我國是全球風電、光伏發(fā)電規(guī)模最大的國家，并網(wǎng)風電、光伏發(fā)電裝機容量已突破1.5億千瓦。然而，棄風、棄光問題依然是制約我國新能源發(fā)展的主要瓶頸。造成棄風棄光問題的主要原因在于，我國新能源供應和需求呈逆向分布，80%以上的風能資源分布在“三北”地區(qū)，而能源需求集中在東部、中部地區(qū)，這就必然會導致新能源消納矛盾。
長遠看，隨著我國可再生能源占比快速增加，可再生能源的大規(guī)模存儲和消納顯得尤其重要。為尋求解決之道，業(yè)界學界紛紛將目光投向儲能技術，其中，氫儲能技術作為一項前瞻性儲能技術正廣受關注。
氫儲能技術簡介
2014年年初，李克強總理考察德國氫能混合發(fā)電項目，指示國內(nèi)相關部門組織實施氫能利用示范項目。國家能源局指示河北、吉林省加快可再生能源制氫示范工作，將氫儲能作為解決棄風、棄光問題的新思路。2015年年初，國家能源局連續(xù)印發(fā)《國家能源局關于做好2015年度風電并網(wǎng)消納有關工作的通知》《國家能源局關于在京開展可再生能源清潔供熱示范有關要求的通知》《國家能源局綜合司關于進一步做好可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃編制工作的指導意見》），可再生能源消納工作迫在眉睫。
國家電網(wǎng)公司從能源可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護的角度出發(fā)，大力接納新能源發(fā)電，推進能源戰(zhàn)略轉型。由于新能源發(fā)電具有隨機性、間歇性等特點，會帶來電壓波動、頻率波動等電能質(zhì)量問題，必須配合儲能系統(tǒng)改善新能源發(fā)電的運行特性。
作為一種清潔、高效、可持續(xù)的無碳能源，氫儲能是化學儲能的延伸，受到了世界各國的關注。它的原料來源取之不盡，電解制氫過程環(huán)保且具備可持續(xù)性，適合大規(guī)模、長時間存儲，占地面積小、無污染、與環(huán)境兼容性好。同時，氫儲能的技術功率、能量可分開優(yōu)化，儲電和發(fā)電過程無需分時操作，是一種理想的綠色儲能技術。
如果將氫儲能技術用于儲能領域，理論上能存儲多少氫氣/合成氣/合成油就能儲存多大規(guī)模的能量，是僅有的能儲存千萬千瓦時以上且可維持幾周供電的能量儲備技術，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿蛻们熬啊?/p>
此外，氫儲能系統(tǒng)的相對獨立性和非地域限制等特征，還可應用于分布式發(fā)電和微電網(wǎng)、變電所備用電源、工礦企業(yè)、商業(yè)中心等大型負荷中心應急電源，以及無電地區(qū)和通訊基站供電等場合?？梢哉f，氫儲能技術是智能電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電規(guī)?；l(fā)展的重要支撐，并逐漸成為多個國家能源科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)支持的焦點。
國際發(fā)展現(xiàn)狀
在國際上，歐洲、美國、日本都已制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略，并迅速有序地推進，目前已取得了積極成果。
歐盟氫能發(fā)展戰(zhàn)略
目前，歐盟的可再生能源發(fā)電發(fā)展較快。根據(jù)計劃，到2020年、2030年、2040年、2050年，歐盟可再生能源發(fā)電占總電力的比例將分別達35％、50％、65％、80％，并在2060年最終實現(xiàn)不依賴化石能源的可持續(xù)發(fā)展。2014年10月，歐盟制定了2030環(huán)境與能源框架，提出2030年將比1990年減少40%的溫室氣體排放，可再生能源供電比例不少于27%，并計劃將能源轉換效率提高30%。2015年2月，歐洲能源聯(lián)盟制定了遠景氣候變化政策，同年9月又制定了一份目標明確的實施計劃，主要調(diào)研的可利用能源包括工業(yè)尾氣、氫氣及燃料電池等。目前，以德國為首的5個國家都制定了加氫站規(guī)劃，其中德國計劃2018年建設100座加氫站，2020年達400座。預計2020年后歐洲將建成約570座加氫站，為燃料電池汽車配套。
根據(jù)德國的氫能與燃料電池計劃，德國目前的發(fā)展進度已經(jīng)大幅提前，原定2020年開始的計劃現(xiàn)在已經(jīng)提上日程。在德國中部和北部，旋轉的風機幾乎到處可見，北部則建成了世界上最大的風力發(fā)電場。在德國南部地區(qū)，許多房頂都安裝了太陽能發(fā)電板。目前，德國的新型儲能技術商業(yè)化應用已經(jīng)開始，一些大的能源電力公司都在積極實施各種項目，以期最終實現(xiàn)利用風能等可再生能源大規(guī)模制氫，這將是今后大規(guī)模利用風能最有前景的技術路線之一。
日本氫社會建設
日本計劃構建一個氫能社會，從家用熱電聯(lián)產(chǎn)到國民用電，最終目標是充分利用氫燃料的熱和電。日本制定了氫能的發(fā)展路線圖，計劃從3方面逐步實現(xiàn)氫能社會。首先是家用燃料電池系統(tǒng)和燃料電池車。日本已于2009年實現(xiàn)了家用燃料電池系統(tǒng)的量產(chǎn)，運行壽命超過6萬小時，熱電聯(lián)產(chǎn)綜合效率達到95%，并可以和電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工作。未來5年，日本將致力降低燃料電池成本，降低催化劑使用量，預計2020年燃料電池汽車的價格將不高于混合動力車，燃料電池汽車的補貼將不低于混合動力車。
第二是氫儲能系統(tǒng)和氫產(chǎn)業(yè)鏈。日本政府加快氫儲能的研究開發(fā)及示范，近期工業(yè)燃氣巨頭巖谷產(chǎn)業(yè)降低燃料電池車燃料氫氣的價格，推動日本的供氫產(chǎn)業(yè)鏈，保障氫氣的供應。2030年，日本計劃輸送氫氣至海外，形成一整套氫能產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)氫儲能系統(tǒng)的商業(yè)化運營。
第三是二氧化碳的減排和利用。日本計劃2040年實現(xiàn)完全由可再生能源供電的無二氧化碳的氫氣供應及二氧化碳的綜合利用。針對燃料電池汽車，日本同步開展燃料電池汽車和加氫站推廣，目前已完成81個加氫站的建設工作。針對氫存儲系統(tǒng)，目標是研發(fā)低成本、高可靠性的氫氣供應系統(tǒng)，主要的技術路線包括制氫及合成氫化物、氫化物的運輸、儲存及脫氫等過程。
美國能源部相關研究現(xiàn)狀
近年來，美國氫能和燃料電池的專項撥款不斷增加，美國能源部對氫能和燃料電池的研發(fā)投入呈增長態(tài)勢。與2006年相比，目前美國燃料電池的效率可達50%，鉑金用量減少了5倍，循環(huán)壽命提高2倍，電解槽效率達80%。在燃料電池電動車示范方面，美國已生產(chǎn)超過215輛，建設30座加氫站，建成世界首座熱電冷聯(lián)產(chǎn)氫能源站，目前燃料電池已廣泛應用于機場貨物拖車、公交大巴、移動照明等場景。
美國能源局現(xiàn)階段的主要研究重點是燃料電池系統(tǒng)、加氫站及氫氣儲存。其中燃料電池系統(tǒng)關注低鉑或無鉑催化劑、堿性膜等方面，加氫站關注先進的加壓替代方法，氫氣的儲存關注低成本的碳纖維，長壽命材料的技術路線等。
綜上可見，歐洲在氫儲能技術發(fā)展方面?zhèn)戎貙嶋H應用，其相關政策和交易平臺靈活健全，有力支撐技術市場化運營。日本全面打造氫能社會發(fā)展理念，以大力發(fā)展氫終端用戶為突破口，構建完整、成熟的氫供應鏈，逐步實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈布局。美國在關鍵技術和市場應用兩塊都比較重視，燃料電池市場已日漸壯大并開始產(chǎn)生經(jīng)濟效益。氫儲能技術發(fā)展的國際大環(huán)境也將帶動國內(nèi)相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展，刺激技術需求和進步。在電力行業(yè)內(nèi)，有可能率先引發(fā)電氫轉化、分布式供能及儲能等方面的變革。
我國應用前景
我國是世界第一大氫氣生產(chǎn)國，自2009年達到1000萬噸以來，連續(xù)7年居世界第一，預計2016年氫氣需求量將達2802萬噸。目前我國氫氣的生產(chǎn)和大宗消費用戶主要集中在石油化工領域，其高增量的氫氣需求主要來自于甲醇、煉油廠氫氣需要，崛起的煤制油、煤制氣產(chǎn)業(yè)也將是氫氣需求新的增長點。一邊是氫氣消費量的持續(xù)增長，另一邊是日益增加的棄風、棄光消納需求和峰谷電綜合利用壓力，這種基于可再生能源大規(guī)模消納的水電解制氫技術路線，有望成為電網(wǎng)和制氫行業(yè)的共同選擇。
另外，由于城市電網(wǎng)負荷不斷加大，峰谷差增加，使電網(wǎng)必須提供足夠的旋轉備用用量保障供電。分布式氫儲能系統(tǒng)可配置于城市電網(wǎng)配電側，形成城市多點分布式供能，在夏季高溫時段提供數(shù)小時的高峰用電，有效減少電網(wǎng)的旋轉備用容量，優(yōu)化電力系統(tǒng)的供需配置。同時，隨著峰谷電價差的拉大及相關政策跟進，氫儲能可利用自身技術優(yōu)勢及高效綜合供能特點，逐漸體現(xiàn)經(jīng)濟性。
獨立式氫儲能系統(tǒng)還可作為獨立的綠色供電系統(tǒng)，可根據(jù)負荷需求靈活配置，解決偏遠地區(qū)的供電問題，節(jié)省電網(wǎng)建設投資；另外也可作為城市電力系統(tǒng)的應急供電電源，為搶險救災、通信維修、突發(fā)事件處理、軍事作戰(zhàn)演習等需要臨時使用電能的場所提供可靠電能，替代污染大、壽命短、維護難的傳統(tǒng)移動式供電系統(tǒng)，增強電網(wǎng)靈活性和應急性。
然而，相比歐美日氫儲能技術的戰(zhàn)略規(guī)劃及發(fā)展，我國的關鍵技術和示范應用差距較大。在氫儲能系統(tǒng)示范應用方面，國內(nèi)剛剛展開相關建設，主要用于示范新能源汽車和分布式電源。
氫儲能技術展望
我國目前的年碳排放量居世界第一，對清潔替代的需求遠超過其他國家。全球能源互聯(lián)網(wǎng)將形成以清潔能源為主導、以電為中心的格局，能源轉化和利用將向高效低碳發(fā)展。作為一種柔性的綠色能源載體，氫能是未來能源的主要載體之一，在電力能源體系中將扮演著重要角色。
但長遠來看，目前需解決3類問題。第一是接納大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電，解決高壓水電解、高效制氫、低成本儲氫等關鍵技術。第二是推進分布式燃料電池并網(wǎng)發(fā)電技術。第三是做好能源轉化的技術儲備，以電制合成油為終極目標分階段布局，充分利用國內(nèi)外技術逐步實現(xiàn)可再生能源規(guī)模轉化示范。只有通過堅持不懈的技術攻關和應用示范，才能實現(xiàn)含氫能源的網(wǎng)絡化、規(guī)模化應用，實現(xiàn)電網(wǎng)、氣網(wǎng)互聯(lián)互通，為構建全球能源互聯(lián)網(wǎng)提供技術支撐。
