电氢耦合 前景几何？ -pg电子网站

氢能作为一种重要的绿色清洁可再生能源，具有高能量、零碳排放、能量转化效率高等优点。加快发展氢能产业是应对全球气候变化、实现“双碳”目标、保障国家能源安全和实现经济社会高质量发展的战略选择。近年来，氢能作为新兴零碳二次能源在电力行业得到了快速应用发展，但氢电结合的产业链正面临一些关键共性问题亟需深入研究，尤其是氢电耦合应用场景下，缺乏相关标准化工作的顶层设计和标准支撑。本文将通过分析氢能与电能的耦合关系，搭建氢电耦合标准体系框架，以凝聚行业共识，提供政策参考，保障氢电耦合发展的关键标准供给。

氢能与电能的耦合关系

  “绿氢”是未来氢能的发展方向，而“绿氢”是由水电解而来，可以认为是间接的电气化，同时氢气的可存储特性也为电力系统提供了大规模、长时间的能量存储方式，通过氢燃烧发电还可为电力系统安全稳定运行提供宝贵的转动惯量，在今后以新能源高比例并网、高电力电子设备高比例并网为特点的新型电力系统中具有特殊重要作用。因此，通过“绿氢”和碳中和的两大支柱，电与氢就耦合在了一起，氢电耦合系统将在未来能源系统中扮演重要的角色。

制氢促进可再生能源消纳

  随着大规模可再生能源的快速发展及用户侧负荷的多样性变化，电网面临诸多问题与挑战。新能源的消纳问题会进一步显现，利用可再生能源制氢可有效提升我国可再生能源消纳水平。基于pem（质子交换膜）的电解水制氢装备具有较宽的功率波动适应性，与可再生能源的快速波动特性非常匹配，可实现输入功率秒级、毫秒级响应，同时可适应10%～150%的宽功率输入，为电网提供调峰调频服务。将氢能与可再生能源耦合，可有效降低可再生能源对电网的冲击，促进可再生能源消纳，提高电力系统安全性、可靠性、灵活性，是构建零碳电网和新型电力系统的重要手段。

氢储能实现电能大规模长周期存储

  电化学储能存在储能时间短、容量规模等级小等不足，目前主要用于电网调频调峰、平滑新能源出力波动性，实现小时级别的短周期响应与调节。氢可以在保证经济性的条件下实现大规模长周期储能，存储时间从小时到季节，能够在电化学储能不适用的场景发挥优势，存储特性与电化学储能互补。在大容量长周期调节的场景中，氢储能在经济性上更具有竞争力。通过构建氢储能、抽水蓄能等混合储能系统，可以实现全社会负荷从秒级到季节的输出特性平移与优化，对于碳中和场景下全时段源荷能量平衡具有重要的意义。

氢燃料电池促进清洁高效分布式供能

  燃料电池热电联供综合效率高，是发展综合能源的重要技术手段。针对海岛、边防等偏远地区，可构建分布式电源-氢耦合清洁供能系统，利用分布式电源制取氢气，利用燃料电池进行热电联供。在风光资源不足时，持续向微网用户供电，解决无电区域供电困难的问题，并辅助供给生活热水，满足用户多种用能需求。整个过程不产生任何污染，环境友好性强。

天然气混氢燃烧发电直接降低碳排放

  氢可以直接替代或间接替代化石燃料用于发电，通过升级改造后的燃气轮机，用清洁的氢燃料部分或全部替换天然气发电,可实现低碳甚至零碳排放。目前，氢燃料燃气轮机的发展除了开发全新的机型,常规燃机上氢燃料替代天然气的改造也是重要研究方向，其中富氢燃料燃气轮机已有较多的应用，主要是合成气扩散燃烧模式的igcc电厂系统。2018年，三菱日立在700兆瓦输出功率的j系列重型燃气轮机上使用含氢30%的混合燃料测试成功，测试结果证实该公司最新研发的新型预混燃烧器可实现30%氢气和天然气混合气体的稳定燃烧,二氧化碳排放可降低10%。在低碳目标的驱动下，氢将成为燃气发电中一种日趋重要的零碳燃料。

  根据上文分析，在电力领域可重点利用可再生能源电力制氢以促进富余可再生能源消纳，平抑可再生能源的长周期波动性和间歇性，实现最大程度能量储存和转移利用，同时制氢装备作为规模化可控负荷，其灵活调节能力和规模化效应，为电网削峰填谷、调峰调频提供新的技术手段，在能源消费端可通过氢电耦合实现电力、供热、燃料等多种能源网络的互联互补和协同优化，推动分布式能源发展，提升终端能源利用效率。

氢电耦合标准化现状与问题分析

  放眼世界，各国都在加大氢能的研究利用，而技术和产业的发展除了需要战略路线和政策措施的指导和支持以外，也离不开标准的技术支撑。

 国际标准化现状

  国际上关于制氢产业链方面的技术标准制定较为完善，特别是美国、欧盟、日本等发达国家非常注重标准化工作，根据自身氢能技术特点及产业发展定位，纷纷建立标准体系，研究制定氢能相关技术标准。国际标准化组织（iso）、国际电工委员会（iec）、美国机械工程师协会（ansi）、氢能法规和标准协调委员会（hcscc）、电气和电子工程师协会（ieee）、国际自动机工程师协会（sae）等组织做了大量工作。iso设有氢能技术专委会，主要负责氢能制取、储存、运输、检测和利用等领域的系统和设备的国际标准研究与制定。其中，在燃料电池技术标准方面较为集中，而氢能制备、储存、运输、加氢站、检测等技术领域，标准相对分散，针对性标准数量相对不足，而上述技术标准相对薄弱的领域又是推动氢能产业快速发展、氢能技术推广应用的基础。目前，各国正在针对于此积极开展相关领域技术标准的研制。

国内标准化现状

  国内氢能相关产业已初具雏形，国家电网有限公司、南方电网有限公司、中国华能集团、国家电投集团等电力企业围绕氢电耦合互动技术开展了相关研究，并已瞄准全产业链着手布局，众多不同规模的氢电耦合工程已建成，电力行业氢能技术和产业发展已进入高潮期。与国际先进技术相比，我国氢电耦合应用方面尚存在基础设施不完善、业务框架不清晰等问题和挑战，尤其是在可再生能源制氢、电力系统储氢、氢电耦合运行控制、氢燃料电池发电与热电联供方面的标准体系不健全甚至是空白，制约了氢能技术在电力系统中的发展。

存在问题分析

  氢电耦合发展需要专业的标准化技术组织作支撑。国内对于氢能的相关标准化工作已开展多年，并形成了多个体系成熟的标准化技术组织，相关的全国标准化技术委员会有sac／tc 309 全国氢能标准化技术委员会、sac／tc 342全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会、sac／tc 114全国汽车标准化技术委员会、sac／tc 31全国气瓶标准化技术委员会等，工作范围涵盖了氢的制取、储存、运输、氢燃料电池等全产业链，以及氢能在交通等多领域的综合应用等，但未能涵盖氢能与电力系统耦合场景下的特殊要求，因此，电力行业的氢能发展需要专业的标准化技术组织支撑相关工作。

  氢能相关标准在电力行业的适应性有待提高。目前，国内现行的涉及到氢能方面的标准多来自于危险化工品、石油、化工行业的标准，针对氢本身特性规定的标准内容较少，且适用于电力场景中的技术标准和管理要求严重缺失，目前大部分是参照石化行业的标准体系，但因为电力系统的特殊性，企业普遍反映标准不适用，有必要针对电力行业对氢电耦合场景中的技术要求开展系统性的标准梳理和制定工作，将波动性电源制氢、氢的发电与并网及氢能在电力系统的综合利用等关键工艺和技术细节加以规范。

  现行标准体系在满足电力生产实际应用方面亟需完善。虽然氢能在新型电力系统中的应用发展迅速、技术迭代更新快，但是目前存在氢电耦合、氢电协同规划、氢燃料发电等多个方面标准体系不健全、标准缺失等问题，具体体现在氢能与电网规划、风光耦合的可再生能源波动性制氢、适用于电力系统的高密度储氢、氢电耦合运行控制、氢储能安全应用、氢燃料电池发电与热电联供、氢混燃气轮机发电等方面存在标准空白，制约了氢能在电力行业应用的产业发展。

  氢的能源属性有必要通过技术标准进一步明确。2020年9月，国家能源局发布《加快能源领域新型标准体系建设的指导意见》提出“在智慧能源、能源互联网、风电、太阳能发电、生物质能、储能、氢能等新兴领域，率先推进新型标准体系建设，发挥示范带动作用”。文件明确把氢列为一种新的能源，但在目前的标准中，关于氢能的界定划归于危险化工产品来管理，与发达国家相比安全冗余过大，同时体现不出氢的能源属性。例如氢相关的防火要求、项目布置条件、产业选址范围、低压固态储氢的压力容器管理等都造成了氢能发展的成本困境，限制了产业发展。在能源、环保、应急等方面有必要梳理现行标准中关于氢的安全要求，摸清氢作为能源介质的各项技术边界，为氢作为能源这一属性留出更多发展空间。

氢电耦合标准体系建设研究

  氢能产业链上游制氢，包括化石原料制氢、化工原料制氢、工业尾气制氢、电解水制氢、新型制氢技术；中游储运包括高压储运、液氢储运、固态储运、有机液态储运；下游利用包括燃料、供暖、电力，具体形式包括燃料电池、燃料电池汽车、燃料电池列车、热电联供、氢能冶金、微电网等。电力行业所涵盖的火电、水电、风电、光伏、核电及多能互补发电等方面正寻求与氢能结合的发展契机，非常有必要建立一套专业完整、分级合理、有序适用的氢电耦合标准体系。本文依据氢电耦合应用等示范工程和当前氢电耦合标准制修订情况，初步提出该领域的标准体系建设方案。

  基于目前氢能与电能深度耦合相互支撑的重点研究和发展方向，标准体系可划分为基础综合、可再生能源电制氢、电力系统储氢、氢能发电、氢电互动、评估与碳排放六个部分。

  其中，基础综合技术领域包括能源电力领域氢电耦合的术语定义、总体指导规范、通用技术要求、信息模型等规范；可再生能源电制氢领域包括以风、光、氢集成为核心的综合能源制氢系统的规划设计，运行控制，并网接入，检修维护，安装调试，测试验收等相关技术标准；电力系统储氢技术领域包括储氢材料技术要求、储氢系统技术规范、储氢系统安全技术规范、储氢系统测试评价、储氢设备安全等相关技术标准；氢能发电系统领域包括氢能发电（热电联供）装备、氢能发电（热电联供）系统规划设计、运行控制、并网接入、检修维护、安装调试、测试验收等相关技术标准；氢电互动领域包括氢电耦合系统与电网的互动接口、接入电网互操作技术要求及测试与验证等方面的标准；评估与碳排放领域包括用于规范氢电耦合系统或工程的经济性评估、碳排放评估、可靠性评价、经济性评价等。

氢电耦合技术与标准化工作展望

  “双碳”目标的提出为可再生能源发展按下“加速键”，随着可再生能源装机快速增长及用户侧负荷的多样性变化，氢能作为连接可再生能源的纽带和电力储能介质，将为新型电力系统发展带来难得的机遇。氢电耦合也正成为各大电力集团公司布局氢能产业的重要方向，并将应用于新型电力系统“源、网、荷”各环节，这势必会对新型电力系统的安全、稳定、经济运行带来重大积极影响。

  我国氢能与新型电力系统的耦合研发及应用方兴未艾，相关示范工程已逐步开展建设，亟需相关标准的规范和引领，同时氢电耦合的特点也决定了标准化工作任重道远，电力行业可汇集当前示范工程项目建设经验的优势，联合国际国内相关氢能技术标准化组织，逐步研究制定氢电耦合相关具体技术标准，在风光电制氢系统、电力系统储氢、氢能发电系统、氢电互动和评估等领域加快步伐，为二者的高效耦合提供技术依据，规范行业发展，助力“双碳”目标的实现。