上海电力大学 二级教授 赵晋斌 出席论坛并发表主题演讲—— 《支撑新型电力系统建设的氢储能关键技术路线及思考》
以下为演讲实录：
前面三位专家从政策和运营模式做了介绍，现在大家更侧重偏技术的点，这个我们经过将近三年的研究之后，把成果做了整理和归纳。题目是支撑新型电力系统建设的绿氢应用的关键路线及它的思考。
汇报的内容有以下四个方面：
1、新型电力系统的关键技术。
2、结合特性做了氢储能系统的中长周期的运行特性，中长期的效果比一般储能好一点。
3、结合源网荷氢做了优化调度，建立了一个模型。
4、在“双碳”目标下氢储能系统碳排放潜力。
我们知道新型电力系统把新型能源的利用，主要是风和光以及其他的储能方式。大家可以看到从发电电网用户侧，以及电能平衡方式和技术形态有很大的变化。在这里面最主要是“双高”，接入以后对电力系统有很大的影响。
第二，电网形态发生了改变。大家知道以前潮流从高往低走，现在分布式电源接入以后，潮流方向有很大的改变。
新型储能规模化应用大家看得比较多，在里面怎么做这个事情？可以看得出来从发电侧和用户侧都是波动性的，而且是随机性的。这里面储能有比较好的方式，它可以起缓冲的作用，甚至起调节的（作用），因此我们认为储能是解决新能源储能出力不稳定的因素或者比较好的手段。
怎么做这个事情？刚才郑老师说通过不同的时间尺度做了分析。在里面做了分钟到小时，以及小时及以上的分类，可以看出来用得比较多的是磷酸铁锂或者电化学电池，里面包括还有抽水蓄能。这里面有一个问题，如果在跨季度甚至跨年的时候，这个东西怎么办？很难处理，但是氢有比较好的优势。
左上角可以看到，这是储能的对比，X轴上是时间，涉及到跨季节的时候，氢的优势非常好地体现出来。
我们做了一个规划，如果把电化学储能跟储氢结合起来，可以解决多时间尺度平衡的需求。现在综合能源做得比较好，氢可以作为枢纽进行互联互通，所以氢有比较好的优势，氢还可以跟交通结合起来，它具有这方面的优势以后，我们觉得这个点可以往下做的。
氢储能作为化学储能的方式，具有适合长时间的储能，而且适合容量比较大的情况。问题是什么？我们知道新能源接入以后，问题是弃风、弃光现象比较严重。氢的成本比较高，如果弃风、弃光利用起来的话，成本有一个有效降低；风光处理的预测准确程度有限，其处理随机性会对电网造成一定冲击。
我们做了含氢储能微网系统，右侧是风和光，通过交直流的变换，通过直流对电解槽制氢，通过燃料电池闭环，我也可以通过外部氢的接入，实现氢容量的增减。这个可以解决新能源处理富余的情况下把电能进行利用，当电力不足的时候，通过燃料电池对电网做补充，量不一定大，但是在一定范围以内有效性可以体现出来。
电池氢换电效率不高，可能40-50%的效率，但是前提条件是你用什么样的电，不能用高峰电做氢，这是不划算的，在氢的选择上有一个计算。
氢主要干什么事情？制氢、储氢和用氢。围绕这三阶段做，里面针对的是电解槽和储氢罐，以及液态、气态、固态储氢，还有燃料电池充换电的情况。
电解槽是关键设备，大家用得比较多是碱性电解槽，质子膜和固态的也有，但涉及到成本问题，所以用得比较多的是碱性电解槽。
另外一个是氢换电，这个跟电池氢是反向的过程，目前主要围绕碱性燃料电池来做，在十年前的时候800瓦的燃料电池，那时候比较大的特点是电压比较低，需要经过升压的过程才能变成我们所需要的电压等级。
燃料电池还有其他方面的应用，除了在电力系统可以做成氢换电以外，还可以在交通可以获得比较好的利用。
这里做了归纳，氢最后怎么储是关键问题，气态储氢是目前用得比较多，气态的力度比较低，对储能有一些要求，利用率不高，所以现在大家在做液态储氢、固态储氢的情况，它的密度高了，但是成本也高了，我们会有这样的选择。
高压储氢情况下有一些运输方式，一开始氢不是用电池氢，氢是化工厂的副产品，那个氢用得比较多，包括燃料电池、燃料电阻汽车都是从化工厂里面，没有通过电制氢的概念。新能源大力发展以后，造成电在某个阶段有富余，所以考虑到电池氢。
有些资源的因素是储运成本比较高，消耗比较大，这目前存在的问题。固态储氢虽然大家都在做，但是目前技术不成熟，随着时间的推移这个技术一定会取得比较大的进展。
2、氢储能系统中长期运行特性
从单一储能有一定的局限性，因此会向多元储能做转变，为了实现不同时间尺度的补充，中长周期运行的时间范围定义在周、月、跨季节时间尺度内。
如图所示，这里跨年（1-12月份），氢怎么来？氢肯定要制，在4-6月份的时候，因为风电资源比较多，把这个电用来制氢。对于一年的时候，市4-6月份和9-11月份是存氢的时间，到了冬季和夏天要制冷和制暖，这时候可以把在春天和秋天的氢利用起来，也就是说我可以跨季节利用起来，这个是对氢的利用率，包括对长时间尺度补充的时候，它比电化学储能有一定优势。
怎么做这个事情？我们专门做了一张图，把电网和气网做了比较好的结合。这里面通过分布式发电或者集中式发电，用电制氢，主要是电解槽。储能需要电的时候，把氢储能通过燃料电池再输到电网；还有一种是把电跟氢和二氧化碳做交换，可以产生甲烷，把甲烷反过来输送到燃气网里面。这样做起来可以实现分布式光伏对我需要的时候进行电能的提供，当我有富裕电量的时候，可以返送到配电网。新能源接入以后会造成质量的下降，一般情况下是弃光的，我们把光利用起来做了电转氢，这样就把富余的“垃圾电”用来制氢。当我负荷比较大的时候，把氢换成电，通过燃料电池反输到电网，另外一部分可以通过氢转甲烷到气网，这是氢的比较大的优势。
我们做了一些应用场景的分析，电网和气网之间能量交换的时候，氢可以在里面做一个转换比较有效的方式。
跨季节的时候有什么样的情况？区域电网上面有水、光伏、火电、负荷。当电比较多的时候，把这个电用来制氢了，通过储氢利用起来，当水电不够的时候，可以把这部分氢利用起来，通过燃料电池发电以后，返到电网里面，可以实现比较好的交换。
结论是什么？针对可再生能源季节性波动，这是比较长时间的尺度变化，可以采用氢能作为中间的模态，可以自储氢电转换方案。当丰能季的时候，电解槽制氢与岩洞长期储氢；枯能季的时候，氢余量充分利用，混氢燃气轮机组发电。实现风能季富裕能源向枯能季的转移。我们经过验证以后，有比较好的效果。
电制氢主要考虑成本上的问题，我们做了电解槽的分析，有一个碱性电解槽和质子膜，电网陆上风电和海上风电到底成本是多少？我们做了对比。在这个情况下不光考虑电的成本，还要考虑设备的成本，它是一个综合成本。
左上角的图如果按照度电成本考虑的话，可以看出来海上布电和上网的电价成本相对比较高，这里面最好的是水电，相对来说它的成本比较低。
结论：由于PEMEC比AEC设备成本高，氢气平准化成本将增加40%左右。随着可再生能源发电成本下降，预计2050年，氢成本将低至11.63元/Kg，目前电-氢-电的发电成本也较高，达到3.61元（kw·h），也远超现有度电，需从技术、商业模式创新等多方面协同发力。
当时提出一个情况也是结合去年的情况，极端天气情况下，去年四川水电没有水了，这个电怎么办？那时候天气又热，发不出电，但是负荷又大，所以带来了这个电怎么解决的问题，浙江后来花10块钱一度电来买。电化学的电池也没有用，因为电池最基本的成分是电充了才能放，而且这个电做了比较短时间尺度的替换/交换，我们这里面怎么做？
去年8月份的时候，由于气象因素的影响，电无法发，水电没有水发不出来，负荷侧温度太高，大家要用空调，这时候负荷比较高，会对电力系统形成两头挤压的情况，这时候怎么解决？以前的情况下一般用风电光伏，这个时候没有了怎么解决？再通过火力发电顶这个缺失的量。这时候怎么办？能不能用氢？一年中四分之三的时间新能源比较多，可以用来发电、用来制氢，当光或者风不够的时候，可以把氢用来发电。如果能够合理利用氢储能长周期季节性储能的优势，实际上可以解决/部分解决这样的问题。
氢储能可以作为跨区域的输送，可以实现长时间尺度和长时间的空间尺度优势。如果能够把这个跟气网融合起来，可能对整个系统的稳定性有比较好的提升。
3、源-网-荷-氢优化调度模型
这是传统电力系统和新型电力系统最大的变化（如图），“源网荷储”四个端如何进行互动？这是现在大家所希望从技术上解决的，那怎么做？一般储能侧为了实现调峰调频或调压，以及备用的功能，这是在建模型要基本考虑的标准。
氢储能要做模型，要考虑它的情况。这里电网和气网之间的交叉融合，可以看到火电发电以后通过集中式发电输配送，这是传统的电网，可以通过电解水制氢跟气网形成比较好的结合，下面是气网的情况，上面是电网的情况（如图），可以通过电解水制氢和燃料电池进行能量双向的调控，氢储能可以做灵活性可调节的资源，可以实现查漏补缺，去改变电能时域的特性。
我清楚了容量，目标是新能源的消纳和最优的经济运行，以及系统的安全、稳定。那我们如何来做？从电源侧，利用绿氢将电站转化为氢能，推动氢能产业的发展。电网侧利用氢储能跨季节中长周期的特性，参与到电网调峰；用户侧可以通过氢燃料电池热电联供做调峰调频，我们做了相关的模型（如图）。
这里面考虑到什么问题？氢有制氢、储氢和运氢。电制氢如何提升它的效率？第二个问题是氢换电的效率，两头都要考虑转化效率。制氢的时候，要考虑电解槽容量的影响，要考虑在高效率期间如何让电解槽更多的制氢。储氢的时候要考虑安全的问题，因此这里做了安全系数。也就是说在储气罐当中，氢气和氧气在95%的区间怎么控制在我的区间。这是三个阶段所考虑的条件。
我们做了经济性模型，主要考虑到尺寸的设计，对于投资和运营有什么影响。这时候提供了氢储能平准化的成本以及系统的成本，这里面我们做了风光互补。图中说明新能源制氢的时候必须做风和光的互补，这时候是比较好的。
但是怎么做？首先可以平衡好新能源出力，二是高效利用新能源，三是减少配置成本。因此，我们在规划的时候，要考虑风光装机容量的比较，运行的时候要考虑波动性，降低压力，我们将氢储能做了风光互补，从供电侧和需求侧。
我简单把这个图说一下，这是按照一天的情况。红颜色是光伏，蓝颜色是风机，在这个期间新能源是用来制氢的，下面绿颜色的线是氢储能（如图）。我们把春天和秋天用来制氢，到了夏天和冬天的时候，把春秋季节的氢利用起来，我们做了一年四个季节的制氢和用氢的情况。
结论：风能和太阳能的互补特性，同时要挖掘负荷侧调节的情况，可以通过氢储能实现能量跨季节的运行，同时新能源的利用率和系统的可靠性。
怎么做这个事情？我们做了光制氢，这是我们自己提的方法。我通过发电量的情况来做电解槽的切换，也就是电解槽有点类似于光伏增电，做了最大功率的跟踪。在这个时候，我的电解槽可以随着光伏发电情况做最大的输出，这个文章也有，大家如果有兴趣可以看一看是如何进行追踪的。除了这个以外，我们做了串并联的控制，从而实现光伏发电量的应用。
4、双碳目标下氢储能系统碳排放潜力
我们通过并网和离网做了结论，国内外目前研究重点是并网型风电制氢技术在不同应用场景下的可行性和经济分析，例如弃制氢、结合燃料电池发电。并网型风电制氢可充分利用弃风，将弃风率从35.8%降至7.5%，明显降低制氢成本；风电制氢另一打油诗是利用电解制氢的灵活性，提高风电并网友好性；用电低谷时段，制氢储能，用电高峰时段，利用燃料电池或氢气轮机发电提高风电出力效率。
这是用光伏来制氢的情况，目前有光伏电解水制氢，还有通过光热，以及电化学制氢，还有光伏的、氢能的系统，目前来说这些技术处于实验的阶段，在推广的时候还需要一定的时间。
这是我们做的经济上的模型，这个要做一个前提条件，才能从成本上做计算。这时候考虑综合能源，去考虑IES的综合需求响应能力的时候，这个模型如何实现里面能量上的交换。
这是从碳排放目标来说，目前来说通过风电和太阳能实现无碳能源加上氢储能，一是制氢电力来源我国三北地区弃风、光；二是主要依靠氢储能“电-氢-电”转换特性，将电力馈入电网，还可以通过气网把制的氢传输过来，目前主要为了通过电能和氢能实现能量交换，以及能源的利用，这是最终的目标。
谢谢大家！
