氫儲能有著怎樣的市場和前景
發(fā)布時間：
2022-06-02
通過電轉(zhuǎn)氫技術可以實現(xiàn)規(guī)模化、長期、廣域的儲能。氫儲能或?qū)⒊蔀槲磥碇卮髣?chuàng)新技術，可有效彌補電能存儲性能差的短板，有力支撐高比例可再生能源發(fā)展，有助于優(yōu)化能源結構，提升能源系統(tǒng)整體效率，促進能源革命。但氫儲能現(xiàn)階段真的可行么?
氫能是現(xiàn)代能源體系的重要組成部分，將深刻影響中國能源應用的前景。氫儲能是解決可再生能源消納和緩解峰谷電差的有效方式之一。
通過電轉(zhuǎn)氫技術可以實現(xiàn)規(guī)?；?、長期、廣域的儲能。氫儲能或?qū)⒊蔀槲磥碇卮髣?chuàng)新技術，可有效彌補電能存儲性能差的短板，有力支撐高比例可再生能源發(fā)展，有助于優(yōu)化能源結構，提升能源系統(tǒng)整體效率，促進能源革命。但氫儲能現(xiàn)階段真的可行么?
氫儲能是什么?
目前氫氣制取主要有以下三種較為成熟的技術路線：一是化石燃料制氫;二是工業(yè)副產(chǎn)氫尾氣提純制氫;三是電解水制氫。
國家能源局統(tǒng)計結果顯示，2021年，我國可再生能源新增裝機1.34億千瓦，占全國新增發(fā)電裝機的76.1%?？稍偕茉窗l(fā)電量穩(wěn)步增長，2021年，全國可再生能源發(fā)電量達2.48萬億千瓦時，占全社會用電量的29.8%。
發(fā)展切實有效的大規(guī)模儲能技術，對消納棄電、保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義。
四大儲能技術對比
下表給出了幾種儲能方式的綜合比較：
注：* 表示電站通常設計使用壽命;** 堿性電解設備壽命15 年，燃料電池發(fā)電受制于現(xiàn)階段的技術成熟度，壽命約 6年，綜合取 10 年。
目前較為成熟的儲能方式主要有抽水蓄能和電化學儲能兩大類。抽水蓄能電站需要具有發(fā)達的水系和優(yōu)良的地質(zhì)條件，并且建設周期長;電化學儲能近些年發(fā)展迅速，但由于成本較高，電池壽命只有五年左右，并且廢舊電池處理面臨諸多環(huán)保問題。
目前在容量需求小的調(diào)頻率儲能應用較多，大規(guī)模調(diào)峰儲能應用不具有經(jīng)濟可行性。其他方式的儲能包括壓縮空氣儲能、電磁儲能(超級電容器、超導儲能)和熱儲能等，受制于技術成熟度、成本、效率等方面因素影響，目前難以做到大規(guī)模商業(yè)化應用。
氫儲能技術是利用電力和氫能的互變性而發(fā)展起來的：
利用電解制氫，將間歇波動、富余電能轉(zhuǎn)化為氫能儲存起來;在電力輸出不足時，利用氫氣通過燃料電池或其他發(fā)電裝置發(fā)電回饋至電網(wǎng)系統(tǒng)。
電解水制氫技術成熟，工藝簡單，清潔環(huán)保，制取的氫氣和氧氣純度高，而且設備單機容量大，市場成熟產(chǎn)品可做到 5 MW/ 臺，制氫量 1000 Nm3/h，可大規(guī)模使用。
氫儲能目前存在的問題是效率較低、造價高。電解水制氫效率達 65%~75%，燃料電池發(fā)電效率為 50%~60%，單過程轉(zhuǎn)換效率相對較高，但電 - 氫 -電過程存在兩次能量轉(zhuǎn)換，整體效率較低。
氫儲能調(diào)峰站造價估算表
制氫設備的單位造價約 2000 元 /kW，儲氫和輔助系統(tǒng)造價為 2000 元 /kW，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)造價約9000 元 /kW，燃料電池的投資占到氫儲能系統(tǒng)總投資的接近 70%;且現(xiàn)階段規(guī)模化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)應用較少，技術成熟度、系統(tǒng)壽命有待驗證。
傳統(tǒng)意義的氫儲能是電 -氫 -電的轉(zhuǎn)換，前文已論述存在效率低、價格高的問題。效率主要問題是兩次能量轉(zhuǎn)換，整體效率低;價格主要問題是燃料電池投資占比高。
廣義氫儲能利好可再生能源消納
相較于傳統(tǒng)儲能，廣義氫儲能強調(diào)電-氫單向轉(zhuǎn)換，由于廣義氫儲能系統(tǒng)效率高和成本低，上游與可再生能源發(fā)電結合，下游瞄準高純氫市場需求，具有廣闊的應用場景，受到國內(nèi)外學術界、產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注和研究。
電解制氫將難以儲存的電能轉(zhuǎn)化為可存儲的氫氣，氫作為能源和原料，供氫燃料電池交通、燃料電池應急備用電源、天然氣摻氫燃料、化工原料、工業(yè)還原保護氣體等場景使用。
中國三北地區(qū)風光資源豐富，西南部水資源豐富。但是由于我國的經(jīng)濟發(fā)展存在地域間的較大差異，西部地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展程度相對較為落后，可再生能源在中西部地區(qū)難以就地消納.
另外，可再生能源具有季節(jié)性、波動性特點，使其無法在市場中準確申報電量，造成了可再生能源一定程度上的棄電浪費。電網(wǎng)系統(tǒng)為應對大規(guī)?？稍偕茉瓷暇W(wǎng)，保障配套投資增加，火電、燃機深度調(diào)峰，無法高效最優(yōu)運行，以至排放增加。
在可再生資源豐富地區(qū)就近建設大規(guī)模電解水制氫站，消納清潔能源，減緩風光發(fā)電間歇波動，對電網(wǎng)穩(wěn)壓性的影響是廣義氫儲能的一種應用方式。
氫儲能電站如何設計
東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)用電負荷量大，峰谷電差也大。以某沿海城市為例，日均用電負荷功率13500 MW，峰谷電差達 4000 MW，調(diào)峰問題日益突出。利用氫的儲能特性和電 -氫靈活轉(zhuǎn)化關系，發(fā)揮氫儲能在電網(wǎng)中“填谷”作用。谷電時段，電網(wǎng)將可再生能源電能輸送到高純氫需求端，通過電解水制氫儲能，供燃料電池交通和電子等行業(yè)使用，提高可再生能源消納和輸電通道利用率。電解制氫的副產(chǎn)氧純度在 98.5% 以上，主要雜質(zhì)為 H2O 和 H2，提純成本低，經(jīng)濟價值高。在峰電時段，由于氫燃料電池發(fā)電成本較高，可以采用天然氣摻氫富氫燃機發(fā)電向電網(wǎng)送電。富氫燃機具有以下優(yōu)點——
造價約 3000 元 /kW，遠低于燃料電池;
可利用城市天然氣管網(wǎng)提供燃料;
天然氣摻氫 20%，可提高燃燒效率，降低碳排放和污染物排放;
摻氫比例可根據(jù)需求在 0~20% 之間調(diào)節(jié);
可熱電聯(lián)供，提高綜合效率。日本川崎、三菱、西門子等公司在天然氣摻氫、純氫燃氣輪機方面，都具有相應的成功應用示范。
氫儲能調(diào)峰站配套質(zhì)子膜氫燃料電池(PEMFC)發(fā)電作為應急備用電源，替代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機備電。
PEMFC 燃料電池利用儲存的氫氣發(fā)電，相比柴油發(fā)電具有運行安靜、零排放、燃料成本低(PEMFC 度電成本 1 元，柴油發(fā)電度電成本 2 元)等優(yōu)點。
氫儲能電站調(diào)峰難題
儲能電站調(diào)峰面臨三大難題，一是用地條件限制，一是制氫設備技術成熟度限制，還有就是產(chǎn)業(yè)下游高純氫市場消納風險的限制。
雖然 2020 年 3 月修訂的《能源法》將氫氣作為能源一詞列入諸種能源之一。
但仍未改變其?；饭芸貙傩裕?guī)?；茪湔卷毴朐诨@區(qū)，這限制了氫儲能調(diào)峰站的選址，尤其在電、氫負荷中心的東部經(jīng)濟發(fā)達城市選址更加困難。
電解水制氫技術根據(jù)電解質(zhì)不同，主要可分為堿性(ALK)、質(zhì)子交換膜(PEM)、固體氧化物(SOEC)電解三大類，SOEC 電解可以利用外供熱源效率最高，PEM 和 ALK 次之。
其中堿性電解技術成熟、成本低，是國內(nèi)商業(yè)化應用的主流產(chǎn)品;但是其動態(tài)響應速度慢，在需要頻繁啟停、變負荷運行的氫儲能調(diào)峰站中應用有較大弊端。
PEM 制氫動態(tài)響應速度快、抗電源負荷波動性強，適合在氫儲能調(diào)峰站使用;但目前國內(nèi) PEM 制氫設備技術成熟待工程化應用驗證，其高昂的價格限制了大規(guī)模工程化推廣。
電解制取的高純氫，理想的市場消納方式是高純電子氫和能源氫，高純電子氫市場需求相對穩(wěn)定，未來市場增長點集中于能源氫在氫燃料電池領域的應用。
氫儲能應從三方面開始探索
氫儲能是支撐高比例可再生能源發(fā)展有效方式之一，傳統(tǒng)電 -氫 -電的儲能方式綜合效率低、造價高，現(xiàn)階段不具備經(jīng)濟適用性。
借助我國跨區(qū)域特高壓輸電通道優(yōu)勢，將可再生資源豐富地區(qū)的電能輸送到高純氫負荷中心，建設氫儲能調(diào)峰站，谷電時段制氫儲能(P2H)，峰電時段天然氣摻氫富氫燃機發(fā)電回饋電網(wǎng)，可以實現(xiàn)可再生能源消納，提高輸電通道利用率，緩解東部城市峰谷電差大的問題，解決氫氣遠距離運輸成本、安全等難題。
針對氫儲能調(diào)峰站發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，建議如下：
1、開展用戶端制氫試點探索
河北省為發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，支持可再生能源綠色制氫和風光可再生能源消納，率先發(fā)布風力發(fā)電配套制氫項目可不進化工園區(qū)。
建議在認真做好技術評估、滿足安全要求的前提下，有序推進非化工園區(qū)制氫試點探索，開展用戶端制氫的示范，參照天然氣管理方式，在以能源方式利用時，將氫氣納入能源管理范疇。
2、發(fā)揮電網(wǎng)企業(yè)的作用
氫能和電能同屬于清潔的二次能源，充分發(fā)揮電網(wǎng)企業(yè)在二次能源領域的調(diào)度經(jīng)驗，實現(xiàn)氫電之間深度耦合互補，提高能源綜合利用效率。
具體而言，建議電網(wǎng)企業(yè)在電網(wǎng)輸送通道利用率低的谷電時段，降低清潔能源跨區(qū)域輸送過網(wǎng)費;對以削峰填谷為目的的氫儲能調(diào)峰站，建議減免容量費。
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