要 作 用 ; 与 此 同 时 ， 氢 能 还 是 一 种 重 要 的 工 业 原 料 ， 绿 色 氢 能 可 用 于 替 代 化 石 燃 料 作 为 冶 金 、 水 泥 和 化 工 等 工 业 领 域 的 还 原 剂 。 　 　 氢 储 能 在 新 型 电 力 系 统 中 的 定 位 有 别 于 电 化 学 储 能 ， 主 要 是 长 周 期 、 跨 季 节 、 大 规 模 和 跨 空 间 储 存 的 作 用 ， 在 新 型 电 力 系 统 “ 源 网 荷 ” 中 具 有 丰 富 的 应 用 场 景 ， 如 图 3 所 示 。 图 3 氢 储 能 在 新 型 电 力 系 统 “ 源 网 荷 ” 的 应 用 场 景 　 　 ( 一 ) 氢 储 能 在 电 源 侧 的 应 用 价 值 　 　 氢 储 能 在 电 源 侧 的 应 用 价 值 主 要 体 现 在 减 少 弃 电 、 平 抑 波 动 和 跟 踪 出 力 等 方 面 。 　 　 1 . 利 用 风 光 弃 电 制 氢 　 　 由 于 光 伏 、 风 力 等 新 能 源 出 力 具 有 天 然 的 波 动 性 ， 弃 光 、 弃 风 问 题 一 直 存 在 于 电 力 系 统 中 。 随 着 我 国 “ 双 碳 ” 目 标 下 新 能 源 装 机 和 发 电 量 的 快 速 增 长 ， 未 来 新 能 源 消 纳 仍 有 较 大 隐 忧 。 因 此 ， 利 用 广 义 氢 储 能 将 无 法 并 网 的 电 能 就 地 转 化 为 绿 氢 ， 不 仅 可 以 解 决 新 能 源 消 纳 问 题 ， 并 可 为 当 地 工 业 、 交 通 和 建 筑 等 领 域 提 供 清 洁 廉 价 的 氢 能 ， 延 长 绿 色 产 业 链 条 。 国 家 能 源 局 统 计 数 据 显 示 ， 2 0 2 0 年 我 国 弃 水 、 弃 风 和 弃 光 电 量 为 3 . 0 1 × 1 0 1 0 k W · h 、 1 . 6 6 × 1 0 1 0 k W · h 和 5 . 2 6 × 1 0 9 k W · h 。 制 氢 电 耗 按 照 5 k W · h / N m 3 计 算 ， 理 论 上 总 弃 电 量 可 制 取 绿 氢 9 . 2 8 × 1 0 5 t 。 　 　 2 . 平 抑 风 光 出 力 波 动 　 　 质 子 交 换 膜 ( P E M ) 电 解 技 术 可 实 现 输 入 功 率 秒 级 、 毫 秒 级 响 应 ， 可 适 应 0 ~ 1 6 0 % 的 宽 功 率 输 入 ， 冷 启 动 时 间 小 于 5 m i n ， 爬 坡 速 率 为 每 秒 1 0 0 % ， 使 得 氢 储 能 系 统 可 以 通 过 实 时 地 调 整 跟 踪 风 电 场 、 光 伏 电 站 的 出 力 。 氢 储 能 系 统 在 风 电 场 、 光 伏 电 站 出 力 尖 峰 时 吸 收 功 率 ， 在 其 出 力 低 谷 时 输 出 功 率 。 风 光 总 功 率 加 上 储 氢 能 的 功 率 后 的 联 合 功 率 曲 线 变 得 平 滑 ， 从 而 提 升 新 能 源 并 网 友 好 性 ， 支 撑 大 规 模 新 能 源 电 力 外 送 。 　 　 3 . 跟 踪 计 划 出 力 曲 线 　 　 通 过 对 风 电 场 、 光 伏 电 站 的 出 力 预 测 ， 有 助 于 电 力 系 统 调 度 部 门 统 筹 安 排 各 类 电 源 的 协 调 配 合 ， 及 时 调 整 调 度 计 划 ， 从 而 降 低 风 光 等 随 机 电 源 接 入 对 电 力 系 统 的 影 响 。 另 一 方 面 ， 随 着 新 能 源 逐 步 深 入 参 与 我 国 电 力 市 场 ， 功 率 预 测 也 是 报 量 、 报 价 的 重 要 基 础 。 然 而 ， 由 于 预 测 技 术 的 限 制 ， 风 光 功 率 预 测 仍 存 在 较 大 误 差 。 利 用 氢 储 能 系 统 的 大 容 量 和 相 对 快 速 响 应 的 特 点 ， 对 风 光 实 际 功 率 与 计 划 出 力 间 的 差 额 进 行 补 偿 跟 踪 ， 可 大 幅 度 地 缩 小 与 计 划 出 力 曲 线 的 偏 差 。 　 　 ( 二 ) 氢 储 能 在 电 网 侧 的 应 用 价 值 　 　 氢 储 能 在 电 网 侧 的 应 用 价 值 主 要 体 现 在 为 电 网 运 行 提 供 调 峰 容 量 和 缓 解 输 变 线 路 阻 塞 等 方 面 。 　 　 1 . 提 供 调 峰 辅 助 容 量 　 　 电 网 接 收 消 纳 新 能 源 的 能 力 很 大 程 度 上 取 决 于 其 调 峰 能 力 。 随 着 大 规 模 新 能 源 的 渗 透 及 产 业 用 电 结 构 的 变 化 ， 电 网 峰 谷 差 将 不 断 扩 大 。 我 国 电 力 调 峰 辅 助 服 务 面 临 着 较 大 的 容 量 缺 口 ( 见 图 4 ) ， 到 2 0 3 0 年 容 量 调 节 缺 口 将 达 到 1 2 0 0 G W ， 到 2 0 5 0 年 缺 口 将 扩 大 至 约 2 6 0 0 G W 。 氢 储 能 具 有 高 密 度 、 大 容 量 和 长 周 期 储 存 的 特 点 ， 可 以 提 供 非 常 可 观 的 调 峰 辅 助 容 量 。 图 4 我 国 2 0 2 0 — 2 0 5 0 年 调 峰 容 量 缺 口 　 　 2 . 缓 解 输 配 线 路 阻 塞 　 　 在 我 国 部 分 地 区 ， 电 力 输 送 能 力 的 增 长 跟 不 上 电 力 需 求 增 长 的 步 伐 ， 在 高 峰 电 力 需 求 时 输 配 电 系 统 会 发 生 拥 挤 阻 塞 ， 影 响 电 力 系 统 正 常 运 行 。 因 此 ， 大 容 量 的 氢 储 能 可 充 当 “ 虚 拟 输 电 线 路 ” ， 安 装 在 输 配 电 系 统 阻 塞 段 的 潮 流 下 游 ， 电 能 被 存 储 在 没 有 输 配 电 阻 塞 的 区 段 ， 在 电 力 需 求 高 峰 时 氢 储 能 系 统 释 放 电 能 ， 从 而 减 少 输 配 电 系 统 容 量 的 要 求 ， 缓 解 输 配 电 系 统 阻 塞 的 情 况 。 　 　 ( 三 ) 氢 储 能 在 负 荷 侧 的 应 用 价 值 　 　 氢 储 能 在 电 网 侧 的 应 用 价 值 主 要 体 现 在 参 与 电 力 需 求 响 应 、 实 现 电 价 差 额 套 利 以 及 作 为 应 急 备 用 电 源 等 方 面 。 　 　 1 . 参 与 电 力 需 求 响 应 　 　 新 型 电 力 系 统 构 建 理 念 将 由 传 统 的 “ 源 随 荷 动 ” 演 进 为 “ 荷 随 源 动 ” 甚 至 “ 源 荷 互 动 ” 。 在 此 背 景 下 ， 负 荷 侧 的 灵 活 性 资 源 挖 掘 十 分 重 要 。 分 布 式 氢 燃 料 电 池 电 站 和 分 布 式 制 氢 加 氢 一 体 站 可 作 为 高 弹 性 可 调 节 负 荷 ， 可 以 快 速 响 应 不 匹 配 电 量 。 前 者 直 接 将 氢 能 的 化 学 能 转 化 为 电 能 ， 用 于 “ 填 谷 ” 。 后 者 通 过 调 节 站 内 电 制 氢 功 率 进 行 负 荷 侧 电 力 需 求 响 应 ， 用 于 “ 削 峰 ” 。 　 　 2 . 实 现 电 价 差 额 套 利 　 　 电 力 用 户 将 由 单 一 的 消 费 者 转 变 为 混 合 型 的 “ 产 消 者 ” 。 我 国 目 前 绝 大 部 分 省 市 工 业 用 户 均 已 实 施 峰 谷 电 价 制 来 鼓 励 用 户 分 时 计 划 用 电 。 氢 储 能 用 于 峰 谷 电 价 套 利 ， 用 户 可 以 在 电 价 较 低 的 谷 期 利 用 氢 储 能 装 置 存 储 电 能 ， 在 高 峰 时 期 使 用 燃 料 电 池 释 放 电 能 ， 从 而 实 现 峰 谷 电 价 套 利 。 目 前 ， 从 2 0 2 1 年 国 内 工 商 业 电 价 来 看 ， 我 国 一 半 以 上 地 区 可 以 达 到 3 ∶ 1 峰 谷 价 差 要 求 ， 价 差 值 在 0 . 5 ~ 0 . 7 元 / k W · h 。 此 外 ， 我 国 一 些 省 份 已 开 始 实 施 季 节 价 差 ( 如 浙 江 省 ) ， 提 高 了 夏 季 和 冬 季 的 电 价 。 随 着 我 国 峰 谷 电 价 的 不 断 拉 大 和 季 节 电 价 的 执 行 ， 氢 储 能 存 在 着 一 定 的 套 利 空 间 。 　 　 3 . 作 为 应 急 备 用 电 源 　 　 柴 油 发 电 机 、 铅 酸 蓄 电 池 或 锂 电 池 是 目 前 应 急 备 用 电 源 系 统 的 主 流 。 使 用 柴 油 发 电 机 的 短 板 在 于 噪 音 大 、 高 污 染 排 放 。 铅 酸 蓄 电 池 或 锂 电 池 则 面 临 使 用 寿 命 较 短 、 能 量 密 度 低 、 续 航 能 力 差 等 缺 陷 。 在 此 情 况 下 ， 环 保 、 静 音 、 长 续 航 的 移 动 式 氢 燃 料 电 池 是 最 理 想 的 替 代 方 案 之 一 。 例 如 ， 国 内 首 台 单 电 堆 功 率 超 过 1 2 0 k W 氢 燃 料 电 池 移 动 应 急 电 源 参 与 抗 击 广 东 省 的 “ 山 竹 ” 台 风 。 　 　 ( 四 ) 氢 储 能 的 未 来 规 模 分 析 　 　 “ 源 网 荷 ” 各 侧 的 氢 储 能 未 来 发 展 规 模 主 要 受 政 策 驱 动 ， 基 于 目 前 的 政 策 情 景 ， 短 期 内 氢 储 能 增 长 点 主 要 在 电 源 侧 ， 而 电 网 侧 和 用 户 侧 很 难 形 成 规 模 化 。 　 　 ① 电 源 侧 储 能 政 策 方 面 ： 我 国 已 有 超 过 2 0 个 省 份 发 布 新 能 源 强 制 配 置 储 能 的 相 关 政 策 ， 所 提 出 的 储 能 配 置 比 例 基 本 在 5 % ~ 2 0 % 、 时 间 在 1 ~ 4 h 。 此 外 ， 山 东 省 下 发 的 《 关 于 开 展 储 能 示 范 应 用 的 实 施 意 见 》 鼓 励 风 电 、 光 伏 发 电 制 氢 ， 制 氢 装 机 运 行 容 量 视 同 配 建 储 能 容 量 。 　 　 ② 电 网 侧 储 能 政 策 方 面 ： 2 0 1 9 年 5 月 ， 国 家 发 展 和 改 革 委 员 会 印 发 的 《 输 配 电 定 价 成 本 监 审 办 法 》 第 十 条 中 明 确 规 定 了 电 网 投 资 的 电 储 能 资 产 不 计 入 输 配 电 价 成 本 。 目 前 ， 电 网 侧 储 能 成 本 的 疏 导 机 制 尚 不 完 善 ， 电 网 企 业 投 资 储 能 的 积 极 性 不 高 ， 短 期 内 电 网 侧 大 规 模 储 能 建 设 增 长 幅 度 有 限 。 　 　 ③ 用 户 侧 储 能 政 策 方 面 ： 2 0 2 1 年 7 月 ， 国 家 发 展 和 改 革 委 员 会 发 布 《 关 于 进 一 步 完 善 分 时 电 价 机 制 的 通 知 》 ， 要 求 系 统 峰 谷 差 率 超 过 4 0 % 的 地 方 ， 峰 谷 电 价 价 差 原 则 上 不 低 于 4 ∶ 1 ， 其 他 地 方 原 则 上 不 低 于 3 ∶ 1 。 此 外 ， 我 国 部 分 省 份 也 开 始 实 行 季 节 价 差 。 然 而 ， 由 于 氢 储 能 系 统 成 本 过 高 与 效 率 偏 低 ， 目 前 峰 谷 价 差 和 季 节 价 差 难 以 刺 激 用 户 侧 氢 储 能 投 资 建 设 。 　 　 四 、 氢 储 能 在 新 型 电 力 系 统 应 用 的 挑 战 及 展 望 　 　 氢 储 能 可 有 效 补 充 电 化 学 储 能 的 不 足 ， 助 力 新 型 电 力 系 统 的 发 展 ， 成 为 未 来 实 现 能 源 结 构 转 型 的 重 要 技 术 方 向 。 现 阶 段 ， 我 国 氢 储 能 在 新 型 电 力 系 统 中 应 用 的 机 遇 与 挑 战 并 存 。 图 5 展 示 了 氢 储 能 、 电 化 学 储 能 、 抽 水 蓄 能 和 压 缩 空 气 储 能 在 各 类 性 能 指 标 上 的 对 比 。 可 以 看 出 ， 在 储 存 容 量 、 放 电 时 长 等 性 能 指 标 上 ， 氢 储 能 高 于 其 他 储 能 ， 且 可 完 全 满 足 新 型 电 力 系 统 的 要 求 ， 而 在 投 资 成 本 和 转 化 效 率 方 面 ， 与 要 求 仍 有 一 定 差 距 。 图 5 氢 储 能 性 能 与 新 型 电 力 系 统 要 求 对 比 　 　 ( 一 ) 氢 储 能 在 新 型 电 力 系 统 应 用 挑 战 　 　 现 阶 段 ， 受 技 术 、 经 济 、 政 策 和 标 准 等 因 素 的 制 约 ， 氢 能 在 新 型 电 力 系 统 中 的 应 用 仍 面 临 诸 多 挑 战 。 　 　 1 . 氢 储 能 系 统 效 率 相 对 较 低 　 　 现 阶 段 ， 抽 水 蓄 能 、 飞 轮 储 能 、 锂 电 池 、 钠 硫 电 池 以 及 各 种 电 磁 储 能 的 能 量 转 化 效 率 均 在 7 0 % 以 上 。 相 对 而 言 ， 氢 储 能 系 统 效 率 较 低 。 其 中 ， 国 内 “ 电 ‒ 氢 ” 转 化 过 程 的 碱 性 电 解 水 、 P E M 电 解 水 和 固 体 氧 化 物 ( S O ) 电 解 水 制 氢 效 率 分 别 为 6 3 % ~ 7 0 % 、 5 6 % ~ 6 0 % 和 7 4 % ~ 8 1 % 。 广 义 氢 储 能 仅 考 虑 “ 电 ‒ 氢 ” 转 化 过 程 ， S O 电 解 效 率 与 其 他 储 能 具 有 可 比 性 ， 而 碱 性 和 P E M 相 对 较 低 。 另 一 方 面 ， “ 氢 ‒ 电 ” 转 化 过 程 的 燃 料 电 池 发 电 效 率 为 5 0 % ~ 6 0 % ， 其 中 有 大 部 分 能 量 转 化 为 热 能 。 狭 义 氢 储 能 的 “ 电 ‒ 氢 ‒ 电 ” 过 程 存 在 两 次 能 量 转 换 ， 整 体 效 率 仅 有 4 0 % 左 右 ， 与 其 他 储 能 的 效 率 差 距 明 显 。 　 　 2 . 氢 储 能 系 统 成 本 相 对 较 高 　 　 当 前 抽 水 蓄 能 和 压 缩 空 气 储 能 投 资 功 率 成 本 约 为 7 0 0 0 元 / k W ， 电 化 学 储 能 成 本 约 为 2 0 0 0 元 / k W ， 而 氢 储 能 系 统 成 本 约 为 1 3 0 0 0 元 / k W ， 远 高 于 其 他 储 能 方 式 。 其 中 ， 燃 料 电 池 发 电 系 统 造 价 约 9 0 0 0 元 / k W ， 占 到 总 投 资 的 近 7 0 % 。 基 于 P E M 和 S O 技 术 的 可 逆 式 燃 料 电 池 ( R F C ) 可 以 将 燃 料 电 池 和 电 解 池 集 成 于 一 体 ， 从 而 降 低 投 资 成 本 。 然 而 ， 国 内 R F C 技 术 与 国 际 先 进 水 平 有 一 定 差 距 ， 主 要 体 现 在 技 术 成 熟 度 、 示 范 规 模 、 使 用 寿 命 和 经 济 性 方 面 ， 关 键 核 心 材 料 也 主 要 依 赖 进 口 。 　 　 3 . 电 氢 耦 合 政 策 体 系 仍 不 完 善 　 　 针 对 电 氢 耦 合 的 顶 层 规 划 和 激 励 机 制 尚 不 完 善 。 氢 能 已 被 国 家 作 为 中 长 期 科 学 和 技 术 发 展 的 重 点 研 究 方 向 ， 氢 储 能 也 被 明 确 纳 入 “ 新 型 储 能 ” ， 但 关 于 电 氢 耦 合 的 顶 层 规 划 有 待 完 善 。 在 顶 层 的 补 贴 与 奖 励 方 面 ， 2 0 2 0 年 国 家 层 面 已 发 布 《 关 于 开 展 燃 料 电 池 汽 车 示 范 应 用 的 通 知 》 ， 采 取 “ 以 奖 代 补 ” 方 式 ， 对 符 合 条 件 的 城 市 群 开 展 燃 料 电 池 汽 车 技 术 研 发 和 示 范 应 用 给 予 奖 励 。 该 政 策 间 接 性 地 推 动 了 氢 储 能 系 统 的 示 范 和 规 模 化 。 但 在 上 游 的 电 解 水 制 取 绿 氢 环 节 ， 仅 有 部 分 省 份 出 台 了 政 策 性 的 电 价 优 惠 ， 相 应 的 顶 层 激 励 机 制 仍 然 缺 失 。 　 　 4 . 电 氢 耦 合 标 准 体 系 仍 不 健 全 　 　 随 着 氢 能 产 业 的 快 速 发 展 ， 标 准 对 氢 能 产 业 发 展 的 规 范 和 支 撑 作 用 也 日 趋 明 显 。 我 国 于 2 0 0 8 年 批 准 成 立 了 全 国 氢 能 标 准 化 技 术 委 员 会 ( S A C / T C 3 0 9 ) 和 全 国 燃 料 电 池 及 液 流 电 池 标 准 化 技 术 委 员 会 ( S A C / T C 3 4 2 ) ， 分 别 构 建 了 我 国 的 氢 能 技 术 标 准 体 系 和 燃 料 电 池 标 准 体 系 。 　 　 截 至 2 0 2 1 年 4 月 ， 现 行 氢 能 相 关 国 家 标 准 共 计 9 5 项 ， 涉 及 氢 安 全 、 临 氢 材 料 、 氢 品 质 、 制 氢 、 氢 储 运 、 加 氢 站 、 燃 料 电 池 和 氢 能 应 用 等 方 面 。 但 国 家 标 准 层 面 主 要 集 中 在 氢 能 应 用 燃 料 电 池 技 术 方 面 ， 其 他 领 域 氢 能 技 术 标 准 相 对 薄 弱 ， 且 有 相 当 部 分 标 准 的 制 定 年 限 较 为 久 远 ， 现 阶 段 适 用 性 不 强 。 因 此 ， 在 电 氢 耦 合 方 面 ， 仍 需 进 一 步 加 快 制 定 / 修 订 新 能 源 制 氢 、 电 制 氢 加 氢 一 体 化 、 可 逆 式 燃 料 电 池 、 电 氢 耦 合 系 统 运 行 等 标 准 。 技 术 标 准 是 个 复 杂 系 统 工 程 ， 需 要 再 进 一 步 提 升 政 、 产 、 学 、 研 各 方 的 协 同 水 平 。 　 　 ( 二 ) 氢 储 能 在 新 型 电 力 系 统 应 用 展 望 　 　 氢 储 能 将 应 用 于 新 型 电 力 系 统 “ 源 网 荷 ” 的 各 个 环 节 ， 呈 现 电 氢 耦 合 发 展 态 势 。 针 对 氢 储 能 在 新 型 电 力 系 统 应 用 面 临 的 挑 战 ， 从 以 下 几 个 方 面 对 氢 储 能 在 新 型 电 力 系 统 的 未 来 发 展 进 行 展 望 。 　 　 1 . 广 义 氢 储 能 为 主 、 狭 义 氢 储 能 为 辅 　 　 现 阶 段 应 以 推 广 效 率 高 、 成 本 低 的 “ 电 ‒ 氢 ” 广 义 氢 储 能 方 式 为 主 ， 直 接 为 我 国 的 交 通 、 建 筑 和 工 业 等 终 端 部 门 提 供 高 纯 度 氢 气 。 在 狭 义 氢 储 能 的 “ 氢 ‒ 电 ” 转 化 环 节 ， 充 分 利 用 氢 燃 料 电 池 的 热 电 联 产 特 性 ， 实 现 不 同 品 位 能 量 的 梯 级 利 用 ， 提 高 能 量 的 转 化 效 率 。 针 对 氢 储 能 成 本 过 高 的 问 题 ， 积 极 探 索 共 享 储 能 、 融 资 租 赁 、 跨 季 节 价 差 套 利 等 多 元 化 商 业 模 式 来 降 低 成 本 。 与 此 同 时 ， 通 过 设 立 氢 储 能 产 业 发 展 基 金 、 借 助 资 本 市 场 拓 展 氢 储 能 融 资 渠 道 、 加 强 绿 色 信 贷 支 持 氢 储 能 基 础 设 施 建 设 等 方 式 ， 构 建 氢 储 能 金 融 政 策 体 系 。 未 来 ， 随 着 新 能 源 电 力 价 格 以 及 电 解 资 本 支 出 的 下 降 ， 氢 储 能 中 的 电 解 系 统 成 本 将 大 幅 下 降 。 当 电 价 为 0 . 5 元 / k W · h 时 ， 碱 性 电 解 和 P E M 电 解 的 单 位 制 氢 成 本 分 别 为 3 3 . 9 元 / k g 和 4 2 . 9 元 / k g ， 而 当 电 价 下 降 为 0 . 1 元 / k W · h 时 ， 上 述 数 值 分 别 仅 为 9 . 2 元 / k g 和 2 0 . 5 元 / k g 。 与 此 同 时 ， 随 着 规 模 效 应 和 技 术 成 熟 ， 碱 性 和 P E M 电 解 槽 投 资 成 本 将 以 每 年 9 % 和 1 3 % 的 学 习 率 下 降 ， 氢 燃 料 电 池 和 储 氢 罐 成 本 也 分 别 以 1 1 % ~ 1 7 % 、 1 0 % ~ 1 3 % 的 速 率 下 降 。 　 　 2 . 充 分 发 挥 市 场 力 量 促 进 氢 储 能 发 展 　 　 借 助 “ 加 快 建 设 全 国 统 一 大 市 场 ” 的 契 机 ， 构 建 氢 能 市 场 、 电 力 市 场 和 碳 市 场 的 多 层 次 协 同 市 场 ， 促 进 氢 储 能 发 展 。 在 氢 能 市 场 方 面 ， 积 极 探 索 我 国 氢 能 市 场 交 易 中 心 、 结 算 中 心 建 设 ， 并 关 注 氢 能 进 出 口 国 际 贸 易 ， 可 从 拥 有 丰 富 可 再 生 能 源 资 源 的 沙 特 阿 拉 伯 、 智 利 等 国 家 进 口 低 成 本 绿 氢 ， 并 利 用 我 国 海 上 风 电 制 氢 优 势 向 日 本 、 韩 国 等 高 氢 氨 需 求 国 家 出 口 氢 氨 能 源 。 　 　 在 电 力 市 场 方 面 ， 我 国 电 力 辅 助 服 务 市 场 建 设 尚 处 于 初 级 阶 段 ， 需 要 健 全 覆 盖 氢 储 能 的 价 格 机 制 ， 探 索 氢 储 能 参 与 电 力 市 场 的 交 易 规 则 ; 在 碳 市 场 方 面 ， 未 来 将 被 纳 入 碳 交 易 体 系 的 八 大 行 业 中 ， 既 有 直 接 生 产 氢 气 的 化 工 行 业 ， 也 有 钢 铁 、 建 材 等 氢 气 需 求 行 业 ， 需 要 积 极 探 索 氢 能 行 业 合 理 的 碳 价 信 号 ， 引 导 高 碳 制 氢 工 艺 向 低 碳 制 氢 工 艺 转 变 、 高 碳 用 氢 环 节 向 低 碳 用 氢 环 节 转 变 ， 并 推 动 绿 氢 的 碳 减 排 量 纳 入 核 证 自 愿 减 排 量 ( C C E R ) 市 场 交 易 。 最 后 ， 加 强 氢 能 市 场 、 电 力 市 场 、 碳 市 场 的 顶 层 设 计 和 规 划 ， 做 好 政 策 协 调 和 机 制 协 同 。 　 　 3 . 积 极 探 索 氢 能 运 输 方 式 的 最 优 组 合 　 　 我 国 风 光 资 源 集 中 在 “ 三 北 ” 地 区 、 水 资 源 集 中 在 西 南 地 区 ， 而 氢 能 主 要 需 求 在 东 南 沿 海 地 区 ， 呈 逆 向 分 布 。 在 氢 能 短 距 离 运 输 方 面 ， 高 压 气 态 拖 车 运 氢 具 有 明 显 成 本 优 势 。 以 2 0 M P a 压 力 为 例 ， 当 运 输 距 离 为 2 0 0 k m 以 下 时 ， 氢 气 的 运 输 成 本 仅 为 9 . 5 7 元 / k g ; 而 距 离 增 加 至 5 0 0 k m 时 ， 运 输 成 本 将 近 2 2 . 3 元 / k g 。 　 　 此 外 ， 该 方 式 人 工 费 占 比 较 高 ， 下 降 空 间 有 限 。 因 此 ， 在 氢 能 长 距 离 运 输 方 面 ， 需 要 积 极 探 索 以 下 多 种 新 兴 方 式 ： 　 　 ① 利 用 现 有 西 气 东 输 、 川 气 东 输 等 逾 8 0 0 0 0 k m 天 然 气 主 干 管 网 和 庞 大 的 支 线 管 网 ， 掺 入 一 定 安 全 比 例 ( 5 % ~ 2 0 % ) 氢 气 进 行 输 送 ; 　 　 ② 利 用 我 国 世 界 领 先 的 “ 十 四 交 十 二 直 ” 2 6 项 特 高 压 工 程 输 电 线 路 ， 采 用 “ 特 高 压 输 电 + 受 侧 制 氢 ” 模 式 进 行 氢 气 虚 拟 运 输 ; 　 　 ③ 利 用 液 氨 储 运 的 成 本 和 安 全 优 势 ， 将 液 氨 作 为 氢 气 储 运 介 质 ， 采 用 “ 氢 ‒ 氨 ‒ 氢 ” 模 式 进 行 氢 气 运 输 。 据 预 测 ， 当 运 输 距 离 为 1 0 0 0 0 k m 时 ， 2 0 3 0 年 液 氨 运 输 成 本 大 概 在 1 6 . 7 元 / k g ， 2 0 5 0 年 下 降 至 4 . 7 元 / k g 。 未 来 需 要 进 一 步 对 比 多 种 新 兴 路 线 的 技 术 经 济 性 ， 寻 求 氢 能 运 输 方 式 的 最 优 组 合 。 　 　 4 . 氢 储 能 发 展 加 速 电 力 系 统 形 态 演 进 　 　 氢 储 能 的 大 规 模 发 展 将 加 速 电 力 系 统 形 态 演 进 ， 促 进 新 型 电 力 系 统 建 成 ： 　 　 ① 氢 储 能 可 以 突 破 新 能 源 电 力 占 比 的 限 制 ， 促 进 更 高 比 例 的 新 能 源 发 展 ， 快 速 支 撑 新 型 电 力 系 统 内 新 能 源 装 机 占 比 和 发 电 占 比 超 过 5 0 % ; 　 　 ② 电 解 制 氢 、 储 氢 和 氢 燃 料 电 池 发 电 可 构 建 微 电 网 系 统 ， 进 行 热 、 电 、 氢 多 元 能 源 联 供 ， 有 效 解 决 偏 远 地 区 清 洁 用 能 的 问 题 ， 并 提 高 微 电 网 在 电 力 系 统 中 的 渗 透 率 ， 增 强 新 型 电 力 系 统 的 抗 风 险 能 力 ; 　 　 ③ 氢 储 能 作 为 电 力 系 统 “ 源 网 荷 ” 多 侧 的 关 键 灵 活 性 资 源 ， 可 促 进 “ 源 网 荷 储 ” 各 环 节 协 调 互 动 ， 实 现 新 型 电 力 系 统 在 不 同 时 间 尺 度 上 的 电 力 电 量 平 衡 ; 　 　 ④ 氢 储 能 系 统 可 以 作 为 能 源 枢 纽 之 一 ， 可 在 源 侧 、 荷 侧 实 现 多 能 源 互 补 。 在 电 源 侧 ， 氢 储 能 可 以 促 进 “ 风 光 氢 储 一 体 化 ” “ 风 光 水 火 储 氢 一 体 化 ” 等 多 能 互 补 综 合 能 源 基 地 建 设 ， 在 用 户 侧 ， 制 氢 加 氢 一 体 站 可 以 与 加 油 站 、 加 气 站 和 充 电 站 进 行 合 建 ， 形 成 综 合 能 源 服 务 站 。 　 　 来 源 ： 氢 储 能 在 我 国 新 型 电 力 系 统 中 的 应 用 价 值 、 挑 战 及 展 望 [ J ] . 中 国 工 程 科 学 ， 2 0 2 2 ， 2 4 ( 3 ) : 8 9 9 9 . 　 　 本 文 来 自 微 信 公 众 号 ： 中 国 工 程 院 院 刊 ( I D ： C A E E n g i n e e r i n g ) ， 作 者 ： 许 传 博 ， 刘 建 国 中 国 电 力 网 ： 你 关 心 的 ， 就 是 我 们 所 关 注 的 长 按 识 别 二 维 码 ， 关 注 中 国 电 力 网 中 国 电 力 网 简 介 ： 中 国 电 力 网 于 1 9 9 9 年 正 式 上 线 运 行 ， 是 中 国 电 力 发 展 促 进 会 主 办 的 全 国 性 电 力 行 业 门 户 网 站 。 服 务 热 线 ： 4 0 0 0 0 7 1 5 8 5 推 荐 阅 读 中 国 石 化 建 成 三 大 氢 能 交 通 走 廊 动 态 2 0 2 3 1 2 2 1 西 南 最 大 车 用 氢 气 供 氢 中 心 在 渝 投 用 动 态 2 0 2 3 1 2 2 1 《 连 云 港 市 氢 能 产 业 发 展 规 划 ( 2 0 2 3 2 0 3 5 年 ) 》 发 布 动 态 2 0 2 3 1 2 2 0 蒙 发 集 团 与 国 富 氢 能 签 约 进 军 氢 能 市 场 动 态 2 0 2 3 1 2 2 0 呼 和 浩 特 经 开 区 与 山 东 华 硕 能 源 科 技 有 限 公 司 举 行 签 约 仪 式 动 态 2 0 2 3 1 2 2 0 颠 覆 清 洁 能 源 行 业 ! 这 种 颜 色 的 氢 有 望 掀 起 新 一 轮 绿 色 革 命 动 态 2 0 2 3 1 2 2 0 山 东 枣 庄 第 一 家 氢 能 产 业 项 目 投 产 动 态 2 0 2 3 1 2 2 0 中 国 氢 能 联 盟 发 布 氢 能 动 力 艇 联 赛 动 态 2 0 2 3 1 2 2 0 中 国 石 化 首 座 “ 微 管 网 ” 加 氢 站 投 运 动 态 2 0 2 3 1 2 2 0 河 南 金 源 ： 打 造 河 南 最 大 的 氢 能 供 应 基 地 动 态 2 0 2 3 1 2 2 0 评 论 用 户 名 ：         匿 名 发 表 密 　 码 ： 验 证 码 ： 　  最 新 评 论 （ 0 ） 网 站 运 营 ： 北 京 中 电 创 智 科 技 有 限 公 司 中 国 电 力 发 展 促 进 会 旗 下 电 力 行 业 门 户 网 站 销 售 热 线 ： 4 0 0 0 0 7 1 5 8 5 项 目 合 作 ： 4 0 0 0 0 7 1 5 8 5 投 稿 ： 0 1 0 5 3 3 5 7 5 0 9         在 线 投 稿 《 中 华 人 民 共 和 国 电 信 与 信 息 服 务 业 务 经 营 许 可 证 》 编 号 ： 京 I C P 证 1 4 0 5 2 2 号 京 I C P 备 1 4 0 1 3 1 0 0 号 京 公 安 备 1 1 0 1 0 6 0 2 0 1 0 1 4 7 号

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