氫能是補(bǔ)充能源系統(tǒng)靈活性的優(yōu)質(zhì)資源

 

電力是一種“剛性”能源，其在不轉(zhuǎn)化為其他能量形式的條件下較難儲(chǔ)存，要求發(fā)電和用電要逐時(shí)刻保持一致。氫能的靈活性可以理解為其在制備和使用時(shí)間上的靈活性，也即由于氫易于儲(chǔ)存，制氫和用氫不需要同時(shí)發(fā)生，因此氫能與電力不同，是一種靈活性能源。隨著可再生能源的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)將從過去的“電源側(cè)可調(diào)，負(fù)荷側(cè)不可控”逐漸發(fā)展為“電源負(fù)荷均不可控”，加大了電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)平衡供需的難度，氫能作為一種可以由電力制取、使用過程無排放的靈活性能源，可以很好地參與到未來以電力為主的可再生能源體系中，為電力系統(tǒng)提供調(diào)節(jié)能力。

 

抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能是目前主流的傳統(tǒng)儲(chǔ)能和新型儲(chǔ)能形式。目前，各類儲(chǔ)能方案主要可以分為熱儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能以及化學(xué)儲(chǔ)能等幾大類。其中機(jī)械儲(chǔ)能中的抽水蓄能是當(dāng)前最主要的傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式，占到中國儲(chǔ)能裝機(jī)總量的77%，在新型儲(chǔ)能中鋰離子電池是當(dāng)前最主要的方案，占到了新型儲(chǔ)能裝機(jī)的94%左右。

 

 

在當(dāng)前儲(chǔ)能方案下，未來還存在大量的可再生能源功率調(diào)節(jié)缺口。根據(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)合作組織的預(yù)測，隨著未來非水可再生能源裝機(jī)規(guī)模的增長，我國的電力系統(tǒng)將產(chǎn)生巨大的功率調(diào)節(jié)缺口，缺口主要來自于三個(gè)方面：第一，靈活性煤電機(jī)組、天然氣發(fā)電機(jī)組作為化石能源發(fā)電方式，在碳中和的目標(biāo)下規(guī)模受到限制；第二，抽水蓄能受限于地理?xiàng)l件等因素，發(fā)展規(guī)模具有上限；第三，電化學(xué)儲(chǔ)能是目前快速發(fā)展的新型儲(chǔ)能方式，但在長周期、大規(guī)模儲(chǔ)能需求的應(yīng)用上仍然面臨著鋰資源約束、成本偏高、安全性等問題。

 

在此情景下，可再生能源功率調(diào)節(jié)缺口在2030年將達(dá)到1200GW，2050年將達(dá)到超過2500GW，因此，未來可再生能源系統(tǒng)的發(fā)展還需要補(bǔ)充新的儲(chǔ)能方式以滿足能源轉(zhuǎn)型的需求。

 

 

氫能在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)均可為電力系統(tǒng)提供靈活性。在電源側(cè)與風(fēng)光結(jié)合的就地制氫可以實(shí)現(xiàn)富余可再生電力的消納，平抑發(fā)電功率的波動(dòng)。在電網(wǎng)側(cè)，可以通過電解制氫+氫能發(fā)電的模式實(shí)現(xiàn)氫儲(chǔ)能以幫助電網(wǎng)調(diào)峰。在負(fù)荷側(cè)，電解水制氫加氫一體站等分布式的制氫/用氫場景也可以根據(jù)電價(jià)的高低進(jìn)行擇時(shí)制氫，以實(shí)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)。

 

 

氫能的靈活性優(yōu)勢主要體現(xiàn)在大規(guī)模長周期儲(chǔ)能，以及可以面向用氫場景直接利用。目前常見的儲(chǔ)能方式主要可以分為電化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能三大類。

 

從儲(chǔ)能時(shí)長來看，電化學(xué)儲(chǔ)能適用于分鐘或小時(shí)級(jí)的儲(chǔ)能，利用電池的快速充放電響應(yīng)能力實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻。物理儲(chǔ)能以抽水蓄能為代表，這類儲(chǔ)能一般具有更大的容量，適合于以天為時(shí)長的儲(chǔ)能，可以利用水的抽蓄及發(fā)電實(shí)現(xiàn)日內(nèi)或日間的功率平衡。

 

 

而氫儲(chǔ)能則是一種更適合于長周期大規(guī)模場景的儲(chǔ)能方式，可以實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)的儲(chǔ)能，這一方面得益于相比于電池的自放電、水的蒸發(fā)耗散，氫作為一種穩(wěn)定的化學(xué)品更適合長時(shí)間的儲(chǔ)存，因而更適合跨季節(jié)的長周期儲(chǔ)能，另一方面，氫儲(chǔ)能在大規(guī)模的儲(chǔ)能場景下也更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，氫儲(chǔ)能的制儲(chǔ)部分主要由制氫系統(tǒng)（功率）和儲(chǔ)氫系統(tǒng)（容量）分別構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能功率與儲(chǔ)能容量的解耦，因而在長時(shí)間、大規(guī)模的儲(chǔ)能場景下，氫儲(chǔ)能容量的增加主要依靠擴(kuò)大儲(chǔ)氫系統(tǒng)的容量，可以實(shí)現(xiàn)更低的規(guī)模化成本；相比電化學(xué)儲(chǔ)能受到蓄電池原理的約束，功率和容量耦合，在大規(guī)模儲(chǔ)能的場景下規(guī)模化降本的潛力較小，所需的成本較高。有研究表明，規(guī)模化儲(chǔ)氫比規(guī)模化儲(chǔ)電的成本要低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

 

從應(yīng)用場景上來看，其他儲(chǔ)能方式一般為電→X→電的閉環(huán)系統(tǒng)，也即最終能源還需要以電力的形式進(jìn)行輸出。而氫作為一種燃料和化工原料，在下游有豐富的應(yīng)用場景，可以實(shí)現(xiàn)電→H2→X的開環(huán)儲(chǔ)能模式，也即由電制取的氫可以直接面向不同場景進(jìn)行應(yīng)用，具有更高的場景靈活性，也可以避免更多的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)以提高儲(chǔ)能效率。

 

 

在能源消費(fèi)側(cè)是電力的重要配套和補(bǔ)充

 

由于可再生能源的電力屬性，未來的能源系統(tǒng)將以電力的生產(chǎn)、輸送、消費(fèi)為基礎(chǔ)，這是氫能發(fā)展的基本背景。從一次能源供給側(cè)來看，以風(fēng)能、光能、水能等為代表的零碳可再生能源將成為主要的能源供給，并以電力的形式輸送到電網(wǎng)。從終端能源消費(fèi)側(cè)來看，由于能源供給以電力為主要形式，電力也將成為最主要的能源消費(fèi)品種。在部分難以應(yīng)用電力的終端用能場景，以化石能源，以及氫能等清潔燃料進(jìn)行補(bǔ)充。

 

在上述能源系統(tǒng)架構(gòu)下，氫能未來的發(fā)展空間源自兩個(gè)方面：一是“新能源”對(duì)“舊能源”的替代，從構(gòu)建零碳能源系統(tǒng)的最終目標(biāo)出發(fā)，化石能源是要被逐漸替代的“舊能源”，而電力、氫能由于在終端使用過程中不產(chǎn)生碳排放，是未來將要發(fā)展的“新能源”。這一替代是由我國的雙碳戰(zhàn)略、能源革命和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)所決定的，是高確定性的，也是氫能未來發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

 

二是氫能對(duì)電力的配套和補(bǔ)充，在終端用能側(cè)，電力和氫能同屬清潔能源，在未來以電力為基礎(chǔ)的能源系統(tǒng)架構(gòu)下，氫能的發(fā)展空間實(shí)際來自于對(duì)電力無法應(yīng)用或不便應(yīng)用場景的配套補(bǔ)充。

 

因此，考察氫能的發(fā)展空間，應(yīng)當(dāng)關(guān)注具體場景下氫能相對(duì)電力的競爭優(yōu)勢。在未來以電力為基礎(chǔ)的能源系統(tǒng)中，在終端用能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)相對(duì)電力的競爭優(yōu)勢，是氫能發(fā)展的根本邏輯。

 

 

由于氫的最終替代對(duì)象為電力，因此氫的終端應(yīng)用潛力將來自于難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模可再生電力替代的領(lǐng)域，而氫能的根本優(yōu)勢來自于其燃料/原料屬性和靈活性。燃料/原料屬性是氫與電力在能源性質(zhì)上的根本差異，使得氫可以有不同于電力的更多的應(yīng)用場景。

 

梳理各終端用能領(lǐng)域，電力較難應(yīng)用的場景主要集中在交通領(lǐng)域以及重工業(yè)領(lǐng)域。在交通領(lǐng)域，重卡、礦卡、船運(yùn)、空運(yùn)等長途或重型的運(yùn)輸場景都具有能耗高的特點(diǎn)，使得運(yùn)載工具所需要攜帶的能源總量較大。電力的特殊性使得其存儲(chǔ)往往需要轉(zhuǎn)換為其他能量形式（例如化學(xué)能），并通過特定載體（例如鋰電池）來實(shí)現(xiàn)，因此其儲(chǔ)存的能量密度較小，在對(duì)能量密度有要求的高耗能場景較難應(yīng)用。而氫能作為傳統(tǒng)的氣體燃料，無需能量轉(zhuǎn)換可以直接儲(chǔ)存，儲(chǔ)氫瓶可以實(shí)現(xiàn)的能量密度也遠(yuǎn)高于鋰電池，因此相比電力更加適合長途重載的交通場景。

 

在重工業(yè)領(lǐng)域，一方面化工、冶金等特定的工業(yè)流程需要相應(yīng)的化學(xué)原料以及還原劑；另一方面，重工業(yè)流程往往需要五百度以上甚至過千度的高溫，而目前對(duì)于非導(dǎo)體的高溫電加熱技術(shù)還不夠成熟。目前，上述提供高溫同時(shí)作為原料、還原劑的角色主要由化石燃料承擔(dān)，在電力難以替代的情況下，作為清潔燃料的氫能就成為了更好的替代方案。

 

 

在電力和氫能同時(shí)可以應(yīng)用的場景下，氫能的靈活性可以賦予其相對(duì)電力的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。通常來講，由于未來氫能的主要來源為電解水制氫，定位于一種由電力制取的能源形式，直觀來看，電解制氫，或電解水制氫+燃料電池發(fā)電過程的效率損失使得用氫的經(jīng)濟(jì)性很難優(yōu)于直接用電。

 

但隨著我國可再生能源的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)中不穩(wěn)定電源的占比迅速提升，電網(wǎng)供需調(diào)節(jié)需求的快速增大，也在逐漸推動(dòng)電力系統(tǒng)價(jià)格體系的變革，使得氫能的靈活性優(yōu)勢有望在經(jīng)濟(jì)性上體現(xiàn)。目前，電解水制氫的成本中用電成本占比大約 75%，用電價(jià)格是制氫成本最主要的影響因素，依托于電力價(jià)格體系的逐漸市場化，氫的靈活性不僅可以體現(xiàn)在電網(wǎng)側(cè)的儲(chǔ)能中，也可以使得在終端用能側(cè)選擇低電價(jià)時(shí)刻制氫、進(jìn)而降低制氫成本得以實(shí)現(xiàn)，這本質(zhì)上也是利用氫的靈活性參與電網(wǎng)供需調(diào)節(jié)，從而獲得收益。

 

以目前各地區(qū)的峰谷電價(jià)為例，如浙江、山東、江蘇、陜西等地的谷電價(jià)格僅為平時(shí)電價(jià)的1/2左右，峰時(shí)電價(jià)的1/3左右。價(jià)差最大的山東，其谷時(shí)電價(jià)僅為平時(shí)電價(jià)的1/3，峰時(shí)電價(jià)的1/5。

 

這意味著利用氫能的靈活性，在這些地區(qū)選擇谷電時(shí)刻制氫可以大大降低制氫成本，使得用氫的經(jīng)濟(jì)性可以接近甚至超過平時(shí)或峰時(shí)用電的經(jīng)濟(jì)性。

 

 

未來隨著不穩(wěn)定電源比例的增加，將使得氫的靈活性優(yōu)勢更加顯現(xiàn)。2022年以來，電價(jià)機(jī)制政策密集出臺(tái)。長期來看，電力現(xiàn)貨市場不斷完善，范圍不斷擴(kuò)大；短期來看，峰谷價(jià)差拉大，谷電價(jià)格進(jìn)一步下降是趨勢。上述變化都有利于氫能利用靈活性實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降本。