《风能》专栏 | 张树伟：保证氢能制备来自绿电，有必要吗？
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本文的结论是明确的：额外性是电力系统、而非氢能系统视角的；即使需要额外性，时间同时性也是没有必要的。
大力发展成本已实现大幅下降的可再生能源自备电厂，且允许电解灵活安排，在当前试验示范阶段不失是一个好主意。
条例提到，对于交通部门的可再生燃料，除了生物燃料外，其他几乎全部来自于电解制氢及其衍生物，比如甲烷、氨等（ 所谓的“e-fuels”）。如果电力来自于非可再生能源，那么从全生命周期来看，转化环节多，内燃机效率比电机低，这种来源的氢能的碳排放甚至要高于传统的天然气重整制氢，从而成为一个导致总体排放增加的因素。
为了规避上述情况，条例对氢能制备的电力来源额外性（additionality）拟定了严格规定，特别包括：
（1）制氢的可再生能源电力必须是额外的，也就是来自于新建的项目，且不享受补贴。
（2）氢能装置必须在可再生能源项目发电的同时制备，称为时间相关（temporal correlation）。这里有个时间尺度问题。目前的要求是每个月绿电生产量与制氢消耗量必须平衡，到2027年将调整为每小时必须平衡。
（3） 电解槽与可再生能源电厂的地理距离不能太远，称为空间相关（geographic correlation），以避免网络阻塞影响，比如位于同一个价区（bidding zone）。如果位于两个价区，必须确保可再生能源电厂价区的电价不低于电解槽价区 2 ，或者位于海上风电独立价区（offshore zone）。
这些要求旨在保证电解槽只有在新建可再生能源电力项目，且发电能够抵消电解所用电力时才会开动，从而确保氢能生产不会增加传统化石能源发电，避免带来更多的排放，成为真正的“绿氢”。
然而，我们需要问的是：此类要求有必要吗？
本期专栏将初步讨论这个稍显复杂的问题，并得到了明确的结论：额外性是电力系统、而非氢能系统视角的；即使需要额外性，时间同时性也是没有必要的。更长时间尺度（如年度）额外性的要求足以实现总体环境关切，同时也有利于电解槽业主更灵活地安排生产，从而大幅降低成本。预计条例的正式版本（2022―2023年进入采用程序）会有相应调整。
氢能并非为消化过剩电力而生
氢能经济的设想早已有之。如果以“Hydrogen economy”为关键字在搜索引擎中进行检索，能够找到超过150万个结果。这个词的提出可以追溯到20世纪70年代。电化学专业教授John Bockris 首次定义了“氢能经济”一词。他于1972年在《科学》（Science）杂志上发布过短文 3 ，从核能发电——就地制氢——传输到工厂与家庭的燃料电池（Fuel cell）开始，描绘了氢能经济的众多优点，甚至包括给家庭提供充足的间接饮用水。
目前，氢能应用一直维持在一个工业小市场规模，作为高温燃料，或原料用于石化行业的炼油（加氢裂化）和生产氢能衍生物，比如甲醇、氨化肥及其他。
氢能并不是为消化“过剩电力”而生的， 而具有自身的固有价值， 这是越来越多国家制定氢能发展战略的背景（context）。未来，它可以用来消化过剩电力，但这显然不是唯一目的。氢能还可以替代工业减排困难部门中的原料投入，如焦炭炼钢变为氢冶金，在化学品与化肥生产中代替化石能源生产的甲醇与氨，航空煤油替代、作为燃料电池燃料等，乃至代替普遍使用的汽油与柴油。
因此，从方向性理念来讲，关于氢电解槽何时启动生产，应该成为一个生产侧成本与产出侧收益综合考虑的结果，而不仅仅是生产侧的“电力成分”。氢能经济的设想是一个大的产业链（参见图1）。前述的额外性要求是电力系统的要求，而没有考虑氢能视角的研究开发需求。
图1 氢能经济与产业链的构成 4
电解槽投资运行优化空间
理论与实证均表明，在电力市场上，风、光大发（份额高）时，电价低；风、光出力小（份额低）时，电价高（参见图2）。因此，即使没有限制，电解槽业主也会自动跟踪可再生能源“丰富”的时刻/地区来优化运行，节省成本。只不过，这里的“丰富”指的是整个系统层面的。时间同时性限制则是业主本身“锁定”的部分，它可能存在与整体富余/紧缺不一致的情况。
图2 美国部分地区电力市场价格与可再生能源比例之间的关系 5
按照欧盟目前设想的最严格版本，电解槽只有在小时尺度上匹配可再生能源发电 6 的时候才能生产，等于电解槽无法使用电网电力，与物理自备电厂无异 7 。那么，是否可以在某个时段集中生产，多耗电（包括化石能源电力）；下一个时段停了不耗电，与之“捆绑”的可再生能源电厂多上网发电？两者有何区别？
如果市场的电价非常高，此时将这部分电力出售，会比自己电解消耗了划算，给定氢能的售价短期不变的话。另一个极端是，如果自身“捆绑”的资源出力不足，即便此时氢能的需求很旺盛，或市场电价很低，电解槽也必须停下来。这种“僵直”要求，将灵活收益的机会完全限制了。
超越运行层面，若需要这种绑定平衡约束，那么电解槽与可再生能源电力如何在投资层面配比，也可能会影响最优选择。比如风电+电解槽的组合。在大部分风能资源区，风电的年利用小时数约为2500小时。电解槽如果是这个利用率，投资成本分摊显得过高。一般而言，风电的容量要远大于电解槽才行。在小时匹配要求下，业主建设的电解槽要大，运行的机会将少很多。而不是一个适中的电解槽，风电多发时卖网电，风电不足时用网电电解，以此维持更加平稳与高利用率的运行。如果业主需维持一个同样的氢能服务，那么同时性要求必须加装额外储氢。这都意味着用更大的投资实现同样的目的。
允许网电电解、放松同时性要求会增加排放吗？
首先，网电的确是存在碳排放。无论是就平均排放因子而言，还是从边际上衡量，其排放因子均显著地大于零。
然而，对于这部分在某个时间段内的消耗量，业主必须在其他某个时间段以风电的方式偿还回去，以满足“电解电量=可再生能源发电量”的约束。因此，最终结果是增加还是减少排放，取决于消耗与偿还的两个时段系统的（边际）排放因子到底哪个大（图3）。
图3 非同时性灵活安排下的系统
与储能做类比，在碳价格不足够高，煤电仍低于天然气边际成本 8 的情况下，它是在电价低时充电（通常是煤电，气电因成本高而脱离市场），电价高时放电（通常是气电）。因此，如果没有其他约束，它在边际上是增加排放的。这是一个相对明确的结论。
电解槽与储能的主要区别在于系统存在一些时刻，可再生能源出力要高于电解槽容量，即使此时市场电价不算太高，它也要在市场卖出，对应于煤电边际因子。在另一些时刻，如出力太低、产出太少，而要维持稳定的氢能供应义务，它必须购买高价的电力，对应于天然气边际因子。
由于灵活安排下电解槽容量小，因此，上述两类时刻出现的频率要高于非灵活的情况。灵活安排下，这些时刻是否足够多，以抵消其他时间段类似储能的“吸收煤电、代替气电”增加的系统排放，与整个系统边际排放因子和价格水平在多大程度上契合（alignment），以及整个市场的价格分布（price spread）有关。这至少是可能的。
在极端情况下，比如碳价格足够高，或欧盟需要实现其2030年减排目标需要的碳价格，那么必然是高度契合的。只要保证年度电量消耗等于可再生能源发电量，就能够充分保证是绿氢。如果碳价格极端低，我们需要怀疑的就不仅是这样一个操作性文件，而是整个欧盟减排目标的可信度（credibility）了。
小结
欧盟保证绿氢成分、不增加系统排放，实现这一目标存在更好、更灵活的方式。条例的做法违背了经济效率原则，我们期待正式版本会作出大幅修正，增加绿氢生产的灵活性，而不恶化氢能的环境碳足迹。
回到中国，“知其然、知其所以然”地从逻辑上理解国外政策安排的优势和劣势，围绕国际最佳实践进行交流，是实现我国能源革命的前提。大力发展成本已经实现大幅下降的可再生能源自备电厂，且允许电解灵活安排，在当前试验示范阶段不失是一个好主意。
备注：
1:https://ec.europa.eu/info/law/better-regulation/have-your-say/initiatives/7046068-Production-of-renewable-transport-fuels-share-of-renewable-electricityrequirements-en
2:这种情况下，潮流将从低价的电解槽价区流向高价的可再生能源电厂价区。因此，可再生能源电解潮流是反向抵消的，不会出现阻塞。
3:Bockris, J. O’M. 1972. “A Hydrogen Economy.” Science 176(4041): 1323–1323. https://www.science.org/doi/10.1126/science.176.4041.1323
4:邹才能,李建明,张茜等.氢能产业技术进展及前景.https://www.hxny.com/nd-70357-0-51.html
5:Owolabi, O. O., Schafer, T. L. J., Smits, G. E., Sengupta, S., Ryan, S. E., Wang, L., Matteson, D. S., Sherman, M. G., & Sunter, D. A. (2021). Role of Variable Renewable Energy Penetration on Electricity Price and its Volatility Across Independent System Operators in the United States (arXiv:2112.11338). arXiv.
6:这种匹配可以是直接物理专线，也可以是通过虚拟合同（PPA）绑定的电厂或者系统资源。
7:这一点在我国也有体现。新近发布的《“十四五”可再生能源发展规划》提出因地制宜开展新能源电力专线供电，建设新能源自备电站，推动绿色电力直接供应。涉及可再生能源出力特性与需求特性严格匹配的问题，这种要求是“僵直”的。
8:比如目前全球能源市场，特别是欧洲的情况。由于天然气价格大涨，煤炭用量反弹，这是一种市场的自动稳定机制，在“福利”意义上仍旧是理想的。
来源：《风能》杂志 文/张树伟
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