由于風/光等新能源發電具有隨機、間歇和波動等特性，面向煤基低碳能源系統的高比例乃至100%新能源電力系統面臨清潔與穩定、經濟與可靠矛盾等挑戰。利用靈活的電解水制氫，等效充電、氫氣和氧氣存儲，等效儲電/能、氫/氧及其衍生物發電和氫耦合原料煤等多途徑綜合利用，等效放電特性，儲能容量可以高達千萬千瓦時以上，持續充放電數周的電網級長時間尺度氫儲能技術是解決這些問題的有效技術手段。

（來源：微信公眾號：“電氣應用”ID：ELEC_APPLICATION）

自18世紀以煤為燃料驅動的蒸汽機誕生以來，人類對煤、石油等傳統化石能源的利用已接近200年，煤基重碳構成了中國、南非等世界煤炭儲量豐富國家能源系統的典型特征，在這些國家內部煤炭資源富集區域的經濟與能源結構中，煤炭工業比重大。例如中國山西省，與煤碳相關的產業長期以來在全省國民經濟中處于舉足輕重的地位。煤基重碳能源系統極大地推動了人類文明的進步，也支撐了煤炭富集地區的經濟繁榮。傳統上煤炭主要通過燃燒取暖、發電或者本質上是氫富集過程的煤制烴類化合物的利用方式，構成火力發電為主的電力能源系統、汽油/柴油/煤油內燃機為主的交通能源系統、燃煤為主的熱力能源系統和煤/油基原料為主的工業能源系統等，具有環境破壞大、能耗率高以及資源約束強等弊端，難以為繼。為了克服煤基重碳能源系統的弊端，新型能源系統創新方案不斷被提出，主要成果表現為風/光等新能源發電為主的電力能源系統、電動汽車為主的交通能源系統的產生。隨之而來的兩個問題需要解答：①風、光等新能源能否承擔起傳統化石能源承擔的任務；②如果問題①的答案是否定的，那么新能源為主的時代，煤基重碳能源系統如何“重生”。

能源系統演進規律

自第一次工業革命以來，煤基重碳能源系統基本形態的演變總體上歷經了三代。

第一代煤基重碳能源系統：一次能源主要以煤炭為主，能源的利用形式主要為煤碳作為燃料利用，為人類生產、生活提供熱能和電力，構成燃煤蒸汽渦輪發電為主的電力能源系統、燃煤鍋爐驅動的熱力能源系統、燃煤蒸汽鍋爐驅動輪船、火車等為主的交通能源系統以及燃煤（冶煉）或以煤為原料的工業生產能源系統。

第二代煤基重碳能源系統：一次能源主要以煤炭、石油和天然氣等化石燃料為主，能源的利用形式為化石燃料作為燃料和原料利用，為人類生產、生活提供熱能、電力和原料，構成燃煤蒸汽渦輪發電為主的電力能源系統、燃煤鍋爐為主的熱力能源系統、石油內燃機驅動為主的交通能源系統以及煤/油/氣為主要原料的工業生產能源系統。

第三代煤基重碳能源系統：一次能源除了化石能源外，還有風、光為代表的可再生能源，能源的利用形式為化石燃料作為燃料和原料利用，可再生能源發電，構成燃煤蒸汽渦輪發電和可再生能源發電混合的電力能源系統、化石能源鍋爐和電熱混合的熱力能源系統、化石能源內燃機和電力混合的交通能源系統以及煤/油/氣為主要原料的工業生產能源系統。第三代能源系統中，風/光等清潔可再生能源的加入，一次能源側進一步降低了碳含量，輸出側電氣化特征更加顯著。

煤基低碳能源戰略

面向煤炭富集省區低成本、可持續的能源發展戰略的煤基低碳能源系統的基本架構如圖2所示。

從圖2中可以看出，基于本地資源約束的一次能源主要為煤炭和清潔可再生的風、光等新能源，煤炭主要作為原料利用，電能主要來自于可再生能源發電，構成基于含大規模新能源發電系統的電力能源系統、主要基于電轉熱的熱力系統、主要基于電力能源（但并不一定是電力驅動）的交通能源系統以及煤為主要原料的工業生產能源系統。

煤基低碳能源系統的創新實現策略

由于風/光等新能源發電具有隨機、間歇和波動等特性，面向煤基低碳能源系統的高比例乃至100%新能源電力系統面臨清潔與穩定、經濟與可靠矛盾等挑戰。利用靈活的電解水制氫，等效充電、氫氣和氧氣存儲，等效儲電/能、氫/氧及其衍生物發電和氫耦合原料煤等多途徑綜合利用，等效放電特性，儲能容量可以高達千萬千瓦時以上，持續充放電數周的電網級長時間尺度氫儲能技術是解決這些問題的有效技術手段。

現有技術條件下，煤化工等煤基原料工業生產系統中的大部分產業本質上是“氫”的富集和利用，在煤基低碳能源系統中，支撐高比例乃至100%新能源電力系統清潔與穩定、經濟與可靠運行的大規模氫儲能系統存儲的氫氣和氧氣，天然地構成了煤化工等煤基原料工業生產系統所需要的二次能源系統。以大規模氫儲能系統為橋梁，可以從產業鏈上將煤基低碳能源系統的一次能源系統中的煤與風、光等新能源耦合在一起，構成低碳風/光－煤工業生產系統，進一步降低整個能源系統的碳含量。因此，煤基低碳能源系統的創新實現策略可以概況為：以大規模風/光－電解水制氫儲能為橋梁，構建基于高比例/100%新能源電力系統高效、可靠和穩定供電的“風/光－煤能源系統”，實現風、光等新能源和煤資源在產業鏈上的整合、互補。具體包括：在我國山西省等煤碳資源富集地區，構建高比例/100%新能源電力系統供電的吉瓦級“清潔高效風/光－煤能源系統”，系統中：電能從風/光來，原料(泛指生產和生活需要的眾多碳氫化合物 )從煤來，大規模電解水制氫儲能電站是清潔電能高效、可靠和穩定供給的“調節器”和原料煤的“清潔工”。清潔高效風/光－煤能源系統的基本架構如圖3所示。

基于氫約束的煤炭消耗量和新能源電站裝機容量概算

氫氣的應用領域十分廣泛，主要用于化工業中合成氨、甲醇以及石油煉化等過程的加氫反應。此外，在冶金工業、電子工業、浮法玻璃、食品加工、精細化工合成和特種航天工業等行業也得到廣泛應用。目前，我國氫氣作為直接產品或燃料的量較少。

考慮氫氣需求市場的規模和適用性的影響，根據優先級選定地點，將氫能利用途徑的分類按照制氫點與用氫點之間的距離進行分類。短距離氫能利用主要為化工業；中距離氫能利用包括了城市天然氣作燃氣和氫能燃料電池汽車；長距離氫能利用為主干省際間的天然氣輸送管道摻氫。

（1）短距離用氫市場年需氫量估算

山西省年生產氮肥約450萬t，折合為合成氨的產量約為554.35萬t。據中國石油和化學工業聯合會最新數據統計顯示，近年來，全國精甲醇年產量約為5 000萬t，同比增長7.1%，其中山西省精甲醇產量約為400萬t。作為原料消耗的7 000萬t原料煤假定均用來制甲烷，不考慮制取過程中氫氣泄露以及其他消耗。根據上述數據估算山西省短距離用氫市場年需氫量約為1 000萬t。

（2）中距離用氫市場年需氫量估算

山西省保有公共汽車約為10 000倆，出租汽車約為30 000倆。按照現運營的氫燃料汽車運行情況，在滿載城市工況下，公共汽車百公里氫耗約為7~8 kg，取平均數7.5 kg，每天運行公里數為300 km。出租汽車，在滿載城市工況下，百公里氫耗約為1 kg，每天運行公里數為400 km。此處每年耗氫量約為11.54萬t/年。此外，如表1所示，還有各類型載客和載貨汽車約600萬倆。從我國汽車燃料消耗量查詢系統可以得到，小型客車的百公里耗油量為4~10 L，小型貨車的百公里耗油量為6~11 L, 普通重型貨車的百公里耗油量為20 L。氫氣的能量密度約為汽油的三倍，燃料電池的能源利用效率約為內燃機的1.75倍。常規載客汽車年平均行駛10 000 km，載貨汽車每天平均行駛300 km。

城市燃氣管道摻氫可以替代日益增長的天然氣需求。近年來，山西省城市供氣情況數據如表2所示。在12T基準氣條件下（華白數標準為50.73 MJ/m3，燃燒勢標準為40.3），為了不改變終端用戶的燃具，混合氣中氫氣的最大允許體積分數為23%。

根據上述數據估算山西省中距離用氫市場年需氫量約為220萬t。

（3）遠距離用氫市場年需氫量估算

西氣東輸西一線全長為4 200 km，管徑為1 016 mm，設計壓力為10 MPa，年設計輸送量為170×108m3/年，經過臨汾市蒲縣和晉城市陽城縣。摻25%氫－天然氣的混合氣體在良好監管情況下不會增加爆炸引起的危險。按照體積分數25%的比例摻氫，遠距離用氫市場年需氫量約為38萬t/年。綜上所述，短、中和遠距離用氫市場，支撐山西省煤基低碳能源系統的年氫氣耗量約為1 258萬t，約為1 400億N·m3氫氣，約需消耗6 000億kW·h電能，約需風/光等新能源電站裝機容量2.7億kW（可以考慮輸入鄰近內蒙等地的新能源電能來滿足），耗水1.4億m3（約相當于當地270萬城市人口一年的生活用水量）。

由上述分析可知，基于煤基低碳能源系統及其創新實現策略的構想，一方面，海量增加的新能源電力需求可以有效提升國民經濟的質量和數量，創造大量高質量的工作崗位，降低傳統以煤炭作為燃料利用的產業退出過程對經濟和社會的沖擊，提供了經濟上的可行性；另一方面，在確保環境保護目標實現的前提下，山西省已經探明的2 000多億t煤炭儲量可以確保當地乃至國家中、長期的發展需求，確保了這一戰略的可持續性。

高比例新能源電力系統中大規模氫儲能系統的關鍵技術

面向高比例乃至100%新能源電力系統的大規模氫儲能系統，是確保基于清潔高效風/光－煤能源系統的煤基低碳能源系統創新策略經濟性的技術基礎，從理論和應用技術層面還面臨諸多挑戰，亟待解決，主要包括：

1）基于新能源和氫儲能系統性能協調約束，大規模氫儲能系統/電站構建及其大容量線性擴容集成與調控技術。

2）基于目標區域資源協調約束，大規模氫儲能系統/電站并網規劃理論和應用技術。

3）基于能源系統性能協調約束，大規模氫儲能系統/電站并網調控運行理論和應用技術。

4）其他。

結論

1）能源系統的演進遵循脫碳、重碳化石能源主要以燃料和原料兩種形式被利用的基本規律，因此，基于大規模氫儲能技術的清潔高效風/光－煤能源系統創新實現策略的煤基低碳能源系統，是支撐煤炭富集省區低成本、可持續實現能源供給側結構戰略調整的可行技術路徑。

2）基于大規模氫儲能技術的清潔高效風/光－煤能源系統創新實現策略的煤基低碳能源系統，在確保環境保護目標實現的前提下，為包括山西省在內的煤炭富集省區的能源可持續發展戰略的實現提供了技術支撐。

3）面向高比例乃至100%新能源電力系統的大規模氫儲能系統，是確保基于清潔高效風/光－煤能源系統的煤基低碳能源系統創新策略經濟性的技術基礎，從理論和應用技術層面還面臨諸多挑戰亟待解決。

原標題:大連理工大學袁鐵江，華北電力大學彭生江等：面向煤基低碳能源戰略的大規模風/光－氫儲能－煤多能耦合系統