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构建新型电力系统的战略构想:新能源为主、电网配送、电氢融合

北极星电力网新闻中心  来源:清华大学能源互联网创新研究院  作者:夏清、康重庆等  2021/7/12 10:27:15  我要投稿  

北极星火力发电网讯:自从党中央提出构建“以新能源为主体的新型电力系统”国家能源战略后,能源行业内,百花齐放,百家争鸣,行业专家都从自己熟悉的专业角度解析什么是新型电力系统。争论的焦点是:应对新能源的爆发性增长,应如何重构电力系统的物理形态与体制机制。尽管目前存在大量问题有待解决,但其中最紧迫、最关键的难题是:如何解决更大范围和更长周期的电力电量平衡问题。目前电化学只能是小时级别的储能,不能解决多天、月度、季度的长时间储能难题。

(来源:微信公众号“清华大学能源互联网创新研究院”  ID:thueiri  作者:夏清、康重庆等)

本文将从能源经济学的角度,思考如何高质量推动新型电力系统建设。第一,新能源的配送应尽可能利用现有的传输系统,以降低新型电力系统的投资与运行成本。第二,应尽可能利用现有火力发电基地的空间,实现电网与土地资源再利用。第三,应发挥电与氢能不同优势。电能运输成本低、安全、可靠,但不宜大量存储;氢能能量密度高,电制氢技术相对成熟,氢作为电能储存的载体是可行的;并且在很多炼钢、化工、交通运输行业,氢能有广阔的应用前景;但其运输成本高、技术不成熟,易发生安全事故,挥发性强。第四,应优先利用新能源发电,提升终端能源的再电气化;新能源发电的波动性则通过“以电制氢、氢再发电”的储能方式解决;国际上已将氢能作为电能季节性存储的载体。第五,考虑我国新能源资源与水资源的逆向分布,应充分利用我国独创的高压输电技术实现西电东送,在原火电厂基地制氢、再发电,并循环利用水资源。第六,电与氢能应融合发展,实现互联互通、互补互利。基于上述思路,本文提出新能源为主、电网配送、电氢融合的新型电力系统战略选择,主要构想如下。

以成熟的输配电网作为新能源输送的载体,实现新能源的聚集、传输和配送。当新能源过剩时,在原火电厂的位置开展“绿电制氢”;当新能源发电不足时,“氢再发电”;解决长时间尺度上的电力电量平衡的难题。同时所获得的绿氢也可满足钢铁、化工等行业对氢的需求。该构想不仅以氢能方式开展大规模储能,还支撑了氢能的广泛应用,实现电与氢融合发展。构想的可行性分析如下。

1. “以电为主、电氢融合”将是新型电力系统的物理形态。电能与氢能都是最清洁的能源,电能来源于新能源,氢也是来源于新能源的转化,两者不是融合竞争、互相支撑的关系。电能的发输配用技术已非常成熟,形成了低成本、高可靠性的配送系统。但由于发电与用电是瞬时平衡,一旦不匹配,则需要储能。氢能能量密度高,是电能大规模储存的高效载体。对需要氢能的行业,可通过电网配送新能源到相应的地点,就地制氢,就近使用。到底选择电能还是氢能取决于用户的偏好!用户的选择决定了未来终端能源的结构。

2. 通过“以电制氢、氢再发电”,确保新型电力系统长时间尺度的供需平衡。将大量的新能源发电通过电网汇聚到水资源丰富的火电基地,在新能源发电供大于求时,电价价格极低,开展电制氢,以氢能的方式存储电能;新能源发电供不应求时,电价价格极高,氢能发电,将氢能转化为电能;不同时间电价之差足以补偿“以电制氢、氢再发电”的成本,这就解决了新能源为主的电力系统中电力电量长周期平衡的难题,同时也解决了未来电力系统在持续多天、少风无光情况下电力供应安全问题。

3. 该构想解决了我国能源资源与能源需求逆向分布的难题。我国西北部有丰富的光与风资源,有大量可供新能源开发的土地,但水资源极度稀缺;而能源需求主要集中在中东部,同时中东部有丰富的水资源。选择之一是直接在西部利用新能源制氢,但是,要制1公斤氢,就需要9公斤水,我国大西北哪里有这么多水资源?如果用西部的水制氢,将氢运输到中东部,并还原成水,这相当于西水东送,将恶化西部的生态,是不可持续的。本构想解决了西部水资源匮乏的难题,同时可在火电退役后原基地实现水资源循环利用。

4. 以电网作为新能源配送载体,其成本远低于氢的运输成本。当利用新能源制氢后,如何输送又是一大难题。运输氢首先需要加压或液化,然而液化过程耗能较多,需要消耗运输的氢所蕴含能量的30%,相当于每运输1公斤氢气消耗7到10千瓦时能量。由于冷氢与环境温度之间存在较大的温差,因此对所用材料和绝热有很高的要求。通常,液态氢运输适用距离应该超过400至1000公里,并且运输温度应该保持在零下253°C左右。这样的运输条件必然使成本居高不下。有一种观点认为:氢能的另一个运输构想是让氢与二氧化碳反应生成甲烷,再通过管道输送。事实上,甲烷化反应将释放大量的热,增加这一步转化将降低整体终端能源效率,与此同时该技术还需要大量的二氧化碳作为原料,这一想法的经济性与适用性还需进一步论证。

5. 电制氢的技术有望取得重大突破。据报道, 我国正在研究千瓦级高温电解制氢系统,在每平方厘米0.25安培的电解电流密度下,水蒸气转化率达到70%,电效率为91.9%,产氢量达到每小时1.37立方米(标准状况下),衰减速率仅为每1000小时2.25%。5千瓦级电解池堆制氢性能为电解池堆峰值功率7.2千瓦,电解电流密度为每平方厘米0.5安培、峰值产氢速率约为2.3标立方,氢气纯度超过99.995%、电解池能耗约为每标立方3.13千瓦时。另有报道,新型制氢技术改变产业格局,新型电解水制氢技术,有效降低了现有电解水制氢的成本,实现规模化生产,从而达到氢能源工业化制备的快速转型。这种新型电解水制氢技术具有如下优势:成本低,相比传统电解技术成本可压缩1/4以上;产能高,具有规模化、工业化连续生产效应;无污染,生产过程中不存在污染和温室气体排放,环评无压力;工序少,相比现有生产工艺,工序减少1/3左右。从技术的角度,现有火电厂能够提供高电压的制氢环境,在强电场的作用下,氢元素更容易挣脱原子力,从而大幅提升制氢的效率。特别是固体氧化物(SOEC)电解水技术,其理论效率可以达到100%,实际效率也高于95%;而且可以配合热电联产技术,进一步提高电能的利用率。利用氢能发电产生的热力、采用高电压制氢,有望提升“以电制氢、氢再发电”的效率,超过抽水蓄能的效率,低于抽水蓄能的成本,实现大规模储能的技术革命!

6. 本构想采用“西电东送、东部制氢、适时发电”是经济可行的。“以电制氢、氢再发电”是将西部地区富余的新能源发电,通过输电线路转移到中东部地区,并在东部靠近负荷中心的地方制氢,后续再以液氢的形式就地储存、就地利用。按照现在的技术,若不考虑液氢的长时间储存,根据现在的技术水平,这部分富余电能的度电输送到中东部,成本约为0.46元;若考虑液氢的长时间储存,则储存一周、一个月时的度电成本分别约为1.05元与1.16元。随着西电东送输电线路利用率由于储电而大幅度提升,“以电制氢、氢再发电”技术的不断进步和大规模应用,成本将大幅度下降。相比直接利用西部富余的新能源发电就地制氢,以陆路交通运输方式输送到东部再进行发电,本构想安全、便捷,具备显著的经济优势!

7. 相对于电化学储能,“以电制氢、氢再发电”储能方式的经济与环境成本更具有竞争性。电池都需要一定量的镍、钴、锂,材料成本占较大比重。但从2016年底到2018年第一季度,全世界钴和锂的价格分别翻了四倍和一倍,这迫切需要电池回收技术的突破,否则对环境而言是一种灾难!另一方面,目前特斯拉的电池、比亚迪的刀片电池,其能量密度大概是每立方米260千瓦时,由于新能源发电与用户用电在空间与时间上的极度不平衡,需要存储的电量远远大于电动汽车,这就决定了无法依靠电池解决这种电能大规模时空转移的存储问题,否则其经济与环境成本是人类难以承担的!当前随着新能源发电成本的不断降低,绿氢的成本已可以接受。由于是就地存储氢能,而非远距离运输氢能,可大大降低相应成本。另一方面,制氢电极材料优选钛,钛在地球上的储量远大于锂、钴,成本也有很大的优势。

8. 氢能发电的技术已非常成熟。在美国俄亥俄州的汉尼拔小镇,通用电气的涡轮被设计成能够使用80%的天然气和20%的氢气,将在未来实现只燃烧100%氢气。氢是宇宙中含量最丰富的元素,它与氧气结合燃烧,就可以用来驱动现代燃气轮机,以接近零碳排放发电。2020年,韩国有一座50兆瓦的氢能发电站已并网运行,阳光电源公司也将有一座500千瓦的氢能发电站并网运行。当火电逐渐退出运行后,原厂址能够为制氢、储氢和氢能发电提供足够的空间。

9. 该构想采用了在原来的火电厂“以电制氢、氢再发电”的大规模储能方式。这是一种经济利用氢能、风险集中管理的最佳选择,不但为新型电力系统提供了整体的安全性,而且避免了氢能分散转化、存储与利用带来的安全隐患。试想一下,如果大量氢能大范围分散运输,可能给整个社会带来极大的安全隐患。

10. 该构想将大幅度提升整个大电网线路的利用率。电网线路利用率偏低是由用户用电曲线决定的,电网按照满足用户最大负荷的原则规划建设,必然在负荷非高峰时段利用率降低。如果能够大量地以氢能形式储存电能,必然可实现电力削峰填谷,从而提升电网设备的利用率,可大幅度提升西电东送的特高压线路利用率,西部晚上富余的风电可全部用于各基地的制氢,白天负荷高峰时再利用氢气发电。

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图 电力系统中的duck curve

11. 该构想解决了火电基地转型难题。氢能发电机技术类似于燃气轮机,已相对成熟。这样就可以让现有电力系统中星罗棋布的火电厂作为“以电制氢、氢再发电”的基地,火电厂与电网电气连接与空间土地资源都是可再利用的资源,为火电基地的转型提供了经济可行的构想。

12. 这一构想将以最简单和经济的方式解决以新能源为主体、电力电子化电力系统调度运行所面临的难题。由于火电厂变成了氢能发电机,则其可以提供负荷中心的电压支撑;氢能发电机是旋转的,也必然为电网运行提供大量的转动惯量;氢能发电可快速启停,可以为电网提供大量事故备用;可利用低谷时段、远距离输电、大量储能,避免电网远距离重载送电,而整体提升大电网的运行稳定性。

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图 电力系统中的转动惯量需求

13. 这一构想也支撑了氢经济的发展。本构想中的绿氢来源于通过电网聚合的新能源,不但解决了新能源汇聚、远距离传输、利用丰富水资源、火电退役后的资源再利用、高效制氢等一系列的难题,而且使制氢成为电网柔性和最友好的负荷,充分利用多余的新能源制氢,实现了不同电能与氢能之间的互联互通、互惠互利。哪个地方需要氢能,电网就新能源输配到相应的地点,就地制氢,满足当地绿氢的需要,电网解决了在远方制氢存在的运输环境要求高、成本高、安全风险大的难题。

通过上述可行性分析,以新能源为主体的新型电力系统的物理形态逐渐清晰了。电网类似于互联网一样将无处不在的新能源和电力用户万物相连,这就是杰米里·里夫金所倡导的能源互联网;以氢能为载体的大规模储能电站将逐渐替代火力发电机组,将熨平新能源发电和用户用电之间的时空大范围不平衡,大幅度提升电网设备的利用率;以氢能发电机提供负荷中心电网的电压支撑和备用容量,替代火电机组为大电网提供转动惯量;将提升终端能源的电气化水平,以承载新能源的电网替代天然气与供热管道,电网将以经济、可靠、安全、快捷、绿色的方式实现新能源汇聚、传输、配送到千家万户,并且可以在需要绿氢的地点、以友好地利用新能源发电的方式开展制氢,以满足各行各业对氢能的需求;将在火电机组退役以后,在原基地上开展大规模制氢、储氢和氢能发电,获得了开展大规模制氢的空间资源,并与电网实现了物理上的高度融合。期待这一构想能够推动我国能源转型高质量的发展!

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图 能源互联网架构

当然,本构想的构想只是初步的,关于氢能的技术参考了该行业专家的成果,构想的落实需要更为详细的科学论证。期待国家举各方之力,聚集最优质的资源开展该领域研究与应用,以形成引领世界能源发展的新型电力系统的核心技术。我国拥有世界上最先进的高压输电技术,如果能够与大规模制氢、储氢和氢能发电技术相结合,以新能源为主体的新型电力系统将指日可待,将为中国“碳达峰、碳中和”和人类可持续发展做出巨大的贡献!

(本文作者:清华大学能源互联网智库研究中心 夏清、康重庆、钟海旺、陈启鑫、张宁)

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