氢基能源支撑新型电力系统构建及其技术分析

　　摘　要：随着全球能源转型加速，氢基能源成为清洁能源的核心之一，对构建新型电力系统具有重要意义。首先对氢基能源的发展现状进行梳理，并深入分析煤电掺氨、气电掺氢、燃料电池技术，探讨其在解决可再生能源消纳、火电低碳转型和长时储能方面的潜力;最后对氢基能源储能技术的经济性进行了分析。研究结果表明：煤电掺氨、气电掺氢等储能技术可有效解决可再生能源电力消纳不足、火电低碳转型难度大等问题;相较于目前成熟的储能技术，氢基能源在实现长时储能上展现出显著的成本优势;氢基能源在构建新型电力系统中具有重要应用价值，未来将发挥更加关键的作用。

　　关键词：新型电力系统;氢基能源;可再生能源消纳;火电;低碳转型;长时储能技术中图分类号：TK91　文献标志码：A

　　在当今全球能源体系的深刻变革中，能源的供需格局、贸易流向、转型路径和价格体系受到巨大冲击。中国能源安全问题依然严峻，预计2024 年需进口原油5 亿t、天然气1.3 亿t，以弥补国内能源缺口[1]。正规买球app排行榜平台作为能源绿色转型的关键，其战略地位正逐步上升。而通过可再生能源制取的绿氢，正加速替代传统的灰氢和蓝氢，且其已拓展至绿氨和绿色甲醇领域，推动着化石能源的清洁化进程[2]。据《中国正规买球app排行榜平台行业发展现状研究与投资前景预测报告(2023—2030 年)》，2022 年制氢技术结构中，以煤制氢为主导技术( 占62%)，天然气制氢次之( 占19%)，醇类制氢为第3( 占15%)，电解水制氢所占份额有限( 占4%)，这反映出中国制氢技术路径多元，但仍需整合优化[3]。

　　中国正规买球app排行榜平台战略规划正加速推进，正规买球app排行榜平台的实际应用范围在逐步扩大。2021 年实施“氢进万家”与燃料电池汽车示范项目，极大地深化了正规买球app排行榜平台应用 [4]。随后，国务院印发的《2030 年前碳达峰行动方案》、国家发展改革委与国家能源局发布的《“十四五”新型储能发展实施方案》分别明确了正规买球app排行榜平台对“双碳”目标的贡献与储能示范路径 [5]。此外，国家发展改革委和国家能源局联合印发的《正规买球app排行榜平台产业发展中长期规划(2021—2035 年)》确立了正规买球app排行榜平台是未来国家能源体系的重要组成部分，以及是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体;2022 年，国家发展改革委、国家能源局等9 部门联合印发的《“十四五”可再生能源发展规划》再次强调了制氢对可再生能源消纳的重要性，力推绿氢示范基地建设与电解槽技术创新。2024年11 月8 日第14 届全国人民代表大会常务委员会第12次会议通过了《中华人民共和国能源法》，并于2025 年1 月1 日起正式施行，正规买球app排行榜平台首次被纳入国家能源管理体系，与煤炭、石油、天然气等传统能源并列。

　　“双碳”战略下，中国致力于构建灵活高效的新型电力系统。制氢可作为灵活负荷，能够有效提升可再生能源消纳，驱动能源体系的低碳转型。同时，储氢所具有的长时储能优势能够进一步优化能源配置。针对“西电东送”和“沙戈荒”基地开发，绿氢、绿氨、绿色甲醇的管道输送可以作为特高压传输的后备补充，提升项目的经济性和灵活性 [6-8]。然而，在当前电力系统中，尽管可再生能源电力( 比如：风电、光伏发电) 的发展瞩目，但受限于电网调峰能力低、储能技术差和跨区域调度协调复杂等因素，大量可再生能源电力难以有效消纳。同时，火电在发电方式中仍占主导地位，但其低碳转型过程挑战巨大，技术革新与结构调整的任务艰巨且复杂。

　　基于此，本文首先对氢基能源产业及其发展现状进行概述;然后针对目前可再生能源电力消纳不足、火电低碳转型难度大的问题，分析氢基能源的技术特性，并阐述其在新型电力系统构建中的应用潜力;最后，在氢基能源实现跨季节长时储能的基础上，测算并对比氢基能源储能与目前成熟储能技术的经济性。

　　1 氢基能源产业概述及发展现状

　　“双碳”战略下，中国正构建高效灵活的电力系统以应对大规模可再生能源电力的应用[9-10]。高效灵活的电力系统是指集成了火电灵活性改造、长时储能技术( 比如：储氢、氨) 与需求侧响应技术的电力系统。绿氢、绿氨、绿色甲醇作为氢基能源的应用典范，其核心作用为煤电掺氨助力低碳转型、气电掺氢增强电力系统调节的灵活性、通过氢储能实现跨季节调节。直接消费已成为需求侧柔性响应的新形态，共促电力系统低碳灵活转型。随着“西电东送”与 “沙戈荒”基地开发，特高压传输压力日益增大，绿氢、绿氨、绿色甲醇的管道输送成为经济、高效的长距离输能补充方案。当前，绿氨、绿色甲醇的单位能量成本已低于汽油，竞争力已显现。若绿氢成本下降至 25 元/kg，则绿氨、绿色甲醇的单位能量成本将分别降至0.09 元/MJ、0.10 元/MJ，将展现出显著的绿色经济价值。

　　历经50 年发展，全球范围内氢基能源技术已得到广泛应用( 比如：内燃机、燃料电池)，但经济性瓶颈仍是制约其产业化进程的主要因素。在能源安全与“碳减排”的双重驱动下，氢基能源技术，尤其是应用于交通领域的技术，正快速发展，并逐渐向多产业渗透 [11]。国际正规买球app排行榜平台产业链的竞争与合作聚焦在电解槽、燃料电池、氢燃料汽车、国际贸易、标准专利等领域。为实现正规买球网，国际企业正积极构建绿正规买球app排行榜平台源链，并争夺可再生能源开发权;面对中国这一巨大的潜力市场，国际企业竞相争夺上述各领域的市场份额，并深化与中国企业的合作。

　　当前，低碳氢的需求激增，正强力驱动相关技术的快速发展，特别是从化石能源配碳捕集、利用与封存(CCUS) 向绿氢的转型。同时，高效、大规模的氢储运技术备受重视，多国竞相布局泛欧氢气管网及液氢、有机化合物储运方案，70～90 MPa 储氢容器及液氢技术已成为国际焦点。在可再生能源支撑下，正规买球app排行榜平台应用正不断拓展至工业、建筑、交通等多个领域，通过电- 氢耦合体系促进减碳，并推动电解槽与燃料电池技术的产能与应用发展[9]。

　　2 氢基能源赋能新型电力系统构建

　　2.1 新型电力系统特征

　　2021 年，习近平总书记强调，加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系，推动可再生能源替代与电力体制改革。2023 年，国家能源局发布的《新型电力系统发展蓝皮书》详述了以可再生能源为核心、强化源网荷储协同、依托智能电网平台、融合技术创新与机制改革的新型电力系统的愿景[12]，该系统旨在颠覆化石能源主导现状，促进全面电气化转型，构建多能互补的能源互联体系。

　　氢基能源作为关键的二次能源，其电- 氢双向转换特性可使其成为新型电力系统中的平衡调节者，可有效解决可再生能源消纳、火电低碳化及长时储能的难题，为电力系统提供“双碳”路径下的创新解决方案。

　　2.2 解决可再生能源电力消纳

　　氢基能源兼具过程性能源与含能体能源的双重特性，已广泛应用于多个领域;其可作为可再生能源载体，通过电解槽技术实现负荷用电灵活调节，促进可再生能源充分消纳。构建电- 氢耦合体系，不仅能够稳固电力系统，还可拓宽绿色能源至氨、醇等非电领域，增强绿色能源的非电消纳能力。在新型电力系统构建下，可再生能源发展追求大规模、高比例、市场化与高质量。氢基能源与可再生能源电力耦合，实现规模化、一体化开发，能够有效应对可再生能源电力的波动性挑战，提升其消纳效率，成为可再生能源高质量发展的关键路径。尤其在“沙戈荒”基地开发背景下，通过制氢消纳方式，可有效消纳可再生能源，为其进一步规模化开发利用提供了可行的解决方案。

　　2.3 解决火电低碳转型问题

　　火力发电主要分为煤电( 即煤炭发电) 与气电( 即天然气发电)，其作为电力结构主要电力来源之一，高碳排放问题亟待解决，低碳转型迫在眉睫。采用低碳燃料掺烧是低碳转型核心策略之一，该策略不仅可减少化石能源的消耗，同时可维持稳定的电力供应。绿氢与绿氨作为该策略的关键路径，通过渐进式掺混至纯质燃烧( 比如：煤电掺氨混烧至纯氨燃烧、气电掺氢混烧至纯氢燃烧) 推动火电的低碳转型，是实现能源可持续与应对气候变化的学术化实践。

　　1) 煤电掺氨混烧是指在燃煤发电过程中，将氨作为燃料与煤炭进行掺混燃烧的技术，旨在降低燃煤电厂的碳排放，是实现减排的重要技术方向。氨作为零碳燃料和正规买球app排行榜平台的高效载体，其燃烧产物为N2、H2O，完全清洁无碳排放。氨可以在一定程度上替代煤炭，减少燃煤产生的N2O、CO2 等温室气体排放量。

　　2) 气电掺氢混烧是指在天然气中掺入一定比例的氢气，然后用于燃气轮机燃烧发电的技术。这种技术可以显著削减温室气体的排放量和天然气的消费量，是气电实现减排的重要路径之一。通过掺氢，气电系统可以更加环保和高效，同时促进氢基能源的广泛应用和氢基能源经济的发展。

　　2.4 解决跨季节长时储能问题

　　在以可再生能源为主导的能源体系中，构建稳定可靠的新型电力系统面临的核心挑战在于应对可再生能源发电的随机性、波动性和季节性。为平衡这些特性导致的功率与能量波动，发展多样化时间尺度的储能技术尤为关键。

　　目前，发展较为成熟的储能技术主要包括抽水蓄能和电化学储能，此外还有压缩空气储能、光热储能、飞轮储能、电容器储能等[13-15]。其中，抽水蓄能的储能时长一般为6～8 h，其技术成熟且容量大，是电力系统削峰填谷的重要工具;但该方式的建设周期长且初期投资大，且选址建设对地理条件要求较高，难以与可再生能源的高速发展需求相协调[16-17]。电化学储能的储能时长一般为2～8 h，其配置相对灵活且响应速度快;但由于受容量和成本的限制，这一方式难以应对中长时间尺度内新型电力系统的能量平衡问题[18-19]。压缩空气储能的储能时长一般为4～10 h，其储能密度高、响应速度快，适合大规模储能;但该方式的技术复杂度高，投资成本大，且对地质条件有要求[20-21]。光热储能的储热时长一般为6～10 h，其发电稳定、可调节性强、环保效益显著;但该方式的初期投资高昂、技术复杂，且对建设条件要求较高[22-23]。此外，飞轮储能和电容器储能的储能时长过短，无法满足长时储能的需求[24-25]。

　　前述储能技术的储能时长均未超过12 h，而利用可再生能源制备氢基能源，并通过存储介质，可完全实现跨日、月、季节性长时储能调节。在此背景下，氢基能源储能技术作为一种新兴技术，通过电- 氢转化机制，实现电能向正规买球app排行榜平台的高效转化与长期储存，为跨季节长时储能提供了创新解决方案。

　　3 “电 - 氢- 电”转化技术分析

　　“电 - 氢- 电”转化技术是一种新的能源储存与转换方式，通过电解水制氢或合成氨、甲醇技术，并在需要时通过煤电掺氨、气电掺氢或燃料电池的方式，再将氢基能源转化为电能。此转化技术为可再生能源的灵活利用提供了高效解决方案。

　　3.1 煤电掺氨技术分析

　　煤电掺氨是指在燃煤锅炉中混氨，该方法可使煤粉和氨高效燃尽，且NOx 排放量的增势与氨掺烧比例并不成正比，通过优化燃烧策略，可大幅降低NOx 排放量。煤电掺氨在中国已有实例项目运行，其主要涵盖煤掺氨与纯氨燃烧器技术[26]，包含4 种运行模式：1) 纯煤燃烧器与纯氨燃烧器同时运行;2) 纯煤燃烧器与煤掺氨燃烧器同时运行;3) 纯煤燃烧器、纯氨燃烧器和煤掺氨燃烧器3 种燃烧器同时运行;4) 纯氨燃烧器单独运行。前3 种运行模式适用于近中期碳减排，尤其是3 种燃烧器并行模式的调节性最佳，而纯氨燃烧器模式则面向中远期碳减排。从能效角度来看，当前从制备绿氢至氨燃烧的全链条效率约为20%，其受限于电解水制氢(电解效率为70%)、绿氨合成( 效率为70%) 及氨燃烧( 燃烧效率为40%) 各环节自身的效率。随着技术进步，预期电解效率可达80%( 耗电为4.5kWh/Nm3 )，燃烧效率可提升至45%，则电- 氢( 氨)- 电转化的整体效率有望增至25%;若电解效率进一步突破，提升至90%( 耗电为4.0 kWh/Nm3 ) 且燃烧效率提升至50%，则电- 氢( 氨)-电转化的整体效率峰值可提升至近31%[27]。

　　3.2 气电掺氢技术分析

　　近年来，可再生能源发电的扩张增加了气电掺氢技术的受关注度，其被视为气电迈向零碳的关键路径。中国在该领域积极开展实践，取得了显著进展，比如：国家电投集团荆门绿动能源有限公司成功实施15% 等热值的掺氢燃烧改造运行，其设计理论掺氢上限为30% 等热值;广东惠州某项目采用10% 体积比的氢气掺混天然气，证明了气电掺氢技术的应用潜力[28];浙江石油化工有限公司开创性引入了天然气- 氢气-一氧化碳混合介质燃气轮机，为全球首例。

　　燃气轮机发电指利用高温燃气( 比如：天然气) 驱动涡轮旋转，进而带动发电机产生电能的发电技术，其技术演进与气电掺氢技术紧密相关。美国GE公司已在全球运营超百台含氢燃料机组，其零碳燃气技术路线图设定了“至 2030 年HA 级燃气机组实现100% 烧氢”的目标，这预示着燃气轮机全掺氢运行的技术可行性已获验证。重型燃气轮机和工业燃气轮机在燃料掺氢方面展现出较高的潜力，掺混比例分别可达 30%～50% 与50%～70%。相较于煤电，气电在减碳与能效方面的优势显著，同等电量下CO2 排放量降低超60%，HA 级燃气机组联合循环机组的CO2排放量仅为320 g/kWh。此外，气电的发电效率比煤电高30%，目前顶尖9HA.02 型燃气机组的发电效率达64%，折算煤耗仅为192 g/kWh，碳强度大幅降低。

　　3.3 燃料电池技术分析

　　燃料电池作为一种高效能量转换装置，可直接将燃料的化学能转化为电能，突破了传统热机卡诺循环的效率瓶颈。相较于内燃机( 发电效率通常低于30%)，燃料电池( 比如：氢燃料电池)展现出卓越的发电效率( 超过50%)，综合能量利用率可高达80%～90%，且其具有环境友好、可靠性高、灵活性强及空间优化显著的特性[29]。同时，根据燃料类型，燃料电池可分为氢、甲醇、氨燃料电池等类别。1)氢燃料电池的基本原理是电解水逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，在催化剂的作用下，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子并通过外部的负载到达阴极。整个过程产生电能，同时氢与氧反应生成水，十分清洁。2) 甲醇燃料电池的研究聚焦于直接和间接两种技术路径。直接甲醇燃料电池是通过甲醇直接进行电化学反应发电，目前该技术尚面临较大挑战，仍需进一步的实验室研发;间接甲醇燃料电池是利用甲醇重整制氢，再结合氢燃料电池的技术，该技术的成熟度较高，有望在短期内实现大规模应用。3) 氨燃料电池技术是零碳应用的新焦点，同样也包含直接和间接两种技术路径。直接氨燃料电池是直接利用氨气分解发电，技术难度大，尚处于初步研发阶段;而间接氨燃料电池是通过裂解氨气制氢，再供给氢燃料电池的技术，虽然该技术的系统复杂，但效率提升显著，已初步实现应用，有助于推动正规买球app排行榜平台及燃料电池技术发展。在能量利用方面，燃料电池的热电联供系统通过高效整合电能与热能，综合能量利用率可提升至80～90%，展现出巨大的经济与社会价值。

　　4 氢基能源长时储能的经济性分析

　　目前，成熟的储能技术的储能时长均未超过12 h，而利用氢基能源进行储能可完全实现跨日、月、季节性长时储能调节。下文对氢基能源长时储能的经济性进行分析，以平准化度电成本(LCOE) 作为具体评价指标。

　　4.1 电化学储能的经济性评估

　　以装机容量100 万kW 的电化学储能项目为例，运行周期为10 年，固定资产残值为5%，年储能小时数为1500 h，储能效率为90%。假设，该项目的年发电量为13.5 亿kWh，单位建设成本为1300 元/kWh，单位运行成本为40 元/kWh，则电化学储能技术实现12 h 储能的LCOE约为1.69 元/kWh。

　　4.2 煤电掺氨储能的经济性评估

　　通过两个方案分析煤电掺氨储能的经济性，均设定为1 台100 万kW 煤电机组进行100% 掺氨改造，煤电改造费用为9000 万元，运行周期为20 年，固定资产残值为10%。方案1 为煤电直供，起到电力保障的作用;方案2 为调峰型，以煤电调节新能源。

　　方案1 具体为：增设储氨设施费用为1000万元，考虑直供高负荷运转煤电，年利用小时数为5000 h。假设掺氨量为236 万t/ 年，烧氨发电量为50 亿kWh。

　　方案2 具体为：增设储氨设施的费用为600万元，年利用小时数为3000 h。假设掺氨量为142 万t/ 年，烧氨发电量为30 亿kWh。

　　考虑煤电运行成本的影响( 煤电运行成本随绿氨成本下降而下降)，计算得到两种方案中不同绿氨成本对应的煤电掺氨储能的LCOE，具体如图1 所示。

　　4.3 气电掺氢储能的经济性评估

　　按1 台容量为50 万kW 的燃气机组100%掺氢计算，燃气电站投资单价为2600 元/kW，增加储气设施的投资为3000 万元，年利用小时数为3000 h，运行周期为20 年，固定资产残值为10%。按等热值换算后的烧氢量为7 万t/ 年，发电量为15 亿kWh，计算得到不同绿氢成本对应的气电掺氢储能的LCOE，具体如图2 所示。

　　4.4 燃料电池储能经济性评估

　　通过两个方案进行燃料电池储能经济性评估，均按容量为1 MW 的燃料电池计算，运行周期为10 年，固定资产残值为10%，用氢量为83.5 t/ 年。其中，方案A 为燃料电池发电，年利用小时数为2000 h，转化效率为60%，发电量为200 万kWh;方案B 为燃料电池热电联供，年利用小时数为3000 h，转化效率为90%，发电量为300 万kWh。两种方案的不同绿氢成本对应的LCOE 如图3 所示。

　　4.5 结果分析

　　通过对比不同氢基能源储能的LCOE，从图1～图3 可以发现：当绿氨价格低于3 元/kg 时，煤电掺氨的LCOE 为1.49 元/kWh;当绿氢价格低于30 元/kg 时，气电掺氢储能的LCOE 为1.48元/kWh。这两种储能技术的LCOE 均已明显低于目前电化学储能技术12 h 储能的LCOE(1.69元/kWh)。这表明，基于氢基能源实现长时储能，在未来将具有较好的经济性。

　　此外，随着未来规模化可再生能源电力制取氢基能源相关技术的成熟发展，氢基能源的成本将逐步降低，这将进一步降低基于氢基能源储能技术的LCOE，使其在构建新型电力系统中发挥更加巨大的作用。

　　5 结论

　　氢基能源作为清洁能源核心之一，在构建新型电力系统中发挥着关键作用。本文通过分析氢基能源的技术特性，展现了其在新型电力系统中的应用潜力，并得出结论：煤电掺氨、气电掺氢等储能技术可有效解决可再生能源电力消纳不足、火电低碳转型难度大等问题;相较于目前成熟的储能技术，氢基能源通过电- 氢- 电转化技术能够实现跨日、月、季节性长时储能，且在实现长时储能的情境下，其LCOE 较目前成熟的储能技术已具备一定优势。未来在构建新型电力系统的进程中，氢基能源将发挥更加巨大的作用。

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　　氢基能源支撑新型电力系统构建及其技术分析

　　余官培1,2，姜海1*，康慨2 ，贾浩帅1 ，杨航3 ，张顺3

　　(1. 水电水利规划设计总院，北京100120;2. 中国电建集团湖北工程有限公司，武汉430040;3. 湖北省电力规划设计研究院有限公司，武汉430040)

　　来源：太阳能杂志

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