作者：夏清、康重慶、鐘海旺、陳啟鑫、張甯

2021年7月10日

自從黨中央提出構建“以新能源為主體的新型電力系統”國家能源戰略後，能源行業内，百花齊放，百家争鳴，行業專家都從自己熟悉的專業角度解析什麼是新型電力系統。争論的焦點是：應對新能源的爆發性增長，應如何重構電力系統的物理形态與體制機制。盡管目前存在大量問題有待解決，但其中最緊迫、最關鍵的難題是：如何解決更大範圍和更長周期的電力電量平衡問題。目前電化學隻能是小時級别的儲能，不能解決多天、月度、季度的長時間儲能難題。

本文将從能源經濟學的角度，思考如何高質量推動新型電力系統建設。第一，新能源的配送應盡可能利用現有的傳輸系統，以降低新型電力系統的投資與運行成本。第二，應盡可能利用現有火力發電基地的空間，實現電網與土地資源再利用。第三，應發揮電與氫能不同優勢。電能運輸成本低、安全、可靠，但不宜大量存儲；氫能能量密度高，電制氫技術相對成熟，氫作為電能儲存的載體是可行的；并且在很多煉鋼、化工、交通運輸行業，氫能有廣闊的應用前景；但其運輸成本高、技術不成熟，易發生安全事故，揮發性強。第四，應優先利用新能源發電，提升終端能源的再電氣化；新能源發電的波動性則通過“以電制氫、氫再發電”的儲能方式解決；國際上已将氫能作為電能季節性存儲的載體。第五，考慮我國新能源資源與水資源的逆向分布，應充分利用我國獨創的高壓輸電技術實現西電東送，在原火電廠基地制氫、再發電，并循環利用水資源。第六，電與氫能應融合發展，實現互聯互通、互補互利。基于上述思路，本文提出新能源為主、電網配送、電氫融合的新型電力系統戰略選擇，主要構想如下。

以成熟的輸配電網作為新能源輸送的載體，實現新能源的聚集、傳輸和配送。當新能源過剩時，在原火電廠的位置開展“綠電制氫”；當新能源發電不足時，“氫再發電”；解決長時間尺度上的電力電量平衡的難題。同時所獲得的綠氫也可滿足鋼鐵、化工等行業對氫的需求。該構想不僅以氫能方式開展大規模儲能，還支撐了氫能的廣泛應用，實現電與氫融合發展。構想的可行性分析如下。

1. “以電為主、電氫融合”将是新型電力系統的物理形态。電能與氫能都是最清潔的能源，電能來源于新能源，氫也是來源于新能源的轉化，兩者不是融合競争、互相支撐的關系。電能的發輸配用技術已非常成熟，形成了低成本、高可靠性的配送系統。但由于發電與用電是瞬時平衡，一旦不匹配，則需要儲能。氫能能量密度高，是電能大規模儲存的高效載體。對需要氫能的行業，可通過電網配送新能源到相應的地點，就地制氫，就近使用。到底選擇電能還是氫能取決于用戶的偏好！用戶的選擇決定了未來終端能源的結構。

2. 通過“以電制氫、氫再發電”，确保新型電力系統長時間尺度的供需平衡。将大量的新能源發電通過電網彙聚到水資源豐富的火電基地，在新能源發電供大于求時，電價價格極低，開展電制氫，以氫能的方式存儲電能；新能源發電供不應求時，電價價格極高，氫能發電，将氫能轉化為電能；不同時間電價之差足以補償“以電制氫、氫再發電”的成本，這就解決了新能源為主的電力系統中電力電量長周期平衡的難題，同時也解決了未來電力系統在持續多天、少風無光情況下電力供應安全問題。

3. 該構想解決了我國能源資源與能源需求逆向分布的難題。我國西北部有豐富的光與風資源，有大量可供新能源開發的土地，但水資源極度稀缺；而能源需求主要集中在中東部，同時中東部有豐富的水資源。選擇之一是直接在西部利用新能源制氫，但是，要制1公斤氫，就需要9公斤水，我國大西北哪裡有這麼多水資源？如果用西部的水制氫，将氫運輸到中東部，并還原成水，這相當于西水東送，将惡化西部的生态，是不可持續的。本構想解決了西部水資源匮乏的難題，同時可在火電退役後原基地實現水資源循環利用。

4. 以電網作為新能源配送載體，其成本遠低于氫的運輸成本。當利用新能源制氫後，如何輸送又是一大難題。運輸氫首先需要加壓或液化，然而液化過程耗能較多，需要消耗運輸的氫所蘊含能量的30%，相當于每運輸1公斤氫氣消耗7到10千瓦時能量。由于冷氫與環境溫度之間存在較大的溫差，因此對所用材料和絕熱有很高的要求。通常，液态氫運輸适用距離應該超過400至1000公裡，并且運輸溫度應該保持在零下253°C左右。這樣的運輸條件必然使成本居高不下。有一種觀點認為：氫能的另一個運輸構想是讓氫與二氧化碳反應生成甲烷，再通過管道輸送。事實上，甲烷化反應将釋放大量的熱，增加這一步轉化将降低整體終端能源效率，與此同時該技術還需要大量的二氧化碳作為原料，這一想法的經濟性與适用性還需進一步論證。

5. 電制氫的技術有望取得重大突破。據報道， 我國正在研究千瓦級高溫電解制氫系統，在每平方厘米0.25安培的電解電流密度下，水蒸氣轉化率達到70%，電效率為91.9%，産氫量達到每小時1.37立方米(标準狀況下)，衰減速率僅為每1000小時2.25%。5千瓦級電解池堆制氫性能為電解池堆峰值功率7.2千瓦，電解電流密度為每平方厘米0.5安培、峰值産氫速率約為2.3标立方，氫氣純度超過99.995%、電解池能耗約為每标立方3.13千瓦時。另有報道，新型制氫技術改變産業格局，新型電解水制氫技術，有效降低了現有電解水制氫的成本，實現規模化生産，從而達到氫能源工業化制備的快速轉型。這種新型電解水制氫技術具有如下優勢：成本低，相比傳統電解技術成本可壓縮1/4以上；産能高，具有規模化、工業化連續生産效應；無污染，生産過程中不存在污染和溫室氣體排放，環評無壓力；工序少，相比現有生産工藝，工序減少1/3左右。從技術的角度，現有火電廠能夠提供高電壓的制氫環境，在強電場的作用下，氫元素更容易掙脫原子力，從而大幅提升制氫的效率。特别是固體氧化物（SOEC）電解水技術，其理論效率可以達到100%，實際效率也高于95%；而且可以配合熱電聯産技術，進一步提高電能的利用率。利用氫能發電産生的熱力、采用高電壓制氫，有望提升“以電制氫、氫再發電”的效率，超過抽水蓄能的效率，低于抽水蓄能的成本，實現大規模儲能的技術革命！

6. 本構想采用“西電東送、東部制氫、适時發電”是經濟可行的。“以電制氫、氫再發電”是将西部地區富餘的新能源發電，通過輸電線路轉移到中東部地區，并在東部靠近負荷中心的地方制氫，後續再以液氫的形式就地儲存、就地利用。按照現在的技術，若不考慮液氫的長時間儲存，根據現在的技術水平，這部分富餘電能的度電輸送到中東部，成本約為0.46元；若考慮液氫的長時間儲存，則儲存一周、一個月時的度電成本分别約為1.05元與1.16元。随着西電東送輸電線路利用率由于儲電而大幅度提升，“以電制氫、氫再發電”技術的不斷進步和大規模應用，成本将大幅度下降。相比直接利用西部富餘的新能源發電就地制氫，以陸路交通運輸方式輸送到東部再進行發電，本構想安全、便捷，具備顯著的經濟優勢！

7. 相對于電化學儲能，“以電制氫、氫再發電”儲能方式的經濟與環境成本更具有競争性。電池都需要一定量的鎳、钴、锂，材料成本占較大比重。但從2016年底到2018年第一季度，全世界钴和锂的價格分别翻了四倍和一倍，這迫切需要電池回收技術的突破，否則對環境而言是一種災難！另一方面，目前特斯拉的電池、比亞迪的刀片電池，其能量密度大概是每立方米260千瓦時，由于新能源發電與用戶用電在空間與時間上的極度不平衡，需要存儲的電量遠遠大于電動汽車，這就決定了無法依靠電池解決這種電能大規模時空轉移的存儲問題，否則其經濟與環境成本是人類難以承擔的！當前随着新能源發電成本的不斷降低，綠氫的成本已可以接受。由于是就地存儲氫能，而非遠距離運輸氫能，可大大降低相應成本。另一方面，制氫電極材料優選钛，钛在地球上的儲量遠大于锂、钴，成本也有很大的優勢。

8. 氫能發電的技術已非常成熟。在美國俄亥俄州的漢尼拔小鎮，通用電氣的渦輪被設計成能夠使用80%的天然氣和20%的氫氣，将在未來實現隻燃燒100%氫氣。氫是宇宙中含量最豐富的元素，它與氧氣結合燃燒，就可以用來驅動現代燃氣輪機，以接近零碳排放發電。2020年，韓國有一座50兆瓦的氫能發電站已并網運行，陽光電源公司也将有一座500千瓦的氫能發電站并網運行。當火電逐漸退出運行後，原廠址能夠為制氫、儲氫和氫能發電提供足夠的空間。

9. 該構想采用了在原來的火電廠“以電制氫、氫再發電”的大規模儲能方式。這是一種經濟利用氫能、風險集中管理的最佳選擇，不但為新型電力系統提供了整體的安全性，而且避免了氫能分散轉化、存儲與利用帶來的安全隐患。試想一下，如果大量氫能大範圍分散運輸，可能給整個社會帶來極大的安全隐患。

10. 該構想将大幅度提升整個大電網線路的利用率。電網線路利用率偏低是由用戶用電曲線決定的，電網按照滿足用戶最大負荷的原則規劃建設，必然在負荷非高峰時段利用率降低。如果能夠大量地以氫能形式儲存電能，必然可實現電力削峰填谷，從而提升電網設備的利用率，可大幅度提升西電東送的特高壓線路利用率，西部晚上富餘的風電可全部用于各基地的制氫，白天負荷高峰時再利用氫氣發電。

11. 該構想解決了火電基地轉型難題。氫能發電機技術類似于燃氣輪機，已相對成熟。這樣就可以讓現有電力系統中星羅棋布的火電廠作為“以電制氫、氫再發電”的基地，火電廠與電網電氣連接與空間土地資源都是可再利用的資源，為火電基地的轉型提供了經濟可行的構想。

12. 這一構想将以最簡單和經濟的方式解決以新能源為主體、電力電子化電力系統調度運行所面臨的難題。由于火電廠變成了氫能發電機，則其可以提供負荷中心的電壓支撐；氫能發電機是旋轉的，也必然為電網運行提供大量的轉動慣量；氫能發電可快速啟停，可以為電網提供大量事故備用；可利用低谷時段、遠距離輸電、大量儲能，避免電網遠距離重載送電，而整體提升大電網的運行穩定性。

13. 這一構想也支撐了氫經濟的發展。本構想中的綠氫來源于通過電網聚合的新能源，不但解決了新能源彙聚、遠距離傳輸、利用豐富水資源、火電退役後的資源再利用、高效制氫等一系列的難題，而且使制氫成為電網柔性和最友好的負荷，充分利用多餘的新能源制氫，實現了不同電能與氫能之間的互聯互通、互惠互利。哪個地方需要氫能，電網就新能源輸配到相應的地點，就地制氫，滿足當地綠氫的需要，電網解決了在遠方制氫存在的運輸環境要求高、成本高、安全風險大的難題。

通過上述可行性分析，以新能源為主體的新型電力系統的物理形态逐漸清晰了。電網類似于互聯網一樣将無處不在的新能源和電力用戶萬物相連，這就是傑米裡·裡夫金所倡導的能源互聯網；以氫能為載體的大規模儲能電站将逐漸替代火力發電機組，将熨平新能源發電和用戶用電之間的時空大範圍不平衡，大幅度提升電網設備的利用率；以氫能發電機提供負荷中心電網的電壓支撐和備用容量，替代火電機組為大電網提供轉動慣量；将提升終端能源的電氣化水平，以承載新能源的電網替代天然氣與供熱管道，電網将以經濟、可靠、安全、快捷、綠色的方式實現新能源彙聚、傳輸、配送到千家萬戶，并且可以在需要綠氫的地點、以友好地利用新能源發電的方式開展制氫，以滿足各行各業對氫能的需求；将在火電機組退役以後，在原基地上開展大規模制氫、儲氫和氫能發電，獲得了開展大規模制氫的空間資源，并與電網實現了物理上的高度融合。期待這一構想能夠推動我國能源轉型高質量的發展！

當然，本構想的構想隻是初步的，關于氫能的技術參考了該行業專家的成果，構想的落實需要更為詳細的科學論證。期待國家舉各方之力，聚集最優質的資源開展該領域研究與應用，以形成引領世界能源發展的新型電力系統的核心技術。我國擁有世界上最先進的高壓輸電技術，如果能夠與大規模制氫、儲氫和氫能發電技術相結合，以新能源為主體的新型電力系統将指日可待，将為中國“碳達峰、碳中和”和人類可持續發展做出巨大的貢獻！