自從黨中央提出構(gòu)建“以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”國家能源戰(zhàn)略后，能源行業(yè)內(nèi)，百花齊放，百家爭鳴，行業(yè)專家都從自己熟悉的專業(yè)角度解析什么是新型電力系統(tǒng)。爭論的焦點是：應對新能源的爆發(fā)性增長，應如何重構(gòu)電力系統(tǒng)的物理形態(tài)與體制機制。盡管目前存在大量問題有待解決，但其中最緊迫、最關(guān)鍵的難題是：如何解決更大范圍和更長周期的電力電量平衡問題。目前電化學只能是小時級別的儲能，不能解決多天、月度、季度的長時間儲能難題。
本文將從能源經(jīng)濟學的角度，思考如何高質(zhì)量推動新型電力系統(tǒng)建設(shè)。第一，新能源的配送應盡可能利用現(xiàn)有的傳輸系統(tǒng)，以降低新型電力系統(tǒng)的投資與運行成本。第二，應盡可能利用現(xiàn)有火力發(fā)電基地的空間，實現(xiàn)電網(wǎng)與土地資源再利用。第三，應發(fā)揮電與氫能不同優(yōu)勢。電能運輸成本低、安全、可靠，但不宜大量存儲;氫能能量密度高，電制氫技術(shù)相對成熟，氫作為電能儲存的載體是可行的;并且在很多煉鋼、化工、交通運輸行業(yè)，氫能有廣闊的應用前景;但其運輸成本高、技術(shù)不成熟，易發(fā)生安全事故，揮發(fā)性強。第四，應優(yōu)先利用新能源發(fā)電，提升終端能源的再電氣化;新能源發(fā)電的波動性則通過“以電制氫、氫再發(fā)電”的儲能方式解決;國際上已將氫能作為電能季節(jié)性存儲的載體。第五，考慮我國新能源資源與水資源的逆向分布，應充分利用我國獨創(chuàng)的高壓輸電技術(shù)實現(xiàn)西電東送，在原火電廠基地制氫、再發(fā)電，并循環(huán)利用水資源。第六，電與氫能應融合發(fā)展，實現(xiàn)互聯(lián)互通、互補互利。基于上述思路，本文提出新能源為主、電網(wǎng)配送、電氫融合的新型電力系統(tǒng)戰(zhàn)略選擇，主要構(gòu)想如下。
以成熟的輸配電網(wǎng)作為新能源輸送的載體，實現(xiàn)新能源的聚集、傳輸和配送。當新能源過剩時，在原火電廠的位置開展“綠電制氫”;當新能源發(fā)電不足時，“氫再發(fā)電”;解決長時間尺度上的電力電量平衡的難題。同時所獲得的綠氫也可滿足鋼鐵、化工等行業(yè)對氫的需求。該構(gòu)想不僅以氫能方式開展大規(guī)模儲能，還支撐了氫能的廣泛應用，實現(xiàn)電與氫融合發(fā)展。構(gòu)想的可行性分析如下。
1. “以電為主、電氫融合”將是新型電力系統(tǒng)的物理形態(tài)。電能與氫能都是最清潔的能源，電能來源于新能源，氫也是來源于新能源的轉(zhuǎn)化，兩者不是融合競爭、互相支撐的關(guān)系。電能的發(fā)輸配用技術(shù)已非常成熟，形成了低成本、高可靠性的配送系統(tǒng)。但由于發(fā)電與用電是瞬時平衡，一旦不匹配，則需要儲能。氫能能量密度高，是電能大規(guī)模儲存的高效載體。對需要氫能的行業(yè)，可通過電網(wǎng)配送新能源到相應的地點，就地制氫，就近使用。到底選擇電能還是氫能取決于用戶的偏好!用戶的選擇決定了未來終端能源的結(jié)構(gòu)。
2. 通過“以電制氫、氫再發(fā)電”，確保新型電力系統(tǒng)長時間尺度的供需平衡。將大量的新能源發(fā)電通過電網(wǎng)匯聚到水資源豐富的火電基地，在新能源發(fā)電供大于求時，電價價格極低，開展電制氫，以氫能的方式存儲電能;新能源發(fā)電供不應求時，電價價格極高，氫能發(fā)電，將氫能轉(zhuǎn)化為電能;不同時間電價之差足以補償“以電制氫、氫再發(fā)電”的成本，這就解決了新能源為主的電力系統(tǒng)中電力電量長周期平衡的難題，同時也解決了未來電力系統(tǒng)在持續(xù)多天、少風無光情況下電力供應安全問題。
3. 該構(gòu)想解決了我國能源資源與能源需求逆向分布的難題。我國西北部有豐富的光與風資源，有大量可供新能源開發(fā)的土地，但水資源極度稀缺;而能源需求主要集中在中東部，同時中東部有豐富的水資源。選擇之一是直接在西部利用新能源制氫，但是，要制1公斤氫，就需要9公斤水，我國大西北哪里有這么多水資源?如果用西部的水制氫，將氫運輸?shù)街袞|部，并還原成水，這相當于西水東送，將惡化西部的生態(tài)，是不可持續(xù)的。本構(gòu)想解決了西部水資源匱乏的難題，同時可在火電退役后原基地實現(xiàn)水資源循環(huán)利用。
4. 以電網(wǎng)作為新能源配送載體，其成本遠低于氫的運輸成本。當利用新能源制氫后，如何輸送又是一大難題。運輸氫首先需要加壓或液化，然而液化過程耗能較多，需要消耗運輸?shù)臍渌N含能量的30%，相當于每運輸1公斤氫氣消耗7到10千瓦時能量。由于冷氫與環(huán)境溫度之間存在較大的溫差，因此對所用材料和絕熱有很高的要求。通常，液態(tài)氫運輸適用距離應該超過400至1000公里，并且運輸溫度應該保持在零下253°C左右。這樣的運輸條件必然使成本居高不下。有一種觀點認為：氫能的另一個運輸構(gòu)想是讓氫與二氧化碳反應生成甲烷，再通過管道輸送。事實上，甲烷化反應將釋放大量的熱，增加這一步轉(zhuǎn)化將降低整體終端能源效率，與此同時該技術(shù)還需要大量的二氧化碳作為原料，這一想法的經(jīng)濟性與適用性還需進一步論證。
5. 電制氫的技術(shù)有望取得重大突破。據(jù)報道， 我國正在研究千瓦級高溫電解制氫系統(tǒng)，在每平方厘米0.25安培的電解電流密度下，水蒸氣轉(zhuǎn)化率達到70%，電效率為91.9%，產(chǎn)氫量達到每小時1.37立方米(標準狀況下)，衰減速率僅為每1000小時2.25%。5千瓦級電解池堆制氫性能為電解池堆峰值功率7.2千瓦，電解電流密度為每平方厘米0.5安培、峰值產(chǎn)氫速率約為2.3標立方，氫氣純度超過99.995%、電解池能耗約為每標立方3.13千瓦時。另有報道，新型制氫技術(shù)改變產(chǎn)業(yè)格局，新型電解水制氫技術(shù)，有效降低了現(xiàn)有電解水制氫的成本，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，從而達到氫能源工業(yè)化制備的快速轉(zhuǎn)型。這種新型電解水制氫技術(shù)具有如下優(yōu)勢：成本低，相比傳統(tǒng)電解技術(shù)成本可壓縮1/4以上;產(chǎn)能高，具有規(guī)模化、工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)效應;無污染，生產(chǎn)過程中不存在污染和溫室氣體排放，環(huán)評無壓力;工序少，相比現(xiàn)有生產(chǎn)工藝，工序減少1/3左右。從技術(shù)的角度，現(xiàn)有火電廠能夠提供高電壓的制氫環(huán)境，在強電場的作用下，氫元素更容易掙脫原子力，從而大幅提升制氫的效率。特別是固體氧化物(SOEC)電解水技術(shù)，其理論效率可以達到100%，實際效率也高于95%;而且可以配合熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，進一步提高電能的利用率。利用氫能發(fā)電產(chǎn)生的熱力、采用高電壓制氫，有望提升“以電制氫、氫再發(fā)電”的效率，超過抽水蓄能的效率，低于抽水蓄能的成本，實現(xiàn)大規(guī)模儲能的技術(shù)革命!
6. 本構(gòu)想采用“西電東送、東部制氫、適時發(fā)電”是經(jīng)濟可行的。“以電制氫、氫再發(fā)電”是將西部地區(qū)富余的新能源發(fā)電，通過輸電線路轉(zhuǎn)移到中東部地區(qū)，并在東部靠近負荷中心的地方制氫，后續(xù)再以液氫的形式就地儲存、就地利用。按照現(xiàn)在的技術(shù)，若不考慮液氫的長時間儲存，根據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)水平，這部分富余電能的度電輸送到中東部，成本約為0.46元;若考慮液氫的長時間儲存，則儲存一周、一個月時的度電成本分別約為1.05元與1.16元。隨著西電東送輸電線路利用率由于儲電而大幅度提升，“以電制氫、氫再發(fā)電”技術(shù)的不斷進步和大規(guī)模應用，成本將大幅度下降。相比直接利用西部富余的新能源發(fā)電就地制氫，以陸路交通運輸方式輸送到東部再進行發(fā)電，本構(gòu)想安全、便捷，具備顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢!
7. 相對于電化學儲能，“以電制氫、氫再發(fā)電”儲能方式的經(jīng)濟與環(huán)境成本更具有競爭性。電池都需要一定量的鎳、鈷、鋰，材料成本占較大比重。但從2016年底到2018年第一季度，全世界鈷和鋰的價格分別翻了四倍和一倍，這迫切需要電池回收技術(shù)的突破，否則對環(huán)境而言是一種災難!另一方面，目前特斯拉的電池、比亞迪的刀片電池，其能量密度大概是每立方米260千瓦時，由于新能源發(fā)電與用戶用電在空間與時間上的極度不平衡，需要存儲的電量遠遠大于電動汽車，這就決定了無法依靠電池解決這種電能大規(guī)模時空轉(zhuǎn)移的存儲問題，否則其經(jīng)濟與環(huán)境成本是人類難以承擔的!當前隨著新能源發(fā)電成本的不斷降低，綠氫的成本已可以接受。由于是就地存儲氫能，而非遠距離運輸氫能，可大大降低相應成本。另一方面，制氫電極材料優(yōu)選鈦，鈦在地球上的儲量遠大于鋰、鈷，成本也有很大的優(yōu)勢。
8. 氫能發(fā)電的技術(shù)已非常成熟。在美國俄亥俄州的漢尼拔小鎮(zhèn)，通用電氣的渦輪被設(shè)計成能夠使用80%的天然氣和20%的氫氣，將在未來實現(xiàn)只燃燒100%氫氣。氫是宇宙中含量最豐富的元素，它與氧氣結(jié)合燃燒，就可以用來驅(qū)動現(xiàn)代燃氣輪機，以接近零碳排放發(fā)電。2020年，韓國有一座50兆瓦的氫能發(fā)電站已并網(wǎng)運行，陽光電源公司也將有一座500千瓦的氫能發(fā)電站并網(wǎng)運行。當火電逐漸退出運行后，原廠址能夠為制氫、儲氫和氫能發(fā)電提供足夠的空間。
9. 該構(gòu)想采用了在原來的火電廠“以電制氫、氫再發(fā)電”的大規(guī)模儲能方式。這是一種經(jīng)濟利用氫能、風險集中管理的最佳選擇，不但為新型電力系統(tǒng)提供了整體的安全性，而且避免了氫能分散轉(zhuǎn)化、存儲與利用帶來的安全隱患。試想一下，如果大量氫能大范圍分散運輸，可能給整個社會帶來極大的安全隱患。
10. 該構(gòu)想將大幅度提升整個大電網(wǎng)線路的利用率。電網(wǎng)線路利用率偏低是由用戶用電曲線決定的，電網(wǎng)按照滿足用戶最大負荷的原則規(guī)劃建設(shè)，必然在負荷非高峰時段利用率降低。如果能夠大量地以氫能形式儲存電能，必然可實現(xiàn)電力削峰填谷，從而提升電網(wǎng)設(shè)備的利用率，可大幅度提升西電東送的特高壓線路利用率，西部晚上富余的風電可全部用于各基地的制氫，白天負荷高峰時再利用氫氣發(fā)電。
圖 電力系統(tǒng)中的duck curve
11. 該構(gòu)想解決了火電基地轉(zhuǎn)型難題。氫能發(fā)電機技術(shù)類似于燃氣輪機，已相對成熟。這樣就可以讓現(xiàn)有電力系統(tǒng)中星羅棋布的火電廠作為“以電制氫、氫再發(fā)電”的基地，火電廠與電網(wǎng)電氣連接與空間土地資源都是可再利用的資源，為火電基地的轉(zhuǎn)型提供了經(jīng)濟可行的構(gòu)想。
12. 這一構(gòu)想將以最簡單和經(jīng)濟的方式解決以新能源為主體、電力電子化電力系統(tǒng)調(diào)度運行所面臨的難題。由于火電廠變成了氫能發(fā)電機，則其可以提供負荷中心的電壓支撐;氫能發(fā)電機是旋轉(zhuǎn)的，也必然為電網(wǎng)運行提供大量的轉(zhuǎn)動慣量;氫能發(fā)電可快速啟停，可以為電網(wǎng)提供大量事故備用;可利用低谷時段、遠距離輸電、大量儲能，避免電網(wǎng)遠距離重載送電，而整體提升大電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性。
圖 電力系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動慣量需求
13. 這一構(gòu)想也支撐了氫經(jīng)濟的發(fā)展。本構(gòu)想中的綠氫來源于通過電網(wǎng)聚合的新能源，不但解決了新能源匯聚、遠距離傳輸、利用豐富水資源、火電退役后的資源再利用、高效制氫等一系列的難題，而且使制氫成為電網(wǎng)柔性和最友好的負荷，充分利用多余的新能源制氫，實現(xiàn)了不同電能與氫能之間的互聯(lián)互通、互惠互利。哪個地方需要氫能，電網(wǎng)就新能源輸配到相應的地點，就地制氫，滿足當?shù)鼐G氫的需要，電網(wǎng)解決了在遠方制氫存在的運輸環(huán)境要求高、成本高、安全風險大的難題。
通過上述可行性分析，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的物理形態(tài)逐漸清晰了。電網(wǎng)類似于互聯(lián)網(wǎng)一樣將無處不在的新能源和電力用戶萬物相連，這就是杰米里·里夫金所倡導的能源互聯(lián)網(wǎng);以氫能為載體的大規(guī)模儲能電站將逐漸替代火力發(fā)電機組，將熨平新能源發(fā)電和用戶用電之間的時空大范圍不平衡，大幅度提升電網(wǎng)設(shè)備的利用率;以氫能發(fā)電機提供負荷中心電網(wǎng)的電壓支撐和備用容量，替代火電機組為大電網(wǎng)提供轉(zhuǎn)動慣量;將提升終端能源的電氣化水平，以承載新能源的電網(wǎng)替代天然氣與供熱管道，電網(wǎng)將以經(jīng)濟、可靠、安全、快捷、綠色的方式實現(xiàn)新能源匯聚、傳輸、配送到千家萬戶，并且可以在需要綠氫的地點、以友好地利用新能源發(fā)電的方式開展制氫，以滿足各行各業(yè)對氫能的需求;將在火電機組退役以后，在原基地上開展大規(guī)模制氫、儲氫和氫能發(fā)電，獲得了開展大規(guī)模制氫的空間資源，并與電網(wǎng)實現(xiàn)了物理上的高度融合。期待這一構(gòu)想能夠推動我國能源轉(zhuǎn)型高質(zhì)量的發(fā)展!
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圖 能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)
當然，本構(gòu)想的構(gòu)想只是初步的，關(guān)于氫能的技術(shù)參考了該行業(yè)專家的成果，構(gòu)想的落實需要更為詳細的科學論證。期待國家舉各方之力，聚集最優(yōu)質(zhì)的資源開展該領(lǐng)域研究與應用，以形成引領(lǐng)世界能源發(fā)展的新型電力系統(tǒng)的核心技術(shù)。我國擁有世界上最先進的高壓輸電技術(shù)，如果能夠與大規(guī)模制氫、儲氫和氫能發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)將指日可待，將為中國“碳達峰、碳中和”和人類可持續(xù)發(fā)展做出巨大的貢獻!(夏清、康重慶等)
