2024绿氢电力系统的形态演进报告

绿氢电力系统发展历程与未来趋势

绿氢过去式：从小规模到大规模的应用演变

小标方时代

• 应用场景：电制氢用于大型发电机冷却介质，数据中心年耗电量预计从270TWh增长至400TWh（2030年）。
• 技术特点：变换器由制氢厂自备，采用380V晶闸管整流系统，系统效率低，输出电压低导致电压损耗占比高。

大标方时代

• 应用场景：基于改良西门子法的多晶硅生产，使用氢气在高温下还原纯化SiCl至高纯度多晶硅。
• 技术特点：采用10kV电压等级供电，晶闸管多脉波（12/24/48）整流电源，兆瓦级百标方-干标方/h电制氢系统，提高电能质量和系统效率，电源生产开始走向专业化。

大规模应用

• 技术特点：500标方/h电解系统输出电压高，电压损耗占比低，多台并列运行的大标方电制氢系统依据峰谷电分时段运行，拓扑结构为一拖四。

绿氢现在式：一次系统和二次系统

一次系统

• 政策支持：依托风光大基地，风光制氢一体化示范项目获批建设，如内蒙古自治区的相关政策，允许项目向电网送电，年上网电量不超过总发电量的20%。
• 技术特点：风光氢一体化系统中，风光外线与电网双线接入、双主变互为备用；基于IGBT的制氢电源更适用于波动制氢场景，低负载运行时纹波低，有利于提升制氢效率和气体纯度。

二次系统

• 技术挑战：绿氢电力系统涉及的上下游边界复杂，制氢负荷低负载运行时段多，力调费多，机组启停计划需决策优化；系统在功率质量约束下的可行区域需进一步研究。

绿氢将来式：未来发展趋势

离网型绿氢电力系统

• 技术特点：10kV与380V动力电源全离网，需配置燃料电池和锂电池储能系统，负荷优先利用一次电（风光）、其次是二次电（锂电池）、最后是三次电（氢电）。
• 应用场景：不同的一次电（风光）结构下，二次电（电化学储能）与三次电（氢储能）的配比不同，风电利用小时数高时表现为“大氢小电”，光伏利用小时数低时表现为“小氢大电”。

氢储能电力系统

• 技术特点：动力电源的离网可进一步扩大到更大型的电力系统，如数据中心，负荷基本平，深度减碳场景下需要四次电（氨储能）。
• 应用场景：数据中心降低成本的关键是复用好穴余的发电资产，氢储能作为备用发电机组，通过集中开发维护，实现共享互济，电力系统结构需从交流向交直流混合甚至纯直流调整。

耦合绿氢供应链的电力系统

• 技术特点：四次电的存储成本极低（储氢约1元/kWh，仅为二次电的1/1000），通过复用发电资产，如火电掺氨，可降低电网减碳成本。
• 应用场景：绿氨供应链有外链和内链之分，外链主要通过三北走渤海湾后运输到东部沿海，内链主要通过海上风电利用船运海风制氨获得；若绿氨终端供应成本达到4000元/吨，可能在现货市场上获利。

总结

• 发展历程：氢在电力系统中的集成经历了由小规模到大规模的发展，随着可再生能源的发展和制氢装置的大型化，制氢电源形成专业化的细分行业。
• 现阶段：风光制氢一体化的新需求促进了全新的绿氢系列技术的发展，形成了绿氢发展的核心基础。
• 未来趋势：随着双碳目标的不断深入，氢发电和氢供应链技术将逐步进入电力系统，逐步解决包括离网制氢，数据中心绿色化，乃至电力系统降碳在内的一系列重大需求和挑战。