風、光、氫綠色低碳新能源體系

　　風能光能，綠色能源遇到新問題

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

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

　　我國的“三北”地區(qū)和沿海島嶼都是風能、太陽能資源豐富的地區(qū)。在實現“雙碳”目標和能源轉型的道路上，光伏發(fā)電、風電是最核心的技術，是重點發(fā)展的新興產業(yè)。目前，我國已成為全球可再生能源生產和利用第一大國，其中，風電、光伏總裝機容量分別連續(xù)13年、8年穩(wěn)居全球首位。根據國家能源局數據，截至今年2月底，我國風電裝機容量約4.5億千瓦，太陽能發(fā)電裝機容量約6.5億千瓦。據專家預測，到2060年，我國風電、太陽能發(fā)電占比將超過50%，成為電量供應的主體。

　　隨著風電和太陽能發(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)電時間受到日出日落的影響，導致其發(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力發(fā)電，都會因季節(jié)的變化產生明顯的差異。這些自然之力與生俱來的波動性、間歇性使得電力輸出變得不可控、不穩(wěn)定，最終導致供需失衡，給電網的安全運行帶來嚴峻考驗。隨著大基地集中式風電、光伏裝機大幅增加，風光發(fā)電量迅速增長，消納壓力也進一步增大。

　　我國能源資源分布不均衡，風、光等新能源大基地大多數集中于“三北”地區(qū)，能源消費地則主要集中于中東部地區(qū)。通過建設特高壓、超高壓等大型輸電工程進行“西電東送”，成為最主流的方案。近兩年，特高壓交直流混電聯網建設進度也在加快，對新能源消納起到了一定的作用。除了外輸通道建設，作為風電和光伏發(fā)電的重要配套設施，儲能裝機規(guī)模在近幾年不斷擴大?？焖侔l(fā)展的儲能設施以其優(yōu)越的調節(jié)性能為電力系統提供了更多靈活性，實現風電和光伏平滑并網。但由于儲能電站容量有限，利用風、光發(fā)電制氫是解決風光電大規(guī)模并網難、消納難的有效途徑。

　　氫能，國際能源領域新焦點

　　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，且不會產生對有害的污染物。氫能被認為是21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N二次清潔能源。當今，氫的制取、儲存、運輸、應用技術成為全球關注的焦點。

　　根據氫氣制取過程的碳排放強度，氫氣被分為“灰氫”“藍氫”和“綠氫”。“灰氫”是指通過化石燃料產生的氫氣，在生產過程中有大量的二氧化碳排出，當前“灰氫”處于氫氣市場的主流位置，約占全球氫氣產量的95%左右;“藍氫”是在“灰氫”的基礎上利用碳捕集和封存技術，減少了碳排放，實現低碳制氫;“綠氫”是通過清潔能源發(fā)電進行電解水制氫，整個制氫過程零碳排放，被視為制氫的終極目標。目前，我國的氫氣來源主要以化石燃料制氫和工業(yè)副產氫為主，占比超過80%。在綠色低碳和能源轉型的背景下，“綠氫”成為未來的關鍵氫氣來源。目前，制“綠氫”的成本偏高，降低綠電價格、加強技術創(chuàng)新是降低“綠氫”成本的有效手段。

　　安全高效的氫儲運技術是氫能應用的關鍵。氫氣儲存方式主要有氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫。氫氣的輸運方式主要有高壓氣態(tài)長管拖車運輸、液氫槽罐車運輸以及管道運輸。當前，我國以高壓氣態(tài)儲氫、長管拖車運輸為主，適用于少量氫氣、短距離運輸的需要。管道輸氫是實現氫氣的大規(guī)模、長距離、安全經濟的理想運輸方式。液態(tài)儲氫是在標準大氣壓下，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域，能耗較高。固態(tài)儲氫是用一種固態(tài)的介質與氫氣發(fā)生化學反應，從而存儲氫氣，在需要時釋放出來，具有體積儲氫密度高、安全性好、可長時存儲、解決“綠電”與“綠氫”靈活轉換的優(yōu)勢，但是現在尚處于技術攻關階段。

　　氫能的用途廣泛，是重要的工業(yè)原料和能源介質，被廣泛應用于工業(yè)、交通和能源等領域。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)領域的還原劑，消耗規(guī)模巨大。在建筑領域作為高品質熱源，減少煤炭、天然氣等化石能源的消耗;交通被視為氫能應用的先導領域，以氫燃料電池為動力，應用于汽車、船舶、鐵路、航空等交通應用場景，實現使用端的零碳排放。在能源領域，氫能具備能源和儲能的特點，助力可再生能源消納和大規(guī)模、長周期的儲能，用于發(fā)電調峰，解決了風光電不穩(wěn)定的問題，提高了電網系統的靈活性和可靠性，從而保障能源安全和穩(wěn)定。

　　氫儲能，新能源+儲能的重要發(fā)展方向

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

　　儲能有多種類型，目前主流儲能方式是抽水蓄能和電池儲能。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;電池儲能適用于小功率、短周期、分布式儲能。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)展的產業(yè)生態(tài)相匹配。從氫儲能與其他儲能的比較來看，電化學儲能的容量是兆瓦級(MW)，儲能時間1天以內;抽水蓄能容量是吉瓦級(GW)，儲能時間1周~1個月;氫儲能的容量是太瓦級(TW)，時間可達到1年以上。氫儲能可跨區(qū)域、長距離儲能。在能量轉換方面，氫能可轉換為電能、熱能、化學能等多種形式的能源，兼具安全性、靈活性和規(guī)模性特質，在能量維度、時間維度、空間維度上均具有突出優(yōu)勢。

　　氫儲能是以氫氣為介質，利用電力和氫的互變性實現可再生能源高效儲存及利用的技術。該技術用于調峰調頻、電網削峰填谷、用戶冷熱電氣聯供、微電網等諸多場景。氫儲能既能儲電，又可以儲氫及其衍生物(如氨、甲醇等)。利用電解水制氫氣，用氫氣作為中間載體，能上網的電接入電網，不能上網的電用于生產氫氣。當電力輸出不足時，用儲存的氫氣發(fā)電向電網供電，富余的氫氣存儲起來或轉化為甲醇、氨氣等化學衍生物，為交通、建筑和工業(yè)等終端部門提供動力燃料和化工原料。

　　在“十四五”規(guī)劃綱要中，氫能與儲能被列為前瞻謀劃的六大未來產業(yè)之一。我國自2019年開始嘗試氫儲能，目前已經開展多個氫儲能項目。隨著氫燃料電池和電解槽技術逐漸成熟，氫儲能憑借規(guī)模大、周期長、可跨區(qū)域儲能等優(yōu)勢，成為“可再生能源+儲能”的重要發(fā)展方向，氫儲能項目正在全國“悄然開花”。但是，目前我國氫儲能發(fā)展仍處于商業(yè)化初期階段，氫儲能的造價還處于高位，氫儲能的應用整體上缺乏經濟性。創(chuàng)新發(fā)展氫儲能技術，進一步拓展氫儲能應用場景，構建電氫融合能源體系，是氫儲能突破成本掣肘的關鍵。

　　推動多能源互聯互濟與源網荷儲協同，是未來新能源體系的一個發(fā)展方向。筆者認為，電氫融合能夠有機結合電能與氫能優(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，未來將與電力系統產生更多的耦合關系，進一步推動新型電力系統建設。

　　而面對氫能在新型電力系統中的應用仍面臨諸多挑戰(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、產能與用能錯位的情況，我們建議針對新能源大基地建設，鼓勵就近消納，優(yōu)先發(fā)展制氫產業(yè);利用西電東送，在靠近負荷中心的地方制氫，就地儲存，就地利用;就地利用與大規(guī)模、長距離儲運相結合，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”的生產和儲運成本較高的問題，降低綠電價格是降低“綠氫”成本最有效的手段，應鼓勵發(fā)展風光微網或離網直接制氫，減少過網費、直交流和高低壓變換環(huán)節(jié)，低成本高效率制取“綠氫”;新能源配送應盡可能利用現有的傳輸系統，以降低新型電力系統的投資與運行成本。

　　(作者：于冠一 朱 麗，分別系天津大學國家儲能技術產教融合創(chuàng)新平臺、APEC可持續(xù)能源中心副教授;天津大學國家儲能技術產教融合創(chuàng)新平臺副主任，APEC可持續(xù)能源中心主任、教授)