Electricity and Hydrogen Energy Systems Towards Acommodation of High Proportion of Renewable Energy

Full text

第44 卷 第 23 期2020 年12 月1 0 日Vol. 44 No. 23 Dec. 10，2020
http：//www.aeps-info.com
面向高比例可再生能源消纳的电氢能源系统
潘光胜1，顾 伟 1，张会岩 2，邱 玥 1
（1. 东南大学电气工程学院，江苏省南京市 210096；2. 东南大学能源与环境学院，江苏省南京市 210096）
摘要： 氢 作 为一种优质的 二 次 能 源，在能源 存 储 和利用中具备 巨 大 的 应用潜力，并有 助于解决电力
系统中可再生能源的消纳问题 。 为 了 进 一 步 提 升 可 再 生 能 源 在 一 次 能 源 消 费 中的占比，文中提出
一种以电和氢为能源载体的新型能源承载形式
—
—电氢能源系统。文中论述了发展电氢能源系统
的意义 ，然后给出电氢 能 源 系 统的结构框架 ，并从发（制）、储、输、配、用等方面评 述 相 关研究基础与
关键技 术。最后，从 经 济性分析、系统 集成和近期实 施路径 3个方面对电氢能源系统进行展望。
关键词 ： 电 氢能源系统； 高 比 例 可再生能源； 储 能 ；电制氢；燃 料 电 池
0引言
传统化石能源的日渐枯竭和日益凸显的环境问
题一直 是 困 扰 世界 各 国 的 重要 难 题 ，制 约着 人 类 社
会的进一步发展
［1-2］
。推动能源转型和消费 革 命 ，建
设以可 再 生 能 源为主 体 的 绿 色、低 碳 、安 全 、清洁 的
能源体系，是中国乃至全世界大多数国家的战略选
择
［3］
。风 能 、太 阳 能 和 水 能等 可 再生 能 源 在 一 次 能
源消费中的比重是这次能源转型的核心指标
［4］
。国
际 能 源 署（IEA）指 出 ，2019 年全 球 新 增 可再 生 能 源
发电 容量为 190.9 GW，其中中国新增可再生能源发
电 容 量 为 65.4 GW，占全球新增容量的 34.3%［5］。
截至 2019 年 底 ，中国 可 再 生 能 源 发 电 装 机 容 量 已 达
794 GW，约占全部电力装机容量的 39.5%，其 中 水
电、风电和光伏发电装机容量分别为 356，210，204 GW；
另一方面，全年弃水、弃风和弃光电量分别为 30.0，
16.9，4.6 TW·h［6］
，可再生能源消纳问题十分突出。
储能 技 术 、扩 建输 电 基 础 设施 、备 用 发电 、需 求
侧管理和负荷削减等是实现高比例可再生能源消纳
的重要措施
［7］
，其中储能技术相比其他措施在实施
难易程 度 和 电 能转 移 量 等 方面 存 在 优 势，得 到 越 来
越多的关注与研究。文献［8-10］指出储能技术具有
电力系 统 调 频 、调峰 、线 路 阻 塞管理 、保 证 电 能质 量
和提升 供 电 可 靠性 等 功 能 ，可在 消 纳 高 比例 可 再 生
能源方面发挥重要作用。
在 含 高 比 例 可 再 生 能 源 的 电 力 系 统 相 关 研 究
中，氢仅被视为能源存储的一种形式，并未深入挖掘
其作为 一 种 终 端能 源 的 应 用潜 力 。 目 前，氢 主 要 应
用于化 工 领 域，作为合 成 氨 、甲醇和石油 炼 化 等的原
料，在金属冶炼、电子产品和玻璃工业等领域具备商
用价值
［11］
。随着氢燃料电池技术的发展，氢可直接
作为终 端 能 源应用于更多 领 域 ，比如：氢燃 料 电池可
应用于 轻 型 汽车、公共 汽 车 和 重型车辆等不 同 类 型、
用途和规模的交通工具，且与电动汽车相比，氢燃料
电池车不存在自放电问题，并具有能量密度高、无噪
音 、零 污 染 、续 驶 里 程 长 、燃 料 加 注 时 间 短 等 优
势
［12］
；氢还可以基于不同类型的燃料电池技术实现
分布 式 发 电/中等规 模 热 电 联 产（功 率为 100 kW~
3 MW）和小规模家用热电联产（功率小于 25 kW）
等
［13-14］
。可见，氢作为一种终端能源具备巨大的应
用空间 。
另一方 面 ，得益于较低 的 制 氢 成本，全球 现 有 氢
能几乎 全 部 由 传统 化 石 能 源转 化 而 来 ，其中 天 然 气
制氢和煤气化制氢占比分别为 76% 和23%［15］
。伴
随风、光 等 间 歇性可 再 生 能 源发 电 装 机 容量 不 断 扩
大，采用富余可再生能源发电量将会有效降低电制
氢成本 。 另 外 ，通过 电 解 制 取的 氢 相 比 天然 气 重 整
等方式 纯 度 更高，不仅 可 应 用 于化工生产，还 可经氢
燃料电池发电等。作为一种灵活可调度的发电方
式，氢燃料电池发电有利于电力系统安全稳定运行，
同时能 够 促 进 风、光 等 间 歇 性可 再 生 能 源在 电 力 系
统中的 消 纳 。
因此，氢作为一种与电互补的优质二次能源，可
在未来能源系统中发挥更大的作用。本文以此为出
发点，提 出一种以电和 氢 为 能 源载体，面向 高 比例可
再生能源消纳的新型能源承载形式
—
—电氢能源系
DOI：10. 7500/AEPS20200202003
收稿 日 期：2020-02-02；修 回日期 ：2020-08-0 5 。
上网 日 期：2020-10-14。
国家重点 研 发 计 划 资 助 项 目（2020Y FE0200400）；国家 自 然
科学 基 金资助 项 目（U1866208）。
1

2020，44（23）·观点·
统（EHS）。本文首先详细描述电氢能源系统的结
构框架 ，然 后 从 发（制）、储 、输、配、用 等 角 度 评 述现
有的研究基础与技术支撑，最后从经济性分析、系统
集成和近期实施路径 3个方面对电氢能源系统进行
展望。
1电氢能源系统结构
电氢能源系统定义如下：以电和氢为能源载体
（贯穿 发（制）、储、输 、配 、用 各 个 环节），以 高 比 例 可
再生能源消纳为目标，可满足人类生产生活中的电、
热、冷和氢等多种能源需求的低碳可持续新型能源
系统。 根 据 系 统规 模 不 同 ，电氢 能 源 系 统可 划 分 为
区域级 电 氢 能 源系 统 和 跨 区级 电 氢 能 源系 统（由若
干区域级电氢能源系统经输电网络和输氢网络互联
组成）。某区域级电氢能源系统结构如图 1所示。
在能源输入环节，首先基于各类发电和制氢技
术，将化 石 能 源 和区 域 内 的 风 能、太 阳 能 、水 能和 生
物质能等一次可再生能源转换为电和氢两类二次能
源，进 而 形 成电、氢两 大 能 源 子系统。两大 子 系 统通
过电制 氢 设 备 和燃 料 电 池 进行 耦 合 ，实 现电 和 氢 双
向转化 。 电 能 子系 统 在 满 足区 域 内 工 业、商 业 和 居
民用户等的电力需求的同时，采用压缩空气储能、抽
水蓄能 和 锂 电 池等 各 类 电 储能 形 式 存 储电 能 ，并 通
过不同电压等级的输配电网络与其他区域进行电能
输送。 在 电 负 荷中 ，由 于 屋 顶光 伏 等 分 布式 可 再 生
能源发 电 设 备 在用 能 端 的 普及 ，部 分 电 力消 费 者 转
变为产 消 者 ，而需求 侧 响 应 技术 可 以 加 强对 终 端 电
负荷的管理，有利于电力子系统的安全稳定运行。
此外 ，电 可 经 热 泵 /空调等各类电制热/冷设备转化
为不同 品 位 的热/冷能，满足区域内生产生活中生活
热水、建筑采暖和工业用热等部分热需求，还可通过
电动车满足区域内的部分交通需求。
氢能子系统可将氢以压缩气态、液态和固态的
形式进 行 大 规 模存 储 ，并 通 过管 网 和 交 通网 进 行 区
域内配 送（以压缩气体卡车和 低 压 管网为主）和 区域
外 传 输（以 低 温 液 态 卡 车 、高 压 管 网 和 船 舶 为 主）。
在用能侧，氢可通过燃料电池进行热电联产或者通
过燃气 锅 炉 制 热，满 足 区 域 内生 产 生 活 所需 部 分 热
负荷 ；氢 可 通 过气态 加 氢 站 和液 态 加 氢 站作 为 氢 燃
料电池 车 、公交大巴和 卡 车 等 交通工具的燃 料 ，或者
转化为 汽 油 注 入加油 站 ，供 给 传统 燃 油 车 辆；此外 ，
氢还可 以 直 接 作为 工 业 原 料或 者 转 化 为氨 和 甲 烷 、
甲醇等碳氢化合物应用于工业生产。
电氢能源系统可为风、光等间歇性可再生能源
提供良好的消纳途径。利用富余可再生能源直接制
氢，有效 解 决 弃 风、弃 光 问 题 ，且氢相 比 电 更 易大 规
模长期 存 储 ；电力子 系 统 中 的电 存 储 设 备和 需 求 侧
响应技 术 ，可以消纳部 分 富 余 可再生能源发 电 量 ；通
过电制氢技术将电力子系统中的过剩电能转化为氢
能。根 据 国 家 发展 改 革 委 和国 家 能 源 局公 布 的《能
源 生 产 和 消 费 革 命 战 略（2016—2030）》要 求 ，到
󱅢󱴪󱤨󱬌 󰡏󱴪󱤨󱬌 LH2
GH2
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图1电氢能源系统结构
Fig . 1 Structure of electricity and hydrogen e nergy syste m
2

潘光胜，等 面向高比例可再生能源消纳的电氢能源系统
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2030 年，非化石能源发电量占全部发电量的比重力
争达 到 50%［4］
，届时 ，电 氢能 源 系 统将 初 具 规模 ，在
高比例可再生能源消纳中发挥重要作用。
2国内外研究基础与技术支撑
电氢能源系统包含与电、氢能相关的发（制）、
储、输、配、用 等环节，下面分别从这 5个环节评述现
有的相关研究基础与技术成熟度。考虑现有各类以
化石能 源 供 能 的技 术 已 十 分成 熟 ，下 面 主要 评 述 以
可再生能源供能的相关技术。
2. 1 可再生能源发电与制氢技术
可再生能源发电主要包括风力发电、光伏发电、
水力发 电 和 生 物质 发 电 等 。近 些 年 ，可 再生 能 源 发
电在电力系统中的装机规模持 续 扩 大 ，截 至 20 19 年
底，中国可再生能源发电累积装机容量达到 794 GW ，可
再生能源发电量占全部发电量的比重为 27.9%［6］
。
随着可 再 生 能 源发 电 技 术 的发 展 ，其 投 资成 本 逐 渐
降低，能 源转换效率越 来 越 高 。以光伏发电 为 例 ，光
电 转 换 效 率 已 由 20 世 纪 90 年代的 8% 提升到
2019 年 的 20% 以 上
［16-17］
。在中 国 ，光 伏 发 电成本 也
由2000 年 的 5.6~15.1 元/（kW·h）下 降 到 0.29~
0.79 元/（kW·h），已具备平价上网的能力
［18］。 因
此，可再生能源发电在近些年仍会迅速发展。随着
风光等间歇性可再生能源发电设备装机容量的逐渐
提高 ，可 再 生 能源自 身 出 力 的强 不 确 定 性和 电 力 电
子化带 来 的 低 惯性 、弱 抗 扰 性和 多 时 间 尺度 响 应 等
问题，会对电力子系统运行调控带来巨大的挑战。
为了实现电氢能源系统中的高比例可再生能源消纳
目标，需进一步提升可再生能源预测技术，并开展针
对系统相关问题的稳定性分析理论和优化运行方法
研究
［19］
。
可再生能源制氢主要包括生物质热化学制氢、
地 热 能 制 氢 、风 能 制 氢 、太 阳 能 制 氢 和 电 解 水 制
氢
［20-29］
。其中，生物质热化学制氢是通过高温气化
将生物质转化为混合气体（CO，CO2，CH4和H2等）
并进一步提 取 其 中 的 H2；地 热 能 制 氢 的原理是直 接
采用地 热 能 进 行高 温 水 解 产生 氢 气 ；太 阳能 制 氢 包
括太阳 能 发 电 与电 解 水 制 氢、太 阳 能 高 温集 热 分 解
水制氢、光生物制氢和光催化制氢等多种方式；电解
水制氢 是 极 具 发展 前 景 的 制氢 方 式 ，可 以利 用 电 力
子系统中的富余电能电解水产生 H2和O2。
表1给出 了 碱 性 电 解 、质 子 交 换 膜（PEM）电解
和固 态 氧 化物（SOEC）电 解这 3种 电 制 氢 技 术 的 主
要性能比较
［15］
。其中，碱性电解和 PEM 电解属于
低 温 电 解 技 术 ，工 作 温 度 在 50~80 ℃ 范 围 内 ，单 堆
功率已 达 兆 瓦 级并 得 到 工 业化 应 用 ，系 统效 率 最 高
可 达 70%。而近些年发展起来的 SOEC 电解是一
种高温电 解技术，工作温度 在 650~1 000 ℃范围 内 ，
在系统 转 化 效 率上 较 前 两 者有 所 提 升 ，甚至 在 充 分
利 用 工 业 余 热 的 前 提 下 ，其 转 化 效 率 可 达 100% 以
上。此外，S OEC 电解设备还可以反向进行工作，即
将氢能反向转化为电能
［15］
，该特征 使 其 适 于结合 储
氢设备 为 电 力 子系 统 提 供 平衡 功 率 的 作用 ，但 过 高
的工作 温 度 会 造成 材 料 降 解问 题 ，使 其 设备 寿 命 较
短，这 是 SOEC 电解设备未来发展面临的重要挑战。
在 动 态 特 性 上 ，3种电制氢技术均具有很高的运行
灵 活 性 ，其 工 作 区 间 分 别 为 10%~110%，0%~
160% 和20%~100%，其中，碱性电解和 PEM 电 解
的动态响应时间在毫秒-秒级，可 根据可再生能 源 出
力进行灵活快速调整，支撑电力子系统稳定运行。
目 前 ，国 内 外 已 建 成 或 在 建 中 的 电 制 氢 工 程 已 达
200 余座，装机规模 从 千 瓦 级 到 兆瓦级不 等 ，部 分 电
制氢工 程见附录 A表A1
［30］
。
2. 2 电/氢能存储技术
电储能可用于改善电能质量、抑制可再生能源
的功率 波 动 、调频和应 急 供 电 等，在电力 系 统 运行中
发挥巨 大 作 用 。根 据 能 量 存储 形 式 的 不同 ，电 储 能
主要包 括 机 械储能、电磁 储 能、电化学储 能 和 相变储
能。其 中 ，机械储能主 要 包 括 抽水蓄能、压 缩 空 气储
能、飞轮储能等；电磁储能又细分为超导储能和超级
电容；电 化学储能又包 含 锂 离 子电池、液流 电 池和钠
硫电池等典型的二次电池体系。不同类型的电存储
设备在 功 率 等级、放电 时 间 、转化效率、使 用寿命、投
资成本 等 方 面 存在 较 大 差 异，具 体 参 数 可参 考 文 献
［10］。 Schmidt 等 人 以 压 缩 空 气 储 能 、抽 水 蓄 能 和
锂电 池 储 能 等 9种常用储能方式为研究对象，研究
了它 们 在动 态 响应 、季 节 存 储、阻 塞管 理等 12 种 应
用领域中的发展潜力
［31］
。国际 能 源 署 指出，目 前 锂
离子电 池 已 成 为使 用 最 广 泛的 电 储 能 设备 ，在 所 有
新增储 能 容 量 中 占比 最 高
［32］
。压缩 空 气 储 能 、抽水
蓄能和氢存储可在能源长期存储中发挥重要
作用
［31，33］
。
氢存储可分为物理存储和化学存储两大类：物
理存储又可根据不同压力与温度下氢存储形式分为
低温液 态 储 氢、高压气 态 储 氢 和低温高压存 储 等 ；化
表1 3 种电解水制氢技术的比较
Table 1 Comparison of three wa ter e lectrolysis
techno log ies for hy drogen produ ction
技术
类型
碱性 电解
PEM
SOEC
工作 压力/
MPa
0.1~3
3~8
0
工作 温度/℃
60~ 80
50~ 80
650~1 000
工作 区
间/%
10~ 110
0~160
20~ 100
系统 效
率/%
63~ 70
56~ 60
74~ 81
3

2020，44（23）·观点·
学存储 主 要 是 金属 氢 化 物 储氢 、有 机 液 氢化 物 储 氢
和无机物储氢等
［34］
。附录 A图A1 给出不同存储压
力 下 氢 密 度 随 温 度 的 变 化
［35］
，从 图 中 可 以 看 出 ，通
过降低温度或者增加压力可以增大氢的密度。目
前，4种最常见的氢存储方法包括：①高压气态存储
（常 温 ，压 强 为 70 MPa），存储密度为 39.1 kg/m3；
②低 温 压 缩 存 储（温 度 在 150~273 K 之 间 ，压 强
为50 MPa），存储密度可达50 kg/m3；③冷沉淀压缩存
储（温度 小于 150 K，压 强为 35 MPa），存储 密 度 可 达
80 kg/m3以 上 ；④低温液态存储（温度为 20 K，压 强
小于 0.6 MPa），存 储 密 度可 达 71.0 kg/m3以 上 。 以
上4种存储方式中，高压气态存储应用最为广泛，转
化效 率 为 90%~95%（考虑压缩损耗）
［36］
；冷沉淀压
缩存储 和 低 温 液态 存 储 的 储氢 密 度 最 高，转 化 效 率
分 别 为 75% 和65%~75%（计 及 液 化 损 耗 ，理 论 上
每液化 1 k g 氢需消耗4~10 kW·h）
［37］
。在化学存储
上，氢可通过转化为氨或者通过液态芳香族化合物
（如 苯 、甲 苯）进 行 有 机 液 态 存 储 ，转 化 效 率 分 别 为
82%~93% 和60%~65%［15］
，其 优 势 在 于 可 以 将 氢
能以液 态 的 形 式利 用 现 有 的石 油 管 道 进行 传 输 ；氢
还可以以金属氢化物形式存储于某些金属或合金
中，并经加热的方式释放氢，是一种代表性的固态储
氢 方 式 。 附 录 A表A2 给 出 分 别 以 气 态 、液 态 和 固
态存储 3 kg 氢时存储设备的体积、重量和密度的对
比，从表中可以直观看出，固态氢存储设备相比气态
和液态 氢 存 储 设备 具 有 更 小的 体 积 ，但 是其 质 量 最
高，质量百分比最低
［36］
。
电氢能源系统需充分发挥氢能更易大规模长期
存储优势。附录 A表A3 进 一 步 给 出 管 段 存 储 、地
下存储（以盐穴为例）和地上球形或圆柱形罐存储
3种较大规模氢能存储技术的关键参数对比
［38］
。从
表中可 以 看 出，存储容 量 受 存 储体积和压强 影 响 ，其
中，地下存储容量最大，地上圆柱形罐存储容量最
小，而不同存储方式均需有一定比例的垫底气。此
外，利用已有的枯竭油气藏储气库、地下含水层储气
库和盐穴储气库是实现大规模储氢最为经济便捷的
方 式（单 位 投 资 成 本 约 在 1.0 元/（kW·h）以 内
［39］
）。
其中 ，枯 竭 油 气藏储 气 库 通 过向 已 开 发 的油 气 田 内
注入氢 气 储 氢，不用再 进 行 地 质勘探，具有 建 库周期
短、投资 费 用 低 等优 势 ，但 其 对盖层 、储 层 周 围环 境
要求高。地下含水层储气库建设在非渗透性的含水
盖层下 ，需要将岩层孔 隙 中 的 水排走，优点 在 于构造
完整，缺点是较高的气、水界面控制风险和较长的建
设周期 。 盐 穴 储气 库 建 设 在盐 层 之 上 ，具备 良 好 的
物 理 特 性 ，是 目 前 最 佳 的 地 下 储 氢 方 式 ，附 录 A表
A4 给出部分实际储氢工程，均是利用盐穴进行大规
模储氢
［40］
。
2. 3 电/氢能传输技术
能源的生产与利用具有空间差异性，需进行能
源传输来满足不同区域的用能需求。以中国供用能
现状为例，东部沿海地区需依赖西部能源的输送。
目前，中 国电力网架已 十 分 成 熟，近些年 高 速 发展的
特高 压 交 /直流输电技术可实现大功率和远距离的
电能传 输 。 随 着高 比 例 可 再生 能 源 的 开发 与 利 用 ，
新一代电力网络传输网架突出表现为基于可再生能
源和清 洁 能 源、骨干电 网 与 分 布式电源结合 、主干电
网与局域网和微网结合的特征
［4］
。
目前，氢能主要采用压缩气体卡车、低温液态卡
车和 管 道 传 输 3种 方式 进 行传 输。 附 录 A表A5 给
出这 3种传输方式的关键指标对比
［38］
。从表中可以
看出，管 道传输在传输 容 量 、传输效率和 传 输 距离等
方面具 有 优 势，并可利 用 其 管 存特性进行氢 存 储 ，而
其缺点在于投资成本高，因此适合中长期发展，将氢
传输到 远 距 离 和需 求 量 大 的区 域 ；压 缩 气体 卡 车 的
传输容 量 虽 小，但相比 其 他 方 式灵活性高，适 合将氢
传输到 近 距 离 和需 求 量 小 的区 域 ，比 如 向散 布 在 城
市各地的加氢站配送氢能，适合近期发展；低温液态
卡车在 传 输 容 量和 效 率 上 介于 两 者 之 间，可 同 时 承
担大容量远距离氢能传输和向液态加氢站供氢的职
责，如果能采用轮渡传输低温液态氢，可实现单次上
万吨的出氢量，尤其适合跨国输送，适合中长期发
展。需 要 指 出的是，氢传 输 除 了技术上存在 挑 战 ，在
基础设 施 上 更 需要 极 大 的 投资 费 用 。 比如 ，由 于 氢
能特殊 的 物 理 化学 性 质 ，输 氢管 道 必 须 采用 强 密 封
性、高品质的不锈钢等材料制成，这使得在相同的管
段直径下，输氢管道的投资费用比天然气管道高出
2倍
［41］
。因此，终端用氢形 式 、输 氢 成 本 以 及 未 来 市
场需求将是决定选择何种输氢方式的关键。
考虑到氢能的传输网络还很不成熟，许多学者
指出将氢直接混入天然气或者甲烷化后注入天然气
管道进 行 传 输 ，该方 式 可 视 为一 种 发 展 电氢 能 源 系
统的过渡手段。欧洲研究团队给出氢混天然气的体
积比可以 达到 10%［42］
；文献［43］指出 17% 的混氢比
例也不会带来任何问题，但是在实际应用中，更多地
从安全角度出发将其控制在 5% 以 内 。 由 于 氢 的 密
度很低，大约是天然气密度的 1/8，为 了 满 足 用 能需
求 ，输 氢 管 道 的 压 强 要 比 天 然 气 高 很 多 。 比 如 在
0.4 MPa 运 行 的 天 然 气 管 道 ，当 用 于 输 氢 时 需 用 压
缩机将其压缩 到 1~2 MP a 的高压，因此管道传输损
耗相对更高
［15］
。 此 外 ，氢 极 易 挥 发 ，而 用 于 制 造 天
然气管 道 的 聚 合物 材 料 具 有很 高 的 孔 隙率 ，不 适 合
作为输 氢 管 道 材料 。 目 前 ，价格 昂 贵 的 低碳 钢 被 用
4

潘光胜，等 面向高比例可再生能源消纳的电氢能源系统
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于制造 大 部 分 的输 氢 管 道 ，如果 能 开 发 出相 对 廉 价
的材料 来 制 造 输氢 管 道 ，将 有利 于 加 速 氢能 输 配 管
网的建 设 。
2. 4 电/氢能利用技术
与传统化石能源相比，电能具有清洁、安全和便
捷等优势，已应用于人类生活的方方面面。国网能
源研究 院 有 限 公司 发 布 的《中 国 能 源 电力 发 展 展 望
2019》
［44］
预测，到 205 0 年，电能占终端能源消费的比
重将超过 50%。而在电氢能源系统中，电能在终端
能源消费的占比可进一步增加。
在氢能利用环节，氢能可通过各类燃料电池技
术满足 电 力 生产、热能 供 应 、交通出行等 不 同 的用能
需求。表 2给出质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱
性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、固体氧
化 物 燃 料 电 池（SOFC）和 熔 融 碳 酸 盐 燃 料 电 池
（MCFC）等 5种典型燃料电池的工作特征
［13］。 其
中 ，PEMFC 和AFC 启 停 速 度 快 ，最 适 合 用 于 氢 燃
料 电 池 车 和 作 为 电 力 系 统 中 备 用 发 电 ；PAFC，
MCFC 和SOFC 的工作温度高，适合进行分布式发
电 和 热 电 联 产 。 在 转 化 效 率 上 ，PEMFC，AFC，
MCFC 和SOFC 的电转化效率在 60% 左 右 ，而
PAFC，MCFC 和SOFC 以热电联产工作时效率可
达85%［45］
。近些 年燃料电池技术的迅速发展使其投资
成本大幅下降，已从 20世纪初的 2 000~16 000 元/kW
降 到 2020 年 的 1 000~1 400 元/kW［13］，并有望在
2030 年 达 到 410~1 030 元/kW（AFC）、280 元/kW
（PEMFC）和 560 元/kW（SOFC）
［39］
。
随着氢燃料电池技术的发展，氢可作为小型轿
车、大巴车、中型和大型卡车以及飞机等多种类交通
工具的 燃 料 ，在交通 领 域 具 备巨 大 的 应 用潜 力 。 而
加氢站 是 发 展 氢燃 料 电 池 车的 重 要 终 端供 给 设 施 ，
可根据 能 量 来 源分 为 输 入 型加 氢 站（氢能 来 自 氢 传
输网络 ，核 心 设 备为 压 缩 机 、储氢容 器 和 加 氢机）和
自给型 加 氢 站（除以上三大核 心 设 备外，还包 含 电 制
氢 设 备）
［14］
。 另 外 ，加 氢 站 还 可 根 据 氢 存 储 形 式 分
为气态 加 氢 站 和液 态 加 氢 站，气 态 加 氢 站目 前 主 要
以35 MPa 和70 MPa 这2种高压类型进行供氢，而
液态加 氢 站 相 比气 态 加 氢 站供 氢 量 更 大，适 合 更 大
规模的加氢需求。由于加氢站的压强高于现有加气
站（25 MPa），因 此 对 加 氢 站 的 安 全 要 求 更 高 ，比 如
加氢机的耐压水平需要大幅提升，《加氢站技术规
范》
［46］
中将加氢站的火灾危险级别定为甲类。
氢还可作为工业原料应用于化工产业。例如：
可通过哈伯合成氨反应转化为氨，用于制造氨水、氮
肥、复合 肥料、铵盐 、纯碱等；可通 过与 CO2反应合成
甲烷和 甲 醇 ，用于生产 乙 炔 、氢氰酸、甲 醛 、甲胺和烯
烃等；还可通过与 CO 反应合成汽油，作为点燃式内
燃机燃 料 。 需要指出，相 比 传 统 煤化工方式，采 用以
上电制氢+氢转 X方式的度电成本在 0.14 元/（kW·h）
以下才 能 在 上 述 工业 领 域 具 备 成本 优 势
［29］
，即依赖
电力系统中出现大量剩余电能。而对于本文所述面
向高比 例 可 再 生能 源 供 能 的电 氢 能 源 系统 ，随 着 可
再生能 源 发 电 占比 的 逐 渐 提升 ，结 合 氢 能供 应 链 的
逐渐完 善 ，氢作为以上 相 关 工 业领域的原料 ，有望对
传统化 石 能 源 进行 替 代 ，实 现化 工 产 业 的低 碳 甚 至
零碳排 放 。
此外，氢能的安全性问题一直是人们关注的焦
点，一定程度上制约了氢能在用能侧的普及利用。
附 录 A表A6 从 气 体 毒 性 、密 度 、扩 散 性 能 、点 燃 温
度等十余项指标全面比较了氢、甲烷、汽油 3种终端
燃 料 的 安 全 性
［38］
。 从 表 A6 中 可 以 看 出 ：氢 气 低 密
度、高扩 散 性 、高 热值 的 特 性 使得它 相 比 天 然气、汽
油等常规燃料更加安全，而低点燃能量、低点燃温
度、更高的爆炸能量、更高的火焰辐射率使得氢相比
其他燃 料 更 加 危险 ，整 体 上 氢能 的 安 全 性优 于 甲 烷
和汽油 。 文 献［47］进一步指出氢能极低的密度使得
它可以 迅 速 从 泄漏 处 扩 散 出去 ，这 降 低 了发 生 火 灾
或爆炸的风险；此外，由于氢燃烧的火焰中不含烟
灰，发出的热辐射很少，对周围环境影响较小。然
而，由于现有氢能相关技术不够成熟，爆炸问题时有
发 生
［48］
，一 定 程 度 上 制 约 了 氢 能 的 发 展 。 因 此 ，在
氢能发展中应制定更为规范的技术标准，《中国氢能
产业基 础 设 施 发展 蓝 皮 书（2018）》
［14］
中给出 了 中 国
现行氢 能 技 术 国家 标 准 ，为 中国 氢 能 产 业基 础 设 施
的发展 提 供 指导。
3电氢能源系统展望
3. 1 经济技术分析
从用能侧考虑，氢既可作为合成氨厂和炼油厂
等工业 企 业 的 原料 ，也 可 经 氢燃 料 电 池 车满 足 人 们
的交通 需 求 。 当氢 作 为 一 种终 端 能 源 时，其 价 格 竞
争力分 析 如 下 ：在工 业 应 用 中 ，以合 成 氨 为 例，氢 可
经哈伯 合 成 氨 反应 转 化 为 氨，考 虑 该 反 应的 转 化 效
率为 70%，合成 1 kg 氨需要 0.2 5 kg 氢和 1.05 kg 氮 ，
表2不同燃料电池技术对比
Table 2 Co mp arison of d ifferent fu el ce ll technologies
电池 类型
PEMFC
AFC
PAFC
MCFC
SOFC
工作 温度/℃
<120
<100
150~200
600~700
500~1 000
输出 功率/kW
<250
10~ 100
50~ 1 000
<1 000
5~3 000
应用领域
备用 电源/移 动 电源 /
交通 /分布式发电
备用 电源/交 通
分布 式发电 /热电联产
分布 式发电 /热电联产
分布 式发电 /热电联产
5

2020，44（23）·观点·
若合成 氨售价为 3元/kg，原料氮价格为 0.65 元/kg，
则原料氢价格需低于 9.4 元/kg 才 能 实 现 盈 利 ；在 交
通出行中，氢燃料电池车每消耗 1 kg 氢可行驶
106.2 km
［49］
，而 传 统 燃油 汽 车每 消 耗 1 kg 汽油仅能
行 驶 13.9 km
［49］
，在 满 足 相 同 出 行 需 求 下 汽 油 与 氢
的质量比为 7.65∶1，当汽油的价格为 7~10 元/kg
时 ，对 应 氢 价 为 53.5~76.5 元/kg。由以上分析可
见，氢在不同的应用领域的价格竞争力差异显著。
从 供 给 侧 考 虑 ，定 义 电 解 制 氢 的 平 准 化 成 本
（LCOH）为 LCOH ，其计算式为：
LCOH =
cp2h
inv Cp2h +∑
n= 1
N(cp2h
o&m Cp2h + 8 760celec Pe lec )2
(1 + r)n
∑
n= 1
N365H
(1 + r)n
（1）
式中 ：
cp2h
inv ，
cp2h
o&m 和cel ec 分别为电解制氢系统的投资费
用、年运 行 维 护 费 用 和购电 价 格 ；Cp 2h，Pel ec 和H分别
为电制 氢 系 统 的电 解 槽 额 定输 入 功 率 、购电 功 率 和
日制氢量 ；N为 系 统寿命；r为利率 ；其 他 相 关经济技
术参数含义及取值见附录 A表A7。
不 失 一 般 性 ，假 定 电 解 制 氢 系 统 日 制 氢 量 为
1 kg，则 Cp2h 和Pele c 均须为 2.26 kW，图 2分别给出电
价在 0.1~0.8 元/（kW·h）时的 电 解制氢成本。另外 ，假
定煤气 化 制 氢 系 统的投资价格为 19 000 元/（kW·h），
转化效率为 60%，在煤炭价格为 0.76 元/kg 基 础 上 ，
图2进一步给出碳排放费用分别为0，50，100，200 元/t 时
的 煤 气 化 制 氢 的 成 本 作 为 对 比（如 图 中 4条虚线
所示）。
从图中可以看出，电解制氢的成本受购电价格
影 响 极 大 。 只 有 当 购 电 价 格 达 到 0.1 元/（kW·h）
时，电解制氢的成本才会低于煤气化制氢。此外，考
虑碳排放费 用 会 使 煤 气化制氢的成本增加，100 元/t的
碳排放费用将使煤制 氢 的 成本 达 到 30 元/kg，该价 格
与0.4 元/（kW·h）购电价格下的电解制氢成本相
同。在 中 国 ，氢目前主 要 来 自 煤炭，且不 考 虑 碳排放
费用的煤制氢价格在 10~15 元/kg。 因 此 ，若 想 实
现电解 氢 在 工 业中 的 应 用 ，需大 幅 降 低 电价 或 者 提
升碳排 放 价 格 。此 外 ，伴 随 可再 生 能 源 发电 技 术 的
发展，发 电成本逐渐降 低（光伏 发电的度电成 本 最 低
可 达 0.3 元/（kW·h）以 下
［18］
），结 合 其 在 发 电 侧 比 重
的增加（2030 年力争实现 50% 的非 化 石 能 源 发 电 占
比），势必会进一步降低电解制氢的成本。
在 能 源 存 储 方 面 ，图 3给出电存储与氢存储在
存储时间、存储规模和能量转化效率几个方面的对
比情况
［40，50］
。
从图 3（a）中可以看出，氢存储无论是从存储时
间还是存储容量上均远大于目前常用的压缩空气储
能和抽水蓄能 2种大容量电存储方式
［40］
。在存储成
本上 ，文 献［31］研 究 表 明，在 跨 季 能 源存 储 中 ，氢 存
储 的 平 准 化 存 储 成 本（LCOS）可 从 2015 年 的
3.6 美元/（kW·h）下降到 2050 年 的 1.2 美 元/（kW·h），
而压缩空气储能和抽水蓄能的 LCOS 下降 空 间 很 小
（均 维 持 在 3.2 美 元 /（kW·h）左 右）。 因 此 ，当 可 再
生能源 渗 透 比 例足 够 高 时 ，大量 富 余 可 再生 能 源 发
电量必 须 转 化 为氢 进 行 长 期存 储 ，以 弥 补风 光 等 可
再 生 能 源 在 不 同 季 节 出 力 的 差 异 性 。 图 3（b）给 出
氢存储 和 电 存 储的 能 源 转 化效 率（能源输 出 与 能 源
输入的比值）随时间的变化
［50］
，从图中 可 以 看 出 ，电
存储设备初始效率较高，但随着存储时间的增加，其
效率逐渐降低。而氢存储基本不存在自身能源损耗
问题（液态 存储除外），其 转化效率基本 不 变 。此外，
如果进 一 步 考 虑氢 能 的 直 接高 效 利 用 ，比如 热 电 联
产等，能 源转化效率可 进 一 步 提高。因此，随 着可再
生能源 在 一 次 能源 中 的 占 比逐 渐 提 升 ，氢将 在 能 源
60
50
40
30
20
10
0
LCOH/(·kg1)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
*/(·(kW·h)1)
LCOH
0/t;
100/t;
50/t
200/t
图2不同电价下的 LC OH
Fig . 2 LCO H with diffe ren t electric ity prices
󳃌󱫔
󰈣󱫔
󱫔
󰉌󰍌󱫔
󰌵󱫔
10-1 100101
(a) 󲗱󰙎󰈣󳈡
(b) 󱴪󲷼󲮙󰅵󰾴
102103
󰈣󳈡
󰡏


0 2 000 4 000 6 000 8 00010 000
󰈣󳈡/h
󱴪󲷼󲮙󰅵󰾴
󱭖󱚧
󰡁󱴪
󰡡󲃱󱴪
󲷼/(GW·h)
󰡏
󱅢
图3电存储与氢存储特征对比
Fig . 3 C om pariso n of electrical stor age a nd
hyd rogen storage c haracteristic s
6

潘光胜，等 面向高比例可再生能源消纳的电氢能源系统
http：//www.aeps-info.com
存储中发挥重要的作用。
3. 2 系统集成技术
电氢能源系统的核心目标在于实现高比例的可
再生能 源 消 纳 ，而在 系 统 特 征上 与 现 有 可再 生 能 源
电力系 统 和 综 合能 源 系 统 的关 键 区 别 在于 ，其 充 分
挖 掘 氢 能 在 能 源 发（制）、储 、输 、配 、用 等 方 面 的 价
值。前 文 已 全 面综 述 了 氢 能相 关 技 术 的成 熟 度 ，下
面将从 系 统 角 度出 发 ，分 析 构建 电 氢 能 源系 统 亟 待
解决的 问 题 。
3. 2. 1 商业模式
电氢能源系统有利于促进电网辅助服务市场、
碳交易 市 场 和 氢能 市 场 的 发展 。 比 如 ，氢能 子 系 统
可为电 力 子 系 统提供 调 频 、黑 启动 、网 络 阻 塞管理 、
备用发 电 等 辅 助服 务 ，在 促 进氢 能 子 系 统经 济 收 益
的同时提升电力子系统的安全性和可再生能源消纳
比例。 此 外 ，大量富 余 可 再 生能 源 发 电 有利 于 降 低
电解制 氢 成 本 ，从而 在 碳 交 易市 场 逐 步 成熟 的 进 程
下，进一步增强电解制氢在氢能市场中的竞争力。
最后，氢燃料电池、氢存储技术及电解制氢技术的发
展，将进一步释放市场对氢能源的需求，并加深电力
市场对新能源的接纳程度，从而持续深化电力-氢能
市场的 耦 合 程 度。因 此 ，应 积 极探 索 含 电 力、氢能 、
碳交易等多类型能源耦合市场的全新商业发展
模式。
3. 2. 2 规划建设
在电氢能源系统规划设计时，应充分考虑中国
不同地 区 资 源 禀赋 和 用 能 现状 ，并 结 合 中国 电 力 网
架在能 源 传 输 上的 优 势 ，开 展针 对 电 力 子系 统 和 氢
能子系 统 的 协 同规 划 ，制 定 符合 地 域 发 展的 电 氢 能
源系统 规 划 方案，从安 全 、经济和环保等 多 维 角度激
励氢能 子 系 统 的有 效 发 展 。另 外 ，考 虑 城市 现 有 工
业企业（炼油 厂、合成氨厂）中 稳定的氢能需 求 ，可保
证电解 制 氢 的规模化利用，亟 待开展针对城市 级 /区
域级电氢能源系统的典型架构和集成方案的研究。
3. 2. 3 安全运行
考虑电和氢这 2种异质能流的差异性，电氢能
源系统 在 设 备 运行 、网 络 传 输和 用 能 特 性等 多 方 面
区别很 大 。 比 如，电 力 子 系 统需 满 足 供 需实 时 平 衡
的要求，对系统安全稳定运行的要求极高；而氢能子
系统并 不 需 要 满足实 时 的 供 需平 衡 ，且 在 制、输、配
和用的 各 个 环 节中 均 具 备 一定 的 储 氢 能力 ，灵 活 性
很高。 因 此 ，如何在 保 证 系 统安 全 稳 定 运行 的 前 提
下，通过耦合设备利用氢能子系统的灵活性资源实
现电力 子 系 统 的高 比 例 可 再生 能 源 消 纳，是 构 建 电
氢能源系统的重点和难点。
3. 2. 4 核心设备
以电氢耦合设备为例，电制氢设备可将电能转
化为氢能，在未来电氢能源系统中需满足转化效率
高、动态响应速度快、工作区间广和设备规模化的技
术要求，然而目前尚未有能同时达到上述要求的电
制氢设备；氢燃料电池作为氢能向电能转化的核心
设备，在设备寿命和转化效率上仍有很大提升空间，
而在容量等级和系统规模上难以匹配电力子系统所
需发电 体 量 。因此，需从 设 备 规模、容量 等 级 和转化
效率等多方面提升相关技术。
3. 3 近期实施路径
自2006 年以来，中国政府已发布一系列相关政
策，制定了适合中国国情的氢能发展路线，具体见附
录A图A2
［50］
。本文认为，电氢能源系统的发展应充
分结合传统化石能源的价格优势和可再生能源的高
效利用 。 在 现 有形 势 下 ，宜 从以 下 几 条 实施 路 径 开
展电氢 能 源 系统建设。
1）在可再生能源发电富余地区建立规模化的电
制氢厂 ，将 过 剩 电能转 化 为 氢 ，解决“三 弃 ”难 题 ，制
取的氢 气 可 经 现有 天 然 气 网络 进 行 传 输，或 者 因 地
制宜地 合 成 氨、甲醇等 相 关 工 业用料。目前 ，国内已
有一些能源电力企业利用富余可再生能源进行电制
氢开发 和 示 范
［51］
，有利于电氢能源系统在供能侧的
耦合。
2）各 类 分 布式 可 再 生 能源 发 电 的投 资 与 建 设，
有利于降低上级大电网的发电煤耗和温室气体排放
量，富余电量可经电制氢转化为氢能，避免传统电网
分布式 发 电 带 来 的过 电 压 、功 率倒送 等 问 题
［52］
。氢
能的利 用 可 以 有多 种 形 式 ，近期 可 以 考 虑合 成 氨 作
为工业 用 料 、合成甲 烷 作 为 燃气 或 者 合 成汽 油 用 于
交通出 行 等 ，而伴随氢 燃 料 电 池技术的发展 ，在中长
期可直接用于人们衣食住行的方方面面。此举有利
于电氢能源系统在用能侧的耦合。
3）燃料电池在效率和环保上的优势已被认可，
其设备 价 格 和 耐久 性 是 商 业化 进 程 中 的主 要 挑 战 。
以燃料 电 池 在 交通 领 域 的 应用 为 例 ，美 国能 源 部 给
出PEMFC 应 用于 轻 型 汽 车 时 的 近 、远 期 目 标分 别
为5 000 h 和8 000 h 的耐久性，而当前车用 PEMFC
的耐久性仅为 2 500~3 000 h
［53］
。因此，需加大对燃
料电池 技 术 的 研发 和 利 用 ，实现 氢 能 在 交通 领 域 的
规模化 应 用 。
4）考 虑 目 前 中 国 采 用 煤 炭 制 氢 的 成 本 是 最 低
的，且 相 关 技术已十分成 熟 。 因 此，在保证 煤 炭 清洁
利用的前提下，采用煤制氢促进氢能相关输配、存
储、利 用 等 相 关技术 产 业 链 的发 展 。 伴 随可 再 生 能
源发电比重的逐渐提升和碳交易市场的逐渐成
7

2020，44（23）·观点·
熟
［54］
，电解制氢将逐渐在氢能制取环节具备价格竞
争力 ，而 对 电 解制氢 进 行 购 电补 贴 可 进 一步 降 低 电
解制氢 的 成 本。
4结语
电氢能源系统是以电、氢为核心能源载体，可实
现高比例甚至百分百比例可再生能源供能的新型能
源系统 。 迄 今 为止 ，针 对 电 氢能 源 系 统 关键 技 术 的
研究已 初 见 成 效，而 相 关 政 策的 出 台 也 为电 氢 能 源
系统的进一步发展奠定了良好的基础。衡量电氢能
源系统发 展 成 熟 度 的 核 心量化 指 标 包 含 ：
①可再生
能源在一 次 能 源 消 费 中 的占比 ；
②电氢能在 终 端 能
源消费 中 的 占比；③制氢 、储 氢和输氢等基 础 设 施的
配置容量与相应电力基础设施匹配程度。
未来应循序渐进地开展电氢能源系统建设。近
期宜依靠化石能源的价格优势发展氢能子系统中的
相关基 础 设 施，整合氢 能 产 业 链；中长期 考 虑 利用成
熟的氢 能 产 业 链促 进 高 比 例的 可 再 生 能源 消 纳 ，进
而逐步实现可再生能源制氢方式对传统化石能源制
氢方式的替代。本文所提电氢能源系统是对人类社
会未来 能 源 系 统形 态 的 探 索，有 利 于 解 决高 比 例 可
再生能 源 消 纳问题，有望 改 善 人类的生产生 活 方 式。
感谢东南大学优秀博士学位论文培育基
金项目(YBPY2036)对本文工作的支持。
附录见本刊网络版（http ：//www.aeps-info.com /
aep s/ch/ind ex.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读
网络全 文 。
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潘光胜(1992—)，男 ，博 士 研究生，主要研究 方 向：综 合 能
源系统规划与优化运行、电氢能源系统等。E-m ail：pgspan@
163.com
顾 伟(1981—)，男，通 信 作者，博 士，教 授，博 士 生导师 ，
主 要 研 究 方 向 ：电 力 系 统 运 行 控 制 、综 合 能 源 系 统 等 。
E-mail：wgu@seu.edu.cn
张会岩(1982—)，男 ，博士 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 研 究
方向：生物质热解气化多联产、可再生合成燃料等。E-mail：
hyzhang@seu.edu.cn
（编辑 代长振）
Ele ctricity and Hydrog en E nergy System Towards Accom odation of High Proportion of Renewable Energy
PAN Guangsheng1，GU Wei1，ZHANG Huiyan2，QIU Yue1
(1. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China;
2. School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)
Abstract: As a high-quality secondary energy, hydrogen has huge application potential in energy storage and utilization, and helps
to solve the problem of renewable energy accomodation in the power system . In order to further increase the proportion of
renewable energy in primary energy consumption, this paper proposes a new type of energy carrying form that uses electricity and
hydrogen as energy carriers—electricity and hydrogen energy system.The paper discusses the significance of the development of the
electricity and hydrogen energy system, gives the structural framework of the electricity and hydrogen energy system, and reviews
the relevant research foundation and key technologies from the aspects of generation (manufacturing), storage, transmission,
distribution, and utilization. Finally, the electricity and hydrogen energy system is prospected from three aspects: economic
analysis, system integration, and recent implementation path.
This work is supported by N ational Key R& D Program of China (No. 2020YFE0200400) and National Natural Science
Foundation of China (No. U1866208).
Key words : electricity and hydrogen energy system; high proportion of renewable energy; energy storage; power-to-hydrogen;
fuel cell
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