氫能利用：電氫耦合及其應用場景

世界各國政府和公司都在增加對氫研究和開發的投資，這表明人們越來越認識到氫在實現能源系統脫碳目標的方面可以發揮重要作用。由于氫重量輕、能量密集、可儲存，并且在使用時不會直接產生二氧化碳排放，這種多功能的能源載體有潛力在未來的清潔能源系統中以各種方式加以利用。

在電網儲能的背景下,氫重新引起了人們的興趣。隨著碳達峰碳中和工作的推進，氫能作為清潔能源的載體，將在工業、交通等領域得到廣泛應用。

氫及衍生氣體可以在保證經濟性的條件下實現大規模長周期儲能，存儲規模從百千瓦到吉瓦，存儲時間從小時到季節，存儲特性與電化學儲能互補。通過構建電-抽蓄-氫耦合的混合儲能系統，可以實現全社會負荷從秒級到季節的輸出特性平移與優化，氫能與電力系統的耦合發展，將進一步推動新型電力系統建設。

圖 儲能示意圖，圖源浙電e家

氫電耦合就是利用電網谷電、清潔能源制氫存儲，在用電高峰時再通過氫燃料電池發電，實現電網削峰填谷。

隨著可再生能源裝機快速增長以及用戶側負荷的多樣性變化，電網面臨諸多問題與挑戰。在碳中和目標下，氫能作為新興零碳二次能源得到快速發展，為電力系統發展帶來了難得的機遇。

1、利用可再生能源電制氫，促進可再生能源消納。

我國可再生能源發展先全球，水、風、光裝機量均為世界一，隨著大規模可再生能源的快速發展，其運行消納問題會進一步顯現，利用可再生能源制氫可有效提升我國可再生能源消納水平。

2、利用氫儲能特性，實現電能跨季節長周期大規模存儲。

電化學儲能時間短，容量規模等級小，目前主要用于電網調頻調峰、平滑新能源出力波動性，實現小時級別的短周期響應與調節，而氫儲能具有儲能容量大、儲存時間長、清潔無污染等優點，在大容量長周期調節的場景中，氫儲能在經濟性上更具有競爭力。

3、利用氫能電站快速響應能力，為新型電力系統提供靈活調節手段。

基于PEM（質子交換膜）的電解水制氫裝備具有較寬的功率波動適應性，可實現輸入功率秒級、毫秒級響應，同時可適應 10%—150%的寬功率輸入，為電網提供調峰調頻服務，提高電力系統安全性、可靠性、靈活性，是構建零碳電網和新型電力系統的重要手段。

4、推動跨領域多類型能源網絡互聯互通，拓展電能綜合利用途徑。

氫能作為靈活高效的二次能源，在能源消費端可以利用電解槽和燃料電池，通過電氫轉換，實現電力、供熱、燃料等多種能源網絡的互聯互補和協同優化，推動分布式能源發展，提升終端能源利用效率。

圖 電氫耦合示意圖。圖源《中國能源報》

氫能在能源、交通、工業、建筑等領域具有廣泛的應用前景，可作為能源互聯轉化的重要媒介，推動能源清潔高效利用，實現大規模深度脫碳。氫能發展的初衷是解決低碳和生態環保等問題，可再生能源電制氫是未來氫能發展的主要方向，將應用于新型電力系統“源、網、荷”各環節，呈現電氫耦合發展態勢。

1、應用于電源側

利用可再生能源綠色制氫技術，將風能、太陽能等可再生能源電力清潔高效地轉換為氫能，推動氫能在電源側與可再生能源耦合，促進大規模可再生能源消納，提高可再生能源利用率。

2、應用于電網側

利用氫能具有跨季節、長時間的儲能特性，發揮氫儲能作用，可積極參與電網調峰調頻輔助服務，提高電力系統安全性、可靠性、靈活性，實現能源跨地域和跨季節的能源優化配置。

3、應用于用戶側

通過氫燃料電池熱電聯供、區域電網調峰調頻及建筑深度脫碳減排的應用，可擴展氫能在終端用能領域的應用范圍和綜合能源業務發展，推動冷-熱-電-氣多能融合互補， 提升終端能源效率和低碳化水平。

通過分析源側棄電制氫、網側氫儲能、負荷側利用特高壓通道直接制氫三大場景，可以看出：

• 在源端利用富余風、光、水等可再生能源制氫，就地銷售到市場上可獲得較好收益，但是輸氫成本較高，長距離輸送到需求端不具備經濟性；

• 在網側，氫儲能站通過參與電網輔助服務和售氫氧收入，具備一定的經濟性；

從當前風電和光伏的整體建設上來看，西北地區具有豐富的風力和光伏資源，經濟發達的東南地區是重要的用氫需求地，綠氫的輸送通道和特高壓輸送通道基本重合，合理利用特高通道長途輸電，在負荷側通過特高壓通道直接制氫，在成熟的電力市場價格機制下， 相比“源側電制氫+管道輸氫”應用場景，“特高壓輸電+負荷側制氫”在經濟上更具有競爭力。

根據全球能源互聯網組織的估計，到2050年中國電制氫的規模將達到5000萬噸，折合電能約為30000億千瓦時，約為2019年全國用電量的40%，發展空間巨大。

在“力爭2030年前碳達峰、努力爭取在2060年前碳中和”的背景與目標下，電氫系統將在未來能源系統中扮演重要的角色。當前，已有部分電氫耦合項目開始落地規劃。

1、慈溪氫電耦合直流微網示范工程：氫電耦合國家重點項目

2021年3月30日，國家重點研發計劃項目“可離網型風/光/氫燃料電池直流互聯與穩定控制技術”項目實施方案論證暨啟動會在杭州召開，這是國家電網公司牽頭承擔的氫能相關的國家重點項目。該項目將在寧波建成“氫電耦合直流微網示范工程”，*實現關鍵設備國產化，計劃在2022年6月前建設成為擁有先進水平的氫能直流微網示范基地，提供氫能關鍵設備國產化的技術驗證。

據悉，該工程每日制氫規模可超100千克、供熱能力超120千瓦，滿足10輛氫能燃料電池汽車加氫、50輛純電動汽車直流快充對電網的沖擊需求，在制氫、儲氫、用氫等環節的規模均位于省內氫能示范工程，裝備性能達到先進水平。

未來，慈溪氫電耦合直流微網示范工程將與寧波氫能上下游產業布局高度契合，形成集科研、制取、儲運、交易、應用一體化的“零碳”氫能產業體系。

2、浙江杭州低碳氫電耦合應用示范項目

2021年10月18日，杭州亞運低碳氫電耦合應用示范項目在浙江杭州錢塘區正式啟動建設。這是浙江省融合柔性直流、氫電耦合、多能互補的低碳園區。

杭州亞運低碳氫電耦合應用示范項目投運后，格力電器杭州生產基地可利用清潔能源與電網谷電制備氫氣，供氫量每天可達200千克。這些氫氣將供給基地的氫燃料大巴車和物流車使用。制氫時產生的氧氣將用于空調生產焊接助燃，系統運行產生的余熱可供高溫注塑使用。

該項目預計每年可減少基地用能成本約256萬元，減少碳排放860噸。基地的單位產值能耗可下降約22%，每天需要的大電網負荷從6400千瓦減至5010千瓦以下。

3、縉云城水氫生物質近零碳示范工程

該工程位于浙江省麗水市景云上湖，將建成基于鄉村場景的水-光-氫-生物質綜合利用示范工程，該工程將構建以電為核心的多能轉換系統，實現水電制氫、生物質制氣，促進富余水電就地消納，農村廢棄物循環利用，形成電氫生物質協同的鄉村碳中和樣本，工期計劃2022年8月底投產。

4、深圳市光明區公明氫電耦合綜合能源示范站

該45MPa氫電氣耦合站隸屬深圳市深燃燃氣技術研究院，占地面積約3000m²，加氫能力1000kg/天，并同時具備充電樁和制氫功能，可解決深圳地區加氫站從無到有的問題。2021年3月17日公開相關信息。