【能源互联网洞悉】电制氢负荷不同接入方式下的运行模拟分析
编者按：当前世界范围内能源转型加速，国家电网公司也提出建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业的战略目标。建设能源互联网是承接国家能源安全新战略，推动电网和发展高质量发展的关键。在新时代和新战略下，对能源互联网的认识也需要不断深化。国网能源研究院能源互联网研究所聚焦于能源互联网基础理论、综合能源系统规划优化与市场机制、能源电力转型发展、能源互联网新技术新元素、城市智慧能源系统等领域开展了深入研究。本专栏围绕能源互联网关键问题，从理论研究、模型方法和经验实践等方面展开，结合相关成果和研究思考与读者进行交流分享。
文章导读：随着能源转型深入推进，叠加相关技术逐渐突破成熟，电制氢正成为能源领域的前沿热点。电制氢不仅能够利用可再生能源制备“绿氢”，而且作为电力负荷的运行特性灵活，有望成为未来电力系统重要的灵活性资源。本文分析了电制氢设备直接连接新能源电站、接入电网负荷侧两种模式，通过运行模拟对两种模式进行了简要对比。两者都有助于促进新能源消纳利用。前者可保障制氢能源全部来自新能源发电，且避免了中间交易环节，但输入能源波动性更大，利用小时数受到局限。后者能更好发挥电制氢负荷的削峰填谷与灵活调节作用，并且能适当保障制氢设备的运行稳定性，制氢选址也更为灵活，但需完善电制氢参与系统调节的激励政策或优惠价格，否则经济性难以保障。
电制氢负荷不同接入方式下的运行模拟分析
执笔人：张宁、卢静
（国网能源研究院 能源互联网研究所）
氢气的主要制取途径包括煤制氢、天然气制氢、石油制氢、工业副产氢、电解水制氢等。近年来，随着能源转型深入推进，氢能被更多定位成清洁绿色的能源载体，因此利用可再生能源的电解水制氢技术成为前沿热点，当前示范项目逐渐涌现，但受限于成本，离规模化推广应用仍有距离。电制氢除能够制备“绿氢”这一优势外，其作为电力负荷的运行特性灵活，随着未来成本逐步降低，有望成为中长期电力系统重要的灵活性资源。
电制氢主要有三种技术：碱性电解水制氢（ALK）、质子交换膜电解水制氢（PEM）和固态氧化物电解水制氢（SOEC），ALK和PEM技术均可接受波动性电源供电。其中PEM技术的灵活性能更为出色，可接受负荷变化范围为额定功率的0-100%（部分设备甚至允许短时按照额定功率的160%运行），爬坡速率为100%/秒，热启动时间仅为1秒，冷启动时间为5分钟，是非常理想的灵活性资源。
电制氢负荷作为灵活性资源有两种接入方式：直接与新能源发电设施相连或作为电网的可控负荷。在第一种方式中，电制氢设备接入电源侧，直接使用新能源电站发出的电力，此时新能源电站可部分并网或完全离网运行（仅为制氢设备供电）。在第二种方式中，电制氢设备接入电力系统的负荷侧，使用大电网上的电力，除具备灵活可调外的特性外与其他用能负荷并无区别。
新能源电站直接制氢可有效促进新能源消纳利用，但存在制氢设备利用小时数和选址等方面的局限。基于张家口某10万千瓦风电场、白城某45万千瓦风电场全年8760小时实测数据进行算例分析可知：如按照95%置信度在风电场配置制氢设备，其容量约为风电场容量的三分之二，此时制氢设备利用小时数有望达到3000小时左右，超过接入电网侧低谷用电时段总时长，风电利用率达到98%以上。但若要进一步提升制氢设备利用小时数至4000小时，风电利用率将低于90%，此时对风电场而言直接制氢不如接入电网更有利于消纳。此外，新能源基地通常远离氢气需求集中地区，制氢后需建设配套管道，增加运输成本。
表1 风电场直接制氢设备利用小时与风电利用率算例一（张家口某10万千瓦风电场）
表2 风电场直接制氢设备利用小时与风电利用率算例二（白城某45万千瓦风电场）
电制氢以灵活可控负荷形式接入电网有助于平抑净负荷波动、促进新能源消纳，同时具有选址灵活等优势。通过对华北地区进行系统生产模拟（加入2000万千瓦制氢负荷，利用小时数按3000小时计算），可见电制氢负荷接入电网后，将集中在净负荷低谷同时也是新能源消纳压力最大的时段满功率运行，其余时段则根据新能源出力变化与负荷波动情况低功率运行，运行功率逐时变动但存在一定规律，避免了输入功率无序随机波动对设备寿命的影响。此外，制氢负荷接入电网可实现在氢气需求集中区域就近制氢，有助于缓解氢气运输带来的经济性与安全问题。今后随着电制氢负荷增长，亟需完善电制氢参与系统调节的激励政策，或给予价格优惠，体现其调节价值，提升项目经济性。
图1 华北地区冬季典型周制氢负荷与各类电源调度情况（模拟2050年）
图2 华北地区冬季典型周制氢负荷运行规律
（模拟2050年）
图3 华北地区冬季典型周新能源消纳利用情况（模拟2050年）
综上，电制氢设备直接连接新能源电站或接入电网都是有助于促进新能源消纳的灵活性资源。前者可保障制氢能源全部来自新能源发电，且避免了中间交易环节，但输入能源波动性更大，利用小时数受到局限。后者能从电力系统优化运行角度更好发挥电制氢负荷的削峰填谷与灵活调节作用，并且能适当保障制氢设备的运行工况，制氢选址也更为灵活，但需完善电制氢参与系统调节的激励政策或优惠价格，否则经济性难以保障。
作者介绍
张宁，国网能源研究院能源互联网研究所研究员，博士，高工，从事能源电力规划、能源转型、能源互联网、综合能源等领域研究。发表SCI、EI检索论文30余篇，其中一作一区SCI4篇，一作非综述类论文他引百余次，担任《Energy》等20余个SCI期刊审稿人。出版中文专著4部，英文专著3部（含Springer出版专著1部），参编国网标准3项。曾获行业级一等奖、二等奖，国家电网公司特等奖、一等奖、二等奖等奖项。
卢静，国网能源研究院能源互联网研究所研究员，电力系统及其自动化专业硕士。主要长期从事能源互联网、综合能源服务、新能源资源评估与功率预测等领域的研究工作。参与了多项新能源并网领域的国家863项目，承担了多项国家源局、国家电网公司等单位委托的重大科研项目。编写出版《中国能源电力发展展望报告》、《风能评价及风电规划与并网》等；获得中国电力科学技术奖1项、国家电网公司科技进步奖多次。
团队简介：国网能源研究院能源互联网研究所（简称互联网所）于2015年7月份成立，主要负责能源互联网市场分析及技术经济研究、能源互联网发展政策与战略规划研究、综合能源系统规划运行、城市智慧能源系统研究、综合能源服务业务发展及市场分析、国际能源政策及战略研究等。互联网所内设国际能源政策研究室、物联网经济研究室、综合能源研究室，共有19名员工，平均年龄34岁，其中博士12人，具有高级职称14人，专业覆盖电气工程及其自动化、经济学、环境科学与工程、法学、计算机科学等。曾多次获得“国家电网公司先进集体”、“国家电网公司先进班组”、“国网能源研究院先进集体”、“先进党支部”以及“课题攻关党员创新团队”等称号。
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编辑：杨彪
审核：许晓艳
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