二、氫能是大規(guī)模、長周期儲(chǔ)能最優(yōu)選，是非電能源消費(fèi)領(lǐng)域碳中和的關(guān)鍵
2.1 氫能適用于大規(guī)模和長周期儲(chǔ)能，大規(guī)模應(yīng)用和時(shí)間邊際成本低
廣義儲(chǔ)能改善用電負(fù)荷季節(jié)性，終端運(yùn)用方式多樣化。
廣義儲(chǔ)能：利用電力系統(tǒng)中的富余電能，將其轉(zhuǎn)化為其他能源或產(chǎn)品，在利用環(huán) 節(jié)不轉(zhuǎn)換回電能而直接利用所存儲(chǔ)能量形式的儲(chǔ)能方式，用于進(jìn)行大規(guī)模存儲(chǔ)、 轉(zhuǎn)移并直接利用。廣義儲(chǔ)能僅完成電能-其他形式能量的能量轉(zhuǎn)換過程，終端負(fù) 荷需求為多重能量形式，實(shí)現(xiàn)了跨能源品種的季節(jié)性儲(chǔ)能與優(yōu)化利用，主要包括 電化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能三類。
狹義儲(chǔ)能：完成了電能-其他形式能量-電能的能量轉(zhuǎn)變，具有與電力系統(tǒng)強(qiáng)耦合 的特點(diǎn)，即最終途徑為上網(wǎng)，在 2 次能量轉(zhuǎn)化過程增加了儲(chǔ)能的能量損耗，包括 電轉(zhuǎn)氣、抽水蓄能與壓縮空氣儲(chǔ)能等。
氫儲(chǔ)能屬于廣義儲(chǔ)能，即利用電力系統(tǒng)如光伏和風(fēng)電中的富余電能，通過電解水制氫 設(shè)備將其轉(zhuǎn)化為氫，并在終端應(yīng)用環(huán)節(jié)直接使用氫氣而非必須轉(zhuǎn)換回電能上網(wǎng)的儲(chǔ)能 方式，間接改善了用電負(fù)荷的季節(jié)性特征，實(shí)現(xiàn)能量季節(jié)性轉(zhuǎn)移 (3-9 月氫氣凈儲(chǔ) 存，10-2 月氫氣凈消耗)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)單位電力碳排放強(qiáng)度的下降(由 950g/kWh 降 低為 569g/kWh)。
氫能適用于大規(guī)模和長周期的儲(chǔ)能，具備無自衰減、擴(kuò)容成本低等特性。氫儲(chǔ)能主要 指將太陽能、風(fēng)能等間歇性可再生能源余電或無法并網(wǎng)的棄電，通過電解水制氫的方 式儲(chǔ)存，可就地消納、時(shí)經(jīng)燃料電池進(jìn)行發(fā)電或管道、長管車運(yùn)輸?shù)确绞焦?yīng)于下游 應(yīng)用終端。相較于抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能(鋰電)具有無自衰減、擴(kuò) 容成本低、能量密度大、能源發(fā)電轉(zhuǎn)移便捷等優(yōu)點(diǎn)，憑借其無自衰減的特性，尤其適 用于跨周和季度的儲(chǔ)能?；跀U(kuò)容成本低的特點(diǎn)，即僅需增加氫瓶即可擴(kuò)充儲(chǔ)能容量， 適用于大規(guī)模的儲(chǔ)能，在短周期內(nèi)儲(chǔ)能效率較低。
儲(chǔ)能技術(shù)呈現(xiàn)多樣化，其中電池和氫能兩者互補(bǔ)，共同構(gòu)成主流儲(chǔ)能方式。
鋰電儲(chǔ)能：鋰電儲(chǔ)能適用于日度調(diào)峰以及調(diào)頻，因?yàn)樾矢咔覄?dòng)態(tài)響應(yīng)更快。 相反氫儲(chǔ)能不適用于調(diào)頻場(chǎng)景，因?yàn)檎{(diào)頻場(chǎng)景需要的響應(yīng)速度更快，并且所需儲(chǔ) 能容量小無法體現(xiàn)大規(guī)模氫儲(chǔ)能的成本優(yōu)勢(shì)。然而針對(duì)大規(guī)模、長周期的儲(chǔ)能場(chǎng) 景，氫儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)更明顯，因?yàn)闅鋬?chǔ)能無自衰減，且針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能氫儲(chǔ)能只需 增加儲(chǔ)氫設(shè)備，邊際成本低。
液流電池：將正負(fù)極電解液分開后各自循環(huán)的一種高性能蓄電池。電池容量取決 于儲(chǔ)存罐的大小，容量可達(dá) MW 級(jí)。液流電池有多個(gè)體系，如鐵鉻體系，鋅溴體 系、多硫化鈉溴體系以及全釩體系，其中全釩液流電池應(yīng)用最廣。目前全釩液流 電池技術(shù)成熟，但離子交換膜和電解液材料成本較高。
鈉離子電池：鈉離子電池具有與鋰離子電池相似的工作原理和儲(chǔ)能機(jī)理。鈉離子 電池雖然原材料成本低，但功率密度低，相較鋰電池更適合儲(chǔ)能場(chǎng)景而不是動(dòng)力 電池，當(dāng)前產(chǎn)業(yè)鏈需進(jìn)一步發(fā)展。
大規(guī)模氫儲(chǔ)能成本優(yōu)勢(shì)明顯，1MWh 儲(chǔ)能下初始建設(shè)的度電成本只需 1300 元。
測(cè)算邏輯：蓄電池儲(chǔ)能綜合了充電、儲(chǔ)電、放電三個(gè)功能于一體，然而對(duì)于氫儲(chǔ) 能系統(tǒng)來說則分別需要電解槽、儲(chǔ)氫罐、燃料電池來實(shí)現(xiàn)以上三個(gè)功能。我們以 1MWh 的儲(chǔ)能需求為測(cè)算基準(zhǔn)，考慮氫儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合效率 36%，一天工作 10 小時(shí)， 將 0.28MW 的堿性電解槽、8 個(gè) 20MPa 的儲(chǔ)氫瓶以及 0.17MW 的燃料電池系統(tǒng)看成 一個(gè)日均存儲(chǔ)電能 1MWh 的整體，最終測(cè)算氫儲(chǔ)能系統(tǒng)初始投資的度電成本為 1300 元，低于磷酸鐵鋰電池和液流電池。
氫能長時(shí)儲(chǔ)能邊際成本低，無自衰減更適配長周期。從各類型儲(chǔ)能技術(shù)看，蓄電池類 的磷酸鐵鋰電池、鈉離子電池和液流電池，邊際擴(kuò)容成本較高，需要配套擴(kuò)充相應(yīng)的 鋰電池、鈉電池和釩電解液，并從資源礦中提取，價(jià)格還將隨上游原材料供需波動(dòng)。 對(duì)比氫儲(chǔ)能的擴(kuò)容，僅需同比例增加儲(chǔ)氫罐的數(shù)量，規(guī)模效應(yīng)下，儲(chǔ)氫罐成本下降， 邊際擴(kuò)容簡(jiǎn)易且可移動(dòng)場(chǎng)景儲(chǔ)存，如鹽穴儲(chǔ)氫等，不占用發(fā)電設(shè)備所在地面積。此外， 氫氣作為儲(chǔ)能在氫罐內(nèi)月度損耗不到萬分之一，而電池類儲(chǔ)能電池?fù)碛袀€(gè)位數(shù)自衰減 率，相對(duì)氫損耗較高，例如鋰離子電池自放電率每月為 2%-5%。
測(cè)算邏輯：后續(xù)擴(kuò)容對(duì)于蓄電池類的磷酸鐵鋰電池、鈉離子電池和液流電池，需 要配套擴(kuò)充相應(yīng)的鋰電池、鈉電池和釩電解液，以擴(kuò)建成本占總投資成本的 50% 測(cè)算度電擴(kuò)容成本，氫儲(chǔ)能由于擴(kuò)容僅需擴(kuò)充氫罐，因此度電擴(kuò)容成本測(cè)算以對(duì) 應(yīng)擴(kuò)充的氫罐價(jià)值測(cè)算。最終測(cè)算度電儲(chǔ)能邊際成本氫最低，約為 120 元/kwh， 和蓄電池類度電擴(kuò)容對(duì)比最低，且隨著儲(chǔ)能容量的增大，價(jià)差將逐步拉大，100 度電的儲(chǔ)能擴(kuò)容需求時(shí)，最大成本差可達(dá) 11 萬。
2.2 上游耦合風(fēng)光制氫、下游多領(lǐng)域零碳應(yīng)用，氫能終章將推動(dòng)可再生能源二次裝機(jī)
能源使用形式可分為電力和非電能源，非電能源應(yīng)用占比過半且脫碳難度高。能源使 用形式可分為電力及非電能源，在使用過程中的某些領(lǐng)域由于特定需求，能源需要擁 有更高能量密度、更長期的儲(chǔ)存周期或以燃料形式存在用來燃燒，即使用電需求不斷 高增，但在某些領(lǐng)域的需求電是無法替代非電能源的，例如金屬冶煉、焦?fàn)t煉鋼、合 成氨等。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局能源消費(fèi)和燃煤發(fā)電數(shù)據(jù)推算，當(dāng)前非電能源的消費(fèi)應(yīng)用占 比過半，并且非電能源行業(yè)大多為碳排放量占比高卻又難以脫碳的領(lǐng)域，例如工業(yè)、 化工等。假設(shè)到 2060 年中國電氣化率高達(dá) 70%，對(duì)應(yīng)仍然存在 20-30 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的 能源需完成脫碳，因此需其他能源形式以實(shí)現(xiàn)碳中和。
氫能是與電同等重要的二次能源，非電能源消費(fèi)領(lǐng)域的脫碳關(guān)鍵在氫能。如果說電氣 化是能源碳中和的主力軍，那么氫能則是能源碳中和的最后關(guān)鍵一環(huán)。在清潔性、能 量密度、安全性以及商業(yè)化進(jìn)度等方面具備可行性。
上游側(cè)耦合風(fēng)光設(shè)備電解水制氫，可解決可再生能源電消納及上網(wǎng)問題。電消納及上 網(wǎng)問題隨光伏和風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模高增逐步凸顯，風(fēng)光耦合電解水制氫可實(shí)現(xiàn)風(fēng)光裝機(jī)無 地域限制。近十年來，我國光伏和風(fēng)電成本快速下降，為裝機(jī)規(guī)?？焖偬嵘於嘶?礎(chǔ)，但風(fēng)光發(fā)電波動(dòng)性的特點(diǎn)制約了其進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模，因而配儲(chǔ)以平抑波動(dòng)性?，F(xiàn) 階段大部分可再生能源發(fā)電終局為上網(wǎng)，儲(chǔ)能大多僅作為可再生能源電力上網(wǎng)前電源 側(cè)波動(dòng)性的暫時(shí)儲(chǔ)存電力的方案，在光伏和風(fēng)電大規(guī)模裝機(jī)至一定規(guī)模后，上網(wǎng)及電 消納將成為可預(yù)見性需要解決的問題。因此，將風(fēng)光設(shè)備耦合電解槽制取氫氣儲(chǔ)能， 氫氣再作為能源使用，將解決儲(chǔ)存能量的大規(guī)模時(shí)空轉(zhuǎn)移特性，實(shí)現(xiàn)交通網(wǎng)與能源網(wǎng) 的深度耦合。
氫儲(chǔ)能示范項(xiàng)目：光伏+氫儲(chǔ)能+火電靈活性運(yùn)行示范工程可行性分析 (摻燒 20%)， 在大部分場(chǎng)景下，棄光制氫+氫儲(chǔ)能+火電 20%摻氫燃燒的方案可實(shí)現(xiàn)更優(yōu)經(jīng)濟(jì)性。
測(cè)算邏輯：1 噸煤發(fā)電量為 3333kWh，對(duì)應(yīng)排放 2.62 噸二氧化碳，以不同情況下 的煤炭價(jià)格測(cè)算其基礎(chǔ)電力成本，在后續(xù)碳稅價(jià)格疊加下，測(cè)算其發(fā)電的電力成 本，對(duì)比棄光制氫(零發(fā)電成本)+氫儲(chǔ)能+火電 20%摻氫燃燒，大部分場(chǎng)景下后 者更具備經(jīng)濟(jì)性。
配儲(chǔ)需求從供給側(cè)推動(dòng)氫能放量，風(fēng)光氫儲(chǔ)一體化項(xiàng)目逐步落地。風(fēng)光配儲(chǔ)成為剛需， 各地政府陸續(xù)發(fā)布強(qiáng)制配儲(chǔ)需求，配儲(chǔ)比例最高可達(dá) 30%，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，若在 風(fēng)光裝機(jī)量達(dá)到 50 億千瓦、年發(fā)電量 10 萬億度的時(shí)候，按 10%-30%的配儲(chǔ)比例，儲(chǔ)能容量將在 1 萬億-3 萬億度，意味著儲(chǔ)能必須滿足低成本、規(guī)模化、無地域限制、 長壽命等要求。當(dāng)前氫能與傳統(tǒng)的電池等技術(shù)同被認(rèn)定為儲(chǔ)能，納入了強(qiáng)制配儲(chǔ)需求 可計(jì)算的比例內(nèi)，可再生能源裝機(jī)疊加強(qiáng)制配儲(chǔ)需求，上游供給側(cè)放量將推動(dòng)氫儲(chǔ)能 發(fā)展，風(fēng)光一體化項(xiàng)目也處于不斷規(guī)劃與落地的狀態(tài)。
下游多樣化應(yīng)用打開需求側(cè)市場(chǎng)，反推動(dòng)氫能甚至二次推動(dòng)可再生能源裝機(jī)。氫氣只 需儲(chǔ)存在氫瓶里即可，意味著氫可即刻就地使用或隨時(shí)向需求端運(yùn)輸轉(zhuǎn)移，除直接儲(chǔ) 能外，可在交通、工業(yè)、化工等領(lǐng)域逐步滲透應(yīng)用，多樣化應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩酱蜷_需求 側(cè)市場(chǎng)，反推動(dòng)氫儲(chǔ)能需求，甚至在未來氫對(duì)工業(yè)、化工等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了高滲透率的情 況下，大概率還將成為可再生能源裝機(jī)量增長繼度電成本平價(jià)后的后繼驅(qū)動(dòng)力。
歐盟提出可再生氫(綠氫)定義規(guī)則，三大條定義核心全部與可再生能源發(fā)電掛鉤， 制取氫氣電力中的 90%是可再生能源發(fā)電，這樣制取的氫才能稱為綠氫。因此，基于 光伏年發(fā)電小時(shí)數(shù)的限制，電解槽一年的運(yùn)行時(shí)間與光伏設(shè)備運(yùn)營時(shí)間高度相關(guān)。以 電解槽匹配光伏制氫為例測(cè)算，分樂觀情況下，電解槽年運(yùn)行 1400 小時(shí)和中性情況 下，年運(yùn)行2500小時(shí)，分別對(duì)應(yīng)90萬噸綠氫規(guī)劃總量下，可裝電解槽37.8GW和21.2GW， 反推動(dòng)光伏裝機(jī)量 47.3GW 和 26.5GW。預(yù)計(jì)在未來技術(shù)迭代和成本逐步下降的情況下， 2025 年后電解水設(shè)備及綠氫市場(chǎng)將持續(xù)加速，反推動(dòng)可再生能源量也將高增。
評(píng)論