由于風(fēng)/光等新能源發(fā)電具有隨機(jī)、間歇和波動等特性，面向煤基低碳能源系統(tǒng)的高比例乃至100%新能源電力系統(tǒng)面臨清潔與穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)與可靠矛盾等挑戰(zhàn)。利用靈活的電解水制氫，等效充電、氫氣和氧氣存儲，等效儲電/能、氫/氧及其衍生物發(fā)電和氫耦合原料煤等多途徑綜合利用，等效放電特性，儲能容量可以高達(dá)千萬千瓦時以上，持續(xù)充放電數(shù)周的電網(wǎng)級長時間尺度氫儲能技術(shù)是解決這些問題的有效技術(shù)手段。

（來源：微信公眾號：“電氣應(yīng)用”ID：ELEC_APPLICATION）

自18世紀(jì)以煤為燃料驅(qū)動的蒸汽機(jī)誕生以來，人類對煤、石油等傳統(tǒng)化石能源的利用已接近200年，煤基重碳構(gòu)成了中國、南非等世界煤炭儲量豐富國家能源系統(tǒng)的典型特征，在這些國家內(nèi)部煤炭資源富集區(qū)域的經(jīng)濟(jì)與能源結(jié)構(gòu)中，煤炭工業(yè)比重大。例如中國山西省，與煤碳相關(guān)的產(chǎn)業(yè)長期以來在全省國民經(jīng)濟(jì)中處于舉足輕重的地位。煤基重碳能源系統(tǒng)極大地推動了人類文明的進(jìn)步，也支撐了煤炭富集地區(qū)的經(jīng)濟(jì)繁榮。傳統(tǒng)上煤炭主要通過燃燒取暖、發(fā)電或者本質(zhì)上是氫富集過程的煤制烴類化合物的利用方式，構(gòu)成火力發(fā)電為主的電力能源系統(tǒng)、汽油/柴油/煤油內(nèi)燃機(jī)為主的交通能源系統(tǒng)、燃煤為主的熱力能源系統(tǒng)和煤/油基原料為主的工業(yè)能源系統(tǒng)等，具有環(huán)境破壞大、能耗率高以及資源約束強(qiáng)等弊端，難以為繼。為了克服煤基重碳能源系統(tǒng)的弊端，新型能源系統(tǒng)創(chuàng)新方案不斷被提出，主要成果表現(xiàn)為風(fēng)/光等新能源發(fā)電為主的電力能源系統(tǒng)、電動汽車為主的交通能源系統(tǒng)的產(chǎn)生。隨之而來的兩個問題需要解答：①風(fēng)、光等新能源能否承擔(dān)起傳統(tǒng)化石能源承擔(dān)的任務(wù)；②如果問題①的答案是否定的，那么新能源為主的時代，煤基重碳能源系統(tǒng)如何“重生”。

能源系統(tǒng)演進(jìn)規(guī)律

自第一次工業(yè)革命以來，煤基重碳能源系統(tǒng)基本形態(tài)的演變總體上歷經(jīng)了三代。

第一代煤基重碳能源系統(tǒng)：一次能源主要以煤炭為主，能源的利用形式主要為煤碳作為燃料利用，為人類生產(chǎn)、生活提供熱能和電力，構(gòu)成燃煤蒸汽渦輪發(fā)電為主的電力能源系統(tǒng)、燃煤鍋爐驅(qū)動的熱力能源系統(tǒng)、燃煤蒸汽鍋爐驅(qū)動輪船、火車等為主的交通能源系統(tǒng)以及燃煤（冶煉）或以煤為原料的工業(yè)生產(chǎn)能源系統(tǒng)。

第二代煤基重碳能源系統(tǒng)：一次能源主要以煤炭、石油和天然氣等化石燃料為主，能源的利用形式為化石燃料作為燃料和原料利用，為人類生產(chǎn)、生活提供熱能、電力和原料，構(gòu)成燃煤蒸汽渦輪發(fā)電為主的電力能源系統(tǒng)、燃煤鍋爐為主的熱力能源系統(tǒng)、石油內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動為主的交通能源系統(tǒng)以及煤/油/氣為主要原料的工業(yè)生產(chǎn)能源系統(tǒng)。

第三代煤基重碳能源系統(tǒng)：一次能源除了化石能源外，還有風(fēng)、光為代表的可再生能源，能源的利用形式為化石燃料作為燃料和原料利用，可再生能源發(fā)電，構(gòu)成燃煤蒸汽渦輪發(fā)電和可再生能源發(fā)電混合的電力能源系統(tǒng)、化石能源鍋爐和電熱混合的熱力能源系統(tǒng)、化石能源內(nèi)燃機(jī)和電力混合的交通能源系統(tǒng)以及煤/油/氣為主要原料的工業(yè)生產(chǎn)能源系統(tǒng)。第三代能源系統(tǒng)中，風(fēng)/光等清潔可再生能源的加入，一次能源側(cè)進(jìn)一步降低了碳含量，輸出側(cè)電氣化特征更加顯著。

煤基低碳能源戰(zhàn)略

面向煤炭富集省區(qū)低成本、可持續(xù)的能源發(fā)展戰(zhàn)略的煤基低碳能源系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖2所示。

從圖2中可以看出，基于本地資源約束的一次能源主要為煤炭和清潔可再生的風(fēng)、光等新能源，煤炭主要作為原料利用，電能主要來自于可再生能源發(fā)電，構(gòu)成基于含大規(guī)模新能源發(fā)電系統(tǒng)的電力能源系統(tǒng)、主要基于電轉(zhuǎn)熱的熱力系統(tǒng)、主要基于電力能源（但并不一定是電力驅(qū)動）的交通能源系統(tǒng)以及煤為主要原料的工業(yè)生產(chǎn)能源系統(tǒng)。

煤基低碳能源系統(tǒng)的創(chuàng)新實現(xiàn)策略

由于風(fēng)/光等新能源發(fā)電具有隨機(jī)、間歇和波動等特性，面向煤基低碳能源系統(tǒng)的高比例乃至100%新能源電力系統(tǒng)面臨清潔與穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)與可靠矛盾等挑戰(zhàn)。利用靈活的電解水制氫，等效充電、氫氣和氧氣存儲，等效儲電/能、氫/氧及其衍生物發(fā)電和氫耦合原料煤等多途徑綜合利用，等效放電特性，儲能容量可以高達(dá)千萬千瓦時以上，持續(xù)充放電數(shù)周的電網(wǎng)級長時間尺度氫儲能技術(shù)是解決這些問題的有效技術(shù)手段。

現(xiàn)有技術(shù)條件下，煤化工等煤基原料工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的大部分產(chǎn)業(yè)本質(zhì)上是“氫”的富集和利用，在煤基低碳能源系統(tǒng)中，支撐高比例乃至100%新能源電力系統(tǒng)清潔與穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)與可靠運行的大規(guī)模氫儲能系統(tǒng)存儲的氫氣和氧氣，天然地構(gòu)成了煤化工等煤基原料工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)所需要的二次能源系統(tǒng)。以大規(guī)模氫儲能系統(tǒng)為橋梁，可以從產(chǎn)業(yè)鏈上將煤基低碳能源系統(tǒng)的一次能源系統(tǒng)中的煤與風(fēng)、光等新能源耦合在一起，構(gòu)成低碳風(fēng)/光－煤工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，進(jìn)一步降低整個能源系統(tǒng)的碳含量。因此，煤基低碳能源系統(tǒng)的創(chuàng)新實現(xiàn)策略可以概況為：以大規(guī)模風(fēng)/光－電解水制氫儲能為橋梁，構(gòu)建基于高比例/100%新能源電力系統(tǒng)高效、可靠和穩(wěn)定供電的“風(fēng)/光－煤能源系統(tǒng)”，實現(xiàn)風(fēng)、光等新能源和煤資源在產(chǎn)業(yè)鏈上的整合、互補(bǔ)。具體包括：在我國山西省等煤碳資源富集地區(qū)，構(gòu)建高比例/100%新能源電力系統(tǒng)供電的吉瓦級“清潔高效風(fēng)/光－煤能源系統(tǒng)”，系統(tǒng)中：電能從風(fēng)/光來，原料(泛指生產(chǎn)和生活需要的眾多碳?xì)浠衔?)從煤來，大規(guī)模電解水制氫儲能電站是清潔電能高效、可靠和穩(wěn)定供給的“調(diào)節(jié)器”和原料煤的“清潔工”。清潔高效風(fēng)/光－煤能源系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖3所示。

基于氫約束的煤炭消耗量和新能源電站裝機(jī)容量概算

氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，主要用于化工業(yè)中合成氨、甲醇以及石油煉化等過程的加氫反應(yīng)。此外，在冶金工業(yè)、電子工業(yè)、浮法玻璃、食品加工、精細(xì)化工合成和特種航天工業(yè)等行業(yè)也得到廣泛應(yīng)用。目前，我國氫氣作為直接產(chǎn)品或燃料的量較少。

考慮氫氣需求市場的規(guī)模和適用性的影響，根據(jù)優(yōu)先級選定地點，將氫能利用途徑的分類按照制氫點與用氫點之間的距離進(jìn)行分類。短距離氫能利用主要為化工業(yè)；中距離氫能利用包括了城市天然氣作燃?xì)夂蜌淠苋剂想姵仄?；長距離氫能利用為主干省際間的天然氣輸送管道摻氫。

（1）短距離用氫市場年需氫量估算

山西省年生產(chǎn)氮肥約450萬t，折合為合成氨的產(chǎn)量約為554.35萬t。據(jù)中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，近年來，全國精甲醇年產(chǎn)量約為5 000萬t，同比增長7.1%，其中山西省精甲醇產(chǎn)量約為400萬t。作為原料消耗的7 000萬t原料煤假定均用來制甲烷，不考慮制取過程中氫氣泄露以及其他消耗。根據(jù)上述數(shù)據(jù)估算山西省短距離用氫市場年需氫量約為1 000萬t。

（2）中距離用氫市場年需氫量估算

山西省保有公共汽車約為10 000倆，出租汽車約為30 000倆。按照現(xiàn)運營的氫燃料汽車運行情況，在滿載城市工況下，公共汽車百公里氫耗約為7~8 kg，取平均數(shù)7.5 kg，每天運行公里數(shù)為300 km。出租汽車，在滿載城市工況下，百公里氫耗約為1 kg，每天運行公里數(shù)為400 km。此處每年耗氫量約為11.54萬t/年。此外，如表1所示，還有各類型載客和載貨汽車約600萬倆。從我國汽車燃料消耗量查詢系統(tǒng)可以得到，小型客車的百公里耗油量為4~10 L，小型貨車的百公里耗油量為6~11 L, 普通重型貨車的百公里耗油量為20 L。氫氣的能量密度約為汽油的三倍，燃料電池的能源利用效率約為內(nèi)燃機(jī)的1.75倍。常規(guī)載客汽車年平均行駛10 000 km，載貨汽車每天平均行駛300 km。

城市燃?xì)夤艿罁綒淇梢蕴娲找嬖鲩L的天然氣需求。近年來，山西省城市供氣情況數(shù)據(jù)如表2所示。在12T基準(zhǔn)氣條件下（華白數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為50.73 MJ/m3，燃燒勢標(biāo)準(zhǔn)為40.3），為了不改變終端用戶的燃具，混合氣中氫氣的最大允許體積分?jǐn)?shù)為23%。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)估算山西省中距離用氫市場年需氫量約為220萬t。

（3）遠(yuǎn)距離用氫市場年需氫量估算

西氣東輸西一線全長為4 200 km，管徑為1 016 mm，設(shè)計壓力為10 MPa，年設(shè)計輸送量為170×108m3/年，經(jīng)過臨汾市蒲縣和晉城市陽城縣。摻25%氫－天然氣的混合氣體在良好監(jiān)管情況下不會增加爆炸引起的危險。按照體積分?jǐn)?shù)25%的比例摻氫，遠(yuǎn)距離用氫市場年需氫量約為38萬t/年。綜上所述，短、中和遠(yuǎn)距離用氫市場，支撐山西省煤基低碳能源系統(tǒng)的年氫氣耗量約為1 258萬t，約為1 400億N·m3氫氣，約需消耗6 000億kW·h電能，約需風(fēng)/光等新能源電站裝機(jī)容量2.7億kW（可以考慮輸入鄰近內(nèi)蒙等地的新能源電能來滿足），耗水1.4億m3（約相當(dāng)于當(dāng)?shù)?70萬城市人口一年的生活用水量）。

由上述分析可知，基于煤基低碳能源系統(tǒng)及其創(chuàng)新實現(xiàn)策略的構(gòu)想，一方面，海量增加的新能源電力需求可以有效提升國民經(jīng)濟(jì)的質(zhì)量和數(shù)量，創(chuàng)造大量高質(zhì)量的工作崗位，降低傳統(tǒng)以煤炭作為燃料利用的產(chǎn)業(yè)退出過程對經(jīng)濟(jì)和社會的沖擊，提供了經(jīng)濟(jì)上的可行性；另一方面，在確保環(huán)境保護(hù)目標(biāo)實現(xiàn)的前提下，山西省已經(jīng)探明的2 000多億t煤炭儲量可以確保當(dāng)?shù)啬酥羾抑小㈤L期的發(fā)展需求，確保了這一戰(zhàn)略的可持續(xù)性。

高比例新能源電力系統(tǒng)中大規(guī)模氫儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

面向高比例乃至100%新能源電力系統(tǒng)的大規(guī)模氫儲能系統(tǒng)，是確保基于清潔高效風(fēng)/光－煤能源系統(tǒng)的煤基低碳能源系統(tǒng)創(chuàng)新策略經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)基礎(chǔ)，從理論和應(yīng)用技術(shù)層面還面臨諸多挑戰(zhàn)，亟待解決，主要包括：

1）基于新能源和氫儲能系統(tǒng)性能協(xié)調(diào)約束，大規(guī)模氫儲能系統(tǒng)/電站構(gòu)建及其大容量線性擴(kuò)容集成與調(diào)控技術(shù)。

2）基于目標(biāo)區(qū)域資源協(xié)調(diào)約束，大規(guī)模氫儲能系統(tǒng)/電站并網(wǎng)規(guī)劃理論和應(yīng)用技術(shù)。

3）基于能源系統(tǒng)性能協(xié)調(diào)約束，大規(guī)模氫儲能系統(tǒng)/電站并網(wǎng)調(diào)控運行理論和應(yīng)用技術(shù)。

4）其他。

結(jié)論

1）能源系統(tǒng)的演進(jìn)遵循脫碳、重碳化石能源主要以燃料和原料兩種形式被利用的基本規(guī)律，因此，基于大規(guī)模氫儲能技術(shù)的清潔高效風(fēng)/光－煤能源系統(tǒng)創(chuàng)新實現(xiàn)策略的煤基低碳能源系統(tǒng)，是支撐煤炭富集省區(qū)低成本、可持續(xù)實現(xiàn)能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整的可行技術(shù)路徑。

2）基于大規(guī)模氫儲能技術(shù)的清潔高效風(fēng)/光－煤能源系統(tǒng)創(chuàng)新實現(xiàn)策略的煤基低碳能源系統(tǒng)，在確保環(huán)境保護(hù)目標(biāo)實現(xiàn)的前提下，為包括山西省在內(nèi)的煤炭富集省區(qū)的能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實現(xiàn)提供了技術(shù)支撐。

3）面向高比例乃至100%新能源電力系統(tǒng)的大規(guī)模氫儲能系統(tǒng)，是確?；谇鍧嵏咝эL(fēng)/光－煤能源系統(tǒng)的煤基低碳能源系統(tǒng)創(chuàng)新策略經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)基礎(chǔ)，從理論和應(yīng)用技術(shù)層面還面臨諸多挑戰(zhàn)亟待解決。

原標(biāo)題:大連理工大學(xué)袁鐵江，華北電力大學(xué)彭生江等：面向煤基低碳能源戰(zhàn)略的大規(guī)模風(fēng)/光－氫儲能－煤多能耦合系統(tǒng)