肖晉宇：推動(dòng)新型能源和綠氫發(fā)展，加快能源系統低碳轉型

編者按：2022年7月20-21日，以“碳中和與全球產(chǎn)業(yè)融合”為主題的“第四屆未來(lái)能源大會(huì )”在北京召開(kāi)，本次大會(huì )由中國能源研究會(huì )與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會(huì )上，全球能源互聯(lián)網(wǎng)合作組織經(jīng)濟技術(shù)研究院院長(cháng)助理肖晉宇先生做了題為“推動(dòng)新型能源和綠氫發(fā)展，加快能源系統低碳轉型”主題演講。

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

非常高興今天能夠有這個(gè)機會(huì )到這跟大家分享一下我們合作組織在一段時(shí)間關(guān)于碳中和以及儲能和綠氫方面研究的成果和大家進(jìn)行分享，首先實(shí)現碳達峰，碳中和是中央和國務(wù)院統籌國內國際兩個(gè)大局做出的重大決策，它本身是一個(gè)全社會(huì )系統性的變革，對于引領(lǐng)中國下一步引領(lǐng)全球的能源治理，推動(dòng)生態(tài)文明建設也是至關(guān)重要的。

實(shí)現雙碳目標，能源是主戰場(chǎng)，電力是主力軍，根據合作組織的研究，能源活動(dòng)的減排貢獻率到碳中和階段達到80%，如何實(shí)現減排重點(diǎn)在兩個(gè)方面，首先是在能源生產(chǎn)側進(jìn)行清潔化，2060年我們國家的能源生產(chǎn)當中一次能源占比清潔能源占比達到90%，如何高效利用這么高比例的清潔能源，需要我們提高能源系統的調節能力，發(fā)展儲能，提高調節能力變得至關(guān)重要。

另外一個(gè)方面，在能源的消費側的電氣化，預計到2060年我國全社會(huì )用電量達到17萬(wàn)億千瓦時(shí)，電能會(huì )成為主要的用能形式，同時(shí)來(lái)自于綠電的綠氫將成為電能在終端用能的重要補充。展望未來(lái)，到了碳中和的階段，大概合作組織我們預計的是70%的終端能源是直接或者間接來(lái)自于電，新型電力系統的構建對全社會(huì )實(shí)現碳中和變得非常的重要和關(guān)鍵。

今天我結合合作組織近期的研究成果，針對兩個(gè)主題，一個(gè)是儲能，一個(gè)是綠氫，跟大家進(jìn)行介紹。分享一些觀(guān)點(diǎn)和看法。

首先是關(guān)于對于儲能的認識，實(shí)際上大家可能感覺(jué)因為有了新能源之后，電力系統才有了儲能，實(shí)際上不是這樣的，傳統的電力系統也有大量高效能源存儲的設施，這個(gè)就是煤廠(chǎng)，油管和水庫，它們存儲我們一次能源，但是到了未來(lái)的減碳，電力系統減碳之后風(fēng)光等清潔能源講變得不可存儲，因此我們判斷電儲能，從一次能源的存儲轉變?yōu)槎文茉创鎯⒊蔀閮δ苤匾囊环N形式。

關(guān)于儲能的儲電，我們知道電是不容易存儲的，其實(shí)儲電的探索從技術(shù)方面應該來(lái)說(shuō)人類(lèi)經(jīng)過(guò)上百年的探索，但是迄今為止人類(lèi)沒(méi)有找到一種便捷又有通用的儲電技術(shù)，在這個(gè)里面根據我們的研究，儲能的時(shí)間尺度是影響儲能技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，我們發(fā)現新能源發(fā)電以及我們用電需求在不同的時(shí)間，在秒級，小時(shí)級，甚至周和月長(cháng)時(shí)間尺度下都存在著(zhù)隨機性和波動(dòng)性的特點(diǎn)。

給未來(lái)的電力系統安全穩定，季節調整等方面提出一系列的挑戰，為了實(shí)現新型電力系統的構建，我們需要發(fā)展三種時(shí)間尺度的儲能，這個(gè)就是瞬時(shí)出，短期儲能和長(cháng)期儲能，對應我們到2040年左右快速減排階段，一方面需要大量的瞬時(shí)儲能給電力系統運行提供安全支撐，另外一個(gè)方面長(cháng)期儲能也變得必不可少。我們做了一些測算，到了那個(gè)時(shí)候系統儲能的功率占最大負荷大約30%-40%，儲電量要占到全社會(huì )用電電量的1%，我們同時(shí)也字了一下橫向的對比，這個(gè)電量和目前我們火電電力系統的煤電廠(chǎng)存煤的能力基本的樣當。

到了高比例清潔能源，滲透率達到80%以后，我們需要發(fā)展廣義儲能的技術(shù)，利用P2X實(shí)現跨能源品種的存儲。關(guān)于儲能的成本，儲能是耗能的設備，只要系統里安裝儲能，勢必會(huì )增加系統的成本，我們研究發(fā)現儲能與新能源既要協(xié)同發(fā)展，同時(shí)兩者之間存在成本競爭的關(guān)系。從系統的角度看，儲能技術(shù)成本的下降速度遠遠低于新能源發(fā)電成本下降的速度，勢必提高系統配置儲能的成本邊界，在一定程度上反而會(huì )抑制系統配置儲能的需求。

在這個(gè)時(shí)候一定規模的棄風(fēng)棄光會(huì )變成更為經(jīng)濟的可行的系統調節的手段，我們知道風(fēng)光發(fā)電本身已經(jīng)實(shí)現了評價(jià)上網(wǎng)，我們對高比例新能源場(chǎng)景下按照系統評價(jià)的邊界條件，不僅僅是發(fā)電評價(jià)，而是以整個(gè)電力系統的供電評價(jià)來(lái)作為邊界條件我們做了一些分析。在新能源滲透率20%-50%這個(gè)階段，短時(shí)儲能的成本在當前的水平下下降大約一半，達到1000元每千瓦時(shí)左右，在這種情況下我們電力系統它的接受程度是比較好的，當新能源滲透率達到50%，長(cháng)期儲能度電成本降低30-50元每千瓦時(shí)。

儲能在空間上的配置也是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，電網(wǎng)互聯(lián)它能夠實(shí)現靈活性資源在空間上的優(yōu)化配置，在一定程度上可以節省儲能投資，我們的建設揭示了其中三個(gè)規律，一個(gè)是擴大聯(lián)網(wǎng)規模，可以在一定程度上替代儲能。二是電網(wǎng)互聯(lián)，替代儲能存在邊際效應，這個(gè)邊界主要是由聯(lián)網(wǎng)的兩個(gè)區域之間互補的潛力大小決定的。

第三個(gè)規律是我們從電網(wǎng)互聯(lián)的技術(shù)性和經(jīng)濟性上面進(jìn)行綜合分析，我們的結論是電網(wǎng)互聯(lián)它替代長(cháng)期儲能的競爭力更加明顯。為了滿(mǎn)足新型電力系統構建的要求，我們提出應該分階段的構建與新型電力系統相適應的儲能體系，我們認為儲能體系應該包括三個(gè)維度，一個(gè)是時(shí)間尺度，配置環(huán)節，最后是應用場(chǎng)景。

在電源側配置以抽蓄，電化學(xué)和儲氫為主，目的是降低發(fā)電的波動(dòng)性，在電網(wǎng)環(huán)節配置抽水蓄能為主的儲能，目的是保障電網(wǎng)和電力系統的運行安全，在用戶(hù)側以電化學(xué)和電動(dòng)汽車(chē)為主，提升用電質(zhì)量和靈活性。

當前我們主要的工作是加快火電靈活性的改造，通過(guò)市場(chǎng)和政策充分的發(fā)揮常規電源的調節能力，加快建設一批抽水蓄能電站，在2030年達峰階段，我們發(fā)電側廣泛配置一些短時(shí)儲能，平抑新能源的隨機性和波動(dòng)性。到了2050年用戶(hù)側大量的用戶(hù)汽車(chē)參與V2G，成為短時(shí)儲能的主要來(lái)源，并且也要積極的發(fā)展一些長(cháng)期儲能解決新型電力系統的季節性不平衡問(wèn)題。

到了碳中和階段，我們需要在生產(chǎn)側和消費側實(shí)現對化石能源存量的快速替代，需要創(chuàng )新發(fā)展新的零碳能源技術(shù)，綠氫就是重要的選擇。實(shí)現碳中和需要對化工，冶金，航空這些行業(yè)進(jìn)行減碳，有一些特點(diǎn)，這些行業(yè)很難進(jìn)行直接的電氣化，綠氫將成為連接可再生能源和這些領(lǐng)域用能的關(guān)鍵的紐帶。前面有專(zhuān)家提到從歐洲他們的發(fā)展來(lái)看也提出了類(lèi)似的發(fā)展愿景，綠氫來(lái)自于綠電，所以經(jīng)濟高效的清潔發(fā)電是發(fā)展綠氫的關(guān)鍵，這一點(diǎn)在中國是尤為具有優(yōu)勢，同時(shí)綠氫也是綠電的一種延伸，它可以在冶金航空這些領(lǐng)域實(shí)現間接電能替代，甚至于在化工領(lǐng)域，還可以實(shí)現電的非能利用，就是把電變?yōu)樵牧蠞M(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

最后氫還可以通過(guò)一些技術(shù)，包括燃料電池，包括氫燃氣輪機進(jìn)行發(fā)電，便捷的實(shí)現電氫電的雙向轉化，這個(gè)為我們電氫協(xié)同發(fā)展提供了可能。

關(guān)于電氫協(xié)同我們認為它的核心價(jià)值在于可以充分的發(fā)揮電便于傳輸，而氫易存儲兩個(gè)互補性的優(yōu)勢，在提供零碳能源的同時(shí)，也為新型電力系統的構建提供了全新的一種解決方案，我們認為電氫協(xié)同具體來(lái)說(shuō)三種模式，在送端，新能源基地發(fā)展電制氫，一方面通過(guò)電制氫調整新能源基地外送電的特性，同時(shí)新能源基地除了用送電還能夠再外送氫能。

二在負荷中心傳統售電的基礎上協(xié)同發(fā)展本地電制氫和接受區外來(lái)電制氫，在中間配置環(huán)節，結合氫儲運的效率和系統積極性，優(yōu)化輸電和輸氫，未來(lái)我們認為零碳的能源系統應該是電和氫協(xié)同發(fā)展的系統。

合作組織對于碳中和情境下2060年中國的綠氫發(fā)展進(jìn)行了研究，首先從生產(chǎn)這側看，我們對生產(chǎn)中國的2060年綠氫的生產(chǎn)潛力和成本進(jìn)行了一些研究，我們預計到了2030年中國基地化綠氫生產(chǎn)成本可以下降15元每公斤，開(kāi)始具備規?；l(fā)展的條件，到了2060年制氫的成本，綠氫的成本進(jìn)一步下降10元之類(lèi)，其中在西部，北部新能能源資源非常豐富的地區，生產(chǎn)成本有望降到7-8元，那個(gè)時(shí)候綠氫的成本低于目前的煤炭制氫，具有非常強競爭力。

從消費方面看，當前氫主要還是用在化工領(lǐng)域，作為能源使用的比例非常低，因此為了要加快碳減排，我們應該要在難以直接電氣化的用能領(lǐng)域快速發(fā)展基于綠氫的用能裝備和生產(chǎn)工藝，我們預計到了2060年全國的中國氫的需求大約是1億噸左右，綠氫7500萬(wàn)噸，分布看綠氫的消費主要集中在中東部的地區，大約占比3/4左右，我們設置4種場(chǎng)景完成中國碳中和情境下的電氫能源系統的對比研究，情境一就是我們以就地制氫，所有當地的氫需求全部由本地的綠電生產(chǎn)，對于中國的中東部地區來(lái)說(shuō)，需要大力的開(kāi)發(fā)分布式和海上的新能源資源。

情境二是直接輸氫，因為中東部地區它的綠電，特別是分布式和海上資源開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟性問(wèn)題導致綠氫的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟性存在競爭力不足，因此需要通過(guò)管道輸入一部分西部，北部化生產(chǎn)的綠氫。

情境三是全部輸電，東中部提高售電規模，其中一部分售入的電力在中東部地區就地制氫，滿(mǎn)足當地的氫徐海。

情景四是電氫協(xié)同優(yōu)化發(fā)展模式，在這種模式下，本地開(kāi)發(fā)綠電，制備綠氫，西部、北部輸氫，以及售電后在當地制氫，這三種模式進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。按照系統、能源、供應成本最低的原則進(jìn)行優(yōu)化，研究結果表明，在滿(mǎn)足用能需求的條件下。電氫協(xié)同配置的方式經(jīng)濟性最好，可以降低系統的用能成本15%，這個(gè)時(shí)候的用能成本既包括了電，也包括了氫。具體來(lái)看，東中部地區大約一半左右的綠氫是在本地開(kāi)發(fā)綠電，另外一半需要收入的綠氫，其中1/4左右是通過(guò)管道，從西部北部進(jìn)行輸入，3/4左右是采用輸電帶輸氫的方式，進(jìn)行遠距離的輸送。

總體來(lái)看受益于中國堅強的特高壓大電網(wǎng)在陸地上2000-3000公里范圍之內，輸電相比于輸氫仍然具有一定的競爭優(yōu)勢，特別是采用輸電方式更便于在消費端進(jìn)行靈活的配置。

最后，簡(jiǎn)單看一下電氫協(xié)同發(fā)展價(jià)值。剛才提到電氫協(xié)同可以帶來(lái)15%的成本下降，為什么會(huì )帶來(lái)成本下降。

第一，電氫協(xié)同能夠提高電力系統的靈活性，可以同時(shí)提供短時(shí)和長(cháng)期兩種靈活性資源，在短時(shí)間尺度方面電制氫本身是柔性負荷，本身能夠與波動(dòng)的新能源非常好的進(jìn)行匹配，另外借助于氫，廉價(jià)的大容量的存儲能力，可以有效的解決新型電力系統季節性不平衡問(wèn)題。從計算結果來(lái)看，我們可以看到儲氫設備存在明顯的兩個(gè)大的循環(huán)周期，可以看到春季和秋季是在儲氫，在夏季和冬季，這兩個(gè)季節是中國傳統用能高峰，不管是電力需求還是熱力需求，都是用能高峰，這兩個(gè)季節是在放氫。

第二，在連續微風(fēng)弱光的氣象條件下，會(huì )存在風(fēng)光出力不足情況，電制氫的負荷一方面可以及時(shí)的中斷，同時(shí)存儲的氫氣還可以通過(guò)氫發(fā)電設備，成為新型電力系統當中非常重要和關(guān)鍵的保供電源，因此電氫協(xié)同發(fā)展還可以有效的提升能源系統在各種天氣條件下的供應保障能力。

構建新型電力系統需要加快發(fā)展儲能和氫能，這兩個(gè)是兩個(gè)萬(wàn)億級別的新型技術(shù)產(chǎn)業(yè)，中國目前這兩個(gè)方面已經(jīng)具備了一定的先發(fā)優(yōu)勢，相信在積極政策的引導下，這兩個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展必將未來(lái)可期。合作組織針對儲能和綠氫完成了系統性研究，剛才介紹的主要是我們的結論和觀(guān)點(diǎn)，在我們出版的這兩份報告里，可以找到更多的數據、模型、案例和產(chǎn)業(yè)發(fā)展潛力答案。謝謝大家。