作者：于冠一 朱 麗（分別系天津大學國家儲能技術產教融合創新平臺、APEC可持續能源中心副教授；天津大學國家儲能技術產教融合創新平臺副主任，APEC可持續能源中心主任、教授）
風能光能，綠色能源遇到新問題
新能源目前主要指光伏發電、風力發電以及二次能源如氫能等。風和光都是自然資源，取之不竭，用之不盡。
風力發電原理是利用自然風帶動風車葉片旋轉，通過風力發電機將風能轉化為電能；光伏發電則是依靠太陽光照射，根據光生伏特效應原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉化為電能。風、光發電都不使用燃料，不產生環境污染，屬可再生的清潔能源。
我國的“三北”地區和沿海島嶼都是風能、太陽能資源豐富的地區。在實現“雙碳”目標和能源轉型的道路上，光伏發電、風電是最核心的技術，是重點發展的新興產業。目前，我國已成為全球可再生能源生產和利用第一大國，其中，風電、光伏總裝機容量分別連續13年、8年穩居全球首位。根據國家能源局數據，截至今年2月底，我國風電裝機容量約4.5億千瓦，太陽能發電裝機容量約6.5億千瓦。據專家預測，到2060年，我國風電、太陽能發電占比將超過50%，成為電量供應的主體。
隨著風電和太陽能發電比例的快速上升，問題也隨之而來。由于光伏發電完全依靠太陽光源，發電時間受到日出日落的影響，導致其發電的高峰期主要集中在白天，夜晚幾乎處于停滯狀態，不能滿足傍晚及夜間對能源的需求高峰，此外，陰雨天氣下，光伏發電效率也將顯著下降。風力發電高峰則在一天中很不穩定。而無論是光伏還是風力發電，都會因季節的變化產生明顯的差異。這些自然之力與生俱來的波動性、間歇性使得電力輸出變得不可控、不穩定，最終導致供需失衡，給電網的安全運行帶來嚴峻考驗。隨著大基地集中式風電、光伏裝機大幅增加，風光發電量迅速增長，消納壓力也進一步增大。
我國能源資源分布不均衡，風、光等新能源大基地大多數集中于“三北”地區，能源消費地則主要集中于中東部地區。通過建設特高壓、超高壓等大型輸電工程進行“西電東送”，成為最主流的方案。近兩年，特高壓交直流混電聯網建設進度也在加快，對新能源消納起到了一定的作用。除了外輸通道建設，作為風電和光伏發電的重要配套設施，儲能裝機規模在近幾年不斷擴大。快速發展的儲能設施以其優越的調節性能為電力系統提供了更多靈活性，實現風電和光伏平滑并網。但由于儲能電站容量有限，利用風、光發電制氫是解決風光電大規模并網難、消納難的有效途徑。
氫能，國際能源領域新焦點
氫，元素周期表中的1號元素，廣泛存在于空氣、水、礦物燃料和各類碳水化合物中。氫氣的燃燒值很高，燃燒同等質量的氫氣所放出的熱量是天然氣的2.56倍，普通汽油的2.95倍，且不會產生對有害的污染物。氫能被認為是21世紀最具發展潛力的一種二次清潔能源。當今，氫的制取、儲存、運輸、應用技術成為全球關注的焦點。
根據氫氣制取過程的碳排放強度，氫氣被分為“灰氫”“藍氫”和“綠氫”。“灰氫”是指通過化石燃料產生的氫氣，在生產過程中有大量的二氧化碳排出，當前“灰氫”處于氫氣市場的主流位置，約占全球氫氣產量的95%左右；“藍氫”是在“灰氫”的基礎上利用碳捕集和封存技術，減少了碳排放，實現低碳制氫；“綠氫”是通過清潔能源發電進行電解水制氫，整個制氫過程零碳排放，被視為制氫的終極目標。目前，我國的氫氣來源主要以化石燃料制氫和工業副產氫為主，占比超過80%。在綠色低碳和能源轉型的背景下，“綠氫”成為未來的關鍵氫氣來源。目前，制“綠氫”的成本偏高，降低綠電價格、加強技術創新是降低“綠氫”成本的有效手段。
安全高效的氫儲運技術是氫能應用的關鍵。氫氣儲存方式主要有氣態儲氫、液態儲氫和固態儲氫。氫氣的輸運方式主要有高壓氣態長管拖車運輸、液氫槽罐車運輸以及管道運輸。當前，我國以高壓氣態儲氫、長管拖車運輸為主，適用于少量氫氣、短距離運輸的需要。管道輸氫是實現氫氣的大規模、長距離、安全經濟的理想運輸方式。液態儲氫是在標準大氣壓下，將氫氣冷凍至-253℃以下變為液體，然后將其保存在特制的真空絕熱容器中。液態氫主要用于航天及軍事領域，能耗較高。固態儲氫是用一種固態的介質與氫氣發生化學反應，從而存儲氫氣，在需要時釋放出來，具有體積儲氫密度高、安全性好、可長時存儲、解決“綠電”與“綠氫”靈活轉換的優勢，但是現在尚處于技術攻關階段。
氫能的用途廣泛，是重要的工業原料和能源介質，被廣泛應用于工業、交通和能源等領域。作為一種重要的工業原料，“綠氫”可用于替代化石燃料作為冶金、水泥和化工等工業領域的還原劑，消耗規模巨大。在建筑領域作為高品質熱源，減少煤炭、天然氣等化石能源的消耗；交通被視為氫能應用的先導領域，以氫燃料電池為動力，應用于汽車、船舶、鐵路、航空等交通應用場景，實現使用端的零碳排放。在能源領域，氫能具備能源和儲能的特點，助力可再生能源消納和大規模、長周期的儲能，用于發電調峰，解決了風光電不穩定的問題，提高了電網系統的靈活性和可靠性，從而保障能源安全和穩定。
氫儲能，新能源+儲能的重要發展方向
儲能是指通過介質或設備把能量存儲起來，在需要時釋放的過程。廣義的儲能包括所有能源的儲存。我們所說的“儲能”主要是狹義的對電能的儲存，是針對可再生能源的不穩定而言的，通過將儲能設施與風、光集成，當發電量太多時為儲能設備充電平抑波峰，發電量不足時再由儲能設備把電能釋放出來。通過這種方式將風光發電的“靠天吃飯”變成“靈活可控”。
儲能有多種類型，目前主流儲能方式是抽水蓄能和電池儲能。抽水蓄能必須在靠近水源的地方，對地理位置和水資源條件要求較高；電池儲能適用于小功率、短周期、分布式儲能。這兩種方式都有較大的局限性，難以與可再生能源的規模化和永續發展的產業生態相匹配。從氫儲能與其他儲能的比較來看，電化學儲能的容量是兆瓦級(MW)，儲能時間1天以內；抽水蓄能容量是吉瓦級(GW)，儲能時間1周~1個月；氫儲能的容量是太瓦級(TW)，時間可達到1年以上。氫儲能可跨區域、長距離儲能。在能量轉換方面，氫能可轉換為電能、熱能、化學能等多種形式的能源，兼具安全性、靈活性和規模性特質，在能量維度、時間維度、空間維度上均具有突出優勢。
氫儲能是以氫氣為介質，利用電力和氫的互變性實現可再生能源高效儲存及利用的技術。該技術用于調峰調頻、電網削峰填谷、用戶冷熱電氣聯供、微電網等諸多場景。氫儲能既能儲電，又可以儲氫及其衍生物（如氨、甲醇等）。利用電解水制氫氣，用氫氣作為中間載體，能上網的電接入電網，不能上網的電用于生產氫氣。當電力輸出不足時，用儲存的氫氣發電向電網供電，富余的氫氣存儲起來或轉化為甲醇、氨氣等化學衍生物，為交通、建筑和工業等終端部門提供動力燃料和化工原料。
在“十四五”規劃綱要中，氫能與儲能被列為前瞻謀劃的六大未來產業之一。我國自2019年開始嘗試氫儲能，目前已經開展多個氫儲能項目。隨著氫燃料電池和電解槽技術逐漸成熟，氫儲能憑借規模大、周期長、可跨區域儲能等優勢，成為“可再生能源+儲能”的重要發展方向，氫儲能項目正在全國“悄然開花”。但是，目前我國氫儲能發展仍處于商業化初期階段，氫儲能的造價還處于高位，氫儲能的應用整體上缺乏經濟性。創新發展氫儲能技術，進一步拓展氫儲能應用場景，構建電氫融合能源體系，是氫儲能突破成本掣肘的關鍵。
推動多能源互聯互濟與源網荷儲協同，是未來新能源體系的一個發展方向。筆者認為，電氫融合能夠有機結合電能與氫能優勢特性，是解決“雙碳”問題的重要路徑，而氫能作為連接多種不同能源形式的橋梁，未來將與電力系統產生更多的耦合關系，進一步推動新型電力系統建設。
而面對氫能在新型電力系統中的應用仍面臨諸多挑戰的情況，研究者們也在積極出謀劃策。例如，針對我國能源資源與能源需求空間分布不均衡、產能與用能錯位的情況，我們建議針對新能源大基地建設，鼓勵就近消納，優先發展制氫產業；利用西電東送，在靠近負荷中心的地方制氫，就地儲存，就地利用；就地利用與大規模、長距離儲運相結合，集中式與分布式并舉，保障整體資源的優化配置。針對“綠氫”的生產和儲運成本較高的問題，降低綠電價格是降低“綠氫”成本最有效的手段，應鼓勵發展風光微網或離網直接制氫，減少過網費、直交流和高低壓變換環節，低成本高效率制取“綠氫”；新能源配送應盡可能利用現有的傳輸系統，以降低新型電力系統的投資與運行成本。
《光明日報》（2024年04月18日 16版）
來源：光明網-《光明日報》
風能光能，綠色能源遇到新問題
新能源目前主要指光伏發電、風力發電以及二次能源如氫能等。風和光都是自然資源，取之不竭，用之不盡。
風力發電原理是利用自然風帶動風車葉片旋轉，通過風力發電機將風能轉化為電能；光伏發電則是依靠太陽光照射，根據光生伏特效應原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉化為電能。風、光發電都不使用燃料，不產生環境污染，屬可再生的清潔能源。
我國的“三北”地區和沿海島嶼都是風能、太陽能資源豐富的地區。在實現“雙碳”目標和能源轉型的道路上，光伏發電、風電是最核心的技術，是重點發展的新興產業。目前，我國已成為全球可再生能源生產和利用第一大國，其中，風電、光伏總裝機容量分別連續13年、8年穩居全球首位。根據國家能源局數據，截至今年2月底，我國風電裝機容量約4.5億千瓦，太陽能發電裝機容量約6.5億千瓦。據專家預測，到2060年，我國風電、太陽能發電占比將超過50%，成為電量供應的主體。
隨著風電和太陽能發電比例的快速上升，問題也隨之而來。由于光伏發電完全依靠太陽光源，發電時間受到日出日落的影響，導致其發電的高峰期主要集中在白天，夜晚幾乎處于停滯狀態，不能滿足傍晚及夜間對能源的需求高峰，此外，陰雨天氣下，光伏發電效率也將顯著下降。風力發電高峰則在一天中很不穩定。而無論是光伏還是風力發電，都會因季節的變化產生明顯的差異。這些自然之力與生俱來的波動性、間歇性使得電力輸出變得不可控、不穩定，最終導致供需失衡，給電網的安全運行帶來嚴峻考驗。隨著大基地集中式風電、光伏裝機大幅增加，風光發電量迅速增長，消納壓力也進一步增大。
我國能源資源分布不均衡，風、光等新能源大基地大多數集中于“三北”地區，能源消費地則主要集中于中東部地區。通過建設特高壓、超高壓等大型輸電工程進行“西電東送”，成為最主流的方案。近兩年，特高壓交直流混電聯網建設進度也在加快，對新能源消納起到了一定的作用。除了外輸通道建設，作為風電和光伏發電的重要配套設施，儲能裝機規模在近幾年不斷擴大。快速發展的儲能設施以其優越的調節性能為電力系統提供了更多靈活性，實現風電和光伏平滑并網。但由于儲能電站容量有限，利用風、光發電制氫是解決風光電大規模并網難、消納難的有效途徑。
氫能，國際能源領域新焦點
氫，元素周期表中的1號元素，廣泛存在于空氣、水、礦物燃料和各類碳水化合物中。氫氣的燃燒值很高，燃燒同等質量的氫氣所放出的熱量是天然氣的2.56倍，普通汽油的2.95倍，且不會產生對有害的污染物。氫能被認為是21世紀最具發展潛力的一種二次清潔能源。當今，氫的制取、儲存、運輸、應用技術成為全球關注的焦點。
根據氫氣制取過程的碳排放強度，氫氣被分為“灰氫”“藍氫”和“綠氫”。“灰氫”是指通過化石燃料產生的氫氣，在生產過程中有大量的二氧化碳排出，當前“灰氫”處于氫氣市場的主流位置，約占全球氫氣產量的95%左右；“藍氫”是在“灰氫”的基礎上利用碳捕集和封存技術，減少了碳排放，實現低碳制氫；“綠氫”是通過清潔能源發電進行電解水制氫，整個制氫過程零碳排放，被視為制氫的終極目標。目前，我國的氫氣來源主要以化石燃料制氫和工業副產氫為主，占比超過80%。在綠色低碳和能源轉型的背景下，“綠氫”成為未來的關鍵氫氣來源。目前，制“綠氫”的成本偏高，降低綠電價格、加強技術創新是降低“綠氫”成本的有效手段。
安全高效的氫儲運技術是氫能應用的關鍵。氫氣儲存方式主要有氣態儲氫、液態儲氫和固態儲氫。氫氣的輸運方式主要有高壓氣態長管拖車運輸、液氫槽罐車運輸以及管道運輸。當前，我國以高壓氣態儲氫、長管拖車運輸為主，適用于少量氫氣、短距離運輸的需要。管道輸氫是實現氫氣的大規模、長距離、安全經濟的理想運輸方式。液態儲氫是在標準大氣壓下，將氫氣冷凍至-253℃以下變為液體，然后將其保存在特制的真空絕熱容器中。液態氫主要用于航天及軍事領域，能耗較高。固態儲氫是用一種固態的介質與氫氣發生化學反應，從而存儲氫氣，在需要時釋放出來，具有體積儲氫密度高、安全性好、可長時存儲、解決“綠電”與“綠氫”靈活轉換的優勢，但是現在尚處于技術攻關階段。
氫能的用途廣泛，是重要的工業原料和能源介質，被廣泛應用于工業、交通和能源等領域。作為一種重要的工業原料，“綠氫”可用于替代化石燃料作為冶金、水泥和化工等工業領域的還原劑，消耗規模巨大。在建筑領域作為高品質熱源，減少煤炭、天然氣等化石能源的消耗；交通被視為氫能應用的先導領域，以氫燃料電池為動力，應用于汽車、船舶、鐵路、航空等交通應用場景，實現使用端的零碳排放。在能源領域，氫能具備能源和儲能的特點，助力可再生能源消納和大規模、長周期的儲能，用于發電調峰，解決了風光電不穩定的問題，提高了電網系統的靈活性和可靠性，從而保障能源安全和穩定。
氫儲能，新能源+儲能的重要發展方向
儲能是指通過介質或設備把能量存儲起來，在需要時釋放的過程。廣義的儲能包括所有能源的儲存。我們所說的“儲能”主要是狹義的對電能的儲存，是針對可再生能源的不穩定而言的，通過將儲能設施與風、光集成，當發電量太多時為儲能設備充電平抑波峰，發電量不足時再由儲能設備把電能釋放出來。通過這種方式將風光發電的“靠天吃飯”變成“靈活可控”。
儲能有多種類型，目前主流儲能方式是抽水蓄能和電池儲能。抽水蓄能必須在靠近水源的地方，對地理位置和水資源條件要求較高；電池儲能適用于小功率、短周期、分布式儲能。這兩種方式都有較大的局限性，難以與可再生能源的規模化和永續發展的產業生態相匹配。從氫儲能與其他儲能的比較來看，電化學儲能的容量是兆瓦級(MW)，儲能時間1天以內；抽水蓄能容量是吉瓦級(GW)，儲能時間1周~1個月；氫儲能的容量是太瓦級(TW)，時間可達到1年以上。氫儲能可跨區域、長距離儲能。在能量轉換方面，氫能可轉換為電能、熱能、化學能等多種形式的能源，兼具安全性、靈活性和規模性特質，在能量維度、時間維度、空間維度上均具有突出優勢。
氫儲能是以氫氣為介質，利用電力和氫的互變性實現可再生能源高效儲存及利用的技術。該技術用于調峰調頻、電網削峰填谷、用戶冷熱電氣聯供、微電網等諸多場景。氫儲能既能儲電，又可以儲氫及其衍生物（如氨、甲醇等）。利用電解水制氫氣，用氫氣作為中間載體，能上網的電接入電網，不能上網的電用于生產氫氣。當電力輸出不足時，用儲存的氫氣發電向電網供電，富余的氫氣存儲起來或轉化為甲醇、氨氣等化學衍生物，為交通、建筑和工業等終端部門提供動力燃料和化工原料。
在“十四五”規劃綱要中，氫能與儲能被列為前瞻謀劃的六大未來產業之一。我國自2019年開始嘗試氫儲能，目前已經開展多個氫儲能項目。隨著氫燃料電池和電解槽技術逐漸成熟，氫儲能憑借規模大、周期長、可跨區域儲能等優勢，成為“可再生能源+儲能”的重要發展方向，氫儲能項目正在全國“悄然開花”。但是，目前我國氫儲能發展仍處于商業化初期階段，氫儲能的造價還處于高位，氫儲能的應用整體上缺乏經濟性。創新發展氫儲能技術，進一步拓展氫儲能應用場景，構建電氫融合能源體系，是氫儲能突破成本掣肘的關鍵。
推動多能源互聯互濟與源網荷儲協同，是未來新能源體系的一個發展方向。筆者認為，電氫融合能夠有機結合電能與氫能優勢特性，是解決“雙碳”問題的重要路徑，而氫能作為連接多種不同能源形式的橋梁，未來將與電力系統產生更多的耦合關系，進一步推動新型電力系統建設。
而面對氫能在新型電力系統中的應用仍面臨諸多挑戰的情況，研究者們也在積極出謀劃策。例如，針對我國能源資源與能源需求空間分布不均衡、產能與用能錯位的情況，我們建議針對新能源大基地建設，鼓勵就近消納，優先發展制氫產業；利用西電東送，在靠近負荷中心的地方制氫，就地儲存，就地利用；就地利用與大規模、長距離儲運相結合，集中式與分布式并舉，保障整體資源的優化配置。針對“綠氫”的生產和儲運成本較高的問題，降低綠電價格是降低“綠氫”成本最有效的手段，應鼓勵發展風光微網或離網直接制氫，減少過網費、直交流和高低壓變換環節，低成本高效率制取“綠氫”；新能源配送應盡可能利用現有的傳輸系統，以降低新型電力系統的投資與運行成本。
《光明日報》（2024年04月18日 16版）
來源：光明網-《光明日報》
