【能源互联网洞悉】P2X技术体系发展概述
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：随着能源革命的深入推进，电力将在能源系统中发挥更加重要的角色，电能与其他能源之间的转换将更为频繁。P2X是电能向热、冷、气等能源形式转换的前沿技术理念，是实现以电为中心多能耦合互补现代能源体系的关键支撑技术。本文从P2X的基本概念出发，梳理了P2X技术体系，并按照电制热、电制冷技术和电制氢及相关衍生技术的分类方式，分别概述了主要技术类型的有关特性与发展情况。
P2X技术体系发展概述
执笔人：张宁、王轶楠
（国网能源研究院 能源互联网研究所）
1、P2X技术体系
P2X是近年来出现的新概念，各方对其所包含的技术范围仍存在不同认识。一般而言，P2X包括电转热、电转冷、电转气（制氢或甲烷）、电制液体燃料、电制化工产品等。在广义的P2X概念中，还包括电转电（电能转换为氢能等能量形式后再转换为电能）、电转动力等。
除电转热、电转冷外，其他形式的P2X技术均以电制氢为基础。电解水制氢后，氢气可与二氧化碳发生化学反应生成甲烷，实现电制甲烷；氢气也可与二氧化碳反应生成甲醇，实现电制液体燃料；氢气还可与氮气反应合成氨，实现电制化工产品；氢气储存后适时以燃料电池等载体重新转化为电能，实现电转电；此外，氢气或氢的衍生产品可作为动力的来源，间接实现电转动力。P2X技术体系如图1所示。
图1 P2X的技术路线
2、电制热、电制冷技术
（1）热泵
热泵从自然界中获取低品位热能，经电力做功转化为高品位热能，主要包括空气源热泵、水源热泵和地源热泵。热泵能效水平高，COP（制热能效比）值可达到2.5-6.5，且可兼顾夏季供冷、冬季供热需求，具有较高的经济性。热泵已成为欧美国家重要的供暖方式，在我国随着清洁供暖深入推进，正步入发展快车道。推广各类热泵时需考虑自然资源情况：空气源热泵适合室外最低温度高于-15℃的区域，水源热泵适合靠近江河湖海或污水处理厂的区域，地源热泵适合冬季供暖与夏季制冷基本平衡的区域。总体来看，热泵是经济性较高的电转热技术，在资源条件适宜地区有一定商业推广价值。
（2）电阻式电采暖
该类技术利用电阻发热原理直接将电能转化为热能，包括电锅炉、电暖器等。其COP不超过1，效率低于热泵。按照正常电价水平计算，该类电采暖技术经济性较差，通常需依靠财政补贴。加装蓄热模块可充分利用夜间低谷电制热，节省采暖电费支出，且通过削峰填谷可减缓电网扩容建设成本，有助于提升经济性，但与热泵等技术相比仍不具竞争力。
（3）空调
空调是电转冷的主要技术形式，在我国已实现大规模应用。从能量转换角度，电蓄冷空调更具发展价值，其核心设备是双工况冷水主机，能够在低电价时段制冷并储冷、在高电价时段释放存储的冷量。此外，空调加装智能控制模块是大势所趋，既有助于提升用户体验，也将支撑电力系统对空调的优化调控，实现智能化、自动化需求响应。
总体来看，电转热、电转冷技术已进入规模化推广应用阶段，但目前通常仅作为满足用户采暖、制冷需求的方式，其打通能源品类边界、实现以电为中心的多能互补优化的系统效益尚未被充分挖掘。
3、电制氢及相关衍生技术
（1）电制氢
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，其中煤制氢是我国当前成本最低、应用最广泛的技术。电解水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的灵活性能更为出色。
近年来随着欧洲提出P2G、P2X等概念，电制氢技术成为前沿热点，但受限于成本，离大规模商用仍有差距。由图2可见，要使电制氢成本低于煤制氢，需确保电价低于0.1元/千瓦时，此时电制氢成为具有经济竞争力的制氢技术；要使电制氢成本低于加装CCS的煤制氢技术，需确保电价低于0.25元/千瓦时，此时以清洁电力为输入的电制氢将成为最经济的清洁氢能制取方式。但当前我国各省煤电标杆上网电价均高于0.25元/千瓦时，即风电和光伏发电实现平价上网后仍无法保证电制氢的经济性。为提升其经济竞争力，一是可结合富余的清洁能源发电，利用弃风、弃光、弃水电量制氢 ；二是加快技术研发，促进电解器成本下降、电解水制氢效率提升；三是中长期来看新能源发电成本具有持续下降空间。
图2 主要制氢技术成本区间
（2）电制甲烷
由于氢气的储运存在技术和基础设施方面的障碍，可在制氢后继续与二氧化碳反应制取甲烷。甲烷能够直接注入天然气管道和储气装置，不像氢气注入天然气管道存在最大体积占比上限（通常仅为10%-20%），因而能够实现能量的远距离传输和大规模存储。目前电制甲烷的效率约为50%-60%，低于电制氢。电转气合成甲烷的成本是常规天然气的约2-4倍，经济性较差，故同电制氢一样适宜与富余清洁电力结合发展，作为天然气的补充来源。
表1 氢气与甲烷技术指标对比
（3）其他电制氢衍生技术
电转氢转电方面，电制氢后以燃料电池形式发电，可作为重要的储能形式，是储存时间最长、能量密度最大的储能技术，但成本较高，适用于大规模跨季节存储与平衡、分布式能源供应等场景。电转氢转动力方面，燃料电池汽车的经济性难以超过锂电池汽车，在乘用车领域发展潜力有限；但燃料电池能量密度大、续航里程长、加氢速度快，在公路货运、轨道交通、航运、航空等领域存在一定竞争优势，未来有望作为终端能源消费清洁化转型的重要选择。总体来看，其他电制氢衍生技术经济性有限，但基于氢能高能量密度的特性，在特定场景下具有一定市场潜力。
总体来看，电制氢及相关衍生技术增加了能源转换环节，导致其效率和经济性有限，但考虑到电制氢技术的清洁性和系统调节价值，仍有必要加大研发示范力度。
作者介绍
张宁，国网能源研究院能源互联网研究所研究员，电力系统自动化专业博士，高级工程师。主要从事能源电力规划、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，一作论文他引200余次，担任《Energy》等20余个SCI期刊审稿人。主笔《中国能源电力发展展望》等著作，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。
王轶楠，国网能源研究院能源互联网研究所研究员，控制理论与控制工程专业博士，工程师。主要从事能源互联网、智能电网、综合能源服务、商业模式创新等相关研究，发表SCI、EI论文10余篇，申请发明专利6项，参与编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，曾获国家电网公司2019年度软科学成果奖一等奖。
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。
往期回顾
◀【新业态新模式创新】科学研判经济社会运行状况的四要素数据综合分析框架初探
◀【能源互联网洞悉】未来高比例新能源接入的电力系统如何平衡？——源网荷储各环节灵活性能力需求及资源潜力分析
◀【综合能源服务智见】综合能源服务市场竞争: 结构、策略及趋势
◀【新业态新模式创新】电力大数据全面精准服务疫情防控和复工复产的模式分析
编辑：杨彪
审核：蒋东方
根据国家版权局最新规定，纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编《中国电力》编辑部的作品，转载时要包含本微信号名称、二维码等关键信息，在文首注明《中国电力》原创。个人请按本微信原文转发、分享。欢迎大家转载分享。