發(fā)展谷電制氫提高可再生能源部署能力的探討

趙 學(xué) 良

(中國石油化工股份有限公司發(fā)展計劃部，北京 100029)

我國提出到2030年中國非化石能源占一次能源消費比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達(dá)到1.2×109kW以上等目標(biāo)。這不僅是為了實現(xiàn)我國2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和氣候目標(biāo)的承諾，也是為了保障我國的能源安全。在逆全球化愈演愈烈的情勢下，降低油氣對外依存度過高帶來的風(fēng)險，實現(xiàn)能源供給多元化勢在必行。2020年我國風(fēng)電和太陽能發(fā)電總裝機容量5.346 6×108kW[1]，距離1.2×109kW的目標(biāo)還有較大差距。然而，風(fēng)能、太陽能等不穩(wěn)定可再生能源的發(fā)展受到電網(wǎng)接納能力的制約。而且，在現(xiàn)階段儲能技術(shù)條件下，靠儲能解決大電網(wǎng)問題路徑不通，經(jīng)濟(jì)性難以承受。2020年3月頒布的《國家能源局關(guān)于2020年風(fēng)電、光伏發(fā)電項目建設(shè)有關(guān)事項的通知》(國能發(fā)新能〔2020〕17號)明確要求：風(fēng)電、光伏發(fā)電投資企業(yè)要綜合考慮項目所在地區(qū)可再生能源“十三五”相關(guān)規(guī)劃執(zhí)行情況、電網(wǎng)消納能力等，理性投資，防范投資風(fēng)險。這一通知還要求國家電網(wǎng)有限公司、南方電網(wǎng)公司、內(nèi)蒙古電力公司發(fā)揮電網(wǎng)并網(wǎng)關(guān)口作用，嚴(yán)格按照規(guī)劃和消納能力合理安排項目并網(wǎng)時序。多省出臺政策，支持可再生能源配套儲能設(shè)施，對儲能的重視顯示了可再生能源消納任務(wù)的重壓。國網(wǎng)河南電力公司在《關(guān)于2020年申報平價風(fēng)電和光伏發(fā)電項目電網(wǎng)消納能力的報告》中指出，到2025年全省風(fēng)電、光伏發(fā)電棄電率將超過消納上限，無新增規(guī)模空間。湖南省發(fā)改委則專門發(fā)文稱2020年全省電網(wǎng)已無新增消納空間，暫停裝機6 MW以上的普通地面光伏發(fā)電項目備案工作。因此，尋找一種經(jīng)濟(jì)可行的儲能方式對于提高可再生能源部署能力、實現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)是十分必要的。利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時段的富余電能制氫，即谷電制氫，具備成為這種儲能方式的巨大潛力。

1 發(fā)展谷電制氫的必要性

(1)谷電制氫可根據(jù)電網(wǎng)需求調(diào)節(jié)負(fù)荷，助力打造智能電網(wǎng)，提高可再生能源部署能力?？稍偕茉窗l(fā)電具有很強的波動性、季節(jié)性，存在因電網(wǎng)短時無法消納風(fēng)、光、水發(fā)電全部功率輸出的電力而導(dǎo)致的棄電或富余電的現(xiàn)象。2019年，新疆、甘肅、內(nèi)蒙古三省(區(qū))棄風(fēng)率超過5%，棄風(fēng)電量合計1.36×1010kW·h，占全國棄風(fēng)電量的81%[2]。隨著不穩(wěn)定可再生能源部署比例的提高，國內(nèi)電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力受到挑戰(zhàn)，儲能調(diào)峰能力不足限制可再生能源的進(jìn)一步部署。電解水制氫響應(yīng)速度可達(dá)毫秒級，可有效實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)峰。與加氫站同站布置共用儲氫瓶，不增加儲能成本。谷電制氫裝置可充當(dāng)智能電網(wǎng)調(diào)節(jié)負(fù)荷的重要手段，實時根據(jù)不穩(wěn)定能源供給能力調(diào)度制氫負(fù)荷，實現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻，為可再生能源的進(jìn)一步部署創(chuàng)造條件。

(2)谷電制氫可降低油氣需求，有助于保障國家能源安全。利用可再生電力進(jìn)行谷電制氫，可用于為交通運輸領(lǐng)域供能，降低石油需求。2019年全國棄風(fēng)電近1.7×1010kW·h，如用于制氫可得氫氣約300 kt。0.8 kg氫氣可推動燃料電池車行駛100 km，同等燃油車需消耗汽油5.5 kg。300 kt氫氣用于燃料電池汽車，可替代2 060 kt汽油。除了用作動力能源，氫氣還是合成氨、煉油、石化等領(lǐng)域不可或缺的原料，需求日益增長。發(fā)展可再生電力谷電制氫，也可降低制氫所需的天然氣等化石能源的用量。

(3)谷電制氫可有效減排二氧化碳。利用可再生能源生產(chǎn)綠色氫能被視為電網(wǎng)脫碳和運輸脫碳的關(guān)鍵措施。1 kg汽油完全燃燒將排放3.15 kg二氧化碳。全國棄電用于制氫可替代2 060 kt汽油，相當(dāng)于減排6 490 kt二氧化碳。按二氧化碳碳稅30元/t計算，可節(jié)省碳稅1.95億元。利用谷電制氫提高可再生能源發(fā)電占比，亦可有效降低電力行業(yè)的二氧化碳排放。

2 谷電制氫儲能可行性分析

以美國能源部(DOE)發(fā)布的《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》所設(shè)定的目標(biāo)對谷電制氫進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。具體來講，美國能源部設(shè)定的氫能發(fā)展到2030年的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要包括：①電解槽成本降至300美元/kW，運行壽命達(dá)到80 000 h，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到65%，工業(yè)和電力部門用氫價格降至1美元/kg，交通部門用氫價格降至2美元/kg；②早期市場中交通部門氫氣輸配成本降至5美元/kg，最終擴(kuò)大的高價值產(chǎn)品市場中氫氣輸配成本降至2美元/kg；③車載儲氫系統(tǒng)成本為8美元/(kW·h)，便攜式燃料電池電源系統(tǒng)儲氫成本為0.5美元/(kW·h)，儲氫罐用高強度碳纖維成本達(dá)到13美元/kg；④用于長途重型卡車的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)成本降至80美元/kW，運行壽命達(dá)到25 000 h，用于固定式發(fā)電的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)成本降至900美元/kW，運行壽命達(dá)到40 000 h。以此目標(biāo)為基準(zhǔn)，對谷電制氫的4種主要用途進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

谷電制氫的4類主要用途為：氫氣儲能發(fā)電；將氫氣按一定比例注入天然氣管網(wǎng)充當(dāng)燃料氣使用；氫氣外送用于煉油廠油品精制或鋼廠煉鋼等；氫氣外送用于驅(qū)動燃料電池汽車等移動工具。

(1)氫氣儲能發(fā)電。美國能源部高級研究計劃局(ARPA-E)的DAYS計劃中，每個項目的目標(biāo)是實現(xiàn)可以持續(xù)數(shù)天的0.05美元/(kW·h)儲能。目前，電解水制氫能效大約為65%(中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所最新研究成果顯示制氫能耗可低于4.0 (kW·h)/m3，能效可達(dá)約88%)，氫氣通過燃料電池發(fā)電能效大約為50%，氫氣儲能的總能效約為32.5%。氫氣儲能的成本約為0.5美元/(kW·h)，遠(yuǎn)低于電池儲能成本300美元/(kW·h)目前唯一同時具備大容量和高能量密度的儲能電池是鈉硫電池，NGK公司是全球最大的鈉硫電池生產(chǎn)商，其目標(biāo)是到2020年將成本從300美元/(kW·h)降低到200美元/(kW·h)。因此，與電池儲能相比，氫氣儲能更適用于可再生能源大規(guī)模儲能。

(2)將氫氣按一定比例注入天然氣充當(dāng)燃料氣使用。氫氣的熱值為143 MJ/kg，天然氣的熱值為50 MJ/kg。目前我國LNG綜合進(jìn)口到岸價為2 800元/t。1 t氫氣按熱值折算相當(dāng)于2.86 t天然氣，按LNG到岸價可售得8 000元，高于6 500元/t的氫氣成本(1美元/kg)?？梢钥闯?，隨著可再生能源的發(fā)展、不可消納的電力增多以及電解槽制造成本的下降，目前德國、英國等正在發(fā)展的P2G(Power to Gas，可再生電力制氫或甲烷)技術(shù)有廣闊的市場前景及可觀的經(jīng)濟(jì)回報。

(3)氫氣用于煉油廠油品精制。當(dāng)可再生電力價格逐漸降低并低到一定水平，電解水制氫成本會大幅降低。使用堿性電解水制氫，當(dāng)生產(chǎn)能力為20 000 m3/h、電價為0.1元/(kW·h)、年生產(chǎn)時間為4 000 h時，電解水制氫成本約為13元/kg[3-4]，與煤制氫成本相當(dāng)。若電解水制氫成本進(jìn)一步降低到美國能源部所設(shè)定的工業(yè)和電力部門用氫價格1美元/kg時，則電解水制氫成本將會低于煤制氫成本，遠(yuǎn)低于天然氣制氫成本。而化石能源制氫則可能會隨著碳減排形勢的發(fā)展，需要對其所產(chǎn)生的碳排放負(fù)責(zé)，成本將會進(jìn)一步提高。因此，屆時用谷電制氫替代化石能源制氫不僅具有經(jīng)濟(jì)的可行性，也將會成為煉化企業(yè)實現(xiàn)“碳中和”的重要手段。

(4)氫氣用于驅(qū)動燃料電池汽車等移動工具。當(dāng)交通部門用氫價格降至2美元/kg時，若配送價格為2美元/kg，則小型轎車百公里行駛?cè)剂腺M將降至約20元，遠(yuǎn)低于汽油車。同時燃料電池車的成本也將隨著技術(shù)進(jìn)步大幅下降。以《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》中提及的燃料電池成本80美元/kW以及車載儲氫系統(tǒng)成本8美元/(kW·h)為例，100 kW發(fā)動機成本為52 000元，75 kW·h儲氫系統(tǒng)成本為3 900元，與普通燃油車內(nèi)燃機加變速箱的總成本相當(dāng)。因此，到2030年時氫燃料電池車在經(jīng)濟(jì)上具備大規(guī)模推廣的可能性。

3 我國發(fā)展谷電制氫存在的主要問題

我國在可再生能源制氫方面起步晚、規(guī)模小，且在質(zhì)子交換膜(PEM)制氫、氫氣儲運和應(yīng)用等全產(chǎn)業(yè)鏈方面尚與外國存在較大差距。

美國早在2005年便啟動風(fēng)電制氫項目，歐洲和日本都有兆瓦級風(fēng)電制氫項目，而我國可再生能源制氫起步晚、規(guī)模小，如張北和大連的風(fēng)電制氫項目也僅有100 kW，且關(guān)鍵技術(shù)缺乏驗證，與歐美等國家相比有較大差距，也缺乏系統(tǒng)性、全鏈條的示范驗證。國家能源集團(tuán)正在牽頭承擔(dān)“大規(guī)模風(fēng)/光互補制氫關(guān)鍵技術(shù)研究及示范”項目，有望填補我國兆瓦級大規(guī)模風(fēng)光耦合制-儲-用氫系統(tǒng)運營示范工程空白。

在高效水電解制氫技術(shù)方面，較為理想的技術(shù)選擇是PEM水電解制氫技術(shù)[5]，但目前PEM水電解商業(yè)裝置的供應(yīng)商主要集中在加拿大Hydrogenic公司、美國Proton公司(被挪威Nel公司收購)、Giner公司和德國H-TEC公司。PEM水電解設(shè)備成本高，膜電極的質(zhì)子膜工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)主要在國外，且嚴(yán)重依賴貴金屬催化劑，亟需發(fā)展經(jīng)濟(jì)、高效的非貴金屬電解催化劑。我國在膜技術(shù)和催化劑技術(shù)方面還不成熟，不利于可再生能源儲能和綠氫生產(chǎn)。

從氫氣儲運來看，我國的風(fēng)電和太陽能發(fā)電場大多位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，在當(dāng)?shù)刂茪渚嘀饕脷涞剌^遠(yuǎn)，對所產(chǎn)氫氣進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效的運輸也是需要考慮的問題。需根據(jù)用氫地的遠(yuǎn)近，相應(yīng)選擇高壓長管拖車、液氫、有機液態(tài)或固體儲氫以及管道輸氫等方式，其中管道輸氫具有較大的成本優(yōu)勢，但管道輸氫對運輸規(guī)模非常敏感，且投資較大，對管道材質(zhì)等有較高的要求。在天然氣管道中摻入一定比例的氫氣進(jìn)行輸氫在德國有較為成功的案例，但我國幅員遼闊，天然氣管道相對較少，還需進(jìn)行風(fēng)電和太陽能制氫經(jīng)天然氣管道輸送的可行性研究。

4 結(jié)束語

利用谷電制氫提高可再生能源的部署能力經(jīng)濟(jì)上可行。氫氣有著廣闊的應(yīng)用前景，能高效消納可再生能源產(chǎn)生的不穩(wěn)定電源，是電能的“大蓄水池”，開發(fā)利用好氫能技術(shù)是實現(xiàn)“碳中和”的重要手段。建議在今后的發(fā)展中：①加大低成本、高能效電解槽的研發(fā)投入；②開展管道摻氫輸送的相關(guān)研究，包括現(xiàn)有天然氣管道管材及管件的氫氣耐受度研究，以及相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究；③在2060年實現(xiàn)“碳中和”的大背景下開展可再生能源制氫替代化石能源制氫在煉化企業(yè)中實施的方案研究。