发展氢能破局张家口新能源产业消纳困境

2023-01-18孟凡英许燕飞

张家口职业技术学院学报 2022年3期

关键词：张家口制氢氢能

孟凡英，许燕飞

(张家口职业技术学院机电工程学院，河北张家口 075000)

引言

1 碳中和呼唤新能源的发展

1.1 碳中和项目中国的目标

将全球变暖控制在1.5摄氏度，这是巴黎协定的目标，需要到2050年实现全球二氧化碳净零排放。因此，自2015年巴黎峰会以来，覆盖全球经济约三分之二的净零目标的存在代表着气候雄心的显著进步。设定与科学一致的长期目标可以成为行动的重要驱动力，但如果不立即采取行动，长期目标将永远遥不可及。

截至2021年4月，已有超过130个国家和地区提出碳中和目标，部分国家已进入立法阶段，如表1所示。

表 1 世界各国实现碳中和目标年份

中国力争于2030年前达到碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和。碳达峰是指我国二氧化碳的排放在2030年前不再增长，达到峰值后逐步降低。碳中和是指我国在2060年前，通过二氧化碳去除技术，抵消自身的二氧化碳排放，实现净零排放。

1.2 碳中和项目中氢能发展的可行性

由于对碳减排和能源供应安全的担忧，可再生能源(RE)技术在过去几十年中受到各国的青睐。到2020年底，全球可再生能源发电能力达到2802 GW，其中水电占最大份额(1333 GW)。2020年，太阳能和风能装机容量分别增加了126 GW和110 GW。可再生能源在全球发电量中的份额从2019年的27 %上升到2020年的29 %[1]。与此同时，长期以来不使用化石燃料生产的绿色氢气(H2)被认为是清洁能源，有助于世界实现净零排放目标。RE技术在全球范围内的迅速发展以及绿色H2S技术的发展为实现碳中和目标提供了一个很有前景的解决方案。

氢气作为一种低碳清洁能源正在全球范围内复苏，并被认为是一种替代能源载体，可以帮助世界实现碳中和。然而，扩大规模是限制氢经济增长的主要挑战之一。关于氢能在全球能源转型中的关键作用，目前已有一些研究在进行中。由于再生能源具有内在的输出间隔性，因此要可靠和安全地运行高可再生能源系统是一项挑战。同样，氢能也被用于弥补发电与消纳之间的不匹配[2]。研究发现，由可再生能源生产氢能可以改变目前的能源市场格局,此外利用风力发电生产氢气的商业可行性在参考文献[3]中进行了研究。可作为可再生氢气生产和利用的完整可行性研究，特别是对氢气在低碳能源系统中可能扮演的角色进行了全面评述[4]。结果表明，H2的成本和性能方面的挑战依然存在，要使H2具有真正的竞争力，还需要相当大的改进。

实践中，H2在运输、工业加工、燃料电池和加热方面已经有了广泛的应用。尽管有这些机会，但在大规模生产H2方面仍然存在挑战和问题。在参考文献[5]中研究了各种H2的生产途径和相关技术，包括绿色、蓝色和灰色氢能。为了促进H2经济的发展，参考文献[5]也对当前的挑战、未来的方向和政策建议进行了研究，要成功地将全球绿色能源产业商业化并扩大其规模，需要大量的新投资。

目前，压缩和液化H2的储存成本很高，而长距离运输H2O在经济上是不充分的。尽管人们越来越多地考虑H2载体，如氨、甲烷和甲醇，但人们对它们的认证和使用时产生的排放感到担忧。在参考文献[6]中研究了各种压缩H2储存技术(例如储存容器、地质储存和其他地下储存替代方案)，探讨了每种储存和运输技术的操作原理、局限性和挑战。该分析证实，在实际应用中需要进行技术经济链分析，以评估特定选项相对于另一个选项的可行性。

2 张家口新能源产业发展现状

张家口是重要的能源输出基地。建国后从最早的煤电开始就是首都北京的重要能源供应站，随着张家口新能源产业及国内特高压输变电技术的发展，风电、光伏等逐渐兴起的可再生能源也源源不断地输送至京津地区。

“刚到寺院时，也挺想家的，加上当时僧舍落魄、衣食贫乏，没少受苦。下雨时，经常会有雨水漏进来。那时一个青稞馒头大家会轮着啃，很多时候饭都吃不饱的。好在寺院所在地农仁村的人，会经常接济我们。”陈莲曲珠说。

2.1 北京2022冬奥会促进张家口新能源产业高速发展

2022冬奥会，从2019年年中的筹备工作开始到奥运会结束，各场馆将需要约400吉瓦时(GWh)的电力，这相当于中国约18万户家庭的年用电量。北京—张家口并没有简单地通过交易机制购买可再生电力的绿证，而是利用奥运会开辟了一个专用的可再生能源电网。为了实现100 %可再生电力目标，使用跨地区的“绿色电力交易”机制，在交易平台上，冬奥会电力需求被优先考虑，场馆可以以更低的价格购买可再生电力。

这些电力主要来自张家口的11家风能和太阳能发电公司，冬奥会加快了张北可再生能源柔性直流电网的建设。北京2022年冬奥会依靠张家口市新建的基础设施，这是一个耗资20亿美元的项目，于2020年6月启动，用于分配风能和太阳能，并通过抽水蓄能来调节产出的变化。张家口的风电和太阳能装机也有所加快，装机容量达到23.4 GW，包括16.4 GW风电和7.0 GW太阳能。如果张家口是一个国家，它的风能和太阳能总装机容量将排在世界第12位，如下图1所示，仅次于巴西，但领先于越南。

图 1 张家口地区清洁能源世界排名

2022年冬奥会，张家口市赛区共投入氢燃料大巴车710台，包括赛区623辆。后奥运时代的4年内，张家口制氢量达到5万吨以上，建成加氢站14座，推广燃料电池公交车、通勤客车、物流车、重卡、环卫车总共1130辆。

2.2 国家政策支持促进张家口新能源产业稳健前进

张家口是华北地区风能和太阳能资源最丰富的地区之一，也是京津冀地区重要的生态涵养区和国家规划的新能源基地之一。2015年7月，张家口可再生能源示范区成为首个由国务院批复同意的新能源示范区，并由国家发展改革委发布示范区发展规划。2022年国家发改委印发《张家口可再生能源示范区发展“十四五”规划》。根据《规划》，以碳达峰、碳中和为主线示范区探索新体制、新机制，健全完善可再生能源市场体系。突破制约可再生能源协同发展体制机制障碍，着力推进规划管理、电力市场交易和跨区利益补链等改革创新，为构建新型电力系统、京津冀绿色能源一体化联动发展提供支撑。到2025年，示范区新能源利用率达到95 %以上，可再生能源终端消费占比45 %，可再生能源提供70 %的电力消费。

3 发展氢能让张家口新能源产业形成闭环

张家口是风电集中建设区，消纳问题较为严峻，由于电网建设滞后于风电项目的建设，在局部地区受电网送出建设、当地消纳能力等因素的影响，风电输出问题制约风电项目的开发。在清洁能源、碳中和大背景下，若风电制氢形成可复制推广模式，不仅可解决弃风问题，风电转换后储氢也将成为储能的一种重要形式。在可再生能源方面，目前光伏与风电行业均已处于平价前夕，平价后行业发展将由政策驱动转变为消纳驱动，电网消纳能力将成为制约行业发展的首要因素。与基于化石能源的电能和石油制品生产方式相比，可再生能源具有地域分布偏远和生产不稳定的特性，氢能与电能的深度耦合恰能支撑更高份额的可再生能源电力的发展，主要表现为：氢能可满足可再生能源规模化、长周期储能需求；氢能可作为燃料，通过燃料电池为交通和工业领域提供电能、热能，有效降低化石能源的使用，继续提升电力在能源系统中的比重。

3.1 张家口氢能是最清洁的绿氢

根据来源分类，氢能可分为灰氢、蓝氢和绿氢，如图2。

图 2 氢能种类

氢能未来发展的一个重要问题是摆脱并取代对传统化石能源制氢。统计表明全球约96 %的氢能来自化石能源制氢和工业副物制氢。因此，即便从消费端氢能得到大规模推广应用，但从生产端不摆脱制氢对化石能源的依赖，依然无法实现深度脱碳[1-2]。蓬勃发展的可再生能源制氢的CO2排放量远低于化石能源制氢，有利于氢能实现资源与环境的双重可持续发展。

张家口氢能产业能源端主要来源为风电、太阳能等清洁能源，电解水制氢是“零碳排放”模式下氢气的主要来源，俗称“绿氢”。“绿氢”制造是将风电、光伏等生成的电能通过电解水技术制备成氢气，将氢气输送至加氢站或通过氢电池发电进行电网调峰。实现可再生能源转化氢能和氢能转化为电能。

3.2 张家口需引进或发展的氢能技术

可再生能源因其自然禀赋的特性，其发电具有间歇性、波动性等特点，使得接入电网的能荷比例受到限制，叠加本地电能消纳能力不足，张家口新能源发展经历过较为严重的弃风、弃光阶段。张家口制氢需要引进的技术领域包括区域综合能源多能互补优化调度数字化平台、高效低成本制氢技术和新型氢能存储技术。

3.2.1 区域综合能源多能互补优化调度数字化平台

建设张家口源网荷储一体化及多能互补平台，利用物联网、大数据、智能AI等技术，实现电源侧、负荷侧、储能侧的各类可控资源的数据接入、数据处理，实现数据资源透明感知、特性建模、性能评估和建模应用，为电力系统提供资源信息管理、评估、生产、资源可调控能力及交易能力评估和可调负荷应用服务夯实数据基础，并提供准确的评估手段。有效促进源网荷储资源灵活互动，促进新能源消纳，合理削峰填谷，减少电网建设投资成本，提高可再生能源的有效利用。

3.2.2 高效低成本制氢技术

碱性与PEM电解水技术各具优势，目前碱性电解槽成本更低，而PEM对波动性电源的适应能力更强[7]，两者各有其适用场景，需要通过技术示范，来探索技术路线的选择。目前国内的碱液电解槽技术已在全球处于较领先地位，而PEM的部分装置仍然依赖进口，导致成本较高。面对新能源的波动性，碱液电解槽比PEM逊色，所以未来需要引进或发展PEM电解水技术，进一步提高张家口绿色氢能的经济性。

3.2.3 新型氢能存储技术

新型储能技术可以克服目前电力供需时间上峰谷错配、空间上生产远离消费的缺陷，储能生产具有快速响应电网波动的特点，可有效应对新能源生产不稳定，充分提高可再生能源的利用率，因此，张家口规模化发展新型氢能存储势在必行。可再生能源高比例消纳需要快速增加电力系统调峰、调频、备用等灵活性资源，科学合理的储能应用可以为电力系统提供调峰、调频、备用、电压支持等服务，将在以新能源为主体的新型电力系统中发挥重要作用。从氢—电耦合的角度来看，电解水合实现了电能到氢能的转换，氢能还可以通过燃料电池转换为电能。大规模低成本的储氢技术便成了电力储能的重要研究方向，为扩大张家口可再生能源应用的便利性和提升应用规模，规模化低成本储氢技术是未来需要引进和发展的重点方向之一。