氫能是現(xiàn)代能源體系的重要組成部分，將深刻影響中國(guó)能源應(yīng)用的前景。氫儲(chǔ)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(shù)可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、長(zhǎng)期、廣域的儲(chǔ)能。氫儲(chǔ)能或?qū)⒊蔀槲磥碇卮髣?chuàng)新技術(shù)，可有效彌補(bǔ)電能存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)，提升能源系統(tǒng)整體效率，促進(jìn)能源革命。
氫儲(chǔ)能概述
目前氫氣制取主要有以下三種較為成熟的技術(shù)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。
化石能源和副產(chǎn)氫提純制取的氫氣本質(zhì)來源都是含碳化石原料，無法擺脫碳排放問題；并且這兩種技術(shù)路線都是從一種易儲(chǔ)存的能量物質(zhì)，轉(zhuǎn)換成另一種可存儲(chǔ)的能量物質(zhì)，不適用于氫儲(chǔ)能，也不利于降低排放。
而通過可再生能源電解水制氫，可實(shí)現(xiàn)電-氫綠色轉(zhuǎn)換，將不易儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)換為氫能存儲(chǔ)起來，實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。
儲(chǔ)能發(fā)展的必要性
國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2019 年底，可再生能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到 7.94 億 kW，占比 39.5%；2019 年可再生能源發(fā)電量達(dá) 2.04 萬億 kWh，占比 27.9%。
可再生能源快速發(fā)展的同時(shí)也帶來了大量的問題，水力發(fā)電的季節(jié)性、風(fēng)光發(fā)電的波動(dòng)性和不確定性，對(duì)電力系統(tǒng)資源配置、安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高要求。
2019 年全年主要流域棄水電量 300 億 kWh、棄風(fēng)電量 169 億 kWh，棄風(fēng)率 4%；棄光電量 46 億 kWh，棄光率 2%。
發(fā)展切實(shí)有效的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，對(duì)消納棄電、保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義。
儲(chǔ)能的種類和特點(diǎn)
下表給出了幾種儲(chǔ)能方式的綜合比較：
注：* 表示電站通常設(shè)計(jì)使用壽命；** 堿性電解設(shè)備壽命15 年，燃料電池發(fā)電受制于現(xiàn)階段的技術(shù)成熟度，壽命約 6年，綜合取 10 年。
目前較為成熟的儲(chǔ)能方式主要有抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能兩大類。抽水蓄能電站需要具有發(fā)達(dá)的水系和優(yōu)良的地質(zhì)條件，并且建設(shè)周期長(zhǎng)；電化學(xué)儲(chǔ)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(chǔ)能應(yīng)用較多，大規(guī)模調(diào)峰儲(chǔ)能應(yīng)用不具有經(jīng)濟(jì)可行性。其他方式的儲(chǔ)能包括壓縮空氣儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能（超級(jí)電容器、超導(dǎo)儲(chǔ)能）和熱儲(chǔ)能等，受制于技術(shù)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(yīng)用。
氫儲(chǔ)能優(yōu)缺點(diǎn)
氫儲(chǔ)能技術(shù)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(dòng)、富余電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存起來；在電力輸出不足時(shí)，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(shù)成熟，工藝簡(jiǎn)單，清潔環(huán)保，制取的氫氣和氧氣純度高，而且設(shè)備單機(jī)容量大，市場(chǎng)成熟產(chǎn)品可做到 5 MW/ 臺(tái)，制氫量 1000 Nm3/h，可大規(guī)模使用。
氫儲(chǔ)能目前存在的問題是效率較低、造價(jià)高。電解水制氫效率達(dá) 65%——75%，燃料電池發(fā)電效率為 50%——60%，單過程轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高，但電 - 氫 -電過程存在兩次能量轉(zhuǎn)換，整體效率較低。
制氫設(shè)備的單位造價(jià)約 2000 元 /kW，儲(chǔ)氫和輔助系統(tǒng)造價(jià)為 2000 元 /kW，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)造價(jià)約9000 元 /kW，燃料電池的投資占到氫儲(chǔ)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(yīng)用較少，技術(shù)成熟度、系統(tǒng)壽命有待驗(yàn)證。
廣義氫儲(chǔ)能
傳統(tǒng)意義的氫儲(chǔ)能是電 -氫 -電的轉(zhuǎn)換，前文已論述存在效率低、價(jià)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(jià)格主要問題是燃料電池投資占比高。
相較于傳統(tǒng)儲(chǔ)能，廣義氫儲(chǔ)能強(qiáng)調(diào)電-氫單向轉(zhuǎn)換，由于廣義氫儲(chǔ)能系統(tǒng)效率高和成本低，上游與可再生能源發(fā)電結(jié)合，下游瞄準(zhǔn)高純氫市場(chǎng)需求，具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究。
電解制氫將難以儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)化為可存儲(chǔ)的氫氣，氫作為能源和原料，供氫燃料電池交通、燃料電池應(yīng)急備用電源、天然氣摻氫燃料、化工原料、工業(yè)還原保護(hù)氣體等場(chǎng)景使用。
氫儲(chǔ)能調(diào)峰站
中國(guó)三北地區(qū)風(fēng)光資源豐富，西南部水資源豐富。但是由于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在地域間的較大差異，西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度相對(duì)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(dòng)性特點(diǎn)，使其無法在市場(chǎng)中準(zhǔn)確申報(bào)電量，造成了可再生能源一定程度上的棄電浪費(fèi)。電網(wǎng)系統(tǒng)為應(yīng)對(duì)大規(guī)?？稍偕茉瓷暇W(wǎng)，保障配套投資增加，火電、燃機(jī)深度調(diào)峰，無法高效最優(yōu)運(yùn)行，以至排放增加。
在可再生資源豐富地區(qū)就近建設(shè)大規(guī)模電解水制氫站，消納清潔能源，減緩風(fēng)光發(fā)電間歇波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)壓性的影響是廣義氫儲(chǔ)能的一種應(yīng)用方式。
據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)，2017 年我國(guó)大部分特高壓工程利用小時(shí)數(shù)不足 5000 h，部分工程投運(yùn)后最大輸電功率未達(dá)到預(yù)期；谷電時(shí)段電網(wǎng)通道負(fù)荷率更低，而此時(shí)段正是風(fēng)資源發(fā)電量高峰時(shí)段。
2020 年 8 月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開展“風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化”“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》，提出要提高輸電通道利用效率、電力需求響應(yīng)能力，挖掘新能源消納能力。
我國(guó)具有強(qiáng)大、完善、覆蓋面廣的電力輸送系統(tǒng)，發(fā)揮我國(guó)電網(wǎng)基建優(yōu)勢(shì)，谷電時(shí)間段通過“西電東送”“北電南送”特高壓通道，將三北地區(qū)的清潔能源輸送到高純氫市場(chǎng)需求端電解制氫儲(chǔ)能，變氫能輸送為電能輸送，解決可再生能源消納和氫儲(chǔ)運(yùn)面臨的技術(shù)、成本、安全等難題。
當(dāng)前國(guó)家電投正依托烏蘭察布風(fēng)電基地項(xiàng)目，實(shí)施“蒙電進(jìn)京、谷電制氫、用氫示范”，為京津冀地區(qū)氫能交通示范運(yùn)用，提供可再生能源的氫氣保障。
氫儲(chǔ)能調(diào)峰站典型設(shè)計(jì)方案
東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)用電負(fù)荷量大，峰谷電差也大。以某沿海城市為例，日均用電負(fù)荷功率13500 MW，峰谷電差達(dá) 4000 MW，調(diào)峰問題日益突出。利用氫的儲(chǔ)能特性和電 -氫靈活轉(zhuǎn)化關(guān)系，發(fā)揮氫儲(chǔ)能在電網(wǎng)中“填谷”作用。
谷電時(shí)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(chǔ)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(jì)價(jià)值高。
在峰電時(shí)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(jī)發(fā)電向電網(wǎng)送電。富氫燃機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)——
造價(jià)約 3000 元 /kW，遠(yuǎn)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?xì)廨啓C(jī)方面，都具有相應(yīng)的成功應(yīng)用示范。
氫儲(chǔ)能調(diào)峰站配套質(zhì)子膜氫燃料電池（PEMFC）發(fā)電作為應(yīng)急備用電源，替代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)備電。
PEMFC 燃料電池利用儲(chǔ)存的氫氣發(fā)電，相比柴油發(fā)電具有運(yùn)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(diǎn)。
氫儲(chǔ)能調(diào)峰站潛在挑戰(zhàn)
用地性質(zhì)制約
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?，規(guī)?；茪湔卷毴朐诨@區(qū)，這限制了氫儲(chǔ)能調(diào)峰站的選址，尤其在電、氫負(fù)荷中心的東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市選址更加困難。
制氫設(shè)備技術(shù)成熟度
電解水制氫技術(shù)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(shù)成熟、成本低，是國(guó)內(nèi)商業(yè)化應(yīng)用的主流產(chǎn)品；但是其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，在需要頻繁啟停、變負(fù)荷運(yùn)行的氫儲(chǔ)能調(diào)峰站中應(yīng)用有較大弊端。
PEM 制氫動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、抗電源負(fù)荷波動(dòng)性強(qiáng)，適合在氫儲(chǔ)能調(diào)峰站使用；但目前國(guó)內(nèi) PEM 制氫設(shè)備技術(shù)成熟待工程化應(yīng)用驗(yàn)證，其高昂的價(jià)格限制了大規(guī)模工程化推廣。
產(chǎn)業(yè)下游高純氫市場(chǎng)消納風(fēng)險(xiǎn)
電解制取的高純氫，理想的市場(chǎng)消納方式是高純電子氫和能源氫，高純電子氫市場(chǎng)需求相對(duì)穩(wěn)定，未來市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn)集中于能源氫在氫燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用。
2018 年至今，全國(guó)諸多省、市紛紛出臺(tái)氫能和燃料電池發(fā)展規(guī)劃和激勵(lì)政策，中國(guó)氫能聯(lián)盟 2019 年發(fā)布的《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》預(yù)測(cè)；
到 2025 年我國(guó)加氫站將達(dá) 200 座，按照每座加氫站 800 kg/d 的加氫量，交通領(lǐng)域年氫氣需求 5.84 萬 t，可以消納 50 個(gè)20 MW 氫儲(chǔ)能調(diào)峰站氫氣量。
據(jù)目前技術(shù)和市場(chǎng)分析，氫能源交通的普及仍然有著巨大的困難：氫燃料電池汽車的技術(shù)成熟度和使用壽命有待應(yīng)用驗(yàn)證；在政府補(bǔ)貼逐漸退去的情況下，燃料電池車成本能否低至與燃油車、電動(dòng)車競(jìng)爭(zhēng)，有待市場(chǎng)檢驗(yàn)。能源氫終端應(yīng)用市場(chǎng)的增長(zhǎng)仍有一定的不確定性。
結(jié)論和建議
氫儲(chǔ)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(chǔ)能方式綜合效率低、造價(jià)高，現(xiàn)階段不具備經(jīng)濟(jì)適用性。
借助我國(guó)跨區(qū)域特高壓輸電通道優(yōu)勢(shì)，將可再生資源豐富地區(qū)的電能輸送到高純氫負(fù)荷中心，建設(shè)氫儲(chǔ)能調(diào)峰站，谷電時(shí)段制氫儲(chǔ)能（P2H），峰電時(shí)段天然氣摻氫富氫燃機(jī)發(fā)電回饋電網(wǎng)，可以實(shí)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(yuǎn)距離運(yùn)輸成本、安全等難題。
針對(duì)氫儲(chǔ)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(diǎn)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(fēng)光可再生能源消納，率先發(fā)布風(fēng)力發(fā)電配套制氫項(xiàng)目可不進(jìn)化工園區(qū)。
建議在認(rèn)真做好技術(shù)評(píng)估、滿足安全要求的前提下，有序推進(jìn)非化工園區(qū)制氫試點(diǎn)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(shí)，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(lǐng)域的調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)氫電之間深度耦合互補(bǔ)，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(shí)段，降低清潔能源跨區(qū)域輸送過網(wǎng)費(fèi)；對(duì)以削峰填谷為目的的氫儲(chǔ)能調(diào)峰站，建議減免容量費(fèi)。
3、試點(diǎn)探索多元化商業(yè)模式
建議政府層面的氫能產(chǎn)業(yè)政策從燃料電池交通、加氫站向氫氣清潔高效制取、氫能在能源體系中的耦合利用等“大氫能”產(chǎn)業(yè)擴(kuò)展延伸。
加快對(duì)新領(lǐng)域試點(diǎn)項(xiàng)目的論證和規(guī)范審批流程，促進(jìn)示范落地；通過規(guī)劃政策引領(lǐng)，消除能源行業(yè)間壁壘，促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)融合，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。
