氢电耦合发展报告： 基于绿氢项目尺度的发展策略研究

氢电耦合发展报告：基于绿氢项目尺度的发展策略研究 关于落基山研究所（RMI） 落基山研究所 (RMI) 是一家于 1982 年创立的专业、独立、以市场为导向的智库，与政府部门、企业、科研机构及创业者协作，推动全球能源变革，以创造清洁、安全、繁荣的低碳未来。落基山研究所着重借助经济可行的市场化手段，加速能效提升，推动可再生能源取代化石燃料的能源结构转变。落基山研究所在北京、美国科罗拉多州巴索尔特和博尔德、纽约市及华盛顿特区和尼日利亚设有办事处。 关于长城证券股份有限公司（中国华能产业金融研究院） 长城证券股份有限公司（以下简称“长城证券”）是中国华能集团旗下的全国性专业证券公司，是华能集团的金融资产投资、管理专业机构和金融服务平台，是我国最早成立的证券公司之一。“十四五”开始，长城证券根据国家政策和集团要求，着力发挥电力能源领域股东背景优势坚持以金融服务实体经济为发展主线，“以融促产、以融强产”，在能源产业与金融市场之间搭建桥梁，助力加快绿色清洁能源产业跨越式发展。中国华能产业金融研究院是中国华能集团第六家授牌研究机构，依托长城证券管理并开展业务，研究院深耕能源转型相关政策、行业以及市场研究，探索绿色金融创新，培育科创资产，打造高端智库并为投资者提供投资咨询服务。 氢电耦合发展报告：基于绿氢项目尺度的发展策略研究 作者与鸣谢 作者 落基山研究所：陈梓浩，高硕，李婷，张沥月长城证券股份有限公司（中国华能产业金融研究院）：雷灵龙，张鹏 其他作者 落基山研究所：刘子屹，王喆作者姓名按姓氏首字母顺序排列。 联系方式 高硕，sgao@rmi.org陈梓浩，zihaochen@rmi.org雷灵龙，leilinglong@cgws.com 引用建议 高硕, 陈梓浩, 张沥月, 雷灵龙等. 氢电耦合发展报告：基于绿氢项目尺度的发展策略研究，落基山研究所，2024 RMI重视合作，旨在通过分享知识和见解来加速能源转型。因此，我们允许感兴趣的各方通过知识共享CCBY-SA 4.0 许可参考、分享和引用我们的工作。https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ 除特别注明，本报告中所有图片均来自iStock。 鸣谢 感谢落基山研究所的刘雨菁、谭光瑀、王佩珊、薛雨军和张博雅在报告撰写过程中给予的宝贵建议。 目录 6 1.1从工业品到能源品种，氢能成为“碳中和”目标下能源转型的重要载体...............................................81.2绿氢时代，氢能与电能耦合发展对能源系统至关重要.........................................................................91.3微观尺度氢电耦合研究是绿氢产业发展初期的优先事项.................................................................... 10 第二章绿氢项目的发展现状、特点与挑战11 2.1 绿氢处于产业发展初期，电源配置模式呈现多元化........................................................................... 112.2 绿氢项目可通过场外和场内资源进行波动调节，但尚无统一规定....................................................... 122.3 绿氢项目在氢电耦合过程中面临多方面挑战..................................................................................... 14 第三章基于绿氢项目尺度的研究——以内蒙古为例15 3.1资源禀赋奠定开发基础................................................................................................................... 153.2政策支持助力项目实施................................................................................................................... 153.3研究设计与项目假设...................................................................................................................... 16 第四章发电与制氢：成本最优时的项目配置模式18 4.1当前政策条件下的基准情景结果.....................................................................................................184.2三倍于电解槽装机的新能源装机配比能够确保电解槽稳定高效运行..................................................194.3 风光配置相当时，成本最优且新能源利用率最高.............................................................................. 204.4小结与建议....................................................................................................................................22 第五章项目场外灵活性：与公共电网交互的政策要求对项目设计和 制氢成本的影响尤为关键23 5.1 上网电价直接影响上网电量收益，降低制氢成本.............................................................................. 245.2 上网电量比例是系统运行的关键限制............................................................................................... 265.3 禁止电量下网将显著提高电力系统冗余...........................................................................................295.4 小结与建议....................................................................................................................................30 第六章项目场内灵活性：促进绿氢项目的运行自主性和电网友好度的 调节方式31 6.1 储氢设施是绿氢项目用氢负荷稳定运行的必备选项........................................................................... 316.2 强制配储提高制氢成本，但可以节省项目运行成本并减轻电网运行压力............................................. 326.3 绿氢系统对于储能功率的需求优先于对于储能时长的需求.................................................................346.4 小结与建议....................................................................................................................................35 第七章总结与建议：立足发展阶段，建立推动产业蓬勃发展的 政策机制和项目决策体系36 参考文献38 执行摘要 氢能是我国未来能源体系的重要组成部分，对于难以完全实现电气化的终端用能部门，通过氢能进行温室气体减排尤为关键。预计到2060年，我国终端能源消费总量中10%–15%将由氢能提供，并将以可再生能源电力制备的绿氢为主，意味着制氢年耗电量可达约3.6万亿千瓦时，占全社会用电量的近五分之一。面对如此规模的电—氢转换需求，氢电耦合无疑是能源系统转型必须关注的重点问题之一。 氢电耦合发展的核心问题之一在于解决用氢端需求曲线与可再生能源电力出力曲线之间不匹配的问题。从供给侧看，绿氢生产即其制备所需的可再生电力将主要依托光伏发电和风力发电，其发电出力具有间歇性、波动性、随机性，发电设备的利用小时数较低，日内功率波动幅度大。而从消费侧看，绿氢在工业等场景中的应用通常对连续性和稳定性具有较强需求，以满足生产过程的安全性和工业品经济性。因此，绿氢项目需要借助电网交互、电化学储能、储氢等必要的技术手段，寻求新能源发电装机、制氢电解槽装机和下游用氢需求之间的平衡点，实现电力系统、氢能系统和终端消费的均衡与协同发展。 我国绿氢产业目前尚处于发展初期，截止2023年底，全国在运绿氢项目产能仅占氢气总产能的0.1%，制氢电量仅占全社会用电量的0.03%，“绿电制绿氢”在电和氢两个系统中的占比仍然较小，因此，面向当前阶段的氢电耦合问题研究宜优先关注项目尺度下电与氢的技术配置和协同发展。 我国诸多省区已经在政策端发力、积极推动绿氢项目落地。例如，内蒙古自治区继2022年2月发布《内蒙古自治区人民政府办公厅关于促进氢能产业高质量发展的意见》后，分别于2022年和2023年出台和修订了《内蒙古自治区风光制氢一体化项目实施细则》，为绿氢项目的落地提供了操作层面的政策指导与支持。 本报告以内蒙古的风光制氢项目为研究案例，依托既有政策条件，就绿氢项目的投资与运行决策进行经济性分析与仿真模拟，以求定量化探讨在绿氢项目开发和运营过程中关键政策变量，包括场内各类设施的配置要求和场内场外电量交互比例等，与项目投资运营决策之间的互动关系。 通过分析与模拟不同政策变量组合场景下绿氢项目的最优投资与运行方案，本报告按政策变量归纳总结了当前绿氢发展阶段下政策设计与项目落地之间的潜在相互关系： 上网政策（电量比例限制与电价水平）直接影响风光制氢项目余电上网部分电量的收益，对成本最优场景下风光发电资源的装机量、超配比例和产品经济性起决定性作用； 下网政策决定场内储能配置情况，下网电量比例限制调整至5%或更低时，继续严格限制下网电量将显著推高项目成本；电化学储能配置政策直接影响系统成本，现阶段，业主方出于成本考虑缺乏超配电储能设施的动力，但配置电化学储能对于项目所在地电网而言具有外部性收益；与电化学储能相比，低压储氢是具有比较优势的场内灵活性选择，政策变量对配置的影响较小。 从政策制定的角度看，如进一步修订和完善绿氢项目实施细则，可考虑如下方向：（1）审慎设定和调整上网电量比例限制，适时调整上网电价；（2）合理确定下网电量限制比例，在现有基础上可以有小幅收紧，但需留有余量；（3）权衡电化学储能配置的比例和时长要求，平衡现阶段业主的成本可负担性和未来绿氢项目大规模发展后电网的调节需求；（4）在氢储能方面，适当推动长周期储能的先行先试。 从绿氢项目业主的投资与运营角度看，存量项目业主宜在场外灵活性配置方面优先关注上网电价调整趋势，增量项目开发