文|章雷其 马瑜涵 江航 汪冬辉
作为一种二次能源，利用氢能是绿色且环保的。但生产端则未必。目前，96%以上的氢气来自碳基化合物（如煤气化、天然气裂解和甲醇重整），制取过程会释放大量的二氧化碳，这样制取的氢能被称为灰氢。只有用风、光等可再生能源产生的绿电制取的绿氢，才算实现真正的零碳排放。也正是通过绿氢，电与氢耦合在一起。
氢电耦合是未来氢能应用的主要方向之一。根据全球能源互联网组织的估算，到2060年，中国电制氢的规模将达到6000万吨，折合电能约为36000亿千瓦时，将是2019年全国用电量的50%。
对于电网，氢能的两大功能值得关注。一方面，氢能可以实现脱碳电力的消纳，增加电网的弹性；另一方面，氢能可减少对化石能源的依赖，帮助交通、工业、建筑等难以深度脱碳的领域脱碳，助力电力行业实现绿色转型。
助力“高弹性电网”
“双碳”目标对能源体系提出了根本性的变革要求，以新能源为主体的新型电力系统将在此过程中扮演重要角色。
当下在浙江，光伏发电已经超过水电，成为浙江第二大电源。到2025年，浙江规划新能源装机总量为3700万千瓦，同比2020年增长近100%。
随着新能源渗透率的快速提高，电网形态及运行特性将发生变化，电力电子化特征逐渐凸显，浙江电网将面临电力电量平衡困难、稳定控制难度大、调节能力不足等挑战，需要新的应对策略。
氢电耦合则是可以选取的策略之一。当前，氢电耦合已经在能量调节、转换与存储、能源互联等方面体现出优势。
目前，国网浙江电力正全面推进“高弹性电网”建设，聚焦氢能等储能载体与电网耦合发展，通过以下四方面，支撑浙江省率先实现“双碳”目标。
第一，氢电耦合助力高比例新能源电力系统的稳定运行。
浙江分布式新能源发展迅猛，电制氢装置功率运行范围宽，与新能源的波动特性相匹配。将氢能与新能源耦合，可有效优化新能源多时间尺度的并网特性，提升高比例新能源电力系统运行的稳定性与可靠性；同时，可参与系统深度调峰与调频，提升系统运行灵活性，促进新能源消纳。
第二，氢电耦合助力电能的大规模、长时间存储。
随着新能源渗透率提高，长时间尺度（如季节性）的源荷不平衡问题将越来越突出，而氢能是实现大规模、长周期储能的最佳途径之一。氢及衍生气体的能量存储规模从百千瓦到吉瓦，存储时间从小时到季，存储特性与电化学储能互补。从成本看，规模化储氢比电池储电的成本低一个数量级。氢电耦合对于“碳中和”场景下实现全时段能量平衡具有重要意义，可以显著提高电网运行的弹性。
第三，氢电耦合助力分布式供能高效发展。
燃料电池热电联供综合效率高，可作为电网公司拓展综合能源业务的重要技术手段。针对海岛、边防等偏远地区，构建分布式电源—氢耦合清洁供能系统，利用分布式电源制取氢气，通过燃料电池进行热电联供，在风光资源不足时，持续向用户供电，解决无电区域供电困难的问题，并辅助供给生活热水，满足用户多种用能需求。整个过程不产生任何污染，环境友好性强。
第四，氢电耦合助力构建以电为核心的能源互联网。
氢燃料电池汽车是对传统电动汽车的重要补充，电网公司可发展充电—加氢一体化综合能源站，拓展业务范围，促进电网与交通网的深度融合，构建电氢融合的零碳交通网。以氢能综合利用为基础，进一步开展电制甲烷、电制甲醇、电制氨，加强电网与气网的紧密联系，促进更多行业实现电能替代。
凸显多元化潜力
目前，氢能应用大多集中在道路交通领域，但实际上，氢能在可再生能源消纳、储能、发电、建筑等领域均有巨大应用潜力。
国网浙江电力一直在密切跟踪氢电耦合系统相关技术的发展，于2019年成功申请国家电网有限公司科技项目《百千瓦级氢利用关键技术研究及示范》；2020年，成功立项国家重点研发计划项目《可离网型风/光/氢燃料电池直流互联与稳定控制技术》。目前，国网浙江电力正在宁波、杭州、丽水、台州等地开展氢电耦合基于工业园区、产业基地、农村、海岛等的多场景示范与应用。
在宁波，国网浙江电力基于工业园区的氢电耦合直流微网示范工程，助力产业升级。块状经济量大面广，是浙江工业最突出的特点之一，工业园区是块状经济向产业集群转型升级的重要载体。国网浙江电力选址宁波慈溪市氢能产业园，开展基于工业园区的氢电耦合直流微网示范工程。该工程是上述《可离网型风/光/氢燃料电池直流互联与稳定控制技术》的配套示范工程，将建成首个电—氢—热—车耦合的中压直流互联系统，开发支撑互联系统灵活运行的能量管理系统，研制效率领先的电—氢、氢—电热能量转换装置，满足用户对电、氢、热多种能源需求，实现清洁能源生产到终端能源消费的全过程零碳。
在杭州，国网浙江电力基于产业基地的低碳氢能示范工程，助力低碳亚运。
结合2022年杭州亚运会“绿色、智能、节俭、文明”的办会理念，国网浙江电力选址于格力园区，开展基于产业基地的亚运低碳氢能示范工程。工程拟构建高效、可靠和稳定供电的“可再生能源制氢—氢能储运—氢燃料电池热电联供”能源综合利用系统，形成以氢能支撑交通、建筑领域电能替代、碳减排的先进工程样本，提升氢电热综合供能方面的系统集成与工程建设能力，促进氢能产业发展，助力低碳亚运。
在丽水，国网浙江电力基于乡村场景的水氢生物质近零碳示范工程，助力乡村振兴。
结合浙江省“共同富裕示范区”建设目标以及丽水市碳中和先行示范区的建设要求，国网浙江电力选点丽水缙云，建设国内首个基于乡村场景的电-氢-生物质综合利用示范工程。工程将构建以电为核心的多能转换系统，实现水电制氢、生物质制气，满足建筑、交通、工业多样化用能及深度脱碳需求，促进富余水电就地消纳，农村废弃物循环利用，形成电氢生物质协同的乡村碳中和样本，助力乡村振兴。
在台州，国网浙江电力基于海岛场景的氢能综合利用示范工程，助力绿色海岛建设。
浙江是中国岛屿数量最多的省份，陆地面积大于500平方米的海岛有3061个，约占全国总数的40%，目前有100多万人居住于海岛之上，海洋绿色经济已经成为浙江国民经济的重要组成部分。国网浙江电力选址台州大陈岛，开展国内首个基于海岛场景的氢能综合利用示范工程。工程充分利用海岛丰富的清洁能源制氢，促进海岛清洁能源消纳与电网潮流优化，应用制氢/发电一体化变换装置等先进装备，提高系统针对波动性源荷的适应性与安全性，提升综合能效至72%，实现清洁可靠备电、供热、供气，打造绿色海岛。
国网浙江电力建设的四个氢能示范工程覆盖了氢电耦合主要应用场景，展现了在“双碳”目标下电能与氢能的协同方式。通过示范工程建设，搭建国内领先的产学研用团队，集中突破氢能领域核心技术与装备研发应用，带动制氢—储氢—燃料电池—能量管控系统全产业链的发展。同时，示范工程的应用落地将为氢电耦合商业模式的探索提供重要平台，逐步明确氢利用市场定位、目标客户群体与用氢特征，抢占氢电耦合发展市场制高点。
未来，国网浙江电力将继续开展绿电制氢、高效储氢、生物质制气、高效热电联供、氢能支撑微网等氢电耦合关键领域研究，研制氢能与电池混合储能、直流换流器等核心装备，开发综合能量管理系统，助力氢能关键设备的国产化发展。同时，国网浙江电力将加快推进氢电耦合综合应用的浙江“示范”，打破氢能多场景高效综合利用的瓶颈，有效支撑高弹性电网建设。
（作者均供职于国网浙江电科院）
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