風(fēng)、光、氫綠色低碳新能源體系

　　風(fēng)能光能，綠色能源遇到新問題

　　新能源目前主要指光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及二次能源如氫能等。風(fēng)和光都是自然資源，取之不竭，用之不盡。

　　風(fēng)力發(fā)電原理是利用自然風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能;光伏發(fā)電則是依靠太陽光照射，根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)、光發(fā)電都不使用燃料，不產(chǎn)生環(huán)境污染，屬可再生的清潔能源。

　　我國的“三北”地區(qū)和沿海島嶼都是風(fēng)能、太陽能資源豐富的地區(qū)。在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和能源轉(zhuǎn)型的道路上，光伏發(fā)電、風(fēng)電是最核心的技術(shù)，是重點(diǎn)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。目前，我國已成為全球可再生能源生產(chǎn)和利用第一大國，其中，風(fēng)電、光伏總裝機(jī)容量分別連續(xù)13年、8年穩(wěn)居全球首位。根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，截至今年2月底，我國風(fēng)電裝機(jī)容量約4.5億千瓦，太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約6.5億千瓦。據(jù)專家預(yù)測，到2060年，我國風(fēng)電、太陽能發(fā)電占比將超過50%，成為電量供應(yīng)的主體。

　　隨著風(fēng)電和太陽能發(fā)電比例的快速上升，問題也隨之而來。由于光伏發(fā)電完全依靠太陽光源，發(fā)電時(shí)間受到日出日落的影響，導(dǎo)致其發(fā)電的高峰期主要集中在白天，夜晚幾乎處于停滯狀態(tài)，不能滿足傍晚及夜間對能源的需求高峰，此外，陰雨天氣下，光伏發(fā)電效率也將顯著下降。風(fēng)力發(fā)電高峰則在一天中很不穩(wěn)定。而無論是光伏還是風(fēng)力發(fā)電，都會(huì)因季節(jié)的變化產(chǎn)生明顯的差異。這些自然之力與生俱來的波動(dòng)性、間歇性使得電力輸出變得不可控、不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致供需失衡，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)。隨著大基地集中式風(fēng)電、光伏裝機(jī)大幅增加，風(fēng)光發(fā)電量迅速增長，消納壓力也進(jìn)一步增大。

　　我國能源資源分布不均衡，風(fēng)、光等新能源大基地大多數(shù)集中于“三北”地區(qū)，能源消費(fèi)地則主要集中于中東部地區(qū)。通過建設(shè)特高壓、超高壓等大型輸電工程進(jìn)行“西電東送”，成為最主流的方案。近兩年，特高壓交直流混電聯(lián)網(wǎng)建設(shè)進(jìn)度也在加快，對新能源消納起到了一定的作用。除了外輸通道建設(shè)，作為風(fēng)電和光伏發(fā)電的重要配套設(shè)施，儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模在近幾年不斷擴(kuò)大。快速發(fā)展的儲(chǔ)能設(shè)施以其優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能為電力系統(tǒng)提供了更多靈活性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電和光伏平滑并網(wǎng)。但由于儲(chǔ)能電站容量有限，利用風(fēng)、光發(fā)電制氫是解決風(fēng)光電大規(guī)模并網(wǎng)難、消納難的有效途徑。

　　氫能，國際能源領(lǐng)域新焦點(diǎn)

　　氫，元素周期表中的1號元素，廣泛存在于空氣、水、礦物燃料和各類碳水化合物中。氫氣的燃燒值很高，燃燒同等質(zhì)量的氫氣所放出的熱量是天然氣的2.56倍，普通汽油的2.95倍，且不會(huì)產(chǎn)生對有害的污染物。氫能被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N二次清潔能源。當(dāng)今，氫的制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、應(yīng)用技術(shù)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　根據(jù)氫氣制取過程的碳排放強(qiáng)度，氫氣被分為“灰氫”“藍(lán)氫”和“綠氫”。“灰氫”是指通過化石燃料產(chǎn)生的氫氣，在生產(chǎn)過程中有大量的二氧化碳排出，當(dāng)前“灰氫”處于氫氣市場的主流位置，約占全球氫氣產(chǎn)量的95%左右;“藍(lán)氫”是在“灰氫”的基礎(chǔ)上利用碳捕集和封存技術(shù)，減少了碳排放，實(shí)現(xiàn)低碳制氫;“綠氫”是通過清潔能源發(fā)電進(jìn)行電解水制氫，整個(gè)制氫過程零碳排放，被視為制氫的終極目標(biāo)。目前，我國的氫氣來源主要以化石燃料制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫為主，占比超過80%。在綠色低碳和能源轉(zhuǎn)型的背景下，“綠氫”成為未來的關(guān)鍵氫氣來源。目前，制“綠氫”的成本偏高，降低綠電價(jià)格、加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新是降低“綠氫”成本的有效手段。

　　安全高效的氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是氫能應(yīng)用的關(guān)鍵。氫氣儲(chǔ)存方式主要有氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫。氫氣的輸運(yùn)方式主要有高壓氣態(tài)長管拖車運(yùn)輸、液氫槽罐車運(yùn)輸以及管道運(yùn)輸。當(dāng)前，我國以高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、長管拖車運(yùn)輸為主，適用于少量氫氣、短距離運(yùn)輸?shù)男枰９艿垒敋涫菍?shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模、長距離、安全經(jīng)濟(jì)的理想運(yùn)輸方式。液態(tài)儲(chǔ)氫是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，將氫氣冷凍至-253℃以下變?yōu)橐后w，然后將其保存在特制的真空絕熱容器中。液態(tài)氫主要用于航天及軍事領(lǐng)域，能耗較高。固態(tài)儲(chǔ)氫是用一種固態(tài)的介質(zhì)與氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而存儲(chǔ)氫氣，在需要時(shí)釋放出來，具有體積儲(chǔ)氫密度高、安全性好、可長時(shí)存儲(chǔ)、解決“綠電”與“綠氫”靈活轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢，但是現(xiàn)在尚處于技術(shù)攻關(guān)階段。

　　氫能的用途廣泛，是重要的工業(yè)原料和能源介質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通和能源等領(lǐng)域。作為一種重要的工業(yè)原料，“綠氫”可用于替代化石燃料作為冶金、水泥和化工等工業(yè)領(lǐng)域的還原劑，消耗規(guī)模巨大。在建筑領(lǐng)域作為高品質(zhì)熱源，減少煤炭、天然氣等化石能源的消耗;交通被視為氫能應(yīng)用的先導(dǎo)領(lǐng)域，以氫燃料電池為動(dòng)力，應(yīng)用于汽車、船舶、鐵路、航空等交通應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)使用端的零碳排放。在能源領(lǐng)域，氫能具備能源和儲(chǔ)能的特點(diǎn)，助力可再生能源消納和大規(guī)模、長周期的儲(chǔ)能，用于發(fā)電調(diào)峰，解決了風(fēng)光電不穩(wěn)定的問題，提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的靈活性和可靠性，從而保障能源安全和穩(wěn)定。

　　氫儲(chǔ)能，新能源+儲(chǔ)能的重要發(fā)展方向

　　儲(chǔ)能是指通過介質(zhì)或設(shè)備把能量存儲(chǔ)起來，在需要時(shí)釋放的過程。廣義的儲(chǔ)能包括所有能源的儲(chǔ)存。我們所說的“儲(chǔ)能”主要是狹義的對電能的儲(chǔ)存，是針對可再生能源的不穩(wěn)定而言的，通過將儲(chǔ)能設(shè)施與風(fēng)、光集成，當(dāng)發(fā)電量太多時(shí)為儲(chǔ)能設(shè)備充電平抑波峰，發(fā)電量不足時(shí)再由儲(chǔ)能設(shè)備把電能釋放出來。通過這種方式將風(fēng)光發(fā)電的“靠天吃飯”變成“靈活可控”。

　　儲(chǔ)能有多種類型，目前主流儲(chǔ)能方式是抽水蓄能和電池儲(chǔ)能。抽水蓄能必須在靠近水源的地方，對地理位置和水資源條件要求較高;電池儲(chǔ)能適用于小功率、短周期、分布式儲(chǔ)能。這兩種方式都有較大的局限性，難以與可再生能源的規(guī)模化和永續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)生態(tài)相匹配。從氫儲(chǔ)能與其他儲(chǔ)能的比較來看，電化學(xué)儲(chǔ)能的容量是兆瓦級(MW)，儲(chǔ)能時(shí)間1天以內(nèi);抽水蓄能容量是吉瓦級(GW)，儲(chǔ)能時(shí)間1周~1個(gè)月;氫儲(chǔ)能的容量是太瓦級(TW)，時(shí)間可達(dá)到1年以上。氫儲(chǔ)能可跨區(qū)域、長距離儲(chǔ)能。在能量轉(zhuǎn)換方面，氫能可轉(zhuǎn)換為電能、熱能、化學(xué)能等多種形式的能源，兼具安全性、靈活性和規(guī)模性特質(zhì)，在能量維度、時(shí)間維度、空間維度上均具有突出優(yōu)勢。

　　氫儲(chǔ)能是以氫氣為介質(zhì)，利用電力和氫的互變性實(shí)現(xiàn)可再生能源高效儲(chǔ)存及利用的技術(shù)。該技術(shù)用于調(diào)峰調(diào)頻、電網(wǎng)削峰填谷、用戶冷熱電氣聯(lián)供、微電網(wǎng)等諸多場景。氫儲(chǔ)能既能儲(chǔ)電，又可以儲(chǔ)氫及其衍生物(如氨、甲醇等)。利用電解水制氫氣，用氫氣作為中間載體，能上網(wǎng)的電接入電網(wǎng)，不能上網(wǎng)的電用于生產(chǎn)氫氣。當(dāng)電力輸出不足時(shí)，用儲(chǔ)存的氫氣發(fā)電向電網(wǎng)供電，富余的氫氣存儲(chǔ)起來或轉(zhuǎn)化為甲醇、氨氣等化學(xué)衍生物，為交通、建筑和工業(yè)等終端部門提供動(dòng)力燃料和化工原料。

　　在“十四五”規(guī)劃綱要中，氫能與儲(chǔ)能被列為前瞻謀劃的六大未來產(chǎn)業(yè)之一。我國自2019年開始嘗試氫儲(chǔ)能，目前已經(jīng)開展多個(gè)氫儲(chǔ)能項(xiàng)目。隨著氫燃料電池和電解槽技術(shù)逐漸成熟，氫儲(chǔ)能憑借規(guī)模大、周期長、可跨區(qū)域儲(chǔ)能等優(yōu)勢，成為“可再生能源+儲(chǔ)能”的重要發(fā)展方向，氫儲(chǔ)能項(xiàng)目正在全國“悄然開花”。但是，目前我國氫儲(chǔ)能發(fā)展仍處于商業(yè)化初期階段，氫儲(chǔ)能的造價(jià)還處于高位，氫儲(chǔ)能的應(yīng)用整體上缺乏經(jīng)濟(jì)性。創(chuàng)新發(fā)展氫儲(chǔ)能技術(shù)，進(jìn)一步拓展氫儲(chǔ)能應(yīng)用場景，構(gòu)建電氫融合能源體系，是氫儲(chǔ)能突破成本掣肘的關(guān)鍵。

　　推動(dòng)多能源互聯(lián)互濟(jì)與源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同，是未來新能源體系的一個(gè)發(fā)展方向。筆者認(rèn)為，電氫融合能夠有機(jī)結(jié)合電能與氫能優(yōu)勢特性，是解決“雙碳”問題的重要路徑，而氫能作為連接多種不同能源形式的橋梁，未來將與電力系統(tǒng)產(chǎn)生更多的耦合關(guān)系，進(jìn)一步推動(dòng)新型電力系統(tǒng)建設(shè)。

　　而面對氫能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)的情況，研究者們也在積極出謀劃策。例如，針對我國能源資源與能源需求空間分布不均衡、產(chǎn)能與用能錯(cuò)位的情況，我們建議針對新能源大基地建設(shè)，鼓勵(lì)就近消納，優(yōu)先發(fā)展制氫產(chǎn)業(yè);利用西電東送，在靠近負(fù)荷中心的地方制氫，就地儲(chǔ)存，就地利用;就地利用與大規(guī)模、長距離儲(chǔ)運(yùn)相結(jié)合，集中式與分布式并舉，保障整體資源的優(yōu)化配置。針對“綠氫”的生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)成本較高的問題，降低綠電價(jià)格是降低“綠氫”成本最有效的手段，應(yīng)鼓勵(lì)發(fā)展風(fēng)光微網(wǎng)或離網(wǎng)直接制氫，減少過網(wǎng)費(fèi)、直交流和高低壓變換環(huán)節(jié)，低成本高效率制取“綠氫”;新能源配送應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有的傳輸系統(tǒng)，以降低新型電力系統(tǒng)的投資與運(yùn)行成本。

　　(作者：于冠一 朱 麗，分別系天津大學(xué)國家儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)、APEC可持續(xù)能源中心副教授;天津大學(xué)國家儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)副主任，APEC可持續(xù)能源中心主任、教授)