面向碳中和電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的電氫樞紐靈活性應(yīng)用

楊馥源，田雪沁，徐彤，王新雷，滕越，王締

(1.國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京市102209；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，合肥市 230601；3.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司，合肥市 230601)

0 引 言

風(fēng)電、光伏等新能源的隨機(jī)波動特性將給我國電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性帶來前所未有的挑戰(zhàn)，大規(guī)模新能源并網(wǎng)將進(jìn)一步增加電力系統(tǒng)對靈活性資源的需求，電力系統(tǒng)若要提高可再生能源消納能力，關(guān)鍵的途徑就是提高靈活性[1]。隨著新能源裝機(jī)容量不斷提升，電力系統(tǒng)由以發(fā)電側(cè)為主要靈活性來源的系統(tǒng)過渡到系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都需要靈活的系統(tǒng)，即從“源隨荷動”的互動模式逐漸過渡到“源荷”雙波動乃至“源網(wǎng)荷儲”協(xié)同互動的新型電力系統(tǒng)，彼時，對靈活性資源需求量、種類及相互之間的協(xié)同互動關(guān)系提出新的要求。大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)需要的靈活性資源類型沒有統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，靈活性需求取決于不同時空下新能源電力出力變化、用電負(fù)荷變化及具體系統(tǒng)狀態(tài)。不同類型的靈活性資源在方向性、時間尺度、空間流動、狀態(tài)特性方面有各自的優(yōu)勢和不足。氫能是一種零碳、清潔、可與電雙向轉(zhuǎn)化的靈活性資源載體，能夠在電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，在面向碳中和的電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型中必不可少。電制氫負(fù)荷、氫儲能以及氫燃料電池或氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電作為一種全系統(tǒng)調(diào)節(jié)解決方案，對于提高系統(tǒng)靈活性的潛力巨大[2]，據(jù)估計，為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，我國用作提供電網(wǎng)靈活性的氫氣生產(chǎn)容量將至少有100 GW[3]。因此，研究氫能在碳中和目標(biāo)下的高比例新能源電力系統(tǒng)中的靈活性價值，分析其與電力系統(tǒng)互動的具體應(yīng)用場景和關(guān)鍵技術(shù)的調(diào)節(jié)能力，對新型電力系統(tǒng)規(guī)劃和工程投資建設(shè)具有重要意義。但目前氫能與電網(wǎng)互動仍在發(fā)展初期，對電-氫互動的具體場景和電-氫樞紐參與電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)的具體形態(tài)缺乏全面系統(tǒng)的梳理和研究。本研究將系統(tǒng)性分析面向碳中和電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型中電-氫樞紐關(guān)鍵技術(shù)的調(diào)節(jié)特性及電-氫樞紐在電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)靈活性調(diào)節(jié)的典型應(yīng)用場景，為面向碳中和的新型電力系統(tǒng)靈活性資源規(guī)劃提供參考。

1 面向碳中和電力系統(tǒng)的靈活性需求展望

1.1 我國電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢

2020年9月，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和(以下簡稱“3060目標(biāo)”)[4]。能源領(lǐng)域碳排放是我國碳排放的主要來源部門，約占排放總量的80%。在能源排放中，電力扮演愈來愈重要的角色，其清潔低碳轉(zhuǎn)型是能源系統(tǒng)實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵。為此，我國電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型必將轉(zhuǎn)變一次電力的來源，即由清潔、零碳的可再生能源替代高污染物排放、高碳的化石能源發(fā)電。

電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的主要路徑是提升風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電量在一次電力中的占比。我國新能源裝機(jī)增長迅速，截至2020年底，我國風(fēng)電、太陽能累計裝機(jī)容量分別為2.8億、2.5億kW[5]，合計占全國發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康?4.3%，占發(fā)電總量的9.5%，新能源裝機(jī)未來還將迎來大幅快速增長。2020年12月，習(xí)近平書記在氣候雄心峰會上發(fā)表重要講話中強(qiáng)調(diào)到2030年風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)12億kW以上[6]。國際能源署(International Energy Agency, IEA)模擬測算中，低碳情景下2035年風(fēng)能和太陽能發(fā)電總量占比達(dá)35%[7]。到2050年，在1.5 ℃和2.0 ℃目標(biāo)情景下，我國可再生能源發(fā)電量占比分別為68.2%和69.1%[8]，風(fēng)能、太陽能發(fā)電量占比接近60%。碳中和目標(biāo)背景下我國新能源發(fā)展趨勢見圖 1。

圖1 我國風(fēng)能、太陽能發(fā)電量占比發(fā)展趨勢Fig.1 Development trend of renewable energy power generation in China

1.2 電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的靈活性需求

高比例新能源電力系統(tǒng)面臨著新能源消納困難和系統(tǒng)靈活不足的難題。2019年棄風(fēng)電量為168.6億kW·h，棄光電量46億kW·h。隨著新能源裝機(jī)占比提升，其間歇性、波動性特征給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和電力電量平衡帶來極大挑戰(zhàn)；另一方面，新能源大量接入導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量降低，頻率問題逐漸凸顯，扣除可再生能源出力后的電力系統(tǒng)“凈負(fù)荷”短時波動明顯，系統(tǒng)對靈活性需求劇增。

提高電力系統(tǒng)靈活性是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。電力系統(tǒng)靈活性即一定時間尺度下，通過優(yōu)化調(diào)配各類可用資源，以一定的成本適應(yīng)發(fā)電、電網(wǎng)及負(fù)荷隨機(jī)變化的能力[9]。隨著源側(cè)風(fēng)、光新能源發(fā)電裝機(jī)容量增長，電力系統(tǒng)特征不斷演變，靈活性資源的需求將持續(xù)增長，對不同階段電力系統(tǒng)特征及靈活性需求展望見圖 2。當(dāng)電力系統(tǒng)中新能源發(fā)電量占比至10%～20%，通過已有設(shè)施和改進(jìn)運(yùn)行方式難以滿足靈活性需求，需要新增靈活性資源，我國“十四五”期間將步入該階段[10]。中期來看，新能源發(fā)電量占比在20%～50%之間，靈活性在系統(tǒng)中的重要性進(jìn)一步提升，需要從監(jiān)管和運(yùn)行角度進(jìn)行靈活性資源配置。此時，氫能作為一種區(qū)域靈活性調(diào)節(jié)資源，在我國三北地區(qū)等新能源富集區(qū)域和海上風(fēng)電資源豐富地區(qū)具有應(yīng)用前景。遠(yuǎn)期來看，發(fā)電系統(tǒng)中新能源發(fā)電量占比將超過50%，氫是實現(xiàn)長周期跨季節(jié)儲能、雙向靈活調(diào)節(jié)的主要靈活性資源。

圖2 不同階段電力系統(tǒng)的特征及靈活性需求Fig.2 Characteristics and flexibility requirements of power systems at different stages

1.3 電-氫樞紐在電力系統(tǒng)中的靈活性

電-氫協(xié)同是應(yīng)對電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型中新能源消納問題和系統(tǒng)靈活性不足的路徑之一[11]。電-氫樞紐是滿足電力系統(tǒng)靈活性需求的電-氫協(xié)同方式。電-氫樞紐是以提高可再生能源電力可調(diào)度能力、降低系統(tǒng)碳排放為目的組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要包括可再生能源制氫系統(tǒng)、氫儲存系統(tǒng)、氫燃?xì)廨啓C(jī)或氫燃料電池等氫發(fā)電系統(tǒng)，并與電網(wǎng)和下游氫能應(yīng)用連接，示意圖如圖 3所示。電制氫系統(tǒng)在源側(cè)能夠平緩風(fēng)光出力，氫儲存系統(tǒng)在長時間尺度下儲能較電儲能有明顯優(yōu)勢，氫發(fā)電系統(tǒng)有較好的調(diào)節(jié)特性，電-氫樞紐各子系統(tǒng)在源-網(wǎng)-荷空間維度可靈活組合，以實現(xiàn)長周期靈活性調(diào)節(jié)、促進(jìn)新能源消納和維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定低碳運(yùn)行。

圖3 綠色電-氫樞紐項目示意圖Fig.3 Structure diagram of green electro- -hydrogen hub

目前，丹麥、美國等國家已經(jīng)開展綠色氫樞紐項目，見表1。丹麥綠色氫樞紐(green hydrogen hub Denmark，GHH)主要目的是確?？稍偕茉垂?yīng)，而不受外界天氣影響。該項目將季節(jié)儲氫和日常儲氫結(jié)合在壓縮空氣儲能(compressed air energy storage, CAES)中，為用戶提供100%綠色電力。美國猶他州可再生能源-氫發(fā)電樞紐項目計劃用可再生能源制氫發(fā)電替代燃煤發(fā)電廠，該發(fā)電廠將在2025年使用30%的綠色氫氣，并在2045年之前使用100%的綠色氫氣，實現(xiàn)可再生能源電力并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 國外綠色電-氫樞紐項目Table 1 Green electro-hydrogen hub projects in other countries

2 電-氫樞紐關(guān)鍵技術(shù)及靈活性特征

電-氫樞紐的調(diào)節(jié)性能取決于各項關(guān)鍵技術(shù)的調(diào)節(jié)特性和研發(fā)階段。電-氫樞紐參與電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)主要涉及電解制氫技術(shù)、氫氣儲存技術(shù)、氫發(fā)電技術(shù)。

2.1 電制氫技術(shù)的調(diào)節(jié)特性

目前，主流的電解制氫技術(shù)有堿性電解、質(zhì)子交換膜電解和高溫固體氧化物電解，見表2。堿性電解水制氫技術(shù)是目前最成熟的技術(shù)，具有最低的制氫成本，單槽最大產(chǎn)氫量可達(dá)1 000 m3/h，安全可靠，使用壽命可達(dá)15年。目前，國產(chǎn)的堿性電解槽價格約2 000～3 000元/kW，成本在3種技術(shù)中最低，但運(yùn)行過程有腐蝕液體，后期運(yùn)維復(fù)雜，運(yùn)維成本高。質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)電解水制氫技術(shù)具有響應(yīng)速度快、電流密度高、耐功率波動范圍大等特性，相較于堿性電解槽有更高的產(chǎn)氣壓力、氫氣純度，以及具有更高的功率密度，較為適合可再生能源電解制氫的應(yīng)用場景[12-13]。我國PEM電解制氫技術(shù)研究起步較晚，目前處于示范初級階段，最大的電解系統(tǒng)可達(dá)到MW級，PEM電解槽價格在7 000～12 000元/kW，成本較高。但運(yùn)行過程無腐蝕液體，運(yùn)維簡單，運(yùn)維成本低。固體氧化物(solid oxide electrolyzer，SOE)電解水制氫技術(shù)因在高溫下工作，在3種技術(shù)中具有最高的制氫效率，但受限于啟動時間及響應(yīng)速度，適用于具有高溫啟動熱源的穩(wěn)定制氫應(yīng)用場景(如核能制氫)。高溫下提高陶瓷材料的耐久性是大規(guī)模應(yīng)用仍需解決的主要問題。目前高溫SOE電解技術(shù)國內(nèi)外差距較大，國外的電解槽已進(jìn)入示范階段，系統(tǒng)單體規(guī)模達(dá)到百千瓦級水平，國內(nèi)尚處于實驗室研究階段。

表2 3種典型制氫技術(shù)對比Table 2 Comparison of three typical hydrogen production technologies

堿性電解、質(zhì)子交換膜電解、固體氧化物電解這3種電解水技術(shù)在靈活性調(diào)節(jié)上各有優(yōu)劣，必要時可進(jìn)行組合選型，以實現(xiàn)減緩可再生能源出力的波動性。堿性電解制氫技術(shù)存在工作電流密度小、耐功率波動性范圍窄以及響應(yīng)時間慢等問題，導(dǎo)致堿性電解水技術(shù)在電-氫樞紐中設(shè)計復(fù)雜，工作負(fù)載范圍狹小、響應(yīng)速度不高，較適用于集中型穩(wěn)定制氫場景。質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)在負(fù)載范圍、響應(yīng)速度等方面，較堿性電解水技術(shù)均有明顯提升，但設(shè)備成本較堿性電解槽略高。質(zhì)子交換膜電解技術(shù)作為新一代電解技術(shù)，具有電流密度大、啟動時間快、氣體純度高、功率負(fù)載范圍大、產(chǎn)品體積小、耐高壓、安全可靠等技術(shù)特點(diǎn)，其啟動時間快和功率負(fù)載范圍大的特點(diǎn)使質(zhì)子交換膜電解系統(tǒng)具有處理電力波動或間歇負(fù)載的特點(diǎn)，同時質(zhì)子交換膜電解技術(shù)不存在氣體混合的安全問題，因此適用于電-氫樞紐建設(shè)中[14]。高溫固體氧化物電解技術(shù)在成本與響應(yīng)速度方面落后于質(zhì)子交換膜電解技術(shù)。

2.2 氫儲運(yùn)技術(shù)特征

高效儲氫技術(shù)是電-氫樞紐在實踐應(yīng)用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。儲氫方式分為物理儲氫和化學(xué)儲氫兩大類。物理儲氫主要有液氫儲存、高壓氫氣儲存、活性碳吸附儲存、碳纖維和碳納米管儲存等?；瘜W(xué)儲氫法主要有金屬氫化物儲氫、有機(jī)液氫化物儲氫、無機(jī)物儲氫等[15]。目前較為成熟的氫儲存技術(shù)主要有高壓儲氫、液態(tài)儲氫和金屬氫化物儲氫技術(shù)[16]。高壓氣態(tài)儲氫是目前應(yīng)用最為廣泛的儲氫技術(shù)，通常采用氣罐作為容器，儲存量與壓力成正比，常用的壓力有35 MPa和70 MPa。低溫液態(tài)儲氫將純氫冷卻到20 K使之液化，再裝到“低溫儲罐”儲存，目前該技術(shù)主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。金屬氫化物儲氫即利用金屬氫化物儲氫材料來儲存和釋放氫氣，技術(shù)原理是利用某些金屬或合金與氫反應(yīng)后以金屬氫化物形式吸氫，生成的金屬氫化物加熱后釋放氫。

氫的運(yùn)輸方式有氣氫拖車、鐵路、輪船和管道運(yùn)輸4種，其中氣氫拖車目前應(yīng)用最為廣泛，國內(nèi)長管拖車儲氫罐壓力均在20 MPa，國外儲氫壓力已達(dá)到50 MPa。鐵路運(yùn)輸應(yīng)用較少，且一般與液氨儲氫技術(shù)結(jié)合。輪船運(yùn)輸與液氨儲氫和液氫儲運(yùn)技術(shù)結(jié)合已得到實踐應(yīng)用。管道輸氫在美國和歐洲已分別有超過2 600 km和1 500 km，目前國內(nèi)氫氣管道較少。

不同儲運(yùn)技術(shù)性能在儲氫體積密度、充放氫的可逆性、充放氫速率、儲存容量、可循環(huán)使用壽命及安全性等方面存在差異，詳見表 3，影響電-氫樞紐在電力系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)性能。未來適應(yīng)大規(guī)模可再生能源電力系統(tǒng)波動性的儲氫技術(shù)需要具備安全、大容量、儲存效率高、低成本等特點(diǎn)[17-18]。低溫液態(tài)儲氫適用于大規(guī)模高密度的氫儲存，但需進(jìn)一步降低液化過程中的能耗，提高液化效率。利用鹽穴、管道儲氫因其容量大、儲存周期長適應(yīng)于跨季節(jié)存儲，但受地理位置和地質(zhì)條件限制。

表3 氫儲存技術(shù)對比Table 3 Comparison of hydrogen storage technology

2.3 氫發(fā)電技術(shù)的調(diào)節(jié)特性

將氫轉(zhuǎn)化為電能的主要技術(shù)有氫燃料電池發(fā)電和氫燃料內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)。氫燃料電池發(fā)電效率高、過程綠色清潔，在面向碳中和的電力轉(zhuǎn)型中有實用性和發(fā)展前景[16]。氫燃料電池有堿性燃料電池(alkaline fuel cell，AFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)和磷酸型燃料電池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(molten carbonate fuel cell，MCFC)和固體氧化型燃料電池(solid oxidation fuel cell，SOFC)，其中，AFC技術(shù)成熟度高，已商業(yè)化應(yīng)用。PEMFC和PAFC處于商業(yè)化前期階段，MCFC和SOFC技術(shù)仍處于示范階段。從調(diào)節(jié)性能上看，PEMFC因具備啟動及動態(tài)響應(yīng)快、高能量轉(zhuǎn)換效率、低溫啟動等特性，因此參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)時具有優(yōu)勢。成本方面，當(dāng)前氫燃料電池發(fā)展尚未規(guī)?；瑳]有相對固定的生產(chǎn)成本和統(tǒng)一的市場定價。據(jù)美國能源部對2020年固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備成本預(yù)測，1～25 kW民用熱電聯(lián)產(chǎn)分布式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備成本為1 500美元/kW，0.1～3.0 MW熱電聯(lián)產(chǎn)分布式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，燃燒天然氣的設(shè)備成本為1 000美元/kW，燃燒沼氣的設(shè)備成本為1 500美元/kW[19]。

氫氣轉(zhuǎn)換為電能的另一種重要技術(shù)是氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)，氫單獨(dú)或氫與天然氣形成混合氣體作為燃料燃燒發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)具有快速啟停特性和快速負(fù)荷調(diào)節(jié)特性，可與風(fēng)電機(jī)組組成風(fēng)氣互補(bǔ)系統(tǒng)，補(bǔ)償風(fēng)電廠出力波動，使得整個電力系統(tǒng)出力較為穩(wěn)定[20]。目前，氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)在處于試驗和初期應(yīng)用階段。2018年，日本三菱公司成功測試700 MW輸出功率的J系列重型燃?xì)廨啓C(jī)可使用含氫30%的混合燃料[21]。

3 電-氫樞紐在系統(tǒng)中的應(yīng)用場景

氫參與電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)是指通過電制氫或氫發(fā)電實現(xiàn)向下調(diào)節(jié)或向上調(diào)節(jié)，維持電網(wǎng)實時功率平衡，其原理如圖 4所示。氫作為一種靈活性資源載體參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)時，一方面，通過電制氫平衡功率，并將產(chǎn)生的氫氣結(jié)合不同領(lǐng)域的下游應(yīng)用，如工業(yè)原料、氫燃料電池汽車、建筑供熱等，提高能源系統(tǒng)的減碳效率；另一方面，電-氫樞紐調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有時空平移特性，電制氫和氫發(fā)電兩環(huán)節(jié)能夠異地運(yùn)行，滿足系統(tǒng)在空間上的調(diào)節(jié)資源靈活調(diào)動，實現(xiàn)系統(tǒng)性調(diào)節(jié)。按照電-氫互動方式，其應(yīng)用場景主要有電-氫樞紐作為儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)長周期調(diào)節(jié)、在新能源并網(wǎng)發(fā)電場景中電-氫樞紐參與靈活性調(diào)節(jié)、電氫樞紐在離網(wǎng)系統(tǒng)中的靈活性調(diào)節(jié)。

圖4 氫參與靈活性調(diào)節(jié)原理示意圖Fig.4 Principle diagram of hydrogen participating in flexibility adjustment

3.1 電-氫樞紐參與系統(tǒng)性靈活性調(diào)節(jié)

電-氫樞紐參與電力系統(tǒng)全環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)時，可實現(xiàn)在用電低谷時段制氫儲存，在用電高峰時段利用氫燃料電池或氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電提高新能源出力，并實現(xiàn)不同子系統(tǒng)異地運(yùn)行[22]，此時電-氫樞紐調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括電制氫、氫儲存、氫燃料電池/氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電設(shè)備，如圖 5所示。從時間維度上，日內(nèi)調(diào)節(jié)中，電制氫負(fù)荷在負(fù)荷低谷時電解水制氫向下調(diào)節(jié)，將多余的可再生能源電力儲存來增加供應(yīng)側(cè)的靈活性；在用電高峰也可采取氫燃料電池/氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電進(jìn)行向上調(diào)節(jié)，滿足突發(fā)性高峰用電需求。年內(nèi)調(diào)節(jié)中，我國可再生能源隨季節(jié)波動特性與用電負(fù)荷需求存在錯峰現(xiàn)象，例如我國東北地區(qū)新能源出力呈現(xiàn)“風(fēng)電春冬高發(fā)，光伏秋季多發(fā)”，電-氫樞紐因其儲能效率高，在長周期跨季節(jié)儲存中相較于電儲能具有明顯優(yōu)勢，能夠適應(yīng)可再生能源季節(jié)波動性調(diào)節(jié)。從空間維度上，新能源富集區(qū)域的可再生能源電能可以通過特高壓等電網(wǎng)互聯(lián)的形式傳輸?shù)綒淠苄枨蟾叩牡貐^(qū)，在需求側(cè)電制氫可實現(xiàn)電網(wǎng)靈活性調(diào)節(jié)目標(biāo)并滿足當(dāng)?shù)貧淠苄枨?，如需求?cè)電制氫結(jié)合下游氫燃料電池汽車的應(yīng)用等場景。歐盟INGRID項目，由3.5 GW的太陽能、風(fēng)能和生物能資源組成的發(fā)電系統(tǒng)，儲氫容量超過1 t的固態(tài)儲氫系統(tǒng)和一套1.2 MW的氫發(fā)電機(jī)組成，通過電-氫樞紐不僅提升了可再生能源系統(tǒng)的利用效率，同時優(yōu)化了間歇性可再生能源電力的發(fā)電品質(zhì)，保證了電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性[23]。目前電-氫樞紐中風(fēng)電耦合制氫結(jié)合燃料電池發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性主要受風(fēng)電預(yù)測準(zhǔn)確性、制氫和儲氫成本的制約。

圖5 電-氫樞紐并網(wǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of grid-connected electro-hydrogen adjustment system

電-氫樞紐參與電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)時與其他調(diào)節(jié)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)能力、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)壽命、技術(shù)成本存在差異，對比結(jié)果如圖6所示，對比發(fā)現(xiàn)，電-氫樞紐在儲能效率、儲能容量方面具有優(yōu)勢，在技術(shù)成熟度和系統(tǒng)效率方面存在不足。在響應(yīng)能力方面，電-氫樞紐與抽水蓄能、電化學(xué)儲能、電磁儲能、超導(dǎo)儲能相當(dāng)，優(yōu)于壓縮空氣儲能和熔鹽儲能，儲能效率方面，電-氫樞紐在長周期儲能方面具有優(yōu)勢，且在高寒地區(qū)儲氫效率較儲電效率高[24-25]。

圖6 電-氫樞紐與其他儲能特性對比Fig.6 Comparison of characteristics of electro-hydrogen hub and other energy storage

3.2 電-氫樞紐參與新能源并網(wǎng)調(diào)節(jié)

電-氫樞紐與新能源發(fā)電耦合并網(wǎng)時，電-氫樞紐中電制氫系統(tǒng)參與向下調(diào)節(jié)，此時，將富余的可再生能源電解制氫，調(diào)節(jié)風(fēng)光出力特性，改善電能質(zhì)量，制取的氫氣進(jìn)行儲存，再次發(fā)電參與調(diào)峰、調(diào)頻或用于下游產(chǎn)業(yè)或居民生活，如圖 7所示。文獻(xiàn)[26-27]發(fā)現(xiàn)風(fēng)電耦合制氫結(jié)合燃料電池發(fā)電系統(tǒng)可以明顯提高并網(wǎng)友好性。但整套電-氫氣-電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率低于40%，且投資成本較高，導(dǎo)致燃料電池發(fā)電的成本電價達(dá)到13.7元/(kW·h)[28]。目前，采用氫發(fā)電調(diào)節(jié)電力平衡，存在投資回收期長、發(fā)電成本高等問題[29]。

圖7 電-氫樞紐參與并網(wǎng)新能源發(fā)電調(diào)節(jié)示意圖Fig.7 Structure diagram of electro-hydrogen hub participating grid-connected wind power system

3.3 電-氫樞紐參與離網(wǎng)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)

離網(wǎng)系統(tǒng)中電-氫樞紐的調(diào)節(jié)主要是指風(fēng)電場或光伏發(fā)電場，不經(jīng)過電網(wǎng)直接供給電解槽設(shè)備制氫，制取的氫氣通過儲氫系統(tǒng)儲存應(yīng)用于下游用氫負(fù)荷，或通過燃料電池再發(fā)電供能，如圖 8所示。非并網(wǎng)風(fēng)電、光伏耦合電解槽制氫，多應(yīng)用于分布式制氫、園區(qū)或廠區(qū)制氫自用，以提升微網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性，制取的氫氣還能在下游應(yīng)用產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益[29,23]。江蘇大豐市建成日產(chǎn)120 m3非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)示范工程，利用1臺30 kW和1臺10 kW風(fēng)機(jī)共同給電制氫裝置供電，該系統(tǒng)表明電解水制氫系統(tǒng)對非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)的波動特性有較好的耦合關(guān)系，消除了風(fēng)電對電網(wǎng)的沖擊，實現(xiàn)了風(fēng)電100%高效、低成本利用[30-31]。國外學(xué)者研究表明，非并網(wǎng)風(fēng)/光耦合制氫項目，在技術(shù)上具有可行性，即電解制氫裝置在不穩(wěn)定電源下能夠運(yùn)行，且具有更高的環(huán)境友好性，但經(jīng)濟(jì)性欠缺，需要技術(shù)升級和降低成本造價來實現(xiàn)[32-33]。

圖8 電-氫樞紐在離網(wǎng)中調(diào)節(jié)示意圖Fig.8 Structure diagram of electro-hydrogen hub participating grid-off wind power system

4 結(jié) 語

氫能因其靈活、零碳的特性，將是能源系統(tǒng)中必不可少的能源載體。電力系統(tǒng)從以化石能源為主向可再生能源占主導(dǎo)地位轉(zhuǎn)型的過程中，由于新能源的波動性間歇性，亟需挖掘各環(huán)節(jié)各類型的靈活性資源潛力，同時也面臨著長周期、大規(guī)模儲存電能和跨季節(jié)調(diào)峰的需要。

本研究展望了不同發(fā)展階段電力系統(tǒng)的特征及其對靈活性需求的內(nèi)涵，分析了電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型背景下電-氫樞紐參與靈活性調(diào)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)和主要應(yīng)用場景，為我國電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型中靈活性資源系統(tǒng)規(guī)劃、電-氫協(xié)同發(fā)展政策和商業(yè)模式制定提供參考。