第十二屆中國國際儲能大會支撐新型電力系統建設的氫儲能關鍵技術路線及思考2022.09.09 杭州1新型電力系統關鍵技術2氫儲能系統中長周期運行特性3源-網-荷-氫優化調度模型4雙碳目標下氫儲能系統碳排放潛力報告提綱新型電力系統是以確保能源電力安全為前提，以新能源為供給主體，以智能電網為樞紐平臺，以源網荷儲—體化與多能互補為支撐，以清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動為基本特征的電力系統1.新型電力系統關鍵技術需求大規模高比例新能源接入創新電網結構形態與運行模式增強電源協調優化運行能力新型儲能技術規模化應用大力提升電力負荷彈性目標積極發展“新能源+多元儲能”、源網荷儲一體化和多能互補，支持分布式新能源合理配置儲能系統由于新能源強隨機性和高波動性，儲能技術被認為是解決新能源出力不穩定的重要手段03傳統電力系統與新型電力系統對比發電側形態用戶側形態電網側形態電能平衡方式技術基礎形態1.新型電力系統關鍵技術04特定地理條件光熱發電領域氫能其它領域關鍵作用液態氫能量密度約為汽油、柴油、天然氣的2.7倍氫能運輸不受輸配電網絡的限制，可實現跨區域調峰工業原料，替代化石燃料作為冶金、水泥和化工等還原劑集成儲能技術，電化學儲能與儲氫配合解決多時間尺度平衡需求(短時間尺度)(中長時間尺度)(氫氣與天然氣的密切聯系)氫能作為電、熱、氣網一體化的重要紐帶，實現能源網絡互聯互通隨著碳中和進程的推進，氫能有望成為新型電力系統清潔低碳的能源載體[1]許傳博,劉建國.氫儲能在我國新型電力系統中的應用價值、挑戰及展望[J].中國工程科學,2022,24(03):89-99.解決新能源與負荷間的非匹配性和雙側隨機性，新型儲能系統面臨的電力調節需求：大規模、長周期、跨季節[1]①

儲能技術特性 ②

儲能對比氫儲能作為一種化學儲能方式，適用于長時間儲能，且能儲存百GW·h以上，被認為是極具潛力的新型大規模儲能技術05區域棄風、棄光現象嚴重風光出力的預測準確程度有限，其出力隨機性會對電網造成一定沖擊利用新能源出力富余(未能利用)的電能進行制氫，將電能轉化為氫能儲存起來或供下游產業使用當電力輸出不足時，利用儲存起來的氫能通過燃料電池進行發電回饋電網整個運行過程清潔高效，無任何污染氣體產生問題解決方案含氫儲能微電網系統1.新型電力系統關鍵技術日本燃料電池系統（ENE-FARM）未利用排熱(3~15%)85~97%100%用電+供熱35% 50%“電—氫—電”轉化過程只有水的消耗和生成，總效率為40%~50%與電化學儲能(70%~90%)相比不具優勢燃料電池熱電聯供(CHP)，轉化效率可提高至60%~80%家庭就地利用，不存在長距離電網、熱管網運輸損失，效率進一步提升0%損耗061.新型電力系統關鍵技術運行溫度

70~90℃電解效率

60~75%耗能

4.5~5.5

kWh/Nm3技術成熟，成本低KOH電解液高度腐蝕，存在安全問題運行溫度

70~80℃電解效率

70~90%耗能

3.8~5.0

kWh/Nm3?響應快，適應動態操作，波動

?性新能源匹配性高需貴金屬催化劑，成本高高運行溫度600~1000℃電解效率

85~100%耗能

2.6~3.6

kWh/Nm3高轉換效率，工作壓強低技術不成熟，需同時提供電能與熱能，材料高溫降解氫儲能關鍵技術包含制氫、儲運氫和燃料電池技術三個方面儲運氫技術包含：高壓氣態、低溫液態、金屬氫化物、有機液態電制氫堿性電解槽(AEC) 質子交換膜電解槽(PEMEC) 固態氧化物電解槽(SOEC)氫儲能=電解槽+儲氫罐+燃料電池定輸入容量

存儲能力

定輸出容量氫轉電燃料電池的實質是電解水的逆過程區分傳統電池，其燃料和氧化劑是在反應的同時輸入的，而不是預先放置的AFCPEMFCPAFCMCFCSOFC燃料電池建筑供能熱電聯產系統發電電站、應急電源便攜電池小型家用電器交通運輸新能源汽車1新型電力系統關鍵技術2氫儲能系統中長周期運行特性3源-網-荷-氫優化調度模型4雙碳目標下氫儲能系統碳排放潛力報告提綱08自損耗率

單一電儲能向多元儲能轉變（電儲能、儲氫、蓄熱、蓄冷等），中長周期運行的時間范圍定義在周、月、跨季節時間尺度內電化學儲能：較高，且受容量限制×蓄熱、蓄冷：設備絕熱能力有限，耗散比大×儲氫：接近

0，且便于轉為其它能源形式√儲氫方式儲氫密度優點缺點應用高壓氣態1~3

wt%技術成熟設備結構簡單成本低儲氫密度低存在泄露和爆炸的安全隱患普通鋼瓶高壓儲氫罐低溫液態>10

wt%儲氫密度大運輸方便容器絕熱要求高易揮發、耗能大大量遠距離儲運、火箭低溫推進劑固態材料1~18wt%儲氫密度大安全性高可逆循環成本較高技術不成熟處于實驗階段國內外產業化均較少能源多方面利用能源跨季節利用提高可再生能源利用率P2G2.氫儲能系統中長周期運行特性09應用場景1：分布式光伏PV+氣電混合P2G應用場景2：電熱氣聯儲聯供低碳園區IES分布式光伏供電負荷反送配電網母線電壓達到上限避免棄光富余電量氫轉甲烷天然氣網電轉甲烷：45%~60%電轉氫：75%~90%(優先考慮)燃料電池電轉氫氣氫儲上限春秋季電熱負荷適中夏季電負荷高熱負荷低冬季電負荷低熱負荷高①

電能利用②

熱能利用運行策略氫儲能鋰電池2.氫儲能系統中長周期運行特性10中長期運行經濟性評估：電解水制氫技術面臨氫氣平準化成本較高問題，制約氫氣供應鏈①

AEC與PEMEC成本對比經濟性依賴度電成本+設備成本70~90%②

我國目前各氫平準化成本上網電價陸上風電海上風電光伏水電度電成本元/(kW·h)0.6160.410.630.400.33由于PEMEC比AEC設備成本高，氫氣平準化成本將增加40%左右隨著可再生能源發電成本下降，預計2050年，氫成本將低至11.63

元/kg目前電—氫—電的發電成本也較高，達到3.61元/(kW·h)，也遠超現有度電需從技術、

商業模式創新等多方面協同發力2.氫儲能系統中長周期運行特性11極端氣候條件影響：可再生能源為氣象依賴型電源“靠天吃飯”2020年8月2021年2月2021年9月今年8月1.

初期新型電力系統“保供”措施正常情況下，優先使用風電、光伏、水電等可再生能源極端天氣下，利用煤炭、燃氣等穩定的化石能源進行供電補充負荷分類保供必保負荷：化石能源保供經濟負荷：可再生能源+化石能源協同保供柔性負荷：源網荷儲互動

(需求響應)2.

后期構建抗災型電力系統合理利用氫儲能長周期、季節性儲能優勢，將一年內多風及晴朗天氣的富余電力作為極端天氣下的負荷供應氫能可實現跨區域輸送，加強各電網交流互聯，互為備用構建P2G彈性負荷，通過氫能實現電網與氣網融合，保證天然氣的可靠供應(燃氣機組)美國加州高溫大規模停電美國得州應對極寒天氣，削減負荷最高達到2000萬千瓦我國東北冷空氣來襲，用電超負荷四川省應對高溫的限電措施氣象因素電源端負荷側城市負荷(溫控負荷)占比提高，負荷溫度敏感度提升沖擊負荷供應德國2050年氫氣管規劃網電力系統2.氫儲能系統中長周期運行特性1新型電力系統關鍵技術2氫儲能系統中長周期運行特性3源-網-荷-氫優化調度模型4雙碳目標下氫儲能系統碳排放潛力報告提綱133.源-網-荷-氫優化調度模型電源端設備參數、風光預測系統、高精度天氣預報、環境數據、監控數據及歷史統計數據電網側有功和無功調節能力、負載率、可靠性負荷端負荷特性、歷史負荷數據、氣象因素儲能側調峰、調頻、調壓、備用傳統電力系統：“發-輸-變-配-用”單向過程新型電力系統：“源-網-荷-儲”一體化循環過程源網荷儲各環節其中，儲能作為靈活性、可調性資源，可實時“查漏補缺”,改變電能時域特性氫儲能容量配置模型在各策略運行下可實現相應目標：新能源消納最大化、最優運行經濟性、系統安全穩定等14新型儲能系統容量配置直接關系到系統整體供電的可靠性及運行的經濟性氫儲能的儲能方式靈活，其輸入功率、存儲能力、輸出功率可分別由電解槽、儲氫罐和燃料電池容量決定同時也帶來了復雜的儲能容量配置需求過小的儲能系統無法保證系統電能質量和整體運行性能的提升氫儲能各設備運行狀態存在效率和安全限制①

電解槽制氫效率 ②

燃料電池耗氫效率儲氫罐中氫氣在氧氣(HTO)的爆炸極限為4%~95%，且系統監測范圍一般設定為爆炸下限的50%，即HTO不超過2%可靠性③

儲氫罐HTO安全系數制氫區間受電解槽容量影響高效率區間：電解槽可制取更多氫能耗氫區間受燃料電池容量影響高效率區間：以耗最少氫能出力3.源-網-荷-氫優化調度模型[2]李軍舟,趙晉斌,陳逸文,毛玲,屈克慶.考慮動態功率區間和制氫效率的電轉氫(P2H)設備容量配置優化[J].電工技術學報,2022.(已錄用)儲能系統優化配置，尤其是規模尺寸設計，對于新型電力系統的建設投資與長期運營具有重要的影響合理的儲能尺寸設計也能夠有效改善微電網及系統的運營成本目標函數：(等年值成本)經濟性通過氫儲能實現能量的跨季節利用，提高可再生能源利用率和運行可靠性系統等年值成本大幅降低，實現系統最優經濟性15方案123風電√×√光伏×√√等年值成本(×107

￥)2.9093.0891.925合理風光裝機容量成本經濟性約束條件：功率平衡，投建容量，氫儲荷電狀態，最大棄風、棄光率年運行可靠性風能和太陽能的互補特性，即白天光強，夜間風多，夏秋季光照強，風小而春冬季風大，日照弱風光互補發電系統是一種具有較高性價比的新能源發電系統。3.源-網-荷-氫優化調度模型16[3]李軍舟,趙晉斌,曾志偉,毛玲,屈克慶.具有動態調節特性的光伏制氫雙陣列直接耦合系統優化策略[J].電網技術,2022,46(05):1712-1721.(已發表)氫儲能自我調節能力：隨可再生能源出力變化自行調控到最佳運行狀態源儲雙陣列系統間接耦合系統直接耦合系統光伏陣列電轉氫設備變換器變換器接入存在問題：分段線化結構復雜，增加系統成本存在電能傳遞損失，降低系統效率

性電磁干擾，輸出電流紋波最大功率跟蹤 常+電壓匹配 規場景復雜場景光伏陣列輸出特性電解槽陣列運行特性“Np×Ns

”np×ns3.源-網-荷-氫優化調度模型1新型電力系統關鍵技術2氫儲能系統中長周期運行特性3源-網-荷-氫優化調度模型4雙碳目標下氫儲能系統碳排放潛力報告提綱184.雙碳目標下氫儲能系統碳排放潛力“零碳排放”模式我國三北地區棄風、光(未利用能量)“雙碳”目標

力爭于2030年前實現碳達峰，

2060年前實現碳中和目前，CO2減排路徑主要有節能降耗和無碳能源替代化石能源“零碳排放”模式：風電、太陽能(主要無碳能源)+氫儲能(轉換器)①①

制氫電力②②主要依靠氫儲能“電-氫-電”的轉換特性，將電力饋入電網典型氫儲能示范項目氫儲能在“零碳排放”模式的關鍵作用電能和氫能通過制氫與燃料電池發電技術實現能量轉換有效提升可再生能源的并網品質也可通過“西氣東輸”天然氣管道將氫氣輸送至東部