中國工程院院士黃其勵：以氫電耦合為支撐 加快構建新型能源體系

人物簡介：
黃其勵，中國工程院院士，蒸汽工程領域著名專家，教授級高級工程師，博士生導師。現任國家電網有限公司一級顧問，兼任國家能源集團電力領域科學家、北京師范大學國家安全與應急管理學院戰略發展委員會副主任。中國電機工程學會會士、科普委員會主任委員、標準化委員會副主任委員，中國電動車充電基礎設施促進聯盟專家委員會委員，中國科學技術協會全國蒸汽工程學科科學傳播專家，長期從事燃燒領域科學技術研究、工程應用和電力企業的技術管理等工作。在燃煤清潔高效發電、可再生能源發電、節能環保和能源發展戰略研究等領域做出重要貢獻。主持實施90余項重大技術改造項目、主持或參加60 余項國家能源發展戰略研究。獲國家科技進步獎兩項、省部級科技進步獎二十余項、第十三屆光華工程科技獎，發表技術論文70余篇，參編技術著作5部，主編或主持出版科普著作若干。

當前，積極應對氣候變化、推動綠色低碳發展成為全球共識。隨著新一輪科技革命和產業革命深入發展，能源電力系統的安全高效、綠色低碳轉型及數字化智能化技術創新已成為全球發展趨勢。黨的二十報告就深入推進能源革命、加快構建新型能源體系、確保能源安全等作出明確部署。

隨著新能源的高速發展，新能源滲透率上升對電力系統安全穩定運行提出了眾多技術上、體制機制上的新挑戰，電力發輸配用系統的傳統邏輯也迎來變革。近日，中國工程院院士、國家電網有限公司一級顧問、國家能源集團電力領域科學家黃其勵圍繞能源生產消費利用場景的變化趨勢、電力系統發展的新方向、氫能的角色定位和發展，系統闡述了關于新型電力系統建設的關鍵問題與破題路徑。

電力發展成果豐碩但仍任重而道遠

黃其勵表示，近年來，我國電力發展呈現出四大向好跡象：一是電力供應保障能力穩步增強，二是電力綠色低碳轉型不斷加速，三是電力技術創新水平持續提升，四是電力體制改革攻堅成效突出。盡管成果豐碩，但黃其勵也表示，與西方發達國家碳達峰碳中和窗口期較長不同，我國碳達峰碳中和時間短、任務重，我國還處在邁向第二個百年奮斗目標新征程中基本實現社會主義現代化的個階段，經濟發展與能源發展仍未脫鉤，諸多系統性、“卡脖子"難題還有待攻克。

，新能源發展面臨多重挑戰。長期以來，我國電源結構以煤電為主，靈活調節電源不足，需加強靈活調節電源和儲能設施建設，發揮負荷側調節潛力，在新能源發電快速發展形勢下，要提升電力系統的安全性、靈活性，以確保支撐能源電力低碳轉型。尤其是西部、北部、西南部新能源集中開發、遠距離大規模輸送，對電網安全穩定運行提出更高要求，東中部分布式電源快速發展，需要進一步提升配電網智能化水平和承載能力。“過去我們電力裝機主體是相對穩定、可調的煤電和水電，未來將轉向以不穩定的新能源為主；過去是發輸配用瞬時平衡的剛性平衡電網，未來將轉向能源生產和消費雙向轉化的柔性多元電網；電網的結構形態也將從逐級升壓逐級降壓、單向潮流為主的傳統電網，轉向交直流混聯、微電網、局部電網、用戶可調負荷等兼具各種新負荷特性的綜合性電網。"黃其勵指出。

第二，能效水平亟待提高。目前，我國能源利用方式比較粗放，能源效率偏低。我國單位GDP能耗是全球平均水平的1.4倍，發達國家的3~4倍，能源科學消費和碳排放“雙降"，還有較大提效空間。亟待樹牢節能提效是“能源"理念，加快形成科學合理、簡約適度、綠色低碳的生產生活方式，培育綠色、健康消費習慣，增強全社會節能意識。

第三，科技創新能力亟須增強。隨著能源轉型深入推進，電力系統技術創新進入“無人區"，許多傳統理論將出現革命性變化，諸多技術創新沒有現成的經驗可以借鑒。基礎研究能力仍存在近、中、長期短板，建設新型電力系統的理論創新、技術突破、基礎材料、元器件、軟件等方面存在不足。黃其勵指出：“電力系統不論是在基礎理論、工程技術還是平衡特性上，都會出現巨大的變化和挑戰，我們需要進一步加大力度，從技術研究到工程應用，努力深化創新，提供完整可行的解決方案。"

“三化五新"成為電力發展新特征

實現“雙碳"目標，能源是主戰場，電力是主力軍，電網是頭兵。近期，國家能源局發布《新型電力系統發展藍皮書》，全面闡述了新型電力系統的內涵特征、發展路徑。《藍皮書》指出，新型電力系統是新型能源體系的重要組成和實現“雙碳"目標的關鍵載體。那么新型電力系統，到底“新"在哪里？

黃其勵將新型電力系統的“新"總結為“三化五新"：能源生產加速清潔化、能源消費高度電氣化、能源利用高效化，電源出現新結構、負荷出現新特性、電網出現新形態、技術出現新基礎、運行出現新特性。

“三化"意味著能源生產、消費、利用場景均出現變革——能源生產方面，能源主體調整帶來電源主體的變化，電源從以可控常規電源為主體，逐步轉換為以隨機性“靠天吃飯"的新能源為主體，引起電力系統運行特性改變；能源消費方面，能源深度脫碳使電能成為能源主體，帶來社會生產生活用能方式轉變，終端用能方式向電氣化、智能化發展；能源利用方面，能源轉化及利用效率需要提升，以電為樞紐的能源資源配置方式將進一步提升和加強，涉及到網絡資源及模式匹配的變革。

“五新"是指電源新結構、負荷新特性、電網新形態、技術新基礎、運行新特性——一是電源結構由連續可控出力的煤電占主導，向強不確定性、弱電網友好型的新能源發電占比大幅度提升轉變；二是負荷特性由傳統的剛性、單向、發-輸-用瞬時平衡型，向柔性、多元以及生產與消費柔性互動、多元以及生產與消費雙向型轉變；三是電網形態由單向、逐級升/降壓輸電為主的剛性傳統電網，向包括交直流混聯大電網、微電網、局部直流電網和可調節負荷的能源互聯網轉變；四是技術基礎由同步發電機為主導的機械電磁系統，向由電力電子設備和同步機共同主導的混合系統轉變；五是運行特性由源隨荷動的實時平衡、大電網一體化控制模式，向源網荷儲協同互動的非實時平衡大電網與分布式微電網協同控制模式轉變。

“新型電力系統以滿足經濟社會高質量發展的電力需求為首要目標，以高比例新能源供給消納體系為主線，以源網荷儲多元協同靈活互動為任務，以堅強智能柔性電網為核心平臺，以技術創新和體制機制創新為基礎，新型電力系統是我國實現中國式現代化的關鍵。"黃其勵總結道。

氫能全面發展關鍵在于降低成本

隨著具有隨機、波動、弱可控特征的新能源在電力系統中的滲透率逐步攀升，新型電力系統調節能力不足的矛盾愈發突出。目前，抽水蓄能等常規儲能所占比例尚不高，電化學儲能、壓縮空氣等新型儲能方式剛剛起步，只能滿足小時級、跨日的短期儲能需求。受溫室氣體排放和厄爾尼諾現象影響，全球氣溫飆升、異常氣候模式出現，比如“極熱無風"以及綿長的雨季，復雜氣候對新能源發電出力影響加大。電力系統急需尋找能夠滿足跨周乃至跨季需要的長周期儲能介質，降低供電成本，提高電力系統調節能力和吸納能力，而氫能或許就是解題的密鑰。

“氫能可作為各類能源之間的橋梁，與化石能源和可再生能源實現雙向聯動，通過平抑、吸納新能源的波動，以及部分替代化石能源，提高清潔能源在能源結構中的占比，助力新型能源系統的安全保障。"黃其勵介紹道。他還指出，氫能屬于技術密集的高科技行業，行業鏈條長、關聯產業多，從制氫、儲氫到用氫環節多，關鍵在于實現氫能產業核心技術、關鍵設備、重要原材料的自主化和降本增效。

成本始終是氫能應用推廣需要突破的門檻。以氫能產業下游環節為例，三年前，國內氫燃料電池系統的報價約為6000元/千瓦，而今年，價格已降至原來的一半，且系統質量也有所提升。黃其勵說：“我國燃料電池產品功率已經達到了200千瓦，部分產品達到250千瓦~300千瓦，使用壽命可以達到20000小時，系統成本2000~3000元/千瓦，具有一定的競爭力。將來我們需要更大的規模、更低的成本、更好的經濟性和環保性，促進氫能產業技術發展。"

展望未來，一方面，氫能在新型電力系統中可以起到支撐和調節的作用，另一方面，氫能未來可以成為國家能源體系的重要組成部分。黃其勵將新能源和氫能比作一對情侶，兩者在促進對方發展的同時，自身也得到了發展。他建議在兩者的發展上加強技術研發、努力協同創新、推進產業示范、*標準管理。

“氫電耦合未來有三個方向，‘電—氫’、‘氫—電’和‘電—氫—電’雙向，這對‘戀人’永遠手牽手在一起。"黃其勵表示。

種方向是需求側“電—氫"單向氫電耦合的應用，以綠色氫能為燃料，為氫能車、重卡車和河流船舶提供動力。西北、東北、東南、中南地區都在推動氫能重卡等工具車的示范應用。根據中國氫能聯盟研究院預測，到2030年交通用氫折算用電量約1650億千瓦時，對應的電解槽裝機4000萬千瓦。在需求側的工業場景，將綠色氫能作為原料，去替代灰氫和煤炭的工業應用。未來可圍繞大型化工基地和冶金工廠開展應用，以鄂爾多斯、寧東、榆林等大型能源化工基地和河北、山東、江蘇鋼鐵生產基地為核心進行應用。

電源側“電—氫"的單向氫電耦合應用也具有現實意義。在應用模式上，是“新能源-電力-氫能"的單向轉化，在新能源出力高峰時期進行轉化存儲。從規模能力上看，根據中國氫能聯盟研究院預測，2030年我國具備電解槽8000萬~1億千瓦的裝機；至2060年具備電解槽5億~8億千瓦。

第二種方向是“氫—電"單向氫電耦合應用，應用模式是通過氫能電站協同摻氫/純氫燃氣輪機，在負荷高峰時提供作用。歐美國家應急電源以天然氣發電為主，天然氣發電調峰能力強、靈活機動，但我國屬于“貧氣"的國家，氫能則是天然氣的“平替"乃至“上位替代品"。在規模能力上，隨著技術成熟和產業規模化發展，氫儲能參與發電將在中遠期具備一定的市場空間。

第三種方向是“電—氫—電"雙向氫電耦合應用。在應用模式上，在新能源大發或用電低谷時制氫，在用電高峰或新能源不足時利用氫能發電上網。氫能及其衍生品有作用周期長、規模大的優勢，可成為抽水蓄能、電化學儲能等儲能技術的有效補充，聯合配置，推動各類儲能技術的協同發展。

最后，黃其勵呼吁以氫電耦合為支撐，加快構建新型能源體系。新型電力系統是新型能源體系的重要組成部分，我們要深刻理解把握構建新型電力系統的價值判斷和方法，分三步走，通過加速轉型期(當前至 2030年) 、總體形成期(2030 年至2045 年) 、鞏固*期 (2045年至 2060 年)，向著碳達峰碳中和目標穩步邁進。雖任重道遠，但務期必成，喚起工農千百萬，同心干。

文章來源于電聯新媒，作者鄧卓昆
注：已獲得轉載權