2030年 如何利用氢储能解决可再生能源发电季节性平衡难题？

2016年，195个国家在巴黎举行的第21届COP会议上协商并签署了《巴黎协定》。签约国将与全球变暖作斗争，以工业化前的气温水平为参照，共同将气温升幅控制在2摄氏度以内。为实现这个目标，2019年2月，西班牙曾提出一项国家能源和气候综合研究计划(PNIEC)，目标是在2030年提高可再生能源的占比。

（来源：微信公众号“氢云链”ID：qingyunliankeji）

PNIEC的研究结果表明：（1）管理可再生能源占比超过50%的能源网络是可行的；（2）通过使用天然气网络储存氢气可以进行季节性能源管理；（3）氢储能与电池储能可在储能周期上形成互补，避免大量进口天然气；（4）可再生能源制氢可作为替代燃料或用于工业用途。

一、氢储能方案的提出

西班牙提出在2030年要实现的国家碳减排目标包括：（1）温室气体排放量对1990年同比减少21%；（2）可再生能源在能源终端占比达到42%；（3）能源效率提高39.6%；（4）电力系统中可再生能源占比达到74%（2015年为34%）。

西班牙提出2050年要实现的目标是：（1）温室气体排放量对1990年同比减少90%；（2）电力系统中可再生能源占比达到100%。氢云链发现，这个目标与IEA提出的目标、实现阶段基本保持一致。为了实现这些目标，PNIEC计划到2030年前，将现有的传统能源装机容量减少16GW，并增加65GW可再生电力装机量使之增加到157GW。到2030年，可再生电力装机量将达到总装机量的72%。

风电光伏等可再生电力具有明显的季节性特征，如何利用春天和夏天富裕电力补充秋天和冬天电力需求缺口成为一个问题？计划中配套的6GW储能电池和8GW蓄水储能无法满足在6个月内管理超过10TWh电力的要求。

PNIEC氢储能策略是：利用电解水制氢技术，将氢纳入能源储存和管理系统，并利用现有的天然气网络储存氢气，并在合适的时间通过使用掺氢天然气（比例为15%）发电缓解能源短缺。

试验结果表明：该策略每年可回收利用7.27TWh的可再生能源电力，并减少254万吨二氧化碳排放。氢储能能够满足西班牙能源系统的需求。

二、PNIEC能源组合设计

西班牙电力系统包括了各种不同的能源组合。可再生能源包括水电、风电、光伏和太阳能集热；非可再生能源包括核电、煤、石油衍生燃料、天然气(包括联合循环和热电联产)等。

图12018年11月16日西班牙电力系统能源来源情况

来源：《Use of hydrogen as a seasonal energy storagesystem to manage renewable power deployment inSpain by 2030》

2030年电力需求曲线的评估：根据2018年的电力需求情况，PNIEC创建了对应于2030年的电力需求曲线（以季度为周期，每季度创建一个），各季度平均电力需求D(t)的函数计算如下：

其中Di(t)是第i天的需求，N是这个季节的天数。在每个场景下(春夏秋冬)，PNIEC计算了每一种可再生能源在一天内每小时的能源产值，作为新增可再生能源发电能力的参考。

其中Gj,i(t)是源j在第i天产生的能量，N是一个季节的天数。因此，对j的求和扩展到所有的能量源。在上述表达式的应用中，通过时间10分钟采样频率进行了离散化。

到2030年，春夏秋冬四季对能源的需求与供给情况如下图所示。测算结果表明，新增可再生能源电力装机量目标为65GW，其中增长最多的是光伏，达到32GW，其次是27GW的风能，最后是5GW的太阳能热能；对应则有11GW煤炭，4GW核能和1GW热电联产被淘汰。

图2到2030年春、夏、秋、冬四个季节能源供给和需求情况

来源：《Use of hydrogen as a seasonal energy storagesystem to manage renewable power deployment inSpain by2030》

三、试验结果分析

测算数据表明，春、夏季基本处于能源供给过剩状态，秋、冬季大部分时间都存在能源缺口。如何将上半年的富裕能源以最好的方式留给下半年？这需要将春夏季富裕的10TWh可再生能源存储6个月！

这将是一个里程碑级别的项目，仅通过电池储能无法实现。测算数据证明，在可再生能渗占比较高的情况，对比抽水、压缩空气或电池，氢储能是最佳的选择。

1、把富余的电力转化为氢

可通过电解槽将富余电力转为氢。根据PNIEC测算，需要增加5GW的电解槽装机量，并配套电池和蓄水储能等其他手段，才能平衡每天的供应(过剩的可再生能源)与需求(电解水制氢需求)。

2、氢气的存储与转换

储氢的方式不同效率也不同。目前氢储运的基础设施不完善，可将氢以掺氢天然气的形式储存在现有的天然气网络中，在需要的时候使用燃气轮机进行发电。

值得注意的是，本次方案中，即使使用最高效率的电解槽，存储的10.81TWh的富余可再生能源实际上仅有7.27TWh可以使用。

3、其他长期储氢备选方案

另一个长时间、大规模储氢的方法是地下储存，目前包括三种途径：枯竭的天然气田或油田、枯竭的含水层和盐穴。其中，盐穴储氢技术最为成熟。在欧洲，德国，法国等正在考虑使用盐穴进行地下储氢，其主要优点是可以保持氢的纯度不变，因此盐穴氢气可以低成本地在燃料电池中应用，但存储成本有可能高于天然气储氢。

4、减少二氧化碳排放

以氢为燃料发电可以减少二氧化碳排放。在掺氢天然气发电场景下，PNIEC测算每年可减少的二氧化碳总排放量将达到254万吨，这相当于西班牙计划在2030年之前每年减少的发电二氧化碳排放量的5.77%。

四、研究结论

（1）多能源管理技术上可行对可再生能源发电量占比远超过50%的能源网络进行有效管理在技术上是可行的，采用氢存储系统可将能源以季节为周期进行存储。

（2）跨季节储能的可行方案根据测算，通过电解槽将多余的电能转化为氢气，并利用现有的天然气网络进行季节性存储，西班牙每年可回收高达7.27TWh的弃风弃电，减少254万吨二氧化碳排放，相当于西班牙到2030年每年减少的电力二氧化碳排放量的5.77%。但该方案需要安装高达5000MW的电解槽。

（3）建设纯氢管道的必要2050年西班牙的目标是可再生能源发电占比达到100%，因此有必要将现有的天然气网络替换为满足100%的氢气进行储存、运输和分配的系统。

（4）多种储能技术结合氢能可作为季节性能源储存的手段，同时需要电池作为“每日能量管理”的补充，通过两种技术的配合，可避免在秋冬季进口大量天然气。