大连理工大学袁铁江、华北电力大学彭生江等：大规模风/光－氢储能 煤多能耦合系统

由于风/光等新能源发电具有随机、间歇和波动等特性，面向煤基低碳能源系统的高比例乃至100%新能源电力系统面临清洁与稳定、经济与可靠矛盾等挑战。利用灵活的电解水制氢，等效充电、氢气和氧气存储，等效储电/能、氢/氧及其衍生物发电和氢耦合原料煤等多途径综合利用，等效放电特性，储能容量可以高达千万千瓦时以上，持续充放电数周的电网级长时间尺度氢储能技术是解决这些问题的有效技术手段。

（来源：微信公众号：“电气应用”ID：ELEC_APPLICATION）

自18世纪以煤为燃料驱动的蒸汽机诞生以来，人类对煤、石油等传统化石能源的利用已接近200年，煤基重碳构成了中国、南非等世界煤炭储量丰富国家能源系统的典型特征，在这些国家内部煤炭资源富集区域的经济与能源结构中，煤炭工业比重大。例如中国山西省，与煤碳相关的产业长期以来在全省国民经济中处于举足轻重的地位。煤基重碳能源系统极大地推动了人类文明的进步，也支撑了煤炭富集地区的经济繁荣。传统上煤炭主要通过燃烧取暖、发电或者本质上是氢富集过程的煤制烃类化合物的利用方式，构成火力发电为主的电力能源系统、汽油/柴油/煤油内燃机为主的交通能源系统、燃煤为主的热力能源系统和煤/油基原料为主的工业能源系统等，具有环境破坏大、能耗率高以及资源约束强等弊端，难以为继。为了克服煤基重碳能源系统的弊端，新型能源系统创新方案不断被提出，主要成果表现为风/光等新能源发电为主的电力能源系统、电动汽车为主的交通能源系统的产生。随之而来的两个问题需要解答：①风、光等新能源能否承担起传统化石能源承担的任务；②如果问题①的答案是否定的，那么新能源为主的时代，煤基重碳能源系统如何“重生”。

能源系统演进规律

自第一次工业革命以来，煤基重碳能源系统基本形态的演变总体上历经了三代。

第一代煤基重碳能源系统：一次能源主要以煤炭为主，能源的利用形式主要为煤碳作为燃料利用，为人类生产、生活提供热能和电力，构成燃煤蒸汽涡轮发电为主的电力能源系统、燃煤锅炉驱动的热力能源系统、燃煤蒸汽锅炉驱动轮船、火车等为主的交通能源系统以及燃煤（冶炼）或以煤为原料的工业生产能源系统。

第二代煤基重碳能源系统：一次能源主要以煤炭、石油和天然气等化石燃料为主，能源的利用形式为化石燃料作为燃料和原料利用，为人类生产、生活提供热能、电力和原料，构成燃煤蒸汽涡轮发电为主的电力能源系统、燃煤锅炉为主的热力能源系统、石油内燃机驱动为主的交通能源系统以及煤/油/气为主要原料的工业生产能源系统。

第三代煤基重碳能源系统：一次能源除了化石能源外，还有风、光为代表的可再生能源，能源的利用形式为化石燃料作为燃料和原料利用，可再生能源发电，构成燃煤蒸汽涡轮发电和可再生能源发电混合的电力能源系统、化石能源锅炉和电热混合的热力能源系统、化石能源内燃机和电力混合的交通能源系统以及煤/油/气为主要原料的工业生产能源系统。第三代能源系统中，风/光等清洁可再生能源的加入，一次能源侧进一步降低了碳含量，输出侧电气化特征更加显著。

煤基低碳能源战略

面向煤炭富集省区低成本、可持续的能源发展战略的煤基低碳能源系统的基本架构如图2所示。

从图2中可以看出，基于本地资源约束的一次能源主要为煤炭和清洁可再生的风、光等新能源，煤炭主要作为原料利用，电能主要来自于可再生能源发电，构成基于含大规模新能源发电系统的电力能源系统、主要基于电转热的热力系统、主要基于电力能源（但并不一定是电力驱动）的交通能源系统以及煤为主要原料的工业生产能源系统。

煤基低碳能源系统的创新实现策略

由于风/光等新能源发电具有随机、间歇和波动等特性，面向煤基低碳能源系统的高比例乃至100%新能源电力系统面临清洁与稳定、经济与可靠矛盾等挑战。利用灵活的电解水制氢，等效充电、氢气和氧气存储，等效储电/能、氢/氧及其衍生物发电和氢耦合原料煤等多途径综合利用，等效放电特性，储能容量可以高达千万千瓦时以上，持续充放电数周的电网级长时间尺度氢储能技术是解决这些问题的有效技术手段。

现有技术条件下，煤化工等煤基原料工业生产系统中的大部分产业本质上是“氢”的富集和利用，在煤基低碳能源系统中，支撑高比例乃至100%新能源电力系统清洁与稳定、经济与可靠运行的大规模氢储能系统存储的氢气和氧气，天然地构成了煤化工等煤基原料工业生产系统所需要的二次能源系统。以大规模氢储能系统为桥梁，可以从产业链上将煤基低碳能源系统的一次能源系统中的煤与风、光等新能源耦合在一起，构成低碳风/光－煤工业生产系统，进一步降低整个能源系统的碳含量。因此，煤基低碳能源系统的创新实现策略可以概况为：以大规模风/光－电解水制氢储能为桥梁，构建基于高比例/100%新能源电力系统高效、可靠和稳定供电的“风/光－煤能源系统”，实现风、光等新能源和煤资源在产业链上的整合、互补。具体包括：在我国山西省等煤碳资源富集地区，构建高比例/100%新能源电力系统供电的吉瓦级“清洁高效风/光－煤能源系统”，系统中：电能从风/光来，原料(泛指生产和生活需要的众多碳氢化合物 )从煤来，大规模电解水制氢储能电站是清洁电能高效、可靠和稳定供给的“调节器”和原料煤的“清洁工”。清洁高效风/光－煤能源系统的基本架构如图3所示。

基于氢约束的煤炭消耗量和新能源电站装机容量概算

氢气的应用领域十分广泛，主要用于化工业中合成氨、甲醇以及石油炼化等过程的加氢反应。此外，在冶金工业、电子工业、浮法玻璃、食品加工、精细化工合成和航空航天工业等行业也得到广泛应用。目前，我国氢气作为直接产品或燃料的量较少。

考虑氢气需求市场的规模和适用性的影响，根据优先级选定地点，将氢能利用途径的分类按照制氢点与用氢点之间的距离进行分类。短距离氢能利用主要为化工业；中距离氢能利用包括了城市天然气作燃气和氢能燃料电池汽车；长距离氢能利用为主干省际间的天然气输送管道掺氢。

（1）短距离用氢市场年需氢量估算

山西省年生产氮肥约450万t，折合为合成氨的产量约为554.35万t。据中国石油和化学工业联合会最新数据统计显示，近年来，全国精甲醇年产量约为5 000万t，同比增长7.1%，其中山西省精甲醇产量约为400万t。作为原料消耗的7 000万t原料煤假定均用来制甲烷，不考虑制取过程中氢气泄露以及其他消耗。根据上述数据估算山西省短距离用氢市场年需氢量约为1 000万t。

（2）中距离用氢市场年需氢量估算

山西省保有公共汽车约为10 000俩，出租汽车约为30 000俩。按照现运营的氢燃料汽车运行情况，在满载城市工况下，公共汽车百公里氢耗约为7~8 kg，取平均数7.5 kg，每天运行公里数为300 km。出租汽车，在满载城市工况下，百公里氢耗约为1 kg，每天运行公里数为400 km。此处每年耗氢量约为11.54万t/年。此外，如表1所示，还有各类型载客和载货汽车约600万俩。从我国汽车燃料消耗量查询系统可以得到，小型客车的百公里耗油量为4~10 L，小型货车的百公里耗油量为6~11 L, 普通重型货车的百公里耗油量为20 L。氢气的能量密度约为汽油的三倍，燃料电池的能源利用效率约为内燃机的1.75倍。常规载客汽车年平均行驶10 000 km，载货汽车每天平均行驶300 km。

城市燃气管道掺氢可以替代日益增长的天然气需求。近年来，山西省城市供气情况数据如表2所示。在12T基准气条件下（华白数标准为50.73 MJ/m3，燃烧势标准为40.3），为了不改变终端用户的燃具，混合气中氢气的最大允许体积分数为23%。

根据上述数据估算山西省中距离用氢市场年需氢量约为220万t。

（3）远距离用氢市场年需氢量估算

西气东输西一线全长为4 200 km，管径为1 016 mm，设计压力为10 MPa，年设计输送量为170×108m3/年，经过临汾市蒲县和晋城市阳城县。掺25%氢－天然气的混合气体在良好监管情况下不会增加爆炸引起的危险。按照体积分数25%的比例掺氢，远距离用氢市场年需氢量约为38万t/年。综上所述，短、中和远距离用氢市场，支撑山西省煤基低碳能源系统的年氢气耗量约为1 258万t，约为1 400亿N·m3氢气，约需消耗6 000亿kW·h电能，约需风/光等新能源电站装机容量2.7亿kW（可以考虑输入邻近内蒙等地的新能源电能来满足），耗水1.4亿m3（约相当于当地270万城市人口一年的生活用水量）。

由上述分析可知，基于煤基低碳能源系统及其创新实现策略的构想，一方面，海量增加的新能源电力需求可以有效提升国民经济的质量和数量，创造大量高质量的工作岗位，降低传统以煤炭作为燃料利用的产业退出过程对经济和社会的冲击，提供了经济上的可行性；另一方面，在确保环境保护目标实现的前提下，山西省已经探明的2 000多亿t煤炭储量可以确保当地乃至国家中、长期的发展需求，确保了这一战略的可持续性。

高比例新能源电力系统中大规模氢储能系统的关键技术

面向高比例乃至100%新能源电力系统的大规模氢储能系统，是确保基于清洁高效风/光－煤能源系统的煤基低碳能源系统创新策略经济性的技术基础，从理论和应用技术层面还面临诸多挑战，亟待解决，主要包括：

1）基于新能源和氢储能系统性能协调约束，大规模氢储能系统/电站构建及其大容量线性扩容集成与调控技术。

2）基于目标区域资源协调约束，大规模氢储能系统/电站并网规划理论和应用技术。

3）基于能源系统性能协调约束，大规模氢储能系统/电站并网调控运行理论和应用技术。

4）其他。

结论

1）能源系统的演进遵循脱碳、重碳化石能源主要以燃料和原料两种形式被利用的基本规律，因此，基于大规模氢储能技术的清洁高效风/光－煤能源系统创新实现策略的煤基低碳能源系统，是支撑煤炭富集省区低成本、可持续实现能源供给侧结构战略调整的可行技术路径。

2）基于大规模氢储能技术的清洁高效风/光－煤能源系统创新实现策略的煤基低碳能源系统，在确保环境保护目标实现的前提下，为包括山西省在内的煤炭富集省区的能源可持续发展战略的实现提供了技术支撑。

3）面向高比例乃至100%新能源电力系统的大规模氢储能系统，是确保基于清洁高效风/光－煤能源系统的煤基低碳能源系统创新策略经济性的技术基础，从理论和应用技术层面还面临诸多挑战亟待解决。