氢储能关键技术路线及思考

支撑新型电力系统建设的氢储能关键技术路线及思考1

新型电力系统关键技术2

氢储能系统中长周期运行特性3

源-网-荷-氢优化调度模型4

双碳目标下氢储能系统碳排放潜力报告提纲新型电力系统是以确保能源电力安全为前提，以新能源为供给主体，以智能电网为枢纽平台，以源网荷储

—

体化与

多能互补为

支

撑，以清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动为基本特征的电力系统分布式新能源合理配置储能系统由于新能源强随机性和高波动性，储能技术被认为是解决新能源出力不稳定的重要手段大规模高比例新能源接入创新电网结构形态与运行模式增强电源协调优化运行能力新型储能技术规模化应用大力提升电力负荷弹性风电、光伏发电为主，集中式与

分布式并存大电网与微电网并存，微电网有

并网/离网模式用户既是电力消费者，又是

电力生产者“源网荷储”互动，源侧、网侧与荷侧均可灵活调节目标

=l=!

---积极发展“新能源+多元储能”、源网荷储一体化和多能互补，支持县发电侧形态赫座国电网侧形态传统电力系统与新型电力系统对比火电为主

单一大电网需求口口口口口1.新型电力系统关键技术源随荷动皿以同步机和电力电子设备共同主导的混合系统03仅为电力消费者旧

+

断盛

TA机械电磁系统技术基础形态电能平衡方式文

烟用户侧形态!Am时间尺度应用场景运行特点技术特性需求重点关注的储能

类型分钟级以下辅助一次调频提供系统阻尼：电能质量动作周期随机：毫秒级响应速度；

大功率充放电高

功

率

；高响应速度；高存储/循环寿命；高功率密度及紧凑型的设备形态超级电容器：

超导磁储能；

飞轮储能分钟至小时级平滑可再生能源发电；跟踪计划出力二次调频；提高输配电设施利用率充放电转换频繁；

秒级响应速度；可观的能量高安全性：较快的响应速度；一

定

的

规

模(MW/MWh);高循环寿命(万次);便于集成的设备形态锂离子电池：

钠硫电池钒液流电池小时级以上削峰填谷负荷调节大规模能量吞吐安全性高，成本低大

规

模(100MW/100MWh

);深充深放(循环寿命5000次);

资源和环境友好抽水蓄能压缩空气熔融盐储氢特定地理条件

光热发电领域·集成储能技术，电化学储能与储氢配合解决多时间尺度平衡需求放

电

时

间氢能其它领域关键作用口液态氢能量密度约为汽油、柴油、天然气的2.7倍口氢能运输不受输配电网络的限制，

可实现跨区域调峰口工业原料，替代化石燃料作为冶金、

水泥和化工等还原剂(短时间尺度)(中长时间尺度)CO₂+4H₂

→CH₄+2H₂O(氢气与天然气的密切联系)·

氢能作为电、热、气网一体化的重要纽带，实现能源网络互联互通随着碳中和进程的推进，

氢能有望成为新型电力系统清洁低碳的能源载体解

决

新

能

源

与

负

荷

间

的非

匹

配

性和双侧随机性，新型储能系统面临的电力调节需求：大规模、长周期、跨季节t1.新型电力系统关键技术10

GW1GW100

MW10

MW1

MW100

kW

10

kW1

kW①

储能技术特性②储能对比04容量大规模储能技术口

区域弃风、弃光现象严重口

风光出力的预测准确程度有限，其出力随机性会对电网造成一定冲击√利用新能源出力富余(未能利用)的电能进行制氢，将η=B0-90×电能转化为氢能储存起来或供下游产业使用√当电力输出不足时，利用储存起来的氢能通过燃料电池进行发电回馈电网√

整个运行过程清洁高效，无任何污染气体产生“电—氢—电”转化过程只有水的消耗和生成，总效率为40%~50%与电化学储能(70%～90%

)相比不具优势燃料电池热电联供(CHP),

转化效率可提高至60%~80%家庭就地利用，不存在长距离电网、热管网运输损失，效率进一步提升·

日本燃料电池系统(ENE-FARM)

·100%0%损耗未利用排热(3~15%)氢储能作为一种化学储能方式，适用于长时间储能

，且能储存百GW·h

以上，被认为是极具潜力的新型1.新型电力系统关键技术问

题解决方案用电+供热

35%*50%1·Electricity-Hydrogen

-Water含氢储能微电网系统燃料电池

复健能系续储氢罐

电解槽05△

变换器85~97%DC

bus光伏阵列风电机组nas-6ACbus用户负荷管道光照风←氢储能=电解槽+储氢罐+燃料电池定输入容量存储能力定输出容量氢转电燃料电池的实质是电解水的逆过程区分传统电池，其燃料和氧化剂是在反应的

同时

输

入

的

，

而

不

是

预

先

放

置

的

燃料电池类型

工作温度电化学效率

(℃)

(%)

AFC→

碱性燃料电池

室温-90

60~70燃料电池氢储能关键技术包含制氢、储运氢和燃料电池技术三个方面储运氢技术包含：高压气态、低温液态、金属氢化物、有机液态★阳极

聚合物膜阳极：2H₂0-4e→4H'+O₂↑阴极：4H*+4e→2H₂↑运行温度70~80℃电解效率70~90%耗能3.8~5.0kWh/Nm³PEMFC

质子交换膜燃料电池室温-8040~60PAFC—→磷酸燃料电池160~22055MCFC—

熔融碳酸盐燃料电池620~66065SOFC

固体氧化物燃料电池800~100060~65交通运输新能源汽车便携电池小型家用电器发电电站、应急电源建筑供能热电联产系统阳极：40H-4e→2H₂O+O₂t阴极：4H₂O+4e→2H₂↑+40H·运行温度70~90℃

·

·

电解效率60~75%

·

·耗能4.5~5.5

kWh/Nm3

·阳极：阴极：

H,O+2e→H₂↑+O²-·

高运行温度600~1000℃·

电解效率

85~100%·

耗能2.6~3.6kWh/Nm3技术成熟，成本低KOH

电解液高度腐蚀，

存在安全问题1.新型电力系统关键技术电制氢质子交换膜电解槽(PEMEC)性新能源匹配性高需贵金属催化剂，成本高技术不成熟，需同时提供电

能与热能，材料高温降解·

响应快，适应动态操作，波动·

高转换效率，工作压强低固态氧化物电解槽(SOEC)0SUo---1

新型电力系统关键技术2

氢储能系统中长周期运行特性3

源-网-荷-氢优化调度模型4

双碳目标下氢储能系统碳排放潜力报告提纲储氢方式储氢密度优点缺点应用高压气态1~3

wt%技术成熟设备结构简单成本低储氢密度低存在泄露和爆炸的安全隐患普通钢瓶

高压储氢罐低温液态>10

wt%储氢密度大运输方便容器绝热要求高

易挥发、耗能大大量远距离

储运、火箭

低温推进齐固态材料1~18wt%储氢密度大安全性高可逆循环成本较高技术不成熟处于实验阶段国内外产业化均较少氢储存量的年度变化氯储存期间

氢储存期间多夏季(冷房期)利用储存的氢能源多方面利用储氢罐氢气压缩机燃料电池AC/DC电网甲烷反应器T天然气管道气负荷氢

+电氢+甲烷P2G单一电储能向多元储能转变(电储能、储氢、蓄热、蓄

冷

等

)

,

中

长

周

期

运

行

的

时

间

范

围

定

义

在周、月、跨季

封间尺度内电化学储能：较高，且受容量限制×蓄热、蓄冷：设备绝热能力有限，耗散比大×储氢：接近0,且便于转为其它能源形式

√2.氢储能系统中长周期运行特性能源跨季节利用

提高可再生能源利用率1月2月3月4月5

月

6

月

7

月

8

月9月10月11月12月冬季(项房期利用

储存的氢08重的

便用自损耗率画的

储存星制氢系统①

电能利用

氢储能2500100001000春

夏

秋

冬—

电负荷

季节风电光伏发电功率

购电功率燃气轮机供电功率—弃风弃光功率—

燃料电池发电功率

电解槽用电功率②

热能利用春

夏

秋

冬☆热负荷

季节

—

失热负荷

一

燃料电池和电解槽放热功率

一燃气轮机供热功率一燃气锅炉供热功率上级电网上级燃气网10加压装置1号分布式光伏发电系统2燃料电池2号分布式光伏发电系统43号分布式光伏发电系统电转氢气装置氢储能运行策略富余电量

母线电压分布式光伏

供电负荷

反送配电网达到上限燃料电池电转氢气氢储上限-热负简燃气锅炉燃气轮机外部气网助气→

电力流，

……热力流，

…→天然气流，

-→氢气流外部电网购电光伏

风电电解槽

储氢罐燃料电池本地系统电负荷氢储能单元春

秋

季电

热负荷适中夏季电负荷高热负荷低冬季电负荷低

热负荷高2.氢储能系统中长周期运行特性电转甲烷：45%~60%

电转氢：75%~90%(优先考虑)应用场景1:分布式光伏PV+气电混合P2G应用场景2:电热气联储联供低碳园区IES天然气网

氢转甲烷配电网；——燃气网；

→能量流向避免弃光电转甲烷装置3500锂电池功率/kW-50009200030001500500985①

AEC与PEMEC成本对比电解水设备约10000元/kW

寿命约60000h电解水设备的价格■运维成本12%■固定成本14%低寿命口电力成本

74%制氢电耗(高电流密度)口由于PEMEC比AEC设备成本高，氢气平准化成本将增加40%左右口随着可再生能源发电成本下降，预计2050年，氢成本将低至11.63元/kg口目前电—氢—电的发电成本也较高，达到3.61元/(kW·h),也远超现有度电需从技术、商业模式创新等多方面协同发力上网电价陆上风电海上风电光伏水电度电成本元/(kWh)0.6160.410.630.400.33中长期运行经济性评估：电解水制氢技术面临氢气平准化成本较高问题，制约氢气供应链2.氢储能系统中长周期运行特性经济性依赖度电成本+设备成本

70~90%联性水电解

稳定运行工况下，在技术层设

备成本和寿命优化空间有限②

我国目前各氢平准化成本增加设备成本，可

降低制氢电耗：降低制氢电耗，有可能降■固定成本

四运维成本图电价○平准化氢成本电解水设备约1400元/kW

寿命约80000hm■天然气制氢+CCSxx

煤制氢+CCS质子交换膜

水电解10口电力成本

89%■运维成本5%■固定成本6%电解槽寿命度电价格1.

初期新型电力系统“保供”措施·正常情况下，优先使用风电、光伏、水电等可再生能源·极端天气下，利用煤炭、燃气等稳定的化石能源进行供电补充·负荷分类保供必保负荷：化石能源保供经济负荷：可再生能源+化石能源协同保供柔性负荷：源网荷储互动(需求响应)2.

后期构建抗灾型电力系统口合理利用氢储能长周期、季节性储能优势，将一年内多风及晴朗天气的富余电力作为极端天气下的负荷供应口氢能可实现跨区域输送，加强各电网交流互联

，互为备用口构建P2G

弹性负荷

，通过氢能实现电网与气网融合，保证天然气的可靠供应(燃气机组)气象因素城市负荷(温控负荷)

负荷侧占比提高，负荷温度敏感度提升>2020年8月

>2021年2月

>2021年9月>今年8月美国加州高温大规模停电美国得州应对极寒天气，削减负荷最高达到2000万千瓦我国东北冷空气来袭，用电超负荷四川省应对高温的限电措施极端气候条件影响

：可再生能源为气象依赖型电源“靠天吃饭”2.氢储能系统中长周期运行特性主要氢负荷熊

炼

厂品

化I

厂钢铁灯储

氧

装

置■储氢洞穴2050年输氧管网德国2050年

氢气管规划网冲击负荷供应电源端■一改建天然气管道

…

新建氧气管道电力

系统111

新型电力系统关键技术2

氢储能系统中长周期运行特性3

源-网-荷-氢优化调度模型4

双碳目标下氢储能系统碳排放潜力报告提纲多能互补的可再生能源网络工商业用户电化学储能

其他储能方式储能信息系统电源端设备参数、风光预测系统、高精度天气预报、环境数据、监控数据及历史统计数据电网侧有功和无功调节能力、负载率、可靠性负荷端负荷特性、历史负荷数据、气象因素储能侧调峰、调频、调压、备用其中，储能作为灵活性、可调性资源，可实时“查漏补缺”,改变电能时域特性氢储能容量配置模型在各策略运行下可实现相应目标：新能源消纳最大化、最优运行经济性、系统安全稳定等传统电力系统：

“发-输-变-配-用”单向过程新型电力系统：“源-网-荷-储”一体化循环过程源网荷储各环节3.源-网-荷-氢优化调度模型源网互动

源

储

互

动13源

荷

互

动荷

儒

互

动居民用户网储互动网荷互动②

燃料电池耗氢效率电流I/A储氢罐中氢气在氧气(HTO)

的爆炸极限为4%~95%,且系统监测范围一般设定为爆炸

下限的50%,即HTO不超过2%燃料电池系统输出功率/kW耗氢区间受燃料电池容量影响高效率区间：以耗最少氢能出力>

新型储能系统容量配置直接关系到系统整体供电的可靠性及运行的经济性>氢储能的储能方式灵活，其输入功率、存储能力、输出功率可分别由电解槽、储氢罐和燃料电池容量决定可靠性口过小的储能系统无法保证系统电能质量和整体运行性能的提升口氢储能各设备运行状态存在效率和安全限制电解槽工作功率P/p.u.制氢区间受电解槽容量影响高效率区间：电解槽可制取更多氢能>

同时也带来了复杂的储能容量配置需求③

储氢罐HTO

安全系数3.源-网-荷-氢优化调度模型①电解槽制氢效率燃料电池系统效率%电解槽效率n/%14HTO/%光伏

风机

——负荷输出功率(kW)经济性口储能系统优化配置，尤其是规模尺寸设计，对于新型电力系统的建设投资与长期运营具有重要的影响口合理的储能尺寸设计也能够有效改善微电网及系统的运营成本方案123风电√×√光伏×√√等年值成本(×107¥)2.9093.0891.925·风能和太阳能的互补特性，即白天光强，夜间风多，夏秋季光照强，风小而春冬季风大，日照弱·

风光互补发电系统是一种具有较高性价比的新能

源发电系统。口通过氢储能实现能量的跨季节利用，提高可再生能源利用率和运行可靠性口系统等年值成本大幅降低，实现系统最优经济性目

标

函

数

：minTAC=Cw+Cx+Ca+Ca+C+C(等年值成本)约束条件：功率平衡，投建容量，氢储荷电状态，最大弃风、弃光率3.源-网-荷-氢优化调度模型■

年运行可靠性■

成本经济性合理风光

装机容量15hashiT3.源-网-荷-氢优化调度模型氢储能自我调节能力：随可再生能源出力变化自行调控到最佳运行状态口间接耦合系统

变换器接入存在问题：1201iae*e40xe|0760*0

11001100

15.0010时

网30252015105|al07.00光照强度(W/m²)12001000800600400200[

0009.00

11:0013.00

15.0017:00时间3530252015105007.0001最大功率跟踪+电压匹配光伏阵列输出特性电解槽阵列运行特性→H₂“Np×Ns”np×ns一算取单元个数—申氧单元个数0900

11.0

13.00

1500时间”2517面16结构复杂，增加系统成本存在电能传递损失，降低系统效率电磁干扰，输出电流纹波调节控制系统光照上温

度

-l光伏阵列耦合失配损耗光伏阵列变

换

器口直接耦合系统常规场景

复

杂

场

景09.00

11:00

13.00

15.00时间50454035302517:00将各子块拟合出来的直线合成。组成分段函数4L₁La-L)分别对每个子块内的曲线

进行线性拟合，拟合程度要处于误差允许范围内口源储双阵列系统分段x内—

能

量

流

--

信息

流并联单元个数—

串联单元个数确定子块数，将非线性

曲线划分为若干窗口电转氢

设备 LLLLLN

LULALLALJALPEM电解槽阵列··

·电解单元事最事元个藏骨避尊成个数串联单元个数并联单元个数H₂O合成Ug'1

新型电力系统关键技术2

氢储能系统中长周期运行特性3

源-网-荷-氢优化调度模型4

双碳目标下氢储能系统碳排放潜力报告提纲>“零碳排放”模式

：风电、太阳能(主要无碳能源)+氢储能(转换器)光/风清洁

“零碳排放”模式能源①

制氢电力来源我国三北地区弃风、光(未利用能量)②

主要依靠氢储能“电-氢-电”的转换特性，将电力馈入电网也可通过“西气东输”天然气管道将氢气输送至东部沿海地区“

双

碳

”

目

标

力争于2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和>目前，CO2减排路径主要有节能降耗和无碳能源替代化石能源术实现能量转换口有效提升可再生能源的并网品质为氢能顺利承担“零碳”任务，制氢效率和燃料电池发电效率需大幅提升，运输损耗应接近零损耗

典型氢储能示范项目

20152020中国河北沽源风电制氢示范示范项目中国宁夏宁东能源化工太阳能制氢示范项目风电光伏1000060000气态气态*J===I=I===氢储能在“零碳排放”模式的关键作用口电能和氢能通过制氢与燃料电池发电技项目名称中国张北风电场制氢及燃料

电池发电系统示范工程中国国网智能电网研究院

氢储能示范