绿电、绿氢与碳中和

霍群海¹，刘启冉¹，颜明东²，朱金大³，董明望⁴

1.中国科学院电工研究所

2.宁波舟山港集团有限公司

3.国电南瑞科技股份有限公司

4.武汉理工大学

1、背景介绍

什么是碳达峰和碳中和？通俗地讲，碳达峰指二氧化碳排放量在某一年达到了排放最大值，之后逐渐进入下降阶段；碳中和则指一段时间内，特定组织或整个社会活动产生的总的二氧化碳量，通过植树造林、海洋吸收、工程封存等自然、人为手段被吸收和抵消掉，实现人类活动二氧化碳相对“零排放”。什么是绿电？绿电指的是在生产电力的过程中，它的二氧化碳排放量为零或趋近于零，因相较于其他方式（如火力发电）所生产之电力，对于环境冲击影响较低，具有重要的发展前景。绿电的主要来源为太阳能、风力、生质能、地热等，中国主要以太阳能及风力发电为主。在“碳达峰”、“碳中和”目标背景下，加快发展风电、太阳能光伏等绿电能源，是我国推进清洁能源革命和构建清洁能源体系的重大举措。截至2022年底，我国可再生能源发电装机容量12.13亿kW，占全国发电总装机的47.3%^[1]。然而，可再生能源发电量与光照条件、风速、温度等自然因素密切相关，其波动性、随机性将显著影响电力系统安全稳定，带来绿电消纳难题。

使用可再生能源发电，通过电解水的方式所制得氢气称为绿氢。其燃烧时只产生水，从源头上实现了二氧化碳零排放，是纯正的绿色新能源，在全球能源转型中扮演着重要角色。绿氢作为二次能源，其潜在下游包括化工、冶金、交通、天然气掺氢、氢储能等。随着绿氢产能规模加速扩大，有望在上述多个领域为可再生能源规模消纳提供全新的技术路径。下面，本文将对化工和交通两个典型场景下的绿氢用能方式进行简要介绍。

2、绿氢在化工领域的应用

绿氢在化工领域的用能方式示意图如图1所示^[2]。电力侧包括可再生能源发电、外部电网和储能装置，通过电力调度控制中心实现源网协同下的稳定电力供应。化工侧为多个工段串联，主要包括电解水制氢工段、储存缓冲工段、化工合成工段三个环节，通过绿氢化工本地控制系统实现多工段之间灵活互动。

图1 绿氢在化工领域的用能方式示意图

并/离网方式下，电解水制氢工段由风光电源及外部电网共同或单独供能，从阴极生成H₂，在存储缓冲工段将氢气压缩存储到高压储氢罐当中（常见35MPa/70MPa），最终在化工合成工段合成氨、甲醇、甲烷等化工产品^[3]。电力视角下，上述生产流程涉及可再生能源发电、存储（电储能）和利用三个部分；在氢能视角下，上述流程同样涉及氢能生产、存储、利用三个部分。因此，该用能方式能够实现电能与氢能的深度耦合，发挥多类型能源调节灵活性，形成“电力-绿氢-化工”多能源融合系统，是未来化工领域清洁低碳转型的重要发展方向。

3、绿氢在交通领域的应用

港口作为交通领域用能集中的典型产业生产代表，同时也是能源系统与物流系统紧密耦合的产业枢纽，碳减排压力大^[4]。氢能具有能量密度高、产物无污染等优势，目前多以燃料电池为媒介在汽车、船舶等设备上利用，但多来源于化石燃料加工（灰氢），若使用可再生能源发电生产绿氢进行氢能替代能够进一步缓解港口碳排放压力。一种包含绿氢的港口综合能源系统用能方式如图2所示^[5]。

图2 绿氢在港口综合能源系统的用能方式示意图

如图2所示，能源输入包含电能（主电网、海上风电）、天然气（主气网）等，能源转换与存储设备包含电制冷机、吸收式制冷机、燃气轮机、燃气锅炉、储热罐、储氢罐、电解槽、氢能船舶、氢能汽车等，其中氢能船舶和氢能汽车（氢气集卡、氢气叉车、氢气物流车）同时以氢能存储和氢能负荷两种身份参与系统调节。能源输出主要包含冷、热和电负荷三种负荷。氢能船舶、汽车等移动氢能存储设备作为一种有效的调控手段，能够促进可再生能源消纳，同时其零碳属性也赋予港口更多低碳灵活性。港口综合能源系统面向港区内的电、热、冷、氢、天然气等多类型能源，根据其互补特性以及能量梯级利用原则，对能源系统和物流系统进行统一规划和协调优化运行，是提高能源利用率、降低港区碳排放的重要途径^[6]。

未来港口将成为海-陆能源系统的连接点，其交通-能量的耦合管理将成为实现海-陆能源协同的关键因素，一种以港口综合能源系统为核心的海-陆能源协同运行框架如图3所示^[7]。主要包括近岸城市、港口微电网、离岸工作平台、船舶微电网、离岸风电场和海岛微电网。通过多级分层控制、多区域协同合作等优化运行方式，实现港口多类型能源高效利用，助力区域碳减排，早日实现碳中和。

图3 以港口综合能源系统为核心的海-陆能源协同运行框架

    在国家重点研发项目“水运港—船多能源融合技术及集成应用”支持下，宁波舟山港集团有限公司联合武汉理工大学、国电南瑞科技股份有限公司、中国科学院电工研究所等科研单位正在建设国际第一个基于柔性互联的风-光-储-氢多能源深度融合低碳绿色港口示范工程。项目建成后，港区可再生能源渗透率将超过60%，本地绿电自洽率有望接近40%，可以实现港区大幅碳减排，对零碳绿色港口建设和港区碳中和具有重要的指导推广意义。

4、参考文献

[1] 羡一鸣, 安之, 刘斯伟, 等. 面向高比例新能源接入的电氢耦合系统设想及分析[J/OL]. 电力自动化设备: 1-11. DOI:10.16081/j.epae.202310014.

[2] 邱一苇, 吉旭, 朱文聪, 等. 面向新能源规模化消纳的绿氢化工技术研究现状与关键支撑技术展望[J/OL]. 中国电机工程学报, 2023, 43(18): 6934-6955. DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.230233.

[3] 石志鹏, 石祥建, 蔡丹, 等. 绿电与绿氢耦合煤化工的系统建设方案[J/OL]. 南方能源建设, 2023, 10(3): 143-149. DOI:10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.016.

[4] 蒋一鹏, 袁成清, 袁裕鹏, 等. “双碳”战略下中国港口与清洁能源融合发展路径探析[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(2): 139-146.

[5] 侯慧, 甘铭, 吴细秀, 等. 考虑移动氢能存储的港口多能微网两阶段分布鲁棒优化调度[J/OL]. 中国电机工程学报: 1-18. DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.223327.

[6] 邰能灵, 王萧博, 黄文焘, 等. 港口综合能源系统低碳化技术综述[J/OL]. 电网技术, 2022, 46(10): 3749-3764. DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1288.

[7] 方斯顿, 赵常宏, 丁肇豪, 等. 面向碳中和的港口综合能源系统（一）：典型系统结构与关键问题[J/OL]. 中国电机工程学报: 1-22. DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.212120.