新型電力系統(tǒng)特征
新型電力系統(tǒng)建設(shè)將根本改變目前我國(guó)化石能源為主的發(fā)展格局，全面實(shí)現(xiàn)電代煤、電代油、電代氣，推動(dòng)各產(chǎn)業(yè)用能形式向低碳化發(fā)展，以新能源為電量供給主體的電力資源與其他二次能源融合利用，構(gòu)建多種能源與電能互聯(lián)互通的能源體系。綠色氫基能源作為清潔優(yōu)質(zhì)的二次能源，可以與電能相互轉(zhuǎn)化，既消費(fèi)電能又生產(chǎn)電能，是新型電力系統(tǒng)重要的平衡調(diào)節(jié)參與力量，能夠解決可再生能源電力消納、火電低碳轉(zhuǎn)型、跨季節(jié)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能等問(wèn)題，并提供雙碳目標(biāo)下電力系統(tǒng)的可選解決方案。
解決可再生能源電力消納
綠色氫基能源是可再生能源的能量載體，具備“過(guò)程性能源”與“含能體能源”雙重屬性，可以應(yīng)用在諸多領(lǐng)域。可再生能源結(jié)合電解槽技術(shù)，作為具備靈活調(diào)節(jié)能力的可調(diào)負(fù)荷響應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源發(fā)電的充分消納。通過(guò)構(gòu)建“電-氫”耦合體系不僅有助于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，也能實(shí)現(xiàn)綠色能源以氫的形式向氨、醇等領(lǐng)域拓展，實(shí)現(xiàn)可再生能源非電消納。
在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的新形勢(shì)下，大規(guī)模、高比例、市場(chǎng)化、高質(zhì)量成為可再生能源發(fā)展的新特征新要求。氫基能源與可再生能源進(jìn)行耦合，通過(guò)規(guī)?；?、一體化開發(fā)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以有效解決可再生能源的波動(dòng)性和不穩(wěn)定性問(wèn)題，提高可再生能源消納能力，是新時(shí)期可再生能源高質(zhì)量躍升發(fā)展的重要路徑。
在當(dāng)前“沙戈荒”背景下，新能源大基地面臨的主要挑戰(zhàn)就是如何高效消納產(chǎn)生的電能，提高新能源利用率。在西北地區(qū)，某典型的風(fēng)光氫輸一體化基地，為我們提供了一個(gè)代表性的可行案例。西北地區(qū)擁有豐富的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源，具有巨大的新能源開發(fā)潛力，然而面臨著區(qū)域本地電網(wǎng)構(gòu)架不強(qiáng)、用電負(fù)荷不足的困境，直接影響新能源規(guī)模化開發(fā)利用。
(1)方案設(shè)想
我們以一個(gè)千萬(wàn)千瓦基地為例進(jìn)行分析論述，其組成包括300萬(wàn)千瓦的風(fēng)電、700萬(wàn)千瓦的光伏，以及配套適當(dāng)規(guī)模的儲(chǔ)能。同時(shí)考慮采用了電解水制氫作為柔性負(fù)荷來(lái)解決波動(dòng)性電源的消納問(wèn)題。通過(guò)配置不同規(guī)模的儲(chǔ)能和制氫負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比分析，主要計(jì)算成果如下。
西北某典型地區(qū)電源配置表
(2)結(jié)果分析
上述計(jì)算表明采用制氫作為柔性負(fù)荷是一種可行的新能源基地消納解決方案。得益于電解水制氫的柔性負(fù)荷對(duì)波動(dòng)性電源的適應(yīng)性，在三種不同的方案中，棄電率均低于6%，這與傳統(tǒng)的新能源大基地10%~15%左右的棄電率相比，新能源的利用率有了明顯的提高。
方案1與方案2的比較：采用儲(chǔ)能方式為20%×4小時(shí)時(shí)(方案2)，新能源利用率較高，而網(wǎng)匯電量占比相對(duì)較低。這表明采用較大儲(chǔ)能規(guī)模能可以提高制氫利用小時(shí)數(shù)和新能源的利用效率。
方案2與方案3的比較：采用制氫負(fù)荷為400萬(wàn)千瓦時(shí)(方案3)，制氫小時(shí)數(shù)較高，超過(guò)4800小時(shí)，而網(wǎng)匯電量占比更低，僅為0.7%。這說(shuō)明在儲(chǔ)能規(guī)模一定的情況下，制氫負(fù)荷偏小能得到更高的制氫小時(shí)數(shù)和更低的網(wǎng)匯電量占比。
以上方案滿足了弱聯(lián)網(wǎng)，甚至離網(wǎng)型新能源大基地的基本要求。通過(guò)采用制氫消納方式，可有效消納新能源，為新能源的進(jìn)一步規(guī)模化開發(fā)利用提供了可行的解決方案選項(xiàng)。
西北某典型地區(qū)春季典型周模擬運(yùn)行圖
西北某典型地區(qū)夏季典型周模擬運(yùn)行圖
西北某典型地區(qū)秋季典型周模擬運(yùn)行圖
西北某典型地區(qū)冬季典型周模擬運(yùn)行圖
解決火電低碳轉(zhuǎn)型問(wèn)題
火力發(fā)電是目前世界上主要的電力來(lái)源之一，但其煤炭和天然氣的使用導(dǎo)致大量二氧化碳排放。火電低碳轉(zhuǎn)型是應(yīng)對(duì)氣候變化和實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，可借助低碳燃料摻燒的源頭控碳手段，在保障系統(tǒng)電量供應(yīng)的情況下，大幅度減少化石能源的使用。以氫為基礎(chǔ)的綠氫、綠氨，是解決火電低碳轉(zhuǎn)型問(wèn)題的有效途徑之一，通過(guò)煤電摻氨燃燒至純氨燃燒和氣電摻氫燃燒至純氫燃燒，實(shí)現(xiàn)火電向低碳調(diào)節(jié)電廠的轉(zhuǎn)變。
(1)煤電摻氨
美國(guó)、日本、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家均高度重視對(duì)氨能源進(jìn)行了研究。日本政府在2021年公布了第六版能源發(fā)展規(guī)劃，計(jì)劃到2024年實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)火電機(jī)組鍋爐摻氨20%，到2030年實(shí)現(xiàn)全國(guó)利用氫(氨)能發(fā)電量占總發(fā)電量的1%。
中國(guó)在氨能源化利用方面起步較晚，但是研發(fā)進(jìn)展迅速，當(dāng)前已完成了40兆瓦中試平臺(tái)摻氨35%(國(guó)能煙臺(tái)龍?jiān)?和300兆瓦發(fā)電鍋爐摻氨10%~35%的示范研究(皖能銅陵電廠)。國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果均表明，燃煤鍋爐混氨燃燒可使得煤粉和氨良好燃盡，燃燒后氮氧化物排放不隨混氨比例增加而等比例升高，且可通過(guò)分級(jí)燃燒等方式顯著降低氮氧化物排放。
300兆瓦燃火電站鍋爐摻氨燃燒系統(tǒng)示意圖
煤粉和純氨燃燒器布置圖
火電摻氨主要有燃?xì)廨啓C(jī)摻氨和鍋爐摻氨兩種形式。關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)摻氨，目前只有日本開發(fā)出了低NOx燃燒器，中國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)摻氨的技術(shù)路線仍然探索中。關(guān)于鍋爐摻氨，目前有煤摻氨燃燒器技術(shù)和純氨燃燒器技術(shù)兩種技術(shù)路線。在鍋爐運(yùn)行的過(guò)程中，有四種運(yùn)行模式，第一種是純煤燃燒器與純氨燃燒器同時(shí)運(yùn)行;第二種是純煤燃燒器與煤摻氨燃燒器同時(shí)運(yùn)行;第三種是純煤燃燒器、純氨燃燒器和煤摻氨燃燒器三種燃燒器同時(shí)運(yùn)行;第四種是只有純氨燃燒器運(yùn)行。目前來(lái)看，前三種運(yùn)行模式適合于近中期的碳減排策略，并且第三種運(yùn)行模式下鍋爐摻氨的可調(diào)節(jié)性更強(qiáng)，第四種適合于中遠(yuǎn)期的發(fā)展需求。
從能源轉(zhuǎn)換效率來(lái)看，當(dāng)前電解水制綠氫效率約70%，綠氫與氮合成綠氨效率在70%左右，摻氨燃燒的亞臨界純凝機(jī)組效率約40%?？稍偕茉粗苽渚G氨后摻燒的全流程轉(zhuǎn)換效率約為20%左右，即相當(dāng)于“電-氫(氨)-電”綜合效率為20%左右。
按當(dāng)前技術(shù)進(jìn)步水平，綠電制氫電解效率有望提升至80%(每標(biāo)方綠氫制取耗電約4.5千瓦)，火電摻氨燃燒效率有望提升至45%，則“電-氫(氨)-電”效率有望提升至25%左右;若未來(lái)綠電制氫電解效率能提升至90%(每標(biāo)方綠氫制取耗電約4.0千瓦)，火電摻氨燃燒效率能提升至50%，則“電-氫(氨)-電”效率最高能提升至31%左右。
(2)氣電摻氫
近年來(lái)，隨著可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)，天然氣摻氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到越來(lái)越多的關(guān)注。未來(lái)通過(guò)天然氣摻氫可以進(jìn)一步提高天然氣燃燒效率，具有節(jié)能環(huán)保效益，是天然氣發(fā)電未來(lái)低碳轉(zhuǎn)型的主要路徑之一。
中國(guó)在氣電摻氫方向積極探索，2021年12月國(guó)家電投荊門綠動(dòng)電廠在運(yùn)燃機(jī)成功實(shí)現(xiàn)15%摻氫燃燒改造和運(yùn)行，設(shè)計(jì)最高摻氫比例為30%;同年12月，廣東省能源集團(tuán)旗下的惠州大亞灣石化區(qū)綜合能源站建設(shè)2×600兆瓦9H型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電冷聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，投產(chǎn)后兩臺(tái)燃機(jī)將采用10%(按體積計(jì)算)的氫氣摻混比例與天然氣混合燃燒;次年3月，浙江石化燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站項(xiàng)目三臺(tái)西門子SGT5-2000E機(jī)組，先后點(diǎn)火成功，為世界首套天然氣與氫氣、一氧化碳混合介質(zhì)燃?xì)廨啓C(jī)。
氣電摻氫的發(fā)展與燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展具備強(qiáng)耦合關(guān)系，目前GE在全球已有超過(guò)100臺(tái)采用低熱值含氫燃料機(jī)組在運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行小時(shí)數(shù)超過(guò)800萬(wàn)小時(shí)，其中部分機(jī)組的燃料含氫量超過(guò)50%，積累大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。GE公司將零碳排放的燃?xì)饧夹g(shù)分為五步，目標(biāo)在2030年前GEHA燃?xì)鈾C(jī)具備100%的燒氫能力，最終實(shí)現(xiàn)零碳排放。因此，未來(lái)100%燃?xì)涞娜細(xì)廨啓C(jī)，在技術(shù)上是可行的。
燃?xì)鈾C(jī)“一拖一”聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組發(fā)電原理圖
目前我國(guó)天然氣發(fā)電裝機(jī)約1.1億千瓦，預(yù)計(jì)“十四五”末將達(dá)到1.5億千瓦，裝機(jī)規(guī)?？焖偬嵘?。國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)整體水平暫與國(guó)際先進(jìn)水平差距較大，尚未形成嚴(yán)格意義上的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)。2003年至2013年，通過(guò)三次打捆招標(biāo)以及后續(xù)招標(biāo)，東方、哈爾濱、上海等動(dòng)力設(shè)備制造企業(yè)分別引進(jìn)三菱、GE、西門子公司的F/E級(jí)重型燃機(jī)部分制造技術(shù)，進(jìn)行本地化制造，經(jīng)過(guò)國(guó)產(chǎn)化四個(gè)階段和合資熱部件企業(yè)，具備了重型燃機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)能力。
重型燃?xì)廨啓C(jī)的燃料摻混氫氣比例可達(dá)30%~50%，工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的燃料摻混氫氣比例可達(dá)50%~70%。對(duì)于F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，氫含量在20%以內(nèi)時(shí)，燃機(jī)燃燒器運(yùn)行穩(wěn)定，NOx排放可以控制在30毫克/立方米內(nèi)。燃機(jī)效率≥60%，綠電-綠氫-燃機(jī)發(fā)電效率約42%。
解決跨季節(jié)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能問(wèn)題
新能源逐步成為能源供應(yīng)的主體后，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)電力的可靠供應(yīng)。新能源發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、季節(jié)不均衡性等特性，這給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，我們需要發(fā)展不同功能定位的儲(chǔ)能技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間尺度上的功率與能量平衡。
儲(chǔ)能技術(shù)按時(shí)間尺度可分為超短時(shí)(秒級(jí)到分鐘級(jí))、短時(shí)(小時(shí)級(jí)到數(shù)小時(shí)級(jí))儲(chǔ)能和長(zhǎng)期(日、周、月、年)儲(chǔ)能。目前，我們已經(jīng)開發(fā)出了多種類型的儲(chǔ)能技術(shù)，如電容器、飛輪儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能(鋰電池、鉛電池、鈉硫電池、液流電池)、壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水蓄能、氫儲(chǔ)能等。這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的儲(chǔ)能技術(shù)。
各類儲(chǔ)能在放電時(shí)間和容量性能的對(duì)比圖
電容器儲(chǔ)能具有充電速度快、轉(zhuǎn)換效率高、無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，但儲(chǔ)能容量相對(duì)較小。飛輪儲(chǔ)能具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍廣、無(wú)機(jī)械損耗等優(yōu)點(diǎn)，但儲(chǔ)能容量相對(duì)較小且成本較高。電化學(xué)儲(chǔ)能(如鋰電池)具有能量密度高、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，但存在循環(huán)壽命短、安全性問(wèn)題等問(wèn)題。壓縮空氣儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能容量大、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，但效率偏低、建設(shè)成本較高。抽水蓄能是當(dāng)前最成熟、最經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，但受地理資源約束總量有限、開發(fā)周期較長(zhǎng)。
氫基能源儲(chǔ)能是一種新型的能源儲(chǔ)存技術(shù)，旨在解決特定環(huán)境下的能源存儲(chǔ)需求。其核心原理是將水電解得到氫氣，利用富余的、非高峰的或低質(zhì)量的電力大規(guī)模制氫，將電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存起來(lái)，也可以將氫氣進(jìn)一步合成氨或甲醇，以氨或醇這種更方便儲(chǔ)存的形態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)存儲(chǔ)。
氫儲(chǔ)能技術(shù)基于“氫-電”轉(zhuǎn)化，通過(guò)儲(chǔ)氫、儲(chǔ)氨、儲(chǔ)醇等方式，實(shí)現(xiàn)能量的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)，與其他儲(chǔ)能技術(shù)如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能以及熔巖儲(chǔ)能相比，氫儲(chǔ)能技術(shù)能夠完全實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)性的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，為能源存儲(chǔ)領(lǐng)域帶來(lái)新的解決方案。
中國(guó)工程院院士郭劍波對(duì)全國(guó)2060年的碳中和提出了重要的預(yù)測(cè)，全社會(huì)年用電量將達(dá)到15.7萬(wàn)億千瓦時(shí)。根據(jù)近幾年我國(guó)用電量的實(shí)際增長(zhǎng)情況和對(duì)未來(lái)人工智能等新領(lǐng)域用電快速增長(zhǎng)的預(yù)判，我們可以大膽設(shè)想未來(lái)的電力需求還將進(jìn)一步上升。目前常用的儲(chǔ)能技術(shù)受自身特點(diǎn)制約，還無(wú)法完全滿足未來(lái)電力系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的需求，亟需更為有效的儲(chǔ)能方案解決系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能問(wèn)題。
(1)技術(shù)挑戰(zhàn)與局限性
以儲(chǔ)能技術(shù)中最為成熟，應(yīng)用規(guī)模最為廣泛的抽水蓄能為例，假設(shè)全國(guó)抽蓄規(guī)模達(dá)到8億千瓦，平均儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)6小時(shí)，但其總儲(chǔ)能量?jī)H為48億千瓦時(shí)，占2023年日平均社會(huì)用電量252.6億千瓦時(shí)的19%，無(wú)法滿足系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能要求。
(2)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性測(cè)算
抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)性評(píng)估：按140萬(wàn)千瓦項(xiàng)目，運(yùn)行周期30年，殘值10%，年發(fā)電小時(shí)數(shù)1500小時(shí)，儲(chǔ)能效率75%，折現(xiàn)率6.5%考慮。
抽水蓄能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
電化學(xué)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估：按100萬(wàn)千瓦項(xiàng)目，運(yùn)行周期10年，殘值5%，年儲(chǔ)能小時(shí)數(shù)1500小時(shí)，儲(chǔ)能效率90%，折現(xiàn)率6.5%考慮。
電化學(xué)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
壓縮空氣儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估：按70萬(wàn)千瓦、儲(chǔ)能5小時(shí)項(xiàng)目，運(yùn)行周期30年，殘值10%，年儲(chǔ)能小時(shí)數(shù)1500小時(shí)，儲(chǔ)能效率70%，折現(xiàn)率6.5%考慮。
壓縮空氣儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
光熱電站經(jīng)濟(jì)性評(píng)估：按20萬(wàn)千瓦，儲(chǔ)熱10小時(shí)，運(yùn)行周期20年，殘值5%，年利用小時(shí)數(shù)2000小時(shí)，折現(xiàn)率6.5%考慮。
光熱電站經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
煤電燒氨儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估：按一臺(tái)100萬(wàn)煤電機(jī)組100%摻氨，煤電改造費(fèi)用9000萬(wàn)元，增設(shè)儲(chǔ)氨設(shè)施1000萬(wàn)元(年利用小時(shí)數(shù)5000小時(shí))/600萬(wàn)元(年利用小時(shí)數(shù)3000小時(shí))，運(yùn)行周期20年，殘值10%，折現(xiàn)率6.5%考慮。
煤電燒氨經(jīng)濟(jì)性評(píng)估(年利用小時(shí)數(shù)5000小時(shí))
煤電燒氨經(jīng)濟(jì)性評(píng)估(年利用小時(shí)數(shù)3000小時(shí))
氣電燒氫儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估：按一臺(tái)50萬(wàn)燃?xì)饨M100%摻氫，燃?xì)怆娬締挝磺咄顿Y2600元/千瓦，增加儲(chǔ)氣設(shè)施3000萬(wàn)元，年利用小時(shí)數(shù)3000小時(shí)，運(yùn)行周期20年，殘值10%，折現(xiàn)率6.5%考慮。
氣電燒天然氣經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
氣電燒氫經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
燃料電池分布式發(fā)電經(jīng)濟(jì)性評(píng)估：按1兆瓦項(xiàng)目，運(yùn)行周期10年，殘值10%，年利用小時(shí)數(shù)2000小時(shí)，轉(zhuǎn)化效率60%，折現(xiàn)率6.5%考慮。
燃料電池分布式發(fā)電經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
燃料電池分布式熱電聯(lián)供經(jīng)濟(jì)性評(píng)估：按1兆瓦項(xiàng)目，運(yùn)行周期10年，殘值10%，年利用小時(shí)數(shù)3000小時(shí)，轉(zhuǎn)化效率90%，折現(xiàn)率6.5%考慮。
燃料電池分布式熱電聯(lián)供經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
電化學(xué)儲(chǔ)能若按儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)12小時(shí)考慮，在1300元/千瓦時(shí)、1000元/千瓦時(shí)、800元/千瓦時(shí)、600元/千瓦時(shí)的儲(chǔ)能單位投資測(cè)算條件下，度電成本分別為1.67元/千瓦時(shí)、1.28元/千瓦時(shí)、0.98元/千瓦時(shí)、0.74元/千瓦時(shí)。
煤電摻氨和氣電摻氫技術(shù)在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的前提下，其度電成本相比于其它儲(chǔ)能方式的成本已經(jīng)進(jìn)入可競(jìng)爭(zhēng)區(qū)間。煤電摻氨在氨價(jià)3000元/噸測(cè)算條件下，度電成本為1.47元/千瓦時(shí)(利用小時(shí)數(shù)5000小時(shí))、1.49元/千瓦時(shí)(利用小時(shí)數(shù)3000小時(shí));氣電摻氫在氫價(jià)30000元/噸測(cè)算條件下，度電成本為1.47元/千瓦時(shí)。未來(lái)預(yù)計(jì)煤電摻氨和氣電摻氫的度電成本還將進(jìn)一步降低，分別有望降至0.61元/千瓦時(shí)至0.63元/千瓦時(shí)和0.77元/千瓦時(shí)。同時(shí)氫燃料電池在氫價(jià)15000元/噸測(cè)算條件下，度電成本為0.94元/千瓦時(shí)，氫熱電聯(lián)供的度電成本為0.62元/千瓦時(shí)，也具備較好的經(jīng)濟(jì)性。
煤電摻氨、氣電摻氫、燃料電池相較于電化學(xué)儲(chǔ)能均具有成本優(yōu)勢(shì)，并可實(shí)現(xiàn)跨日、跨月、跨季節(jié)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。因此，氫基能源儲(chǔ)存可以被認(rèn)為是集中式、大規(guī)模、長(zhǎng)周期、跨季節(jié)最佳儲(chǔ)能方式之一。通過(guò)深度融合電解水制氫(氨、醇)和可再生能源，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)和互補(bǔ)性，可再生能源為氫基能源的生產(chǎn)提供電力，同時(shí)將氫基能源作為可再生能源的儲(chǔ)能方式，可以提高電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力，解決大基地新能源電力消納問(wèn)題，打造更加完善和可持續(xù)的綠色能源體系。
提供雙碳目標(biāo)下電力系統(tǒng)的可選解決方案
構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，其主要目的是支撐“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，是“雙碳”目標(biāo)在電力系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)?；?ldquo;雙碳”目標(biāo)，未來(lái)火電年利用小時(shí)數(shù)將逐步降低，火電低碳轉(zhuǎn)型成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的潛在可選經(jīng)濟(jì)性解決方案。以下選擇兩個(gè)有代表性的省份分析氫能助力火電低碳轉(zhuǎn)型對(duì)社會(huì)用電成本的影響。
(1)甘肅省實(shí)現(xiàn)全省火電轉(zhuǎn)型簡(jiǎn)析
以典型西部省份(甘肅)為例，甘肅省火電(統(tǒng)一按煤電考慮)裝機(jī)約2312.6萬(wàn)千瓦，水電裝機(jī)約971.8萬(wàn)千瓦，風(fēng)電裝機(jī)2073萬(wàn)千瓦，光伏裝機(jī)1417.4萬(wàn)千瓦。目前，甘肅省火電利用小時(shí)數(shù)約為4500小時(shí)。
基于“雙碳”目標(biāo)，未來(lái)火電年利用小時(shí)數(shù)將逐步降低。預(yù)期到2050年，甘肅省火電裝機(jī)降至約2000萬(wàn)千瓦，經(jīng)測(cè)算全省在新能源占主導(dǎo)的情況下，火電年利用小時(shí)數(shù)將降至約2600小時(shí)。甘肅省2022年的全社會(huì)用電量約1500億千瓦時(shí)，考慮甘肅省發(fā)展的電力需求，按年用電量2%的增長(zhǎng)率測(cè)算，至2050年全社會(huì)用電量將達(dá)到2600億千瓦時(shí)。
按風(fēng)電年利用小時(shí)數(shù)2600小時(shí)、光伏年利用小時(shí)數(shù)1800小時(shí)計(jì)算(考慮風(fēng)光配比為接近1:2);并考慮未來(lái)風(fēng)光及制氫氨裝置投資下降，假設(shè)風(fēng)電投資強(qiáng)度為2520元/千瓦、光伏投資強(qiáng)度為2000元/千瓦、制氫+合成氨裝置投資強(qiáng)度為2500元/千瓦。(考慮資本金內(nèi)部收益率6.5%)
在實(shí)現(xiàn)摻氨比例30%的情況下，年需氨量約250萬(wàn)噸，制氨用電量約225億千瓦時(shí)。對(duì)應(yīng)制氨所需風(fēng)電裝機(jī)約400萬(wàn)千瓦、光伏裝機(jī)約700萬(wàn)千瓦、制氫+合成氨裝置約560萬(wàn)千瓦，總投資約380億元。經(jīng)測(cè)算火電摻燒氨帶來(lái)的全社會(huì)用電成本上升約0.013元/千瓦時(shí)。
在實(shí)現(xiàn)約摻氨比例50%情況下，年需氨量約400萬(wàn)噸，制氨用電量約360億千瓦時(shí)。對(duì)應(yīng)制氨所需風(fēng)電裝機(jī)約600萬(wàn)千瓦、光伏裝機(jī)約1150萬(wàn)千瓦、制氫+合成氨裝置約900萬(wàn)千瓦，總投資為610億元。經(jīng)測(cè)算火電摻燒氨帶來(lái)的全社會(huì)用電成本上升約0.021元/千瓦時(shí)。
在實(shí)現(xiàn)約摻氨比例70%情況下，年需氨量約570萬(wàn)噸，制氨用電量約520億千瓦時(shí)。對(duì)應(yīng)制氨所需風(fēng)電裝機(jī)約850萬(wàn)千瓦、光伏裝機(jī)約1700萬(wàn)千瓦、制氫+合成氨裝置約1300萬(wàn)千瓦，預(yù)計(jì)設(shè)備總投資為880億元。經(jīng)測(cè)算火電摻燒氨帶來(lái)的全社會(huì)用電成本上升約0.031元/千瓦時(shí)。
(2)浙江省實(shí)現(xiàn)全省火電轉(zhuǎn)型簡(jiǎn)析
以典型東部省份(浙江)為例，浙江省火電(統(tǒng)一按煤電考慮)裝機(jī)約5773萬(wàn)千瓦，水電裝機(jī)約959萬(wàn)千瓦，風(fēng)電裝機(jī)345萬(wàn)千瓦，光伏裝機(jī)430萬(wàn)千瓦，核電裝機(jī)916.6萬(wàn)千瓦。目前，浙江省火電利用小時(shí)數(shù)約為5000小時(shí)。
基于“雙碳”目標(biāo)，未來(lái)火電年利用小時(shí)數(shù)將逐步降低。假設(shè)到2050年，浙江省火電裝機(jī)降至約5000萬(wàn)千瓦，經(jīng)測(cè)算全省在新能源占主導(dǎo)的情況下，火電在僅保留調(diào)節(jié)功能的情況下年利用小時(shí)數(shù)最低年利用小時(shí)數(shù)降至約2600小時(shí)。目前，浙江省的全社會(huì)用電量約5800億千瓦時(shí)，假設(shè)以1%增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，至2050年全社會(huì)用電量約為7700億千瓦時(shí)。
按風(fēng)電年利用小時(shí)數(shù)2600小時(shí)、光伏年利用小時(shí)數(shù)1800小時(shí)計(jì)算(考慮風(fēng)光配比為接近1:2);并考慮未來(lái)風(fēng)光及制氫氨裝置投資下降，假設(shè)風(fēng)電投資強(qiáng)度為2520元/千瓦、光伏投資強(qiáng)度為2000元/千瓦、制氫+合成氨裝置投資強(qiáng)度為2500元/千瓦。管道年輸氨量為230萬(wàn)噸，管道運(yùn)輸投資強(qiáng)度為1500萬(wàn)/公里，運(yùn)距1500公里。(考慮資本金內(nèi)部收益率6.5%)
假設(shè)實(shí)現(xiàn)約30%的摻氨比例，經(jīng)計(jì)算每年需氨量約610萬(wàn)噸，制氨用電量約680億千瓦時(shí)。則制氨所需風(fēng)電裝機(jī)約1100萬(wàn)千瓦、光伏裝機(jī)約2200萬(wàn)千瓦、制氫+合成氨裝置約1700萬(wàn)千瓦，建設(shè)管道3條，預(yù)計(jì)設(shè)備總投資1820億元。經(jīng)測(cè)算火電摻燒氨帶來(lái)的全社會(huì)用電成本上升約0.021元/千瓦時(shí)。
假設(shè)實(shí)現(xiàn)約50%的摻氨比例，經(jīng)計(jì)算每年需氨量約1000萬(wàn)噸，制氨用電量約900億千瓦時(shí)。則制氨所需風(fēng)電裝機(jī)約1500萬(wàn)千瓦、光伏裝機(jī)約2900萬(wàn)千瓦、制氫+合成氨裝置約2250萬(wàn)千瓦，建設(shè)管道5條，預(yù)計(jì)設(shè)備總投資為2650億元。經(jīng)測(cè)算火電摻燒氨帶來(lái)的全社會(huì)用電成本上升約0.031元/千瓦時(shí)。
假設(shè)實(shí)現(xiàn)約70%的摻氨比例，經(jīng)計(jì)算每年需氨量約1440萬(wàn)噸，制氨用電量約1300億千瓦時(shí)。則制氨所需風(fēng)電裝機(jī)約2100萬(wàn)千瓦、光伏裝機(jī)約4200萬(wàn)千瓦、制氫+合成氨裝置約3250萬(wàn)千瓦，建設(shè)管道7條，預(yù)計(jì)設(shè)備總投資為3760億元。經(jīng)測(cè)算火電摻燒氨帶來(lái)的全社會(huì)用電成本上升約0.044元/千瓦時(shí)。
(3)新型電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性解決路徑之一
在以上場(chǎng)景中，“低碳電廠”轉(zhuǎn)型帶來(lái)的全社會(huì)用電成本上升幅度較小，在可接受范圍內(nèi)。隨著未來(lái)我國(guó)碳市場(chǎng)與國(guó)際碳市場(chǎng)的掛鉤，未來(lái)火電的碳排放成本將持續(xù)上升，需要推進(jìn)火電機(jī)組節(jié)能提效、減排升級(jí)改造。低二氧化碳排放的火電摻燒技術(shù)相較于純化石燃料燃燒，在經(jīng)濟(jì)性上將逐漸具有競(jìng)爭(zhēng)力?；诰G色氫基能源帶來(lái)的傳統(tǒng)火電“低碳”轉(zhuǎn)型改造的方式，相比于未來(lái)大規(guī)模退役火電機(jī)組來(lái)說(shuō)是新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的可選解決路徑之一。
作者：張益國(guó) 姜海 余官培，作者單位：水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院
評(píng)論