氫電耦合成就能源全新場景

——訪中國工程院院士黃其勵(lì)

自2019年首次在政府工作報(bào)告中被提及，氫能的發(fā)展便進(jìn)入了“快車道”。

近年來，氫能在重點(diǎn)場景、重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)行業(yè)的開發(fā)利用，為建設(shè)新型能源體系提供了有力支撐。

而氫與電的耦合可降低新能源隨機(jī)性、波動(dòng)性對(duì)電力系統(tǒng)“保安全、保供應(yīng)”的影響，大幅提高高比例新能源發(fā)展和消納能力。

氫能是如何從“默默無聞”到“備受關(guān)注”的?氫與電“牽手”有哪些良好應(yīng)用場景?未來，氫能及氫電耦合將如何發(fā)展?中能傳媒記者就相關(guān)問題采訪了中國工程院院士黃其勵(lì)。

中能傳媒：氫能作為一支“新生力量”，是如何在眾多能源品類中脫穎而出的?

黃其勵(lì)：氫能作為新能源高效靈活轉(zhuǎn)化介質(zhì)，可變革移動(dòng)式和分布式能源使用模式，保障最大限度利用可再生能源。比如，在新能源消納和跨區(qū)域調(diào)度能力方面，通過新能源電力電解水制綠氫技術(shù)，進(jìn)而合成其衍生品，提高新能源的消納能力;通過管道、新型載體等方式實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)消外送，完成能源資源的跨區(qū)域調(diào)度、跨品種耦合。

又如，在支撐終端部門大幅提升電氣化比例方面，針對(duì)重工業(yè)、重型交通等高排放、難減排的領(lǐng)域，通過氫及其衍生品作為新能源的二次能量載體，以綠色原料或者燃料的形式推動(dòng)終端用能清潔化、低碳化，減少石油、天然氣、煤炭等傳統(tǒng)化石能源使用。

不容小覷的是，氫儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)充電功率、放電功率、充電容量、放電容量“四解耦”。氫及衍生氣體的能量存儲(chǔ)規(guī)模可從百千瓦到吉瓦，存儲(chǔ)時(shí)間可從小時(shí)到季，技術(shù)潛力可達(dá)到百吉瓦級(jí)別。與抽水蓄能和其他新型儲(chǔ)能等比較，儲(chǔ)氫在長周期、規(guī)模化方面有明顯優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)跨時(shí)間/跨空間的協(xié)調(diào)優(yōu)化，支撐電力系統(tǒng)的靈活性。

中能傳媒：氫與電進(jìn)行耦合有哪些優(yōu)勢?若想促成更大規(guī)模的推廣應(yīng)用，需要哪些技術(shù)支撐?

黃其勵(lì)：氫能一躍成為“新秀”，得益于氫電耦合的技術(shù)價(jià)值。

多重背景之下，氫電耦合的典型案例和場景應(yīng)運(yùn)而生。大體有三個(gè)方面，一是新能源大基地開發(fā)，二是深遠(yuǎn)海綜合能源島開發(fā)，三是工業(yè)場景氫電耦合開發(fā)。

新能源大基地開發(fā)，即通過氫能實(shí)現(xiàn)風(fēng)光大基地高質(zhì)量建設(shè)和特高壓高水平發(fā)展，依托大基地規(guī)模化開發(fā)使制氫成本較傳統(tǒng)開發(fā)總成本降低40%以上。通過“發(fā)電上網(wǎng)+離網(wǎng)制氫”耦合化，在滿足項(xiàng)目收益率要求的基礎(chǔ)上，將上網(wǎng)部分獲得收益來補(bǔ)貼制氫端，是近期支撐綠氫成本下降和規(guī)模快速擴(kuò)大的重要解決方案。

從技術(shù)角度來說，增加電解槽負(fù)荷可調(diào)節(jié)范圍能夠提升電解槽對(duì)新能源波動(dòng)性的接受能力，是提高制氫裝備靈活性和利用小時(shí)數(shù)的關(guān)鍵。堿性(ALK)電解水制氫技術(shù)需進(jìn)一步提升裝備負(fù)荷可調(diào)節(jié)范圍或與質(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，充分發(fā)揮ALK大規(guī)模優(yōu)勢和PEM靈活性優(yōu)勢，提高項(xiàng)目整體運(yùn)行效率。這方面的重點(diǎn)研發(fā)任務(wù)包括：寬范圍、高效率、低電耗的ALK制氫技術(shù);大規(guī)模、低成本、長壽命的PEM制氫技術(shù);P2G(可再生能源發(fā)電技術(shù))場景下ALK+PEM集群聯(lián)合控制技術(shù)等。

與此同時(shí)，重型摻氫/純氫燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)也不容忽視。燃?xì)漭啓C(jī)與天然氣燃?xì)廨啓C(jī)一樣具有供給和調(diào)節(jié)能力，可助力我國部分地區(qū)的電力保供。

目前，多國正在加快開展摻氫/純氫燃?xì)廨啓C(jī)示范應(yīng)用，我國也在持續(xù)跟進(jìn)。下一步，要重點(diǎn)解決燃?xì)漭啓C(jī)核心設(shè)計(jì)、部件制造、控制系統(tǒng)等方面的自主化和可靠性;推動(dòng)綠氫制儲(chǔ)輸技術(shù)研發(fā)，建設(shè)低成本、大規(guī)模供應(yīng)鏈，支撐燃機(jī)用氫需求;開展燃?xì)漭啓C(jī)燃燒過程中氮氧化物低排放技術(shù)和方案研究，形成完整方法;加快建立燃?xì)漭啓C(jī)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系，支撐相關(guān)裝備的推廣和安全應(yīng)用。

另外，聚焦深遠(yuǎn)海綜合能源島開發(fā)場景，依托可再生能源制氫技術(shù)實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海區(qū)域就地發(fā)電制氫(氨)后送至岸上，或直接進(jìn)行氫基能源的跨國貿(mào)易，可高效支撐深遠(yuǎn)海能源基地建設(shè)。

我國深遠(yuǎn)海區(qū)域風(fēng)能資源豐富、開發(fā)潛力大，是海上風(fēng)電未來發(fā)展的趨勢。海上風(fēng)電制氫是解決海上風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)消納難、深遠(yuǎn)海電力送出成本高等問題的有效手段。海水的雜質(zhì)非常多，對(duì)電解槽的電極是極大的考驗(yàn)，同時(shí)也對(duì)整個(gè)電解系統(tǒng)和控制有較高要求。海上風(fēng)電原位制氫技術(shù)未來可進(jìn)一步與海上可再生能源相結(jié)合，打造無淡化、無額外催化劑的海水原位直接電解制氫工程。尤為可賀的是，中國工程院院士謝和平率領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)研制了全球首套400升/小時(shí)海水原位直接電解制氫技術(shù)與裝備，在深圳灣海水中連續(xù)運(yùn)行已超3200小時(shí)。

關(guān)于氫氣的轉(zhuǎn)存、輸送，建議可采取“海上制氫站+管道輸送氫(氨)”或“海上制氫站+運(yùn)輸船輸送氫(氨)”兩種方案。實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海氫能及其衍生品的大規(guī)模、低成本輸送需重點(diǎn)圍繞基礎(chǔ)設(shè)施開展技術(shù)研發(fā)。轉(zhuǎn)存方面，包括穩(wěn)定氫液化及綠氫合成氨裝置、大型液氫儲(chǔ)罐;輸送環(huán)節(jié)，包括液氫運(yùn)輸船、海底抗腐蝕氫(氨)軟/硬管道等。

對(duì)于工業(yè)場景氫電耦合開發(fā)，即利用綠氫作為原料或還原劑替代煤炭，使煤炭回歸原料定位，將提高終端能源靈活性，引導(dǎo)工業(yè)產(chǎn)業(yè)布局再集聚。要以氫能為中心打造可再生能源—“電力系統(tǒng)+氫能網(wǎng)絡(luò)”—工業(yè)產(chǎn)線的能源循環(huán)系統(tǒng)，提高我國能源大系統(tǒng)的綜合利用小時(shí)數(shù)和利用效率，降低整體能源應(yīng)用成本。

工業(yè)場景的氫電耦合應(yīng)用從需求端出發(fā)，依托綠色減碳轉(zhuǎn)型需求，具備大規(guī)模部署能力。在技術(shù)研發(fā)需求方面，根據(jù)領(lǐng)域劃分，主要有綠氫耦合煤化工技術(shù)(化工領(lǐng)域)、氫冶金技術(shù)(鋼鐵領(lǐng)域)和煤摻氮發(fā)電技術(shù)(發(fā)電領(lǐng)域)。

中能傳媒：如此良好的前景，氫能應(yīng)如何把握“自己的命運(yùn)”?氫電耦合該如何攜手共赴新征程?

黃其勵(lì)：對(duì)此，我提四點(diǎn)建議：

一是加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，聚焦產(chǎn)業(yè)鏈重點(diǎn)環(huán)節(jié)加大氫電耦合關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)力度。研究歐盟、美國、日本等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體技術(shù)發(fā)展路線，聚焦國家重大科技前沿問題和國家重大需求，制定氫電耦合關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)路線圖。聚焦大規(guī)模電解水制氫技術(shù)、氫高效轉(zhuǎn)化、柔性綠氫耦合煤化工、高比例煤摻氨等關(guān)鍵技術(shù)工藝和核心器件領(lǐng)域的創(chuàng)新迭代。設(shè)立并實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的重大科技專項(xiàng)，穩(wěn)步增加氫電耦合領(lǐng)域科技研發(fā)投入力度，布局一批氫能國家研發(fā)中心。

二是努力協(xié)同創(chuàng)新，打造綠色氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)合體。央企等骨干企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)協(xié)同創(chuàng)新，推動(dòng)科技研發(fā)平臺(tái)建設(shè)和人才引進(jìn)，高質(zhì)量打造氫能原創(chuàng)技術(shù)策源地。氫能骨干企業(yè)聯(lián)合創(chuàng)新打造氫能“百站萬輛”和“氫能高速”等重點(diǎn)場景全產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模化、一體化工程，降低產(chǎn)業(yè)成本。加強(qiáng)氫能骨干企業(yè)跨行業(yè)溝通交流，開展覆蓋基礎(chǔ)材料、零部件、系統(tǒng)裝備等全產(chǎn)業(yè)鏈合作，共同發(fā)力引導(dǎo)市場進(jìn)步。

三是積極開展示范，打造規(guī)模化、低成本可再生氫大基地。推動(dòng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”“風(fēng)光氫儲(chǔ)一體化”項(xiàng)目，支撐風(fēng)光資源消納;打造孤島等新型分布式能源系統(tǒng)示范。探索深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)，打造“海上能源島”;開展百兆瓦級(jí)氫儲(chǔ)能試點(diǎn)示范。優(yōu)化傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)體系，圍繞綠氫耦合煤化工、氫電融合、綠氫耦合冶金等領(lǐng)域開展超前示范，支撐先進(jìn)技術(shù)先行先試。

四是完善標(biāo)準(zhǔn)管理，加快推動(dòng)制定和完善綠色氫能行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。對(duì)標(biāo)國際氫能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制修訂工作，梳理我國氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系缺口，構(gòu)建面向氫電耦合場景的標(biāo)準(zhǔn)體系。重視參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制修訂，積極、實(shí)質(zhì)地申請(qǐng)參與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的工作和活動(dòng)，將中國的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)與國際接軌。加快推動(dòng)氫能“領(lǐng)跑者”行動(dòng)實(shí)施，圍繞氫能重點(diǎn)裝備、氫氣品質(zhì)等方面推動(dòng)檢測實(shí)證平臺(tái)建設(shè)。

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