能源是人類社會賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當今社會各界關(guān)注的焦點。千百年來，如何挖掘能源，為我所用，一直是人類孜孜以求的目標。在經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展和“雙碳”目標穩(wěn)步推進的背景下，氫能因具有終端清潔低碳屬性和跨界應(yīng)用潛力，在構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，助力能源電力行業(yè)實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型之路上，正成為聚光燈下的“金礦”。
國網(wǎng)浙江電力也是“淘金者”中的一員，探索構(gòu)建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系。在浙江，一系列氫電耦合創(chuàng)新實踐正徐徐展開。
為什么聚焦氫電耦合？
在能源供給端，氫能與電能類似，是常見的二次能源。根據(jù)國家發(fā)改委披露的數(shù)據(jù)來看，當前，我國制氫原料以化石能源為主導(dǎo)，煤制氫和天然氣制氫占比近八成，氯堿、焦爐煤氣、丙烷脫氫等工業(yè)副產(chǎn)氫占比約兩成，制氫過程伴隨著大量二氧化碳的排放。
而綠氫的產(chǎn)制帶有深深的低碳烙印，被視為制氫的終極目標。綠氫是指通過可再生能源制造的氫氣，能夠真正實現(xiàn)制氫全過程零碳。通過“風(fēng)光氫儲”一體化融合發(fā)展，氫電耦合不僅為可再生能源規(guī)?；{提供解決方案，還可減少對化石能源的依賴，為我國清潔能源領(lǐng)域全鏈條自主可控提供新思路。
氫電耦合示意圖
對于電網(wǎng)而言，隨著新能源大規(guī)模接入，能源電力安全可靠、清潔低碳、經(jīng)濟高效的“三重矛盾”日益突出。一次能源匱乏又同時擁有億級負荷的浙江，對此感受更加直接，迫切需要走出一條大受端電網(wǎng)建設(shè)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展道路，提高能源保供能力。氫電耦合可以助力高比例新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，支撐電能的大規(guī)模、長時間存儲，在不影響用戶正常用能需求同時，氫電耦合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)用電負荷有效時空平移。
不平凡的氫電耦合探索之路
面對氫電耦合的巨大潛力，國網(wǎng)浙江電力提出利用可再生能源余電及電網(wǎng)谷電制備綠氫，在助力可再生能源消納的同時，發(fā)揮氫氣支持長時存儲的優(yōu)勢，實現(xiàn)電能跨時空配置。
然而，我國在可再生能源電解水制氫及相關(guān)燃料電池技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，當前美國、日本壟斷了大量核心技術(shù)專利，氫電耦合技術(shù)發(fā)展面臨關(guān)鍵技術(shù)有待突破、標準體系有待完善、制備成本有待降低等瓶頸。
為實現(xiàn)氫電領(lǐng)域彎道超車，國網(wǎng)浙江電力明確自主創(chuàng)新思路，聚合內(nèi)外創(chuàng)新資源，以氫電耦合能量管理為核心，瞄準綠色制氫、經(jīng)濟儲氫、高效用氫方向，通過構(gòu)建實體化實驗室、國內(nèi)及國外科研機構(gòu)“三位一體”協(xié)同創(chuàng)新組織，依托重點課題研究，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的主導(dǎo)產(chǎn)品和核心技術(shù)，促進氫能核心技術(shù)國產(chǎn)化，實現(xiàn)氫能基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)業(yè)、交通、建設(shè)、信息等深度融合。
分布式電源與微電網(wǎng)控制技術(shù)實驗室
氫電耦合技術(shù)涉及制氫、儲氫、用氫多環(huán)節(jié)，且裝備具有多變量、非線性、強耦合的特征，如果不能“馴服”它，將給電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定與經(jīng)濟運行帶來極大的挑戰(zhàn)。
國網(wǎng)浙江電力深耕數(shù)據(jù)挖掘、功率預(yù)測、運行優(yōu)化、安全監(jiān)測、能效評估、智能預(yù)警等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，構(gòu)建云邊協(xié)同管理平臺，實現(xiàn)氫電耦合系統(tǒng)的最優(yōu)運行與智慧能效管控。此外，專家團隊還綜合分析不同制氫、燃料電池技術(shù)優(yōu)勢和劣勢，結(jié)合清潔能源波動特性，通過制氫裝置與電化學(xué)儲能、可控負荷、風(fēng)光混合能源的配合和協(xié)調(diào)，并優(yōu)化設(shè)計固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，增強制氫和燃料電池設(shè)備對可再生能源波動的適應(yīng)性；提出并優(yōu)化3兆帕-20兆帕-45兆帕組合的儲氫方式，通過分級存儲最大化提高氫能在多應(yīng)用場景中利用效率。聯(lián)合研制了氫電耦合能量管理系統(tǒng)、氫電混合儲能系統(tǒng)、氫碳甲烷化儲能系統(tǒng)、電氫多端口直流換流器等首臺首套核心裝備。
多場景綠氫應(yīng)用示范成效顯著
近年來，國網(wǎng)浙江電力理論研究與實踐應(yīng)用齊步走，根據(jù)可再生能源分布特性，圍繞產(chǎn)業(yè)基地、園區(qū)、鄉(xiāng)村、海島等典型場景開展氫電耦合示范工程建設(shè)，向著支撐工業(yè)、交通、建筑等領(lǐng)域深度脫碳，構(gòu)建多方共贏產(chǎn)業(yè)生態(tài)邁進。
浙江是中國島嶼數(shù)量最多的省份，海洋綠色經(jīng)濟已然成為浙江國民經(jīng)濟的重要組成部分。臺州大陳島現(xiàn)有34臺風(fēng)力發(fā)電機，平均每年可發(fā)電6000多萬千瓦時。發(fā)電量滿足全島用電之外，還有富余。
2022年7月8日，全國首個海島“綠氫”示范工程在臺州投運。工程利用大陳島豐富的風(fēng)電，通過質(zhì)子交換膜技術(shù)電解水制備綠氫，構(gòu)建了“制氫-儲氫-燃料電池”熱電聯(lián)供系統(tǒng)。大陳島綠氫示范系統(tǒng)做到將海島清潔能源“吃干榨盡”：制備的氫氣供島上氫電公交車運行，制氫過程中產(chǎn)生的氧氣被用于黃魚等海產(chǎn)養(yǎng)殖，熱能則通過余熱回收系統(tǒng)為海島民宿供熱。據(jù)了解，該工程一天能夠提供熱水約9噸，可滿足一戶三口之家2個多月生活熱水需求。
在浙江省西南部的麗水，九山半水半分田的地貌讓區(qū)域內(nèi)太陽能資源豐富且總輻射量變化穩(wěn)定。麗水現(xiàn)有水電站800余座，裝機容量占浙江水電總規(guī)模的46%，可供開發(fā)的“風(fēng)光”資源超400萬千瓦。同時，該地生態(tài)農(nóng)業(yè)興旺，還帶來了豐富的茭白秸稈、鴨糞等生物質(zhì)資源。
2022年10月31日，國家電網(wǎng)浙江縉云水氫生物質(zhì)近零碳示范工程在這里投運。工程利用當?shù)匦∷娰Y源和分布式光伏制備出零排放無污染的綠氫，一部分綠氫用于固定沼氣中的二氧化碳，使其成為生物天然氣，再輸送至周邊用戶，滿足鄉(xiāng)村高效、清潔用能需求；另一部分則被儲存在儲氫罐中，作為氫能“電池”，供交通、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域使用，形成“綠電-綠氫-生物質(zhì)”等多種綠色能源一體化的山區(qū)能源綜合利用系統(tǒng)。
再將目光轉(zhuǎn)向?qū)幉?，在寧波慈溪濱海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，園區(qū)內(nèi)可再生能源資源豐富，光伏裝機已超過50萬千瓦，這里也是國際首個“電-氫-熱”微網(wǎng)耦合的直流能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程——寧波慈溪氫電耦合直流微網(wǎng)示范工程所在地。2022年12月29日，該工程正式完工，實現(xiàn)氫電耦合核心設(shè)備100%國產(chǎn)化，并達到國際領(lǐng)先水平。工程以“電-氫-熱”綜合能量管理系統(tǒng)為中樞，通過氫能和電能互相轉(zhuǎn)化，能夠在用電低谷時利用清潔能源制氫存儲，在用電高峰時再通過氫燃料電池發(fā)電，優(yōu)化電網(wǎng)運行，實現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷，并可在電網(wǎng)急需時短時支撐電網(wǎng)運行。
在杭州大江東格力電器產(chǎn)業(yè)園，杭州亞運低碳氫能示范工程已進入最終調(diào)試階段。工程充分利用江東柔性直流電源系統(tǒng)，靈活控制制氫和發(fā)電效率，同時兼顧電網(wǎng)調(diào)峰、新能源消納、氫能利用等功能，推進園區(qū)級生產(chǎn)經(jīng)營零碳轉(zhuǎn)型。工程投運后，預(yù)計一年可減少碳排放860噸，園區(qū)單位產(chǎn)值能耗下降22%，每天需要的大電網(wǎng)負荷從6400千瓦減少到5010千瓦。
供電員工在杭州錢塘零碳氫電耦合園區(qū)調(diào)試設(shè)備｜丁豪 攝
未來，國網(wǎng)浙江電力將持續(xù)深耕氫能相關(guān)技術(shù)研發(fā)與國產(chǎn)化，并通過國家綠色技術(shù)交易中心、浙江知識產(chǎn)權(quán)交易中心，掛牌推廣氫電耦合示范工程中自主研發(fā)的專利技術(shù)，彌補浙江市場氫電耦合功能系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控技術(shù)的空白，促進浙江全省綠色低碳經(jīng)濟發(fā)展。
供稿：融媒體中心 徐梓沐｜電科院 章雷其
原標題：破解一次能源匱乏困局，浙江正探索“馴服”綠氫
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