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氫能是現代能源體系的重要組成部分，將深刻影響中國能源應用的前景。氫儲能是解決可再生能源消納和緩解峰谷電差的有效方式之一，通過電轉氫技術可以實現規模化、長期、廣域的儲能。氫儲能或將成為未來重大創新技術，可有效彌補電能存儲性能差的短板，有力支撐高比例可再生能源發展，有助于優化能源結構，提升能源系統整體效率，促進能源革命。

氫儲能概述

目前氫氣制取主要有以下三種較為成熟的技術路線：一是化石燃料制氫；二是工業副產氫尾氣提純制氫；三是電解水制氫。化石能源和副產氫提純制取的氫氣本質來源都是含碳化石原料，無法擺脫碳排放問題；并且這兩種技術路線都是從一種易儲存的能量物質，轉換成另一種可存儲的能量物質，不適用于氫儲能，也不利于降低排放。而通過可再生能源電解水制氫，可實現電-氫綠色轉換，將不易儲存的電能轉換為氫能存儲起來，實現能源轉換和存儲。

儲能發展的必要性

國家能源局統計結果顯示，2019年底，可再生能源發電裝機達到7.94億kW，占比39.5%；2019年可再生能源發電量達2.04萬億kWh，占比27.9%。可再生能源快速發展的同時也帶來了大量的問題，水力發電的季節性、風光發電的波動性和不確定性，對電力系統資源配置、安全穩定運行提出了更高要求。2019年全年主要流域棄水電量300億kWh、棄風電量169億kWh，棄風率4%；棄光電量46億kWh，棄光率2%。發展切實有效的大規模儲能技術，對消納棄電、保障電力系統穩定具有重要意義。

儲能的種類和特點

下表給出了幾種儲能方式的綜合比較：

（注：*表示電站通常設計使用壽命；**堿性電解設備壽命15年，燃料電池發電受制于現階段的技術成熟度，壽命約6年，綜合取10年。）

目前較為成熟的儲能方式主要有抽水蓄能和電化學儲能兩大類。抽水蓄能電站需要具有發達的水系和優良的地質條件，并且建設周期長；電化學儲能近些年發展迅速，但由于成本較高，電池壽命只有五年左右，并且廢舊電池處理面臨諸多環保問題，目前在容量需求小的調頻率儲能應用較多，大規模調峰儲能應用不具有經濟可行性。其他方式的儲能包括壓縮空氣儲能、電磁儲能（超級電容器、超導儲能）和熱儲能等，受制于技術成熟度、成本、效率等方面因素影響，目前難以做到大規模商業化應用。

氫儲能優缺點

氫儲能技術是利用電力和氫能的互變性而發展起來的。利用電解制氫，將間歇波動、富余電能轉化為氫能儲存起來；在電力輸出不足時，利用氫氣通過燃料電池或其他發電裝置發電回饋至電網系統。電解水制氫技術成熟，工藝簡單，清潔環保，制取的氫氣和氧氣純度高，而且設備單機容量大，市場成熟產品可做到5 MW/臺，制氫量1000 Nm3/h，可大規模使用。

氫儲能目前存在的問題是效率較低、造價高。電解水制氫效率達65%~75%，燃料電池發電效率為50%~60%，單過程轉換效率相對較高，但電-氫-電過程存在兩次能量轉換，整體效率較低。制氫設備的單位造價約2000元/kW，儲氫和輔助系統造價為2000元/kW，燃料電池發電系統造價約9000元/kW，燃料電池的投資占到氫儲能系統總投資的接近70%；且現階段規模化燃料電池發電系統應用較少，技術成熟度、系統壽命有待驗證。

廣義氫儲能

傳統意義的氫儲能是電-氫-電的轉換，前文已論述存在效率低、價格高的問題。效率主要問題是兩次能量轉換，整體效率低；價格主要問題是燃料電池投資占比高。相較于傳統儲能，廣義氫儲能強調電-氫單向轉換，由于廣義氫儲能系統效率高和成本低，上游與可再生能源發電結合，下游瞄準高純氫市場需求，具有廣闊的應用場景，受到國內外學術界、產業界的廣泛關注和研究。電解制氫將難以儲存的電能轉化為可存儲的氫氣，氫作為能源和原料，供氫燃料電池交通、燃料電池應急備用電源、天然氣摻氫燃料、化工原料、工業還原保護氣體等場景使用。

氫儲能調峰站

中國三北地區風光資源豐富，西南部水資源豐富。但是由于我國的經濟發展存在地域間的較大差異，西部地區的經濟發展程度相對較為落后，可再生能源在中西部地區難以就地消納；另外，可再生能源具有季節性、波動性特點，使其無法在市場中準確申報電量，造成了可再生能源一定程度上的棄電浪費。電網系統為應對大規模可再生能源上網，保障配套投資增加，火電、燃機深度調峰，無法高效最優運行，以至排放增加。

在可再生資源豐富地區就近建設大規模電解水制氫站，消納清潔能源，減緩風光發電間歇波動，對電網穩壓性的影響是廣義氫儲能的一種應用方式。

氫儲能調峰站系統

據國家能源局統計，2017年我國大部分特高壓工程利用小時數不足5000 h，部分工程投運后最大輸電功率未達到預期；谷電時段電網通道負荷率更低，而此時段正是風資源發電量高峰時段。2020年8月，國家發展和改革委員會、國家能源局聯合發布《關于開展“風光水火儲一體化”“源網荷儲一體化”的指導意見（征求意見稿）》，提出要提高輸電通道利用效率、電力需求響應能力，挖掘新能源消納能力。

我國具有強大、完善、覆蓋面廣的電力輸送系統，發揮我國電網基建優勢，谷電時間段通過“西電東送”“北電南送”特高壓通道，將三北地區的清潔能源輸送到高純氫市場需求端電解制氫儲能，變氫能輸送為電能輸送，解決可再生能源消納和氫儲運面臨的技術、成本、安全等難題。當前國家電投正依托烏蘭察布風電基地項目，實施“蒙電進京、谷電制氫、用氫示范”，為京津冀地區氫能交通示范運用，提供可再生能源的氫氣保障。

氫儲能調峰站典型設計方案

東部經濟發達地區用電負荷量大，峰谷電差也大。以某沿海城市為例，日均用電負荷功率13500 MW，峰谷電差達4000 MW，調峰問題日益突出。利用氫的儲能特性和電-氫靈活轉化關系，發揮氫儲能在電網中“填谷”作用。谷電時段，電網將可再生能源電能輸送到高純氫需求端，通過電解水制氫儲能，供燃料電池交通和電子等行業使用，提高可再生能源消納和輸電通道利用率。電解制氫的副產氧純度在98.5%以上，主要雜質為H2O和H2，提純成本低，經濟價值高。

在峰電時段，由于氫燃料電池發電成本較高，可以采用天然氣摻氫富氫燃機發電向電網送電。富氫燃機具有以下優點：

造價約3000元/kW，遠低于燃料電池；

可利用城市天然氣管網提供燃料；

天然氣摻氫20%，可提高燃燒效率，降低碳排放和污染物排放；

摻氫比例可根據需求在0~20%之間調節；

可熱電聯供，提高綜合效率。日本川崎、三菱、西門子等公司在天然氣摻氫、純氫燃氣輪機方面，都具有相應的成功應用示范。

氫儲能調峰站配套質子膜氫燃料電池（PEMFC）發電作為應急備用電源，替代傳統的柴油發電機備電。PEMFC燃料電池利用儲存的氫氣發電，相比柴油發電具有運行安靜、零排放、燃料成本低（PEMFC度電成本1元，柴油發電度電成本2元）等優點。

氫儲能調峰站潛在挑戰

用地性質制約

雖然2020年3月修訂的《能源法》將氫氣作為能源一詞列入諸種能源之一，但仍未改變其危化品管控屬性，規模化制氫站須入在化工園區，這限制了氫儲能調峰站的選址，尤其在電、氫負荷中心的東部經濟發達城市選址更加困難。

制氫設備技術成熟度

電解水制氫技術根據電解質不同，主要可分為堿性（ALK）、質子交換膜（PEM）、固體氧化物（SOEC）電解三大類，SOEC電解可以利用外供熱源效率最高，PEM和ALK次之。

電解水制氫設備技術參數表

其中堿性電解技術成熟、成本低，是國內商業化應用的主流產品；但是其動態響應速度慢，在需要頻繁啟停、變負荷運行的氫儲能調峰站中應用有較大弊端。PEM制氫動態響應速度快、抗電源負荷波動性強，適合在氫儲能調峰站使用；但目前國內PEM制氫設備技術成熟待工程化應用驗證，其高昂的價格限制了大規模工程化推廣。

產業下游高純氫市場消納風險

電解制取的高純氫，理想的市場消納方式是高純電子氫和能源氫，高純電子氫市場需求相對穩定，未來市場增長點集中于能源氫在氫燃料電池領域的應用。2018年至今，全國諸多省、市紛紛出臺氫能和燃料電池發展規劃和激勵政策，中國氫能聯盟2019年發布的《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》預測，到2025年我國加氫站將達200座，按照每座加氫站800 kg/d的加氫量，交通領域年氫氣需求5.84萬t，可以消納50個20 MW氫儲能調峰站氫氣量。據目前技術和市場分析，氫能源交通的普及仍然有著巨大的困難：氫燃料電池汽車的技術成熟度和使用壽命有待應用驗證；在政府補貼逐漸退去的情況下，燃料電池車成本能否低至與燃油車、電動車競爭，有待市場檢驗。能源氫終端應用市場的增長仍有一定的不確定性。

結論和建議

氫儲能是支撐高比例可再生能源發展有效方式之一。傳統電-氫-電的儲能方式綜合效率低、造價高，現階段不具備經濟適用性。借助我國跨區域特高壓輸電通道優勢，將可再生資源豐富地區的電能輸送到高純氫負荷中心，建設氫儲能調峰站，谷電時段制氫儲能（P2H），峰電時段天然氣摻氫富氫燃機發電回饋電網，可以實現可再生能源消納，提高輸電通道利用率，緩解東部城市峰谷電差大的問題，解決氫氣遠距離運輸成本、安全等難題。

針對氫儲能調峰站發展面臨的挑戰，建議如下：

開展用戶端制氫試點探索

河北省為發展氫能產業，支持可再生能源綠色制氫和風光可再生能源消納，率先發布風力發電配套制氫項目可不進化工園區。建議在認真做好技術評估、滿足安全要求的前提下，有序推進非化工園區制氫試點探索，開展用戶端制氫的示范，參照天然氣管理方式，在以能源方式利用時，將氫氣納入能源管理范疇。

發揮電網企業的作用

氫能和電能同屬于清潔的二次能源，充分發揮電網企業在二次能源領域的調度經驗，實現氫電之間深度耦合互補，提高能源綜合利用效率。具體而言，建議電網企業在電網輸送通道利用率低的谷電時段，降低清潔能源跨區域輸送過網費；對以削峰填谷為目的的氫儲能調峰站，建議減免容量費。

試點探索多元化商業模式

建議政府層面的氫能產業政策從燃料電池交通、加氫站向氫氣清潔高效制取、氫能在能源體系中的耦合利用等“大氫能”產業擴展延伸。加快對新領域試點項目的論證和規范審批流程，促進示范落地；通過規劃政策引領，消除能源行業間壁壘，促進能源產業融合，構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系。