全国首个乡村“水氢生物质近零碳示范工程”有哪些技术？
当前，光伏发电已经超过水电成为浙江第二大电源。到2025年，浙江规划新能源装机总量为3700万千瓦，同比2020年增长近100%。随着新能源渗
当前，光伏发电已经超过水电成为浙江第二大电源。到2025年，浙江规划新能源装机总量为3700万千瓦，同比2020年增长近100%。
随着新能源渗透率的快速提高，电网形态及运行特性将发生变化，电力电子化特征逐渐凸显，浙江电网将面临电力电量平衡困难、稳定控制难度大、调节能力不足等挑战，需要新的应对策略。
“氢电耦合“则是可以选取的策略之一。当前，“氢电耦合“已经在能量调节、转换与存储、能源互联等方面体现出优势，热度越来越高，被视为未来实现高比例新能源电力系统稳定运行的一种重要方式。根据全球能源互联网组织的估算，到2060年，中国电制氢规模将达到6000万吨。
聊“氢电耦合”之前，我们现在来了解一下“氢”
一、氢能
氢（Hydrogenium）是一种化学元素，在元素周期表中位于第一位，原子量1.00794，氢通常的单质形态是由双原子分子组成的氢气，氢气是最轻的气体。
常温常压下，氢气是一种极易燃烧，无色透明，无臭无味的气体，一种能量密度很高的清洁可再生能源。氢能是出核燃料外发热值最高的，是汽油发热值的3倍、焦炭的4.5倍。氢燃烧性能好，燃点高，燃烧速度快，氢燃烧的产物是“水”，是世界上最干净的能源。
氢通常由一次能源转化、工业副产氢、电解水制氢或可再生能源制氢而获得。根据其制氢的方式，氢可分为灰氢、蓝氢和绿氢。
二、氢储能系统技术
现有的储能系统主要分为五类：机械储能、电化学储能、电磁储能、热储能和化学储能。
机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等；电化学储能主要包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池；电磁储能包括超级电容器储能和超导储能；热储能是将热能储存在隔热容器的媒介中，适时实现热能直接利用或者热发电；化学储能是指利用氢等化学物作为能量的载体。
储能即储存能量，根据能量形式的不同，储能又可以分为电储能、热储能和氢储能三类。机械储能、电化学储能和电磁储能属于电储能，目的是储电，适用于充放电短周期内的就地使用。
氢储能与其他储能方式相比具备的优势：
在新能源消纳方面：氢储能在放电时间（小时至季度）和容量规模（百吉瓦级别）上的优势比其他储能明显；
在规模储能经济性方面：随着储能时间的增加，储能系统的边际价值下降，可负担的总成本也将下降，规模化储氢比储电的成本要低一个数量级；
在储运方式灵活性方面：氢储能可采用长管拖车、管道输氢、天然气掺氢、特高压输电-受端制氢和液氨等方式；
在地理限制与生态保护上：相较于抽水蓄能和压缩空气储能等大规模储能技术，氢储能不需要特定的地理条件且不会破环生态环境。
三、氢电耦合
“绿氢”是未来氢能的发展方向，而“绿氢”是由水电解而来，可以认为是间接的电气化，同时氢气的可存储性质也为电力系统提供了大规模、长时间的能量存储方式。因此通过“绿氢”，“碳中和”的两大支柱——电与氢就耦合在了一起，形成了氢能和电能互相转化、高效协同的能源网络。
1、电源侧与制氢耦合
电源侧与制氢耦合包括“电-氢”和“电-氢-电”两种应用场景。第一种场景是利用先进电制氢技术的高度可调节负荷特性，将风、光等新能源发电产生的富余电量转换为氢能进行储存，减少弃风、弃光的同时，满足当地化工厂和加氢站的用氢需求；第二种场景是当新能源发电量出现不足时，采用氢燃料电池将储氢罐中的高压氢能转化为清洁电能并网。
2、储能侧与储氢耦合
氢储能被明确纳入“新型储能”，其在能量密度、储能时长、地域转移上优势明显，而在能量转换效率、响应速度等方面则相对较差。电化学储能性质则恰恰相反，因此氢储能与电化学储能在周期上、规模上、空间上可互为协同、互为补充，二者有机形成的混合储能可以更好地支撑未来新型电力系统的平稳运行。
3、电网侧与输氢耦合
我国绿氢的经济性资源与氢能的需求呈地理上的逆向分布。西北地区由于风、光资源丰富，绿氢制取成本相对较低，而国内氢能需求主要集中在经济发达的东南沿海地区，因此涉及到绿氢的长距离输送。目前主流的绿氢运输有两种模式，即“源侧绿电制氢+管道输氢”和“特高压输绿电+负荷侧制氢”。在我国电力市场机制日渐成熟的背景下，后者在经济性方面的竞争力持续提升。
4、负荷侧与用氢耦合
在建筑行业，通过氢燃料电池热电联产为城市居民用户和海岛、边防等偏远地区居民用户提供电能和热能，助力建筑业低碳发展。在交通行业，在现有充电站的基础上增设电氢双向转换以及储能一体化设备，构建“充电站+加氢站”合建站模式，为汽车用户提供多能源服务。当公共电网不能满足电动汽车的负荷需求时，采用氢燃料电池装置发电；当氢需求较高时，采用电解槽装置产氢。
四、氢电耦合系统应用
“氢电耦合”多个示范项目在不断推进中。其中，由中国能建浙江院参与联合总包、浙江火电承建的丽水缙云水光氢生物质近零碳示范工程于近日正式投运。
该项目位于丽水缙云上湖，是首个基于乡村场景的水-光-氢-生物质综合利用示范工程。项目将构建以电能为核心的多能转换系统，实现水电制氢、生物质制气，促进富余水电就地消纳，农村废弃物循环利用，打造电氢生物质协同的乡村“碳中和”样本。
作为国网浙江公司着力推进的浙江省四大“氢电耦合”示范项目之一，也是全国首个乡村氢能生态科技项目，创造性地利用绿氢“提纯”沼气，构建“绿电-绿氢-生物质”等多种绿色能源一体化的能源综合利用系统。
工程投建了全国首台沼气加氢甲烷化设备，让氢气与沼气中的二氧化碳反应生成甲烷，可将沼气提纯至95%以上，预计每年产出氢气18万标方，可供一辆氢燃料汽车跑160万公里；每年可产出生物天然气2万标方，满足100户农村家庭一整年的使用需求。
1、系统如何运作？
【1】 制氢——绿电“变”绿氢
分布式光伏和小水电站，在高峰时段产生电力。利用这些电力，可以在制氢单元里将水电解成氢气。
该项目采用质子交换膜（PEM）电解槽堆作为电解水的核心部件，具有电流密度大、氢泄漏率低、绿色无污染等特点，每小时可生成约60标方氢，纯化后的高纯氢气进行存储。
制氢用到的公式，是我们常见到的：2H2O=2H2↑+O2↑
【2】 储氢——静待使命开启
前端设备制取的氢气，通过输氢管道，将氢气储存在储氢罐中，储氢罐出口连接至减压阀箱系统，为后端氢燃料电池、甲烷化系统提供工艺生产所需的氢气。
【3】 用氢——氢气们的梦幻之旅
站内设置氢气分配阀组，用于调节氢气，将它们派送到不同的地方。
一部分氢气通过增压机、加氢机为园区内燃料电池叉车提供加氢服务；
一部分氢，通过氢燃料电池单元，产生的电能上网，热能供值班室使用，将氢能与电能进行耦合，实现用户侧的电、热的清洁供应。
还有一部分氢气，被送到甲烷化单元，在这里，它将与二氧化碳“狭路相逢”，一轮转化后，完成净化沼气的使命，沼气转变成了生物天然气。
有人会问，这些二氧化碳是哪里来的？
这些二氧化碳，来自大自然的植物、秸秆、粪便或者餐厨垃圾等生物质资源，在沼气单元里，将这些资源通过预处理、厌氧发酵等系列操作，生成沼气，其成分是甲烷和二氧化碳。
将生成的沼气输往甲烷化单元，在这里，沼气中的二氧化碳与氢气发生反应，生成甲烷和水，最终将生物质资源转成生物天然气。天然气不仅可用于发电、燃气灶具、采暖及制冷，还可用于制造炭黑、化学药品和液化石油气等，是很多物质的重要原料。
2、系统的N个优点
【1】该系统采用国产PEM制氢装置，实现对可再生能源的快速响应，为解决可再生能源的消纳问题提供工程经验。
【2】该系统采用制氢、氢储能和燃料电池耦合的形式，实现从电-氢-电（热）的高效转化，为氢电耦合理论提供工程案例。
【3】该系统将采用沼气发酵设备和沼气加氢催化设备，将氢能与生物质中的碳结合转化为输送更容易的天然气，是解决氢气运输难题的一种探索，同时也为西电东送提供另类的视角，助力西部大开发和一带一路工程。
（来源：中国能建浙江院、浙江火电）
