氫能是補充能源系統靈活性的優質資源

 

電力是一種“剛性”能源，其在不轉化為其他能量形式的條件下較難儲存，要求發電和用電要逐時刻保持一致。氫能的靈活性可以理解為其在制備和使用時間上的靈活性，也即由于氫易于儲存，制氫和用氫不需要同時發生，因此氫能與電力不同，是一種靈活性能源。隨著可再生能源的快速發展，電力系統將從過去的“電源側可調，負荷側不可控”逐漸發展為“電源負荷均不可控”，加大了電力系統實時平衡供需的難度，氫能作為一種可以由電力制取、使用過程無排放的靈活性能源，可以很好地參與到未來以電力為主的可再生能源體系中，為電力系統提供調節能力。

 

抽水蓄能和電化學儲能是目前主流的傳統儲能和新型儲能形式。目前，各類儲能方案主要可以分為熱儲能、機械儲能、電化學儲能、電磁儲能以及化學儲能等幾大類。其中機械儲能中的抽水蓄能是當前最主要的傳統儲能方式，占到中國儲能裝機總量的77%，在新型儲能中鋰離子電池是當前最主要的方案，占到了新型儲能裝機的94%左右。

 

 

在當前儲能方案下，未來還存在大量的可再生能源功率調節缺口。根據全球能源互聯網合作組織的預測，隨著未來非水可再生能源裝機規模的增長，我國的電力系統將產生巨大的功率調節缺口，缺口主要來自于三個方面：第一，靈活性煤電機組、天然氣發電機組作為化石能源發電方式，在碳中和的目標下規模受到限制；第二，抽水蓄能受限于地理條件等因素，發展規模具有上限；第三，電化學儲能是目前快速發展的新型儲能方式，但在長周期、大規模儲能需求的應用上仍然面臨著鋰資源約束、成本偏高、安全性等問題。

 

在此情景下，可再生能源功率調節缺口在2030年將達到1200GW，2050年將達到超過2500GW，因此，未來可再生能源系統的發展還需要補充新的儲能方式以滿足能源轉型的需求。

 

 

氫能在電源側、電網側、負荷側均可為電力系統提供靈活性。在電源側與風光結合的就地制氫可以實現富余可再生電力的消納，平抑發電功率的波動。在電網側，可以通過電解制氫+氫能發電的模式實現氫儲能以幫助電網調峰。在負荷側，電解水制氫加氫一體站等分布式的制氫/用氫場景也可以根據電價的高低進行擇時制氫，以實現需求側響應。

 

 

氫能的靈活性優勢主要體現在大規模長周期儲能，以及可以面向用氫場景直接利用。目前常見的儲能方式主要可以分為電化學儲能、物理儲能和氫儲能三大類。

 

從儲能時長來看，電化學儲能適用于分鐘或小時級的儲能，利用電池的快速充放電響應能力實現電力系統的調峰調頻。物理儲能以抽水蓄能為代表，這類儲能一般具有更大的容量，適合于以天為時長的儲能，可以利用水的抽蓄及發電實現日內或日間的功率平衡。

 

 

而氫儲能則是一種更適合于長周期大規模場景的儲能方式，可以實現跨季節的儲能，這一方面得益于相比于電池的自放電、水的蒸發耗散，氫作為一種穩定的化學品更適合長時間的儲存，因而更適合跨季節的長周期儲能，另一方面，氫儲能在大規模的儲能場景下也更具經濟優勢，氫儲能的制儲部分主要由制氫系統（功率）和儲氫系統（容量）分別構成，可以實現儲能功率與儲能容量的解耦，因而在長時間、大規模的儲能場景下，氫儲能容量的增加主要依靠擴大儲氫系統的容量，可以實現更低的規模化成本；相比電化學儲能受到蓄電池原理的約束，功率和容量耦合，在大規模儲能的場景下規模化降本的潛力較小，所需的成本較高。有研究表明，規模化儲氫比規模化儲電的成本要低一個數量級。

 

從應用場景上來看，其他儲能方式一般為電→X→電的閉環系統，也即最終能源還需要以電力的形式進行輸出。而氫作為一種燃料和化工原料，在下游有豐富的應用場景，可以實現電→H2→X的開環儲能模式，也即由電制取的氫可以直接面向不同場景進行應用，具有更高的場景靈活性，也可以避免更多的轉換環節以提高儲能效率。

 

 

在能源消費側是電力的重要配套和補充

 

由于可再生能源的電力屬性，未來的能源系統將以電力的生產、輸送、消費為基礎，這是氫能發展的基本背景。從一次能源供給側來看，以風能、光能、水能等為代表的零碳可再生能源將成為主要的能源供給，并以電力的形式輸送到電網。從終端能源消費側來看，由于能源供給以電力為主要形式，電力也將成為最主要的能源消費品種。在部分難以應用電力的終端用能場景，以化石能源，以及氫能等清潔燃料進行補充。

 

在上述能源系統架構下，氫能未來的發展空間源自兩個方面：一是“新能源”對“舊能源”的替代，從構建零碳能源系統的最終目標出發，化石能源是要被逐漸替代的“舊能源”，而電力、氫能由于在終端使用過程中不產生碳排放，是未來將要發展的“新能源”。這一替代是由我國的雙碳戰略、能源革命和可持續發展目標所決定的，是高確定性的，也是氫能未來發展的重要基礎。

 

二是氫能對電力的配套和補充，在終端用能側，電力和氫能同屬清潔能源，在未來以電力為基礎的能源系統架構下，氫能的發展空間實際來自于對電力無法應用或不便應用場景的配套補充。

 

因此，考察氫能的發展空間，應當關注具體場景下氫能相對電力的競爭優勢。在未來以電力為基礎的能源系統中，在終端用能領域實現相對電力的競爭優勢，是氫能發展的根本邏輯。

 

 

由于氫的最終替代對象為電力，因此氫的終端應用潛力將來自于難以實現大規模可再生電力替代的領域，而氫能的根本優勢來自于其燃料/原料屬性和靈活性。燃料/原料屬性是氫與電力在能源性質上的根本差異，使得氫可以有不同于電力的更多的應用場景。

 

梳理各終端用能領域，電力較難應用的場景主要集中在交通領域以及重工業領域。在交通領域，重卡、礦卡、船運、空運等長途或重型的運輸場景都具有能耗高的特點，使得運載工具所需要攜帶的能源總量較大。電力的特殊性使得其存儲往往需要轉換為其他能量形式（例如化學能），并通過特定載體（例如鋰電池）來實現，因此其儲存的能量密度較小，在對能量密度有要求的高耗能場景較難應用。而氫能作為傳統的氣體燃料，無需能量轉換可以直接儲存，儲氫瓶可以實現的能量密度也遠高于鋰電池，因此相比電力更加適合長途重載的交通場景。

 

在重工業領域，一方面化工、冶金等特定的工業流程需要相應的化學原料以及還原劑；另一方面，重工業流程往往需要五百度以上甚至過千度的高溫，而目前對于非導體的高溫電加熱技術還不夠成熟。目前，上述提供高溫同時作為原料、還原劑的角色主要由化石燃料承擔，在電力難以替代的情況下，作為清潔燃料的氫能就成為了更好的替代方案。

 

 

在電力和氫能同時可以應用的場景下，氫能的靈活性可以賦予其相對電力的經濟性優勢。通常來講，由于未來氫能的主要來源為電解水制氫，定位于一種由電力制取的能源形式，直觀來看，電解制氫，或電解水制氫+燃料電池發電過程的效率損失使得用氫的經濟性很難優于直接用電。

 

但隨著我國可再生能源的迅速發展，電力系統中不穩定電源的占比迅速提升，電網供需調節需求的快速增大，也在逐漸推動電力系統價格體系的變革，使得氫能的靈活性優勢有望在經濟性上體現。目前，電解水制氫的成本中用電成本占比大約 75%，用電價格是制氫成本最主要的影響因素，依托于電力價格體系的逐漸市場化，氫的靈活性不僅可以體現在電網側的儲能中，也可以使得在終端用能側選擇低電價時刻制氫、進而降低制氫成本得以實現，這本質上也是利用氫的靈活性參與電網供需調節，從而獲得收益。

 

以目前各地區的峰谷電價為例，如浙江、山東、江蘇、陜西等地的谷電價格僅為平時電價的1/2左右，峰時電價的1/3左右。價差最大的山東，其谷時電價僅為平時電價的1/3，峰時電價的1/5。

 

這意味著利用氫能的靈活性，在這些地區選擇谷電時刻制氫可以大大降低制氫成本，使得用氫的經濟性可以接近甚至超過平時或峰時用電的經濟性。

 

 

未來隨著不穩定電源比例的增加，將使得氫的靈活性優勢更加顯現。2022年以來，電價機制政策密集出臺。長期來看，電力現貨市場不斷完善，范圍不斷擴大；短期來看，峰谷價差拉大，谷電價格進一步下降是趨勢。上述變化都有利于氫能利用靈活性實現進一步降本。