新型電力系統的建設將根本改變目前我國化石能源為主的發(fā)展格局，全面實(shí)現電代煤、電代油、電代氣，推動(dòng)各產(chǎn)業(yè)用能形式向低碳化發(fā)展，以新能源為電量供給主體的電力資源與其他二次能源融合利用，構建多種能源與電能互聯(lián)互通的能源體系。綠色氫基能源作為清潔優(yōu)質(zhì)的二次能源，可以與電能相互轉化，既消費電能又生產(chǎn)電能，是新型電力系統重要的平衡調節參與力量，能夠解決可再生能源電力消納、火電低碳轉型、跨季節長(cháng)時(shí)儲能等問(wèn)題，并提供雙碳目標下電力系統的可選解決方案。
解決可再生能源電力消納
綠色氫基能源是可再生能源的能量載體，具備“過(guò)程性能源”與“含能體能源”雙重屬性，可以應用在諸多領(lǐng)域?？稍偕茉唇Y合電解槽技術(shù)，作為具備靈活調節能力的可調負荷響應，能夠實(shí)現可再生能源發(fā)電的充分消納。通過(guò)構建“電-氫”耦合體系不僅有助于電力系統的穩定，也能實(shí)現綠色能源以氫的形式向氨、醇等領(lǐng)域拓展，實(shí)現可再生能源非電消納。
在構建新型電力系統的新形勢下，大規模、高比例、市場(chǎng)化、高質(zhì)量成為可再生能源發(fā)展的新特征新要求。氫基能源與可再生能源進(jìn)行耦合，通過(guò)規?；?、一體化開(kāi)發(fā)實(shí)現優(yōu)勢互補，可以有效解決可再生能源的波動(dòng)性和不穩定性問(wèn)題，提高可再生能源消納能力，是新時(shí)期可再生能源高質(zhì)量躍升發(fā)展的重要路徑。在當前“沙戈荒”背景下，新能源大基地面臨的主要挑戰就是如何高效消納產(chǎn)生的電能，提高新能源利用率。在西北地區，某典型的風(fēng)光氫輸一體化基地，為我們提供了一個(gè)代表性的可行案例。西北地區擁有豐富的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源，具有巨大的新能源開(kāi)發(fā)潛力，然而面臨著(zhù)區域本地電網(wǎng)構架不強、用電負荷不足的困境，直接影響新能源規?；_(kāi)發(fā)利用。
解決火電低碳轉型問(wèn)題
火力發(fā)電是目前世界上主要的電力來(lái)源之一，但其煤炭和天然氣的使用導致大量二氧化碳排放?；痣姷吞嫁D型是應對氣候變化和實(shí)現能源可持續發(fā)展的必然選擇，可借助低碳燃料摻燒的源頭控碳手段，在保障系統電量供應的情況下，大幅度減少化石能源的使用。以氫為基礎的綠氫、綠氨，是解決火電低碳轉型問(wèn)題的有效途徑之一，通過(guò)煤電摻氨燃燒至純氨燃燒和氣電摻氫燃燒至純氫燃燒，實(shí)現火電向低碳調節電廠(chǎng)的轉變。
火電摻氨主要有燃氣輪機摻氨和鍋爐摻氨兩種形式。關(guān)于燃氣輪機摻氨，目前只有日本開(kāi)發(fā)出了低NOx燃燒器，中國燃氣輪機摻氨的技術(shù)路線(xiàn)仍在探索中。關(guān)于鍋爐摻氨，目前有煤摻氨燃燒器技術(shù)和純氨燃燒器技術(shù)兩種技術(shù)路線(xiàn)。在鍋爐運行的過(guò)程中，有四種運行模式，第一種是純煤燃燒器與純氨燃燒器同時(shí)運行；第二種是純煤燃燒器與煤摻氨燃燒器同時(shí)運行；第三種是純煤燃燒器、純氨燃燒器和煤摻氨燃燒器三種燃燒器同時(shí)運行；第四種是只有純氨燃燒器運行。目前來(lái)看，前三種運行模式適合于近中期的碳減排策略，并且第三種運行模式下鍋爐摻氨的可調節性更強，第四種適合于中遠期的發(fā)展需求。從能源轉換效率來(lái)看，當前電解水制綠氫效率約70%，綠氫與氮合成綠氨效率在70%左右，摻氨燃燒的亞臨界純凝機組效率約40%。
近年來(lái)，隨著(zhù)可再生能源發(fā)電裝機容量的快速增長(cháng)，天然氣摻氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到越來(lái)越多的關(guān)注。未來(lái)通過(guò)天然氣摻氫可以進(jìn)一步提高天然氣燃燒效率，具有節能環(huán)保效益，是天然氣發(fā)電未來(lái)低碳轉型的主要路徑之一。
解決跨季節長(cháng)時(shí)儲能問(wèn)題
新能源逐步成為能源供應的主體后，構建新型電力系統面臨的關(guān)鍵問(wèn)題是如何實(shí)現電力的可靠供應。新能源發(fā)電具有隨機性、波動(dòng)性、季節不均衡性等特性，這給電力系統的穩定運行帶來(lái)了挑戰。為了應對這一挑戰，我們需要發(fā)展不同功能定位的儲能技術(shù)，以實(shí)現不同時(shí)間尺度上的功率與能量平衡。
儲能技術(shù)按時(shí)間尺度可分為超短時(shí)（秒級到分鐘級）、短時(shí)（小時(shí)級到數小時(shí)級）儲能和長(cháng)期（日、周、月、年）儲能。目前，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種類(lèi)型的儲能技術(shù)，如電容器、飛輪儲能、電化學(xué)儲能（鋰電池、鉛電池、鈉硫電池、液流電池）、壓縮空氣儲能、抽水蓄能、氫儲能等。這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據不同的應用場(chǎng)景選擇合適的儲能技術(shù)。
氫基能源或能解決長(cháng)時(shí)存儲問(wèn)題
中國工程院院士郭劍波對全國2060年的碳中和提出了重要的預測，全社會(huì )年用電量將達到15.7萬(wàn)億千瓦時(shí)。根據近幾年我國用電量的實(shí)際增長(cháng)情況和對未來(lái)人工智能等新領(lǐng)域用電快速增長(cháng)的預判，我們可以大膽設想未來(lái)的電力需求還將進(jìn)一步上升。目前常用的儲能技術(shù)受自身特點(diǎn)制約，還無(wú)法完全滿(mǎn)足未來(lái)電力系統長(cháng)時(shí)儲能的需求，亟需更為有效的儲能方案解決系統的長(cháng)時(shí)儲能問(wèn)題。
氫基能源儲能是一種新型的能源儲存技術(shù)，旨在解決特定環(huán)境下的能源存儲需求。其核心原理是將水電解得到氫氣，利用富余的、非高峰的或低質(zhì)量的電力大規模制氫，將電能轉化為氫能儲存起來(lái)，也可以將氫氣進(jìn)一步合成氨或甲醇，以氨或醇這種更方便儲存的形態(tài)進(jìn)行長(cháng)時(shí)存儲。
氫儲能技術(shù)基于“氫—電”轉化，通過(guò)儲氫、儲氨、儲醇等方式，實(shí)現能量的長(cháng)時(shí)儲存和調節，與其他儲能技術(shù)如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電化學(xué)儲能、飛輪儲能以及熔巖儲能相比，氫儲能技術(shù)能夠完全實(shí)現跨季節性的長(cháng)時(shí)儲能，為能源存儲領(lǐng)域帶來(lái)新的解決方案。
提供雙碳目標下電力系統的可選解決方案
構建以新能源為主體的新型電力系統，其主要目的是支撐“碳達峰、碳中和”目標的實(shí)現，是“雙碳”目標在電力系統中的具體體現?；凇半p碳”目標，未來(lái)火電年利用小時(shí)數將逐步降低，火電低碳轉型成為構建新型電力系統的潛在可選經(jīng)濟性解決方案。以下選擇有代表性的省份分析氫能助力火電低碳轉型對社會(huì )用電成本的影響。
以典型東部省份（浙江）為例，浙江省火電（統一按煤電考慮）裝機約5773萬(wàn)千瓦，水電裝機約959萬(wàn)千瓦，風(fēng)電裝機345萬(wàn)千瓦，光伏裝機430萬(wàn)千瓦，核電裝機916.6萬(wàn)千瓦。目前，浙江省火電年利用小時(shí)數約為5000小時(shí)?；凇半p碳”目標，未來(lái)火電年利用小時(shí)數將逐步降低。假設到2050年，浙江省火電裝機降至約5000萬(wàn)千瓦，經(jīng)測算全省在新能源占主導的情況下，火電在僅保留調節功能的情況下年利用小時(shí)數最低降至約2600小時(shí)。目前，浙江省的全社會(huì )用電量約5800億千瓦時(shí)，假設以1%增長(cháng)率增長(cháng)，至2050年全社會(huì )用電量約為7700億千瓦時(shí)。
假設實(shí)現約70%的摻氨比例，經(jīng)計算每年需氨量約1440萬(wàn)噸，制氨用電量約1300億千瓦時(shí)。則制氨所需風(fēng)電裝機約2100萬(wàn)千瓦、光伏裝機約4200萬(wàn)千瓦、制氫+合成氨裝置約3250萬(wàn)千瓦，建設管道7條，預計設備總投資為3760億元。經(jīng)測算火電摻燒氨帶來(lái)的全社會(huì )用電成本上升約0.044元/千瓦時(shí)。
隨著(zhù)未來(lái)我國碳市場(chǎng)與國際碳市場(chǎng)的掛鉤，未來(lái)火電的碳排放成本將持續上升，需要推進(jìn)火電機組節能提效、減排升級改造。低二氧化碳排放的火電摻燒技術(shù)相較于純化石燃料燃燒，在經(jīng)濟性上將逐漸具有競爭力?；诰G色氫基能源帶來(lái)的傳統火電“低碳”轉型改造的方式，相比于未來(lái)大規模退役火電機組來(lái)說(shuō)是新型電力系統構建的可選解決路徑之一。
特約撰稿人 張益國 姜海 余官培
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