摘要

 

氫是可儲存、可移動、能控制的二次清潔能源，是理想的電力能源載體。把氫作為能源進行開發利用，是應對全球氣候變化、保障國家能源安全、實現全社會低碳轉型的重要手段。作為重要的溫室氣體排放行業，電力行業尤其是發電行業，應盡快發展包括氫能在內的新型能源應用，實現行業的能源零碳轉型。為此，根據“雙碳”目標要求，分析了我國電力行業氫能應用現狀，提出了當前氫能應用存在的主要問題。借鑒國際主要氫能國家電力應用發展經驗，結合“再電氣化”要求，從法規制定、政策支持、金融創新以及電力行業場景應用等角度為氫能電力應用提出發展建議，即“十四五”期間電力企業應做好氫能發展技術儲備，抓住行業發展機會，積極推動電力系統能源轉型升級。

 

 

根據國際能源署預測，2050年全球的氫能應用總量預計將占到能源消費結構總量的20%，相當于每年替換熱值為78 EJ的化石燃料，對應將每年減少 6 Gt的CO2排放量，相當于2019年全球排放量的18%。由此可見，氫能替代化石燃料對于實現全球經濟脫碳轉型作用顯著。

 

電力行業尤其是發電行業，是重要的溫室氣體排放領域。我國作為全球最大的煤電國家，推動電力行業能源轉型對于未來實現“雙碳”目標和社會的綠色低碳發展非常關鍵。因此，積極推動電力行業的控煤和去煤，推動對氫能等新型可再生能源發電資源的替代應用試點研究，是我國電力行業發展新型電力系統的重點。未來隨著風、光為主的可再生能源建設項目大規模開展，電解制綠氫將會成為氫能的主要來源。屆時，氫能將會作為發電、儲能和實現不同能源間大范圍、多品種、大規模互聯互補的重要新型綠色能源。

 

本文通過總結分析國內外氫能電力應用發展現狀，從電力企業角度出發，展望氫能在電力行業應用前景，借鑒國外氫能發展經驗，針對目前我國電力行業氫能發展存在的問題提出建議，以期推動電力行業的低碳轉型發展。

 

 

我國作為全球第一大產氫大國，具備良好的氫工業發展基礎，擁有較為成熟的氫產品應用經驗。目前，我國在制氫、燃料電池以及燃氫汽車等方面均有較好的應用研究成果，2020年氫產量和消費量均突破2500萬t。隨著通信、能源管理技術的進步，以及“雙碳”目標的持續推進，氫勢必會成為未來理想的清潔能源或能源載體，實現跨季節和跨地區動態儲能，以及電力系統的能源替代，全面推動電力系統的零碳轉型。

 

1.1 氫儲能系統應用

 

氫是能儲存百吉瓦時以上，可適用于極短或極長時間供電的儲能介質，具有大規模儲能能力的新型能源載體。與其他儲能方式相比，氫儲能具有以下優勢：

 

1）氫可與電通過電解水和燃料電池技術實現高效可逆轉換；

 

2）單位質量氫能的能量密度高；

 

3）具有成比例放大到電網進行大規模應用的潛力；

 

4）氫可以氣態、液態或固態的形式進行長久儲存和運輸，非常適合與可再生能源發電系統進行儲能配套。

 

從其優勢可見，氫能非常適合應用在分布式發電儲能配套系統上，如大型風電、光伏的儲能配套，水電站的儲能配套，以及偏遠地區的可再生能源就地消納配套等電力領域的應用。通過氫電耦合實現跨季節、跨區域調節、轉換、儲能以及互聯互補，解決區域間歇性能源供求不匹配的問題，降低可再生能源給電網帶來的沖擊。

 

2020 年 8 月，國家發改委、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，發揮我國電網基建優勢，通過“西電東送”“北電南送”特高壓通道，將三北地區的低負荷清潔能源輸送到需求端，通過電解制氫儲能，再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。當前相關電力企業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”，為京津冀地區提供氫氣保障，可預見“十四五”氫能作為重要的電力能源載體將會迎來重要的發展機遇。

 

1.2 燃料電池發電應用

 

燃料電池可將氫的化學能直接轉化為電能，是氫能利用的主流技術之一。根據不同工作溫度和不同電解質材料，氫燃料電池分為中低溫條件下質子交換膜燃料電池 (proton exchange membrane fuel cell， PEMFC)、堿性燃料電池(alkaline fuel cell， AFC)和磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)。此外，還有在高溫工況下工作的熔融碳酸鹽燃料電池(molten carbonate fuel cell，MCFC)和固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)。表1列出了主要的燃料電池特性和應用場景。

 

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從表1可以看出，PEMFC具有低溫運行、快速啟動特性，是理想的分布式燃氫電源。通過配套氫儲能應用，在風光資源豐富但無法并網發電時，系統就地制儲氫，實現跨季節、跨地區動態儲能，減少可再生能源發電間歇性、波動性帶來的沖擊，提高系統靈活性。

 

MCFC和SOFC常規的裝機容量相對較大，對燃料品質要求相對較低，發電效率則高達60%，且這2種燃料電池在常規情況下運行溫度均超過600 ℃，適合使用熱電聯技術。在同等裝機規模下，固體燃料電池可接近于傳統熱電聯產機組作用，作為備用或離網分布式電源系統，為偏遠易停電地區的關鍵設施(如醫院、通信基礎設施等)提供靈活的供電保障。同時，氫燃料電池還能與電力、熱力等能源品種實現互聯互補，為建筑和居民社區提供供熱與供電服務，達到系統綜合能效最大化的目的。

 

1.3 燃料替代應用

 

氫能也是傳統電廠實現碳中和、零碳排放的理想燃料之一。目前燃氣輪機的主要燃料是天然氣，1kW CO2排放當量相當于標煤的一半左右，溫室氣體排放顯著。在發展新型電力系統、利用更多可再生能源的要求下，燃氣輪機的氫能替代也將是實現“3060”發電企業脫碳發展的一個重要技術路徑。采用混氫天然氣可以改善燃氣輪機燃燒室的燃燒穩定性及聲學情況，同時降低廢氣排放量，減少化石燃料消耗和達到減排的目的。根據中摻氫燃燒實驗，向甲烷/空氣混合物摻入氫氣能夠增加 OH 自由基的濃度，提高火焰的穩定性、降低 CO 含量，并通過反應控制可有效降低氮氧化合物的形成。

 

現階段全球主要的燃氣輪機廠家已相繼開展燃氣輪機的摻氫改造，改造后項目摻氫率可達到5%左右。同時，燃氣輪機廠商也積極開展燃氫機組的研發工作，西門子和通用電氣均在氫能燃氣輪機方面投入研發并形成相關產品。例如，西門子SGT系列配有干式低排(dry low emission，DLE)燃燒器的重型燃氣輪機(E級以上)，摻氫率可達 30% 左右，而部分配備濕式低排(wet low emission，WLE)燃燒器的工業燃氣輪機和航改機則可達100%的摻氫率。

 

此外，綠氫制氨或合成甲醇也被視為實現凈零排放的新一代燃料。通過綠氫制氨與煤粉共燃，替代部分燃煤，或使用氫合成甲醇替代分布式燃機柴油應用，可以有效降低傳統化石燃料的碳排放強度。目前，日本已經開始摻氨發電，預計到2030年利用氨與煤混燃，替代20%的燃煤，相應減少4 000萬t溫室氣體排放，占日本當前電力排放的10%以上，可預見氫合成燃料對電廠脫碳發展意義重大，未來將有可能成為新型電力系統中重要的燃料組成。

 

 

目前我國電力行業的氫能脫碳應用暫處于初期發展階段，行業發展面臨問題較多，通過綜合分析氫能發展的5大問題10個方面可知，電力行業氫能發展應用主要存在以下問題。

 

2.1 缺少國家頂層設計，行業應用發展緩慢

 

目前，我國在氫能發展方面缺乏頂層設計與規范。國家尚未建立氫能行業發展主管部門，未出臺氫能總體規劃和技術發展路線，產業發展方向不夠明確。有關氫能的專項法規體系也尚未建立健全，雖然新版能源法提及要體現氫的能源屬性，但目前氫氣仍從屬于化學品，未被明確列入能源范疇，以致氫在行業發展應用方面存在諸多限制。

 

再則，由于氫能發展缺少統一的規劃，在生產、儲運和應用等環節的產業不協調矛盾比較突出，例如，當前主要集中在制氫和燃料電池環節，而氫能儲運技術儲備不足，電力行業應用也相對缺失。同時，氫能產業缺少相應的行業政策引導和市場培育機制，產業鏈相關的專業知識儲備有限，產業發展更多地集中在制氫和燃料電池產品研發方面，行業應用的深度和廣度方面均不夠成熟，作為二次清潔能源在電力行業應用方面推進緩慢。

 

2.2 缺少核心技術與設備，技術降本不可控

 

雖然我國燃料電池國產化進程正在加快，在氫能全產業鏈有所布局，甚至在某些方面已達到國際領先水平，但由于缺乏核心技術，氫能大規模推廣應用暫不具經濟可行性，技術降本路徑依然不可控。

 

具體來說，在制氫核心組件和制備工藝方面與國際水平存在較大差距，如質子交換膜(proton exchange membrane，PEM)電解槽、膜電極、雙極板、空壓機、氫循環泵等設備和部件與國際主流技術存在一定差距。同時一些關鍵材料(如催化劑、PEM 和碳紙等)暫時也要依賴進口，由于國際壟斷價格較高，目前平均綠電制氫成本昂貴，非常不利于通過大規模普及綠電制綠氫的方式來推動能源的綠色轉型，極大地影響電力行業的氫能發展應用。

 

另外，由于國內沒有統一規劃，氫能發展同質化問題嚴重，差異性和互補性不夠，所設計研發產品主要依靠政府和國企通過科技項目的方式進行消化，缺少可持續的商業化模式，嚴重影響氫能應用在電力行業大規模地推廣布局。

 

2.3 電力行業氫能產業鏈配套不足

 

在電力行業發展可再生資源發電制氫方面存在下游產業配套問題。首先，具備可再生發電資源的地區往往缺少下游用氫產業，導致綠電所制氫氣需要通過儲運設備進行儲存和外運，綠電制氫的整體經濟性不高。

 

其次，對比油氣行業，電力行業氫能應用在儲運設備和技術的儲備方面明顯不足，缺少成熟的儲運經驗和基礎設施資源。例如，目前氫能在儲運環節上產業配套不足，國產氫儲運產品設備在技術上相對落后，目前國內對于高壓氣態儲氫技術僅掌握 35 MPa儲氣，而 70 MPa儲氣主要依賴技術引進，國產技術有待突破。

 

最后，相對于油氣而言，氫能缺少油氣儲運的輸送管道、場站和網絡等基礎設施，單位儲運能力與天然氣差距巨大，儲運費用昂貴。目前氫能的儲運費用大致占到氫能總體成本的一半左右，這嚴重制約了可再生資源發電制氫實現跨區域、跨季節儲能的發展。

 

2.4 氫電技術應用推進緩慢

 

氫能作為非常有前景的清潔燃料，在國內的燃料替代應用目前仍處于實驗階段，其主要原因如下：一是在燃料電池方面，產品技術成熟度還不夠，目前還達不到替代火電或燃氣機組并網發電的能力，綜合經濟性差；二是在燃氣輪機燃料替代應用方面，國內在役的主力燃氣輪機及配件均由國際廠家生產制造，但由于我國并不掌握核心關鍵技術，更多地要依靠主機原廠提供技術和設備材料，在壽命期內進行摻氫改造的整體經濟性差。

 

同時，我國也尚未掌握大型燃氣輪機的核心技術，在燃氫型燃氣輪機研發方面遠遠落后于國際廠家，市場主要的燃氫型燃氣輪機均為國際廠家設計研發，并且大部分在役機組還有很長的壽命。以北京現役燃氣電廠為例，14座現役燃氣電廠所配置的燃機均由國際廠家生產，按常規設計壽命30年計算(不考慮延壽情況)，最早在2000年左右服役的燃氣輪機剩余壽命仍超過10年，因此現階段通過新型燃氫輪機替代現有燃氣輪機的方案，其經濟性和性價比不高。

 

同樣，目前在壽命期內對現有煤電進行摻氨等氫化物的燃料替代改造，在缺少相應補貼機制的前提下，方案也將缺乏整體經濟性，不適合在短期內進行推廣應用。

 

除了以上這些因素影響到氫電技術在國內發電端的推廣應用，目前儲能方面也因核心技術問題制約著氫能在電力行業的大規劃應用。具體來說，雖然氫電耦合儲能技術在應對電網大規模儲能和長周期調節需求下，相對電池儲能更具經濟性，但由于我國目前尚未掌握核心技術，且在相關的制氫儲氫關鍵性設備上尚不能實現自主研發，客觀上嚴重制約了氫電耦合技術的降本發展。同時，高昂的技術引進成本也提高了氫電耦合項目的綜合投資成本，制約了當前氫能在電力系統的應用和推廣。

 

2021年7月，國家發改委正式發布《國家能源局關于加快推動新型儲能發展的指導意見》，提出要推動新型儲能發展。《意見》旨在推動能源綠色轉型的同時增強電力系統的可靠性和靈活性，而探索儲氫則被歸為本次意見要開展研究的重點內容。未來通過出臺補貼扶植政策，鼓勵和引導社會資本參與相關技術和設備的研發投入，將會加速推進氫能在電力行業的推廣和應用。

 

 

根據相關資料，2020年占世界GDP總量70%的18個國家均已制定國家級氫能發展戰略，世界主要經濟體國家和地區在氫能的電力行業應用發展方面已處于世界領先水平。

 

3.1 德國氫能發展

 

德國是歐盟成員國發展氫能應用最快的國家之一，2020年6月，德國政府成立國家氫能委員會，成員由內閣任命，力主國家氫能發展，并推出具有里程碑意義的全球首個國家氫能戰略，即《德國國家氫能戰略》，明確可再生能源是唯一可持續的制氫發展方向，通過制定國家級頂層氫能戰略推動國家全面脫碳。在國家氫能戰略的指引下，德國圍繞深度脫碳，制定相關的法律法規體系，出臺財政支持鼓勵政策，促進能源轉型，并創新性地提出電力多元化轉換(Power-to-X)理念，積極探索氫能在電力行業的綜合應用。

 

同時，德國又與荷蘭等國開展深度合作，重點開展氫能產業下游應用配套建設，其中包括：積極推動天然氣管道摻氫技術發展；建設氫與天然氣混合燃氣(hydrogen and compressed natural gas，HCNG)供應管道網絡進行氫能儲運；同時依托本國西門子等在燃氣輪機方面具有技術優勢的公司，開展天然氣摻氫熱電聯產示范項目，利用管輸網絡和氫電技術解決氫能消納問題。

 

截至2019年，德國已有在建和運行的“P-to-G”(可再生能源制氫+天然氣管道摻氫)示范項目達50多項，裝機總規模超過55 MW。2020 年，德國漢堡成功改造全球首個100%氫氣運行的兆瓦級大型燃氣輪機熱電聯產系統，以氫為燃料為本地區居民和建筑提供供暖與電力服務。

 

德國這種通過制定國家級氫能發展戰略，鼓勵推動發展“Power-to-X”制氫技術，并與其他國家開展國際合作，研發管道混氫技術進行氫能儲運，同時又充分利用在燃氣輪機方面的技術優勢，大力發展基于氫燃氣輪機的熱電聯產應用的國家氫能方式，值得我國學習和借鑒。

 

3.2 日本氫能發展

 

日本是最早開發氫能應用的國家之一，自2014 年先后制定《第四次能源基本計劃》《氫能基本戰略》《第五次能源基本計劃》《氫能與燃料電池路線圖》等多項國家戰略規劃，把“氫能社會”納入國家發展戰略。

 

經過政府長年的資金扶持和企業的技術積累，日本在氫能的技術、材料、設備等方面均處于世界領先水平。根據2019年數據顯示，日本企業研發擁有全球83%的氫能專利，并有多項氫能關鍵技術處于世界絕對領先地位。

 

日本目前在高壓儲氫、液體儲氫、金屬氫化物儲氫、有機氫化物儲氫以及管道運輸氫等方面擁有世界領先技術，并且液氫儲運技術是日本重點發展方向。同時，日本積極研發投入純氫燃料發電，重點是要解決穩定燃燒技術，該技術是日本未來火力發電戰略布局最重要的一項技術。

 

2017年，日本的大林組和川崎重工基于川崎重工的1 MW級燃氣輪機搭建熱電聯產機組，成功開發全球首個氫能發電項目，通過燃燒2:8的氫和天然氣混合氣體進行熱電聯產，為居民和商業用戶供熱發電，通過該項目有效減少 20% 以上的二氧化碳排放。

 

2020年5月，川崎重工和大林組又與日本新能源產業技術綜合開發機構(The New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO)在“氫社會構筑技術開發事業”下，驗證川崎重工基于“微混合燃燒”技術開發的干式低NOx氫燃氣輪機，獲得全球首次實驗成功。該項目不僅達到低碳排放的目標，而且有效降低了NOx的排放。

 

日本的氫能應用經驗同樣說明國家頂層設計和政策支持的重要性，同時研發自主知識產權氫電技術，發展和完善氫能電力應用的配套產業(如氫能的儲輸技術)，以及通過研發純氫燃料發電技術開展電力系統大規模氫能應用，也是值得我國借鑒的電力系統氫能發展路徑之一。

 

 

與世界主要氫能發展國家相比，中國在氫制備方面具有良好的工業基礎，工業副產氫和可再生能源制氫均已開展相關的示范工程。未來隨著技術進步和可再生能源比重的提升，用氫成本將逐漸降低，氫能將會得到進一步發展。結合當前“雙碳”形勢及發展新型電力系統需要，建議“十四五”期間我國電力行業應從以下4方面來推進氫能發展工作。

 

4.1 加快頂層設計，適時出臺總體規劃

 

針對現階段國內氫能發展情況，首先，應盡快確定氫能在我國能源體系中的定位，加快氫能在生態綠色生產和消費體系的立法，結束現階段主要以國家產業規劃政策和地方試行規定為法律參考依據的尷尬局面。其次，建議相關部門加快明確國家氫能發展的主管部門，更好地引導和服務能源相關企業，推動氫能市場的有序發展。最后，針對我國現階段缺少氫能發展頂層設計的現狀，應根據不同區域資源、市場、產業等特點，科學制定并適時出臺適合我國氫能產業發展的總體戰略、行業規劃，以及相應的產業發展財政支持政策，自上而下推動氫能產業良性有序發展。

 

4.2 加快推出氫能電力行業應用發展路線圖

 

根據“雙碳”發展目標、電力中長期發展規劃、城市低碳電力基礎設施發展要求，以及新型電力系統發展需要，“十四五”期間應加快探索適合現階段中國發展低碳經濟以及能源轉型需求的電力行業氫能發展路線圖；積極推動在分布式可再生能源系統、遠距離海上風電系統、能源數字轉型項目，以及綜合能源互聯互通等多個領域氫電應用；掌握并制定氫能電力行業應用的技術標準，形成技術上可行、經濟上可接受的電力行業氫能應用技術路徑，引導氫作為能源在電力及其相關應用領域進行技術布局，為未來大規模部署氫能的電力應用做好充分的技術儲備。

 

4.3 鼓勵電力企業開展氫能場景應用創新

 

在“雙碳”發展形勢下，以新型電力系統發展為導向，依托國家發展燃料電池綠色交通示范城市為契機，鼓勵電力及相關企業投資構建氫能的綠色供應體系。

 

同時，應積極引導電力企業布局氫能電力應用的各相關環節，積極探索適合中國氫能發展的場景應用方式，如電力系統大規模儲能應用、綠電水制氫應用、氫能儲運應用，以及推廣燃料替代的示范應用。建議相關電力企業將風、光、水等可再生能源項目的儲能配套作為開展氫能電力應用的突破口，積極開展技術可行、經濟可接受的風、光、水、氫等儲能配套方案研究，打通綠電—綠氫—氫儲—氫能發電產業鏈條。

 

同時大力推動氫氣的管道輸送研究，構建以新能源為主體的新型電力系統的先鋒實踐，積極探索可復制、可推廣的氫能發展盈利模式，帶動電解水制氫、氫能儲運以及燃料替代等氫能相關行業的發展。

 

4.4 積極探索綠色金融低碳創新機制

 

在中國碳市場由地區試點形成全國統一碳市場的宏觀背景下，首先，應充分研究利用碳價機制，推動電力市場發展，形成有利于氫能電力應用的市場價格和補貼機制，推進現役燃氣、燃煤電廠氫能的燃料替代，以及儲能輔助服務應用。其次，深入研究綠色金融發展機制，構建政策激勵約束體系，增加低碳發展優惠貸款投放力度，研究相適應的融資模式，為氫能的電力應用以及相關氫燃料替代項目改造提供資金貸款。

 

再次，應不斷開發完善綠色金融產品創新，通過開發綠電綠氫證，發放綠色信貸、綠色債券或綠色基金等金融創新產品，鼓勵電力行業的氫能應用。最后，應加快制定并出臺促進氫能產業發展的金融推廣政策，引導并支持社會資本和相關企業在綠氫的制取、儲運、應用等上下游環節的研發投入及產業鏈布局，推動氫作為能源屬性在電力及相關領域的可持續發展。

 

 

推動氫能在電力行業的應用發展，是未來中國實現“碳中和”的重要路徑之一。通過分析國內外氫能應用發展情況，從電力企業的角度提出電力行業氫能應用發展的建議，即積極開展國際合作，借鑒國際經驗，加快頂層設計，做好政策研究，適時出臺國家氫能整體發展戰略，推動氫能系統性發展。同時應抓住國家發展燃料電池綠色示范城市契機，在“十四五”期間依托電力行業的資本和資源優勢，積極推動制氫、儲氫、運氫和氫能發電等氫能上下游產業鏈的投資布局，為未來氫能推動電力行業能源轉型升級做好充分的技術儲備。