内蒙古自治区氢电耦合助力构建新型能源体系实证研究.pdf

第 卷第 期 年 月水 力 发 电 .内蒙古自治区氢电耦合助力构建新型能源体系实证研究王 杰 吴 昊 熊 力 辛颂旭 张佳丽(水电水利规划设计总院 北京 中国产业发展促进会氢能分会 北京)摘 要:构建新型能源体系是当前能源行业发展的重要任务 氢电耦合作为一种新的模式 对解决高比例可再生能源消纳问题 促进终端用能清洁化有着重要的意义 以内蒙古自治区为例 通过分析可再生能源发展和能源系统转型的形势和趋势 研究氢电耦合在新型能源体系构建中的意义和作用 得出氢电耦合是我国构建新型能源体系的重要途径的结论关键词:新型能源体系 可再生能源 双碳 氢电耦合 氢能 内蒙古 .中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:王杰()男 天津人 高级工程师 硕士主要从事风、光、氢、储的规划、行业政策研究、方案咨询和项目评审工作 吴昊(通信作者).0引言党的二十大报告指出 积极稳妥推进碳达峰碳中和 深入推进能源革命 加快规划建设新型能源体系 积极参与应对气候变化全球治理 立足能源安全与双碳目标 加快构建新型能源体系 推动可再生能源大规模开发利用 是当前及今后很长一段时间 能源行业发展的重要使命 在新型能源系统中 随着可再生能源占比的提升 面对大规模风电、光伏发电装机带来的间歇性、波动性问题 发展可再生能源制氢 打造氢电耦合的模式 将是重要的解决方案 氢能作为最具发展潜力的清洁能源 可连接多种能源形式 构成耦合发展体系 是支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介 也是实现交通、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择发展氢能产业 构建氢电耦合 对于推动源端可再生能源消纳利用和终端用能的清洁替代 构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系有关键的意义而风光资源丰富的内蒙古自治区有得天独厚的优势为此 本文以内蒙古自治区为例 通过案例分析研究氢电耦合在助力新型能源体系构建过程中的作水 力 发 电 年 月 .用和发展趋势 具有多方面的意义 一是 通过实证分析在风光资源富集地区发展氢电耦合的可行性推动氢能产业发展成熟 二是 通过分析氢电耦合对构建新型能源体系的作用 促进该模式推广 推动三北等地区可再生能源消纳和大规模开发利用三是 通过研究三北等可再生能源资源富集地区氢电耦合新模式的发展 促进区域平衡与协同发展1新型能源体系中的氢电耦合发展潜力新型能源体系是以可再生能源为主体的清洁、低碳、安全、高效的能源系统 由于高比例可再生能源接入可能带来的消纳风险 能源体系需要通过技术、模式、业态等方面的创新 以保障能源的安全供给 氢电耦合是一个重要的创新方向甲烷化混合图 氢电耦合系统推动可再生能源终端应用 新型能源体系中的可再生能源发展总体趋势当前 碳减排已成为全球共识 各国相继制定可再生能源主导的能源变革战略 将可再生能源作为能源转型的主要方向 从国内来看 作为构建新型电力体系的主力军 可再生能源发展呈现出 个方面的主要趋势:()可再生能源将成为能源消费增量主体 并逐步走向存量替代 未来 年 可再生能源将成为能源消费增量主体 逐步形成市场竞争力 基本建立适应可再生能源多元化、市场化发展的政策和市场体系 在 年 年期间 可再生能源将成为能源消费总量主体 全部可再生能源占一次能源消费比重达到 左右 占全社会用电量比重力争达到 左右()通过技术进步、产业升级、市场化配置资源 风电、光伏发电成本快速下降 光伏方面 年 我国启动光伏领跑者计划 采取招标优选的竞争性比选方式配置项目 并将光伏组件效率、电价等作为重要竞争条件 推动了国内光伏建设成本和上网电价的快速下降 预计在中长期内 光伏将成为我国上网电价最低的供电方式 风电方面技术进步也推动了市场化步伐的加速 年以来新增核准的集中式陆上和海上风电项目均通过竞争方式配置和确定上网电价 通过竞争方式优先建设补贴强度低、退坡幅度大、技术水平高的项目()氢成为可再生能源发展的重要支撑 成为可再生能源向其他能源转化的重要媒介 近年来我国氢能产业发展势头迅猛 可再生能源制氢、燃料电池汽车、氢储能等领域加速布局 相关技术水平快速提升 氢能已成为我国未来产业发展的重要方向之一 其中 绿氢对可再生能源电力的消纳作用 正在成为可再生能源大规模高比例发展的重要支撑()降低发电成本是发展可再生能源制氢、实现氢电耦合的关键点 近年来 全球范围内可再生能源度电成本持续降低 国内从 年迈入可再生能源平价上网时代 随着风电、光伏开发利用规模增大 度电成本会进一步降低 从而降低电解制氢成本 氢电耦合促进可再生能源规模化应用可再生能源具有明显的分布不均和不稳定生产的特征 氢能与电能的深度耦合恰恰能支撑更高份额的可再生能源电力的发展 可再生能源制氢与氢储运、氢应用技术的不断进步 有望使部分优势地区的可再生能源摆脱电网设施及消纳条件的限制氢电耦合系统推动可再生能源终端应用见图 第 卷第 期王 杰等:内蒙古自治区氢电耦合助力构建新型能源体系实证研究 .从终端应用来看 可再生能源制氢可提高灵活性以适应电力系统中不断增加的可再生电力份额 下游产业的内置存储容量可起到缓冲作用 以便根据电力系统的需求 实时调节氢气产量 并可长时间消纳波动性可再生能源 从而实现季节性存储 氢电耦合是能源体系创新发展方向在能源系统的持续变革中 一些新模式、新业态的创新成为其发展的主流趋势 新能源与储能、新能源与氢能、可再生能源与终端智慧用能融合发展将不断取得突破 而氢电耦合的发展 将引领能源体系创新发展的方向 与此同时 氢能与电能同属二次能源 更容易耦合电能、热能、燃料等多种能源 并与电能一起建立互联互通的现代能源网络制氢具有较好的扩展性和运行灵活性 氢气有助于实现电力系统与工业、建筑和交通运输部门之间的产业互连 可提高灵活性 同时能够促进可再生能源与电力系统的整合在氢电耦合形成的能源网络互联模型中 主要包含电能链和氢能链 个部分 前者利用可再生能源的富余电力或低质量电力电解水 进而生产绿氢后者则可以通过从水电解制氢(不同规模)、压缩氢储存到燃料电池电站的链条 再次转化为电能基于可再生能源和氢储能的氢电耦合系统见图 图 基于可再生能源和氢储能的氢电耦合系统开展可再生能源制氢利用 可将丰水期富余水电、负荷低谷时段富余风电、午间富余光伏发电等可再生能源转化为氢能并存储 促进可再生能源主动参与电网调峰 提升新能源利用效率 随着电力现货市场试点及铺开 可再生能源富余时段直接反映为系统电价降低 提升电制氢的经济性2内蒙古自治区氢电耦合发展形势 政策支持现状 自治区政策支持近年来 内蒙古自治区连续出台诸多支持氢能产业发展 特别是绿氢开发的政策 主要有:()年 月 内蒙古自治区审议通过的关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二三五年远景目标的建议指出 要大力发展新能源 推进风光等可再生能源高比例发展 壮大绿氢经济 推进大规模储能示范应用 打造风光氢储产业集群()年 月 内蒙古自治区“十四五”氢能发展规划出台 提出重点打造“一区、六基地、一走廊”的氢能产业布局 打造全国绿氢生产基地 到“十四五”末 内蒙古计划达成供氢能力 万/绿氢占比超()年 月印发的关于推动全区风电光伏新能源产业高质量发展的意见要求 优先支持市场化并网新能源项目 包括源网荷储一体化、工业园区可再生能源替代、火电灵活性改造促进新能源消纳利用、风光制氢一体化示范等 类项目 均以落实消纳能力作为新能源项目的申报条件()年 月 内蒙古自治区“十四五”能源发展规划发布 将氢能作为实现自治区新旧动能转换的重要途径 实施绿氢经济工程 推进氢能基础设施建设布局 建设国家绿氢生产应用示范基地打造能源发展新引擎()年 月 内蒙古自治区能源局印发内蒙古自治区关于碳达峰目标下能源保障供应的实施方案提出 稳步提升氢能绿色替代能力 推动自治区氢能产业发展 鼓励风、光、氢、储多能互补发展 推动可再生能源电解水制氢项目有序落地 部分自治区下辖盟、市政策与此同时 内蒙古自治区下辖多个盟、市的新能源建设项目中明确了配套制氢规模 主要有:()包头市发改委公告明确了风电、光伏项目和氢能产业项目需同步投产 严禁只建设风光项目氢能产业项目不投产 为可再生能源制氢发展提供了巨大空间()鄂尔多斯市在 年 月发布氢能产业发展三年行动方案(年 年)提出充分利用鄂尔多斯风光等可再生能源资源 支撑以煤炭为主能源结构向低碳零碳转型 推动鄂尔多斯朝着氢能装备本地化、氢制产品绿色化、全产业链商业化、关键技术自主化为一体的北疆绿氢城稳步前进()年 月出台的鄂尔多斯市“十四五”能源综合发展规划提出 紧抓自治区打造千亿绿氢产业集群发展机遇 打造全国氢能生产应用示范基地推进氢能与风电、光伏、储能等一体化发展 科学合理安排风电、光伏储能制氢建设规模 为氢燃料电池汽车规模化应用提供稳定绿氢来源 开拓可再水 力 发 电 年 月 .生能源利用新业态()包头市于 年 月发布的现代能源产业基地“十四五”发展规划提出“十四五”期间加快氢气制取、存储、运输、应用一体化发展 在可再生能源建设集中区 采用风、光、谷电制氢相结合的技术路线 建设百兆瓦级制氢储能一体化项目 扩大可再生能源制氢规模 全面推进达茂、固阳风电基地风电电解水制氢 形成 万/电解水制氢能力 制氢设备平均利用小时数达到 氢电耦合资源与产业发展基础内蒙古可再生能源资源丰富 风能资源技术可开发量居全国首位 太阳能资源属我国最丰富的区域之一 包头、乌海、达拉特入选国家光伏领跑应用基地 成为全国开展光伏领跑基地最多的省份 年 达拉特光伏奖励基地平均中标电价 元/开创了全国新能源发电低于燃煤发电基准价的先河近年来 内蒙古可再生能源发展迅速 风电、光伏发电装机占比快速提升 年 内蒙古风力发电量为 亿 占比为 太阳能发电量为 亿 占比为 水力发电量为 亿 占比为 可再生能源发电量的快速增长 为绿氢产业发展奠定了良好的基础基于丰富的可再生能源资源和良好的可再生能源发展基础 内蒙古可再生能源制氢潜力巨大“十四五”期间 内蒙古规划可再生能源新增装机 万 以上 占全部新增装机的比重超过 成为新增装机的主力 可再生能源发电装机总量将达到 亿 以上 其中风电 万 光伏发电 万 新能源装机规模超过燃煤火电装机规模 新能源发电量占自治区总发电量比重超过 内蒙古具备发展新能源大规模制氢良好条件现有潜在新能源制氢产能超过 万 氢能装备方面 依托自身雄厚的工业基础和资源优势 内蒙古拥有较为坚实的氢能技术装备制造基础 聚集了一批资金雄厚、实力强劲的技术装备企业 目前 全区开展氢能前瞻技术研发的企业超过 家 企业的龙头带动作用为全区氢能产业发展提供了有力支撑 绿电消纳需求当前 我国前 批大型风电光伏发电基地已陆续开工 第 批大基地项目已公布 风电、光伏发电等可再生能源大规模、高比例开发时代正在来临而内蒙古则是重点区域 与此同时 面对大规模可再生能源的开发 绿电消纳问题也将进一步凸显受储能技术、上网政策和新能源电力消纳政策的制约 内蒙古风光新能源的充分利用受到影响风电和光电产能利用率低 弃风弃光等现象比较突出“十三五”期间 内蒙古风力发电装机总量占发电装机总量的比例保持在 之间风力发电的发电量占总发电量的比例却一直保持在 之间 太阳能发电装机总量占电力装机总量的比例保持在 之间 从全国看这种情况也比较明显 年全国风能、光能的装机占比在 以上 但电力贡献仅为 左右消纳问题已成为新能源发展的主要挑战 随着新能源装机比重的提高 新能源发展瓶颈逐步由开发侧制约转向系统消纳能力制约 当前面临系统调峰能力不足、部分输电通道受阻的问题 年第 季度 蒙西地区风电利用率 光伏利用率 新能源综合利用率全国倒数第一 未来随着大规模新能源的并网 区内新能源消纳压力将进一步增大 而绿氢作为可再生能源的重要消纳方式之一 在内蒙古将拥有巨大的发展需求 氢电耦合市场应用前景在氢能应用方面 内蒙古煤炭及各类矿产资源丰富 重型柴油机车、矿用重型卡车、矿山机械保有数量位居全国前列 各类采运矿车、物流车辆接近 万辆 均可考虑采用氢燃料电池车替代 鄂尔多斯市进入国家燃料电池汽车示范应用上海城市群名录 主要实现燃料电池整车的商业化运营 重点构建“中长途中重载”的应用场景 包头市列入了国家燃料电池汽车示范应用广东城市群 实现主要零部件研发及产业化应用及开展高寒地区的燃料电池汽车示范应用的任务内蒙古黑色冶炼行业规模较大 铁合金产量全国第一 采用氢能替代煤炭作为还原剂 可实现冶金行业的低碳甚至零碳 此外 氢能还可应用在建筑领域、农牧边区采暖、供电等方面 应用场景丰富 市场前景广阔3内蒙古自治区氢电耦合案例分析缘于近年来支持政策的不断出台以及丰富的风光资源、良好的产业发展基础和广阔的市场前景内蒙古绿电制氢项目的探索正加快涌现 典型项目有鄂尔多斯市达拉特旗光储氢车一体化项目 建设 万 光伏电厂 配套建设 万 储能 建设约 万/光伏电解水制氢站 中国华能集团有限公司在科尔沁右翼前旗开发的风电储高比例耦合绿电制氢示范项目 总装机 万 达茂旗电投新未来能源有限公司在包头达茂旗开发的 万第 卷第 期王 杰等:内蒙古自治区氢电耦合助力构建新型能源体系实证研究 .风光储氢项目 风电和光伏装机均为 万 化学储能 万 电解水制氢 万/中石化新星内蒙古绿氢新能源在乌审旗建设的 万 风光耦合制氢项目 风电 万 光伏 万 制氢 万/选取鄂尔多斯市准格尔旗纳日松光伏制氢产业示范项目和达茂旗 万 新能源制氢工程示范项目进行案例分析 研究在内蒙古开发氢电耦合项目的可行性和开发路径 准格尔旗纳日松光伏制氢产业示范项目纳日松光伏制氢产业示范项目于 年 月 日开工建设 是中国三峡新能源(集团)股份有限公司的首个制氢项目 项目位于鄂尔多斯市准格尔旗纳日松镇 包括光伏电站及制氢厂 部分 其中光伏电站总装机规模为 万 年平均发电量为 亿 建成后每年可节约标准煤约 万 减少二氧化碳排放约 万 制氢厂总装机规模为 万 包括 台 /的碱性电解槽及 台 /的备用碱性电解槽 生产年利用小时数为 每年可生产氢气约 万 副产氧气 万 建成后 项目总发电量的 将直接输送至当地电网 剩余 则全部用于电解水制氢 所产出的氢气和氧气主要用于化工及交通领域 其中 制出的高纯氢气大部分通过新建的 输氢管道直接输送至下游合成氨工厂 剩余部分增压后装车运输至附近加氢站 所产氧气一部分经加压后运送至当地化工企业 另一部分液化后装车外送 提供给其他有需求的单位氢的储运是目前氢能产业链发展的主要瓶颈之一 而绿氢制绿氨是解决绿氢储运和消纳的重要路径 为此 纳日松项目选择在已有合成氨厂附近制氢 从而降低成本 打通氢能制输用链条 该项目表明 在内蒙古风光资源富集区域开发电氢耦合已具备基本条件 同时 解决储运和下游应用问题 是项目开发的必要条件 达茂旗 万 新能源制氢工程示范项目内蒙古华电达茂旗 万 新能源制氢工程示范项目于 年 月发布光伏、风电、储能、制氢设计中标结果 计划于 年内投产项目规划建设总容量 万 由风光发电、储能装置、制氢站及储氢设施 部分组成 共建设风电 万、光伏 万 电化学储能 万 预计建成后风电光伏年发电量 亿 电解水制氢 /采用 绿电制氢 年制绿氢量 可供 座规模为 /的加氢站使用 满足约 辆燃料电池重型卡车需求 制氢站还根据风光可再生能源出力波动特点 采用碱性电解槽和质子交换膜()电解槽配套的技术路线使用的 电解槽单体容量和总容量创国内之最该项目在风、光、储、氢一体化方面进行示范 是多能互补耦合制氢的探索4结论与建议 结论在双碳目标下 可再生能源和氢能的发展正在成为能源系统转型的主要方向 随着技术的持续进步、规模的快速增长 可再生能源将助推电解制氢降本 助推电解水制氢走向主流 可再生能源制氢与氢储能将促进可再生能源电力在终端应用 在这一趋势下 氢电耦合将促进可再生能源规模化应用实现电网与氢网等综合能源网络互联 因此 氢电耦合是我国构建新型能源体系的重要途径之一同时 内蒙古地区基于优越的资源条件、良好的产业基础和政策环境 发展氢电耦合具有得天独厚的优势 氢电耦合在内蒙古地区的布局 有助于当地能源结构的快速转型 加快将当地风、光资源转化为经济发展动力 并为我国氢能全产业链发展提供丰富的氢源 此外 还有助于对同样风光资源富集的区域形成示范 推广氢电耦合模式准格尔旗和达茂旗的案例表明 在目前所处的氢能产业发展初期 将绿电绿氢绿氨进行结合 或者将可再生能源制氢与下游交通等应用紧密结合打通氢能产业链各关节 从而降低储运成本 是重要的发展模式和路径 建议通过对氢电耦合助力构建新型能源体系的研究本文提出如下建议:()可再生能源与氢能融合发展布局 从多能互补的角度 我国应大力开展可再生能源与氢能融合发展建设 实现“两中心、三基地”即京津冀氢能应用负荷中心、东部沿海氢能应用负荷中心、东南海上风电制氢基地、西南地区弃水发电制氢基地、三北地区风光氢储综合能源基地的建设布局()风光氢高比例耦合技术及产业推广 科技专项重点研究三北地区风能、光能与氢能技术耦合将低成本新能源电力转化为氢能 提高新能源综合利用效率 为推动形成绿电绿氢能源基地提供技术指引 同时落地产业 带动减排作用明显的氢能技术成果转化项目()开展氢能制储加一体化可研示范 开展制氢站内配套氢气纯化、气体压缩及氢气储罐 实现新能源发电与制氢、储氢、加氢深度(下转第 页)第 卷第 期王 伟等:基于 Informer 的风电机组叶根载荷预测 .:.郑小霞 叶聪杰 符杨.海上风电场运行维护的研究与发展.电网与清洁能源 ():.付德义 秦世耀 薛扬 等.风电机组低电压穿越过程机械载荷特性研究.太阳能学报 ():.邓居昌 覃卫坚 韦文山.机器学习算法在气候模式降水预测中的订正研究.计算机与数字工程 ():.付德义 张晓东 王瑞明 等.特定场址条件下风电机组载荷适应性评估.太阳能学报 ():.周士栋 薛扬 马晓晶 等.基于 数据的风电机组关键载荷预测.农业工程学报 ():.许扬 蔡安民 张林伟 等.基于 神经网络和多因素权重法的风电机组载荷预测和分析.热力发电 ():.章培成 孙勇 王琳.一种大型风力发电机组载荷预测技术研究.能源工程():.赵巧娥 郭敏 贾新春 等.基于预测控制储能系统平抑风电场并网波动功率.电测与仪表 ():.陈昊 张建忠 许超 等.基于多重离群点平滑转换自回归模型的短期风电功率预测.电力系统保护与控制 ():.卢晓光 李凤格.基于数字孪生的风机实时载荷预估研究.机械与电子 ():.董浩 孙琳 欧阳峰.基于 的(.)浓度预测.环境工程 ():.刘洪笑 向勉 周丙涛 等.基于 的长序列时间序列电力负荷预测.湖北民族大学学报(自然科学版)():.贺春光 韩光 赵阳 等.双碳背景下计及新能源大规模接入的电量趋势 预测 与分 析 .可 再 生 能 源 ():.张友 李聪波 林利红 等.数据不完备下基于 的离心鼓风机故障趋势预测方法.计算机集成制造系统 ():.陈安杰 王策 贾娅娅 等.基于 的风力机叶片气动性能计算分析.工程力学 ():.(责任编辑 高 瑜)(上接第 页)结合 形成氢能制储加一体化示范助力提升新能源消纳 带动氢能产业发展()推动交通领域风光绿氢体系项目孵化 以氢燃料汽车为主的交通用能体系 可最大程度实现减排目标 改善生态环境 氢燃料汽车可有效解决电动汽车在寒冷地区续航里程缩短、重载动力性下降等问题 为氢燃料产业在各领域的大规模发展奠定基础 内蒙古应着力推动建立呼包鄂乌氢能重卡替代 结合氢能重卡用氢需求耦合测算风光配套容量和耦合方式 通过绿氢低价制取带动氢燃料和高端制造产业发展 通过模型优化提高可再生能源与氢储能耦合比例()在化工领域提出绿氢对灰氢部分替代的解决方案 氢气是煤化工产业的主要原料之一 当前主要通过煤制氢获取 伴随大量二氧化碳排放 以风光等可再生能源制氢作为氢源 可实现煤化工中对灰氢的清洁化替代 减少环境污染和煤炭消耗参考文献:高慧 杨艳 赵旭 等.国内外氢能产业发展现状与思考.国际石油经济 ():.马涛.国外氢能源经济发展现状及对我国的启示.节能技术():.伊文婧 梁琦 裴庆冰.氢能促进我国能源系统清洁低碳转型的应用及进展.环境保护 ():.杨波.我国能源发展趋势前瞻及政策建议.开放导报():.许拯瑞.“双碳目标”下传统化石能源与新能源发展趋势.石化技术 ():.叶小宁 李苏秀.面向 年的中国能源发展趋势判断.新能源经贸观察():.陈宇 赵彦旻 曹吉领 等.氢电耦合在高弹性电网中的应用场景及投资收益分析.能源工程 ():.田江南 罗扬.风电耦合电解水制氢技术研究.电力勘测设计():.孙鹤旭 李争 陈爱兵 等.风电制氢技术现状及发展趋势.电工技术学报 ():.李培文.氢气和天然气作为车用燃料的特性分析.汽车实用技术():.武振国 李雪敏 李艺格.资源型地区经济发展与自然资源交互关系的时空变化 以内蒙古为例.干旱区资源与环境():.张萌 孙佳文 赵海东.内蒙古新能源产业链发展研究.北方经济():.扎其劳 赛希拉图.氢能源将在内蒙古自治区实现碳达峰和碳中和发挥重要作用.内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版)():.朱泽磊.碳达峰碳中和愿景下内蒙古新能源发展趋势及展望.北方经济():.祁婧 黄占兵.推动内蒙古氢能产业健康可持续发展的思考.北方经济():.(责任编辑 杨 健)