内蒙古自治区氢电耦合助力构建新型能源体系实证研究

王 杰，吴 昊，熊 力，辛颂旭，张佳丽

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.中国产业发展促进会氢能分会，北京 100080)

0 引 言

党的二十大报告指出，积极稳妥推进碳达峰碳中和，深入推进能源革命，加快规划建设新型能源体系，积极参与应对气候变化全球治理。立足能源安全与双碳目标，加快构建新型能源体系，推动可再生能源大规模开发利用，是当前及今后很长一段时间，能源行业发展的重要使命。在新型能源系统中，随着可再生能源占比的提升，面对大规模风电、光伏发电装机带来的间歇性、波动性问题，发展可再生能源制氢，打造氢电耦合的模式，将是重要的解决方案。氢能作为最具发展潜力的清洁能源，可连接多种能源形式，构成耦合发展体系，是支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介，也是实现交通、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择[1]。

发展氢能产业，构建氢电耦合，对于推动源端可再生能源消纳利用和终端用能的清洁替代，构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系有关键的意义，而风光资源丰富的内蒙古自治区有得天独厚的优势。为此，本文以内蒙古自治区为例，通过案例分析，研究氢电耦合在助力新型能源体系构建过程中的作用和发展趋势，具有多方面的意义。一是，通过实证分析在风光资源富集地区发展氢电耦合的可行性，推动氢能产业发展成熟；二是，通过分析氢电耦合对构建新型能源体系的作用，促进该模式推广，推动三北等地区可再生能源消纳和大规模开发利用；三是，通过研究三北等可再生能源资源富集地区氢电耦合新模式的发展，促进区域平衡与协同发展。

1 新型能源体系中的氢电耦合发展潜力

新型能源体系是以可再生能源为主体的清洁、低碳、安全、高效的能源系统，由于高比例可再生能源接入可能带来的消纳风险，能源体系需要通过技术、模式、业态等方面的创新，以保障能源的安全供给，氢电耦合是一个重要的创新方向。

1.1 新型能源体系中的可再生能源发展总体趋势

当前，碳减排已成为全球共识，各国相继制定可再生能源主导的能源变革战略，将可再生能源作为能源转型的主要方向[2]。从国内来看，作为构建新型电力体系的主力军，可再生能源发展呈现出4个方面的主要趋势：

(1)可再生能源将成为能源消费增量主体，并逐步走向存量替代[3]。未来5年，可再生能源将成为能源消费增量主体，逐步形成市场竞争力，基本建立适应可再生能源多元化、市场化发展的政策和市场体系；在2035年～2050年期间，可再生能源将成为能源消费总量主体，全部可再生能源占一次能源消费比重达到50%左右，占全社会用电量比重力争达到70%左右[4]。

(2)通过技术进步、产业升级、市场化配置资源，风电、光伏发电成本快速下降。光伏方面，2015年，我国启动光伏领跑者计划，采取招标优选的竞争性比选方式配置项目，并将光伏组件效率、电价等作为重要竞争条件，推动了国内光伏建设成本和上网电价的快速下降，预计在中长期内，光伏将成为我国上网电价最低的供电方式。风电方面，技术进步也推动了市场化步伐的加速，2019年以来，新增核准的集中式陆上和海上风电项目均通过竞争方式配置和确定上网电价，通过竞争方式优先建设补贴强度低、退坡幅度大、技术水平高的项目[5]。

(3)氢成为可再生能源发展的重要支撑，成为可再生能源向其他能源转化的重要媒介。近年来，我国氢能产业发展势头迅猛，可再生能源制氢、燃料电池汽车、氢储能等领域加速布局，相关技术水平快速提升，氢能已成为我国未来产业发展的重要方向之一。其中，绿氢对可再生能源电力的消纳作用，正在成为可再生能源大规模高比例发展的重要支撑。

(4)降低发电成本是发展可再生能源制氢、实现氢电耦合的关键点。近年来，全球范围内可再生能源度电成本持续降低，国内从2019年迈入可再生能源平价上网时代。随着风电、光伏开发利用规模增大，度电成本会进一步降低，从而降低电解制氢成本[6]。

1.2 氢电耦合促进可再生能源规模化应用

可再生能源具有明显的分布不均和不稳定生产的特征，氢能与电能的深度耦合恰恰能支撑更高份额的可再生能源电力的发展。可再生能源制氢与氢储运、氢应用技术的不断进步，有望使部分优势地区的可再生能源摆脱电网设施及消纳条件的限制[7]。

氢电耦合系统推动可再生能源终端应用见图1。从终端应用来看，可再生能源制氢可提高灵活性，以适应电力系统中不断增加的可再生电力份额，下游产业的内置存储容量可起到缓冲作用，以便根据电力系统的需求，实时调节氢气产量，并可长时间消纳波动性可再生能源，从而实现季节性存储。

图1 氢电耦合系统推动可再生能源终端应用

1.3 氢电耦合是能源体系创新发展方向

在能源系统的持续变革中，一些新模式、新业态的创新成为其发展的主流趋势，新能源与储能、新能源与氢能、可再生能源与终端智慧用能融合发展将不断取得突破，而氢电耦合的发展，将引领能源体系创新发展的方向。与此同时，氢能与电能同属二次能源，更容易耦合电能、热能、燃料等多种能源，并与电能一起建立互联互通的现代能源网络。制氢具有较好的扩展性和运行灵活性，氢气有助于实现电力系统与工业、建筑和交通运输部门之间的产业互连，可提高灵活性，同时能够促进可再生能源与电力系统的整合[8]。

在氢电耦合形成的能源网络互联模型中，主要包含电能链和氢能链2个部分，前者利用可再生能源的富余电力或低质量电力电解水，进而生产绿氢；后者则可以通过从水电解制氢(不同规模)、压缩氢储存到燃料电池电站的链条，再次转化为电能[9]。基于可再生能源和氢储能的氢电耦合系统见图2。

图2 基于可再生能源和氢储能的氢电耦合系统

开展可再生能源制氢利用，可将丰水期富余水电、负荷低谷时段富余风电、午间富余光伏发电等可再生能源转化为氢能并存储，促进可再生能源主动参与电网调峰，提升新能源利用效率。随着电力现货市场试点及铺开，可再生能源富余时段直接反映为系统电价降低，提升电制氢的经济性[10]。

2 内蒙古自治区氢电耦合发展形势

2.1 政策支持现状

2.1.1 自治区政策支持

近年来，内蒙古自治区连续出台诸多支持氢能产业发展，特别是绿氢开发的政策，主要有：

(1)2020年12月，内蒙古自治区审议通过的《关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》指出，要大力发展新能源，推进风光等可再生能源高比例发展，壮大绿氢经济，推进大规模储能示范应用，打造风光氢储产业集群。

(2)2022年2月，《内蒙古自治区“十四五”氢能发展规划》出台，提出重点打造“一区、六基地、一走廊”的氢能产业布局，打造全国绿氢生产基地，到“十四五”末，内蒙古计划达成供氢能力160万t/a，绿氢占比超30%。

(3)2022年3月印发的《关于推动全区风电光伏新能源产业高质量发展的意见》要求，优先支持市场化并网新能源项目，包括源网荷储一体化、工业园区可再生能源替代、火电灵活性改造促进新能源消纳利用、风光制氢一体化示范等6类项目，均以落实消纳能力作为新能源项目的申报条件。

(4)2022年3月，《内蒙古自治区“十四五”能源发展规划》发布，将氢能作为实现自治区新旧动能转换的重要途径，实施绿氢经济工程，推进氢能基础设施建设布局，建设国家绿氢生产应用示范基地，打造能源发展新引擎。

(5)2022年9月，内蒙古自治区能源局印发《内蒙古自治区关于碳达峰目标下能源保障供应的实施方案》提出，稳步提升氢能绿色替代能力，推动自治区氢能产业发展，鼓励风、光、氢、储多能互补发展，推动可再生能源电解水制氢项目有序落地。

2.1.2 部分自治区下辖盟、市政策

与此同时，内蒙古自治区下辖多个盟、市的新能源建设项目中明确了配套制氢规模，主要有：

(1)包头市发改委公告明确了风电、光伏项目和氢能产业项目需同步投产，严禁只建设风光项目，氢能产业项目不投产，为可再生能源制氢发展提供了巨大空间。

(2)鄂尔多斯市在2021年4月发布《氢能产业发展三年行动方案(2022年—2024年)》，提出充分利用鄂尔多斯风光等可再生能源资源，支撑以煤炭为主能源结构向低碳零碳转型，推动鄂尔多斯朝着氢能装备本地化、氢制产品绿色化、全产业链商业化、关键技术自主化为一体的北疆绿氢城稳步前进。

(3)2022年6月出台的《鄂尔多斯市“十四五”能源综合发展规划》提出，紧抓自治区打造千亿绿氢产业集群发展机遇，打造全国氢能生产应用示范基地，推进氢能与风电、光伏、储能等一体化发展，科学合理安排风电、光伏+储能制氢建设规模，为氢燃料电池汽车规模化应用提供稳定绿氢来源，开拓可再生能源利用新业态。

(4)包头市于2021年10月发布的《现代能源产业基地“十四五”发展规划》提出，“十四五”期间，加快氢气制取、存储、运输、应用一体化发展，在可再生能源建设集中区，采用风、光、谷电制氢相结合的技术路线，建设百兆瓦级制氢储能一体化项目，扩大可再生能源制氢规模；全面推进达茂、固阳风电基地风电电解水制氢，形成60万t/a电解水制氢能力，制氢设备平均利用小时数达到4 000 h。

2.2 氢电耦合资源与产业发展基础

内蒙古可再生能源资源丰富，风能资源技术可开发量居全国首位，太阳能资源属我国最丰富的区域之一[11]。包头、乌海、达拉特入选国家光伏领跑应用基地，成为全国开展光伏领跑基地最多的省份。2019年，达拉特光伏奖励基地平均中标电价0.275元/kW·h，开创了全国新能源发电低于燃煤发电基准价的先河。

近年来，内蒙古可再生能源发展迅速，风电、光伏发电装机占比快速提升。2021年，内蒙古风力发电量为900.6亿kW·h，占比为15.13%；太阳能发电量为140.9亿kW·h，占比为2.37%；水力发电量为47.8亿kW·h，占比为0.80%。可再生能源发电量的快速增长，为绿氢产业发展奠定了良好的基础。

基于丰富的可再生能源资源和良好的可再生能源发展基础，内蒙古可再生能源制氢潜力巨大。“十四五”期间，内蒙古规划可再生能源新增装机8 000万kW以上，占全部新增装机的比重超过60%，成为新增装机的主力。可再生能源发电装机总量将达到1.35亿kW以上，其中风电8 900万kW，光伏发电4 500万kW，新能源装机规模超过燃煤火电装机规模，新能源发电量占自治区总发电量比重超过35%。内蒙古具备发展新能源大规模制氢良好条件，现有潜在新能源制氢产能超过330万t。

氢能装备方面，依托自身雄厚的工业基础和资源优势，内蒙古拥有较为坚实的氢能技术装备制造基础，聚集了一批资金雄厚、实力强劲的技术装备企业[12]。目前，全区开展氢能前瞻技术研发的企业超过70家，企业的龙头带动作用为全区氢能产业发展提供了有力支撑。

2.3 绿电消纳需求

当前，我国前2批大型风电光伏发电基地已陆续开工，第3批大基地项目已公布，风电、光伏发电等可再生能源大规模、高比例开发时代正在来临，而内蒙古则是重点区域。与此同时，面对大规模可再生能源的开发，绿电消纳问题也将进一步凸显。

受储能技术、上网政策和新能源电力消纳政策的制约，内蒙古风光新能源的充分利用受到影响，风电和光电产能利用率低，弃风弃光等现象比较突出[13]。“十三五”期间，内蒙古风力发电装机总量占发电装机总量的比例保持在22.5%～23.5%之间，风力发电的发电量占总发电量的比例却一直保持在11.7%～12.7%之间；太阳能发电装机总量占电力装机总量的比例保持在5.7%～8.1%之间。从全国看这种情况也比较明显，2020年全国风能、光能的装机占比在24%以上，但电力贡献仅为9%左右。

消纳问题已成为新能源发展的主要挑战。随着新能源装机比重的提高，新能源发展瓶颈逐步由开发侧制约转向系统消纳能力制约，当前面临系统调峰能力不足、部分输电通道受阻的问题。2022年第1季度，蒙西地区风电利用率89.2%，光伏利用率94.8%，新能源综合利用率全国倒数第一。未来，随着大规模新能源的并网，区内新能源消纳压力将进一步增大，而绿氢作为可再生能源的重要消纳方式之一，在内蒙古将拥有巨大的发展需求[14]。

2.4 氢电耦合市场应用前景

在氢能应用方面，内蒙古煤炭及各类矿产资源丰富，重型柴油机车、矿用重型卡车、矿山机械保有数量位居全国前列，各类采运矿车、物流车辆接近50万辆，均可考虑采用氢燃料电池车替代。鄂尔多斯市进入国家燃料电池汽车示范应用上海城市群名录，主要实现燃料电池整车的商业化运营，重点构建“中长途+中重载”的应用场景；包头市列入了国家燃料电池汽车示范应用广东城市群，实现主要零部件研发及产业化应用及开展高寒地区的燃料电池汽车示范应用的任务。

内蒙古黑色冶炼行业规模较大，铁合金产量全国第一，采用氢能替代煤炭作为还原剂，可实现冶金行业的低碳甚至零碳。此外，氢能还可应用在建筑领域、农牧边区采暖、供电等方面，应用场景丰富，市场前景广阔[15]。

3 内蒙古自治区氢电耦合案例分析

缘于近年来支持政策的不断出台以及丰富的风光资源、良好的产业发展基础和广阔的市场前景，内蒙古绿电制氢项目的探索正加快涌现。典型项目有鄂尔多斯市达拉特旗光储氢车一体化项目，建设40万kW光伏电厂，配套建设8万kW·h储能，建设约0.93万t/a光伏电解水制氢站；中国华能集团有限公司在科尔沁右翼前旗开发的风电储高比例耦合绿电制氢示范项目，总装机300万kW；达茂旗电投新未来能源有限公司在包头达茂旗开发的40万kW风光储氢项目，风电和光伏装机均为20万kW，化学储能3.5万kW·h，电解水制氢1.78万t/a；中石化新星内蒙古绿氢新能源在乌审旗建设的31.95万kW风光耦合制氢项目，风电4.95万kW，光伏27万kW，制氢1万t/a。选取鄂尔多斯市准格尔旗纳日松光伏制氢产业示范项目和达茂旗20万kW新能源制氢工程示范项目进行案例分析，研究在内蒙古开发氢电耦合项目的可行性和开发路径。

3.1 准格尔旗纳日松光伏制氢产业示范项目

纳日松光伏制氢产业示范项目于2022年8月28日开工建设，是中国三峡新能源(集团)股份有限公司的首个制氢项目。项目位于鄂尔多斯市准格尔旗纳日松镇，包括光伏电站及制氢厂2部分，其中光伏电站总装机规模为40万kW，年平均发电量为7.4亿kW·h，建成后每年可节约标准煤约23万t，减少二氧化碳排放约60万t；制氢厂总装机规模为7.5万kW，包括15台1 000 Nm3/h的碱性电解槽及1台1 000 Nm3/h的备用碱性电解槽，生产年利用小时数为8 000 h，每年可生产氢气约1万t，副产氧气8.5万t。

建成后，项目总发电量的20%将直接输送至当地电网，剩余80%则全部用于电解水制氢，所产出的氢气和氧气主要用于化工及交通领域。其中，制出的高纯氢气大部分通过新建的2 km输氢管道直接输送至下游合成氨工厂，剩余部分增压后装车运输至附近加氢站；所产氧气一部分经加压后运送至当地化工企业，另一部分液化后装车外送，提供给其他有需求的单位。

氢的储运是目前氢能产业链发展的主要瓶颈之一，而绿氢制绿氨是解决绿氢储运和消纳的重要路径。为此，纳日松项目选择在已有合成氨厂附近制氢，从而降低成本，打通氢能制—输—用链条。该项目表明，在内蒙古风光资源富集区域开发电氢耦合已具备基本条件，同时，解决储运和下游应用问题，是项目开发的必要条件。

3.2 达茂旗20万kW新能源制氢工程示范项目

内蒙古华电达茂旗20万kW新能源制氢工程示范项目于2022年5月发布光伏、风电、储能、制氢设计中标结果，计划于2023年内投产。

项目规划建设总容量20万kW，由风光发电、储能装置、制氢站及储氢设施4部分组成，共建设风电12万kW、光伏8万kW，电化学储能2万kW·h，预计建成后风电光伏年发电量5.52亿kW·h。电解水制氢12 000 Nm3/h，采用100%绿电制氢，年制绿氢量7 800 t，可供20座规模为1 000 kg/d的加氢站使用，满足约1 000辆燃料电池重型卡车需求。制氢站还根据风光可再生能源出力波动特点，采用碱性电解槽和质子交换膜(PEM)电解槽配套的技术路线，使用的PEM电解槽单体容量和总容量创国内之最。该项目在风、光、储、氢一体化方面进行示范，是多能互补耦合制氢的探索。

4 结论与建议

4.1 结论

在双碳目标下，可再生能源和氢能的发展正在成为能源系统转型的主要方向。随着技术的持续进步、规模的快速增长，可再生能源将助推电解制氢降本，助推电解水制氢走向主流，可再生能源制氢与氢储能将促进可再生能源电力在终端应用。在这一趋势下，氢电耦合将促进可再生能源规模化应用，实现电网与氢网等综合能源网络互联。因此，氢电耦合是我国构建新型能源体系的重要途径之一。

同时，内蒙古地区基于优越的资源条件、良好的产业基础和政策环境，发展氢电耦合具有得天独厚的优势。氢电耦合在内蒙古地区的布局，有助于当地能源结构的快速转型，加快将当地风、光资源转化为经济发展动力，并为我国氢能全产业链发展提供丰富的氢源。此外，还有助于对同样风光资源富集的区域形成示范，推广氢电耦合模式。

准格尔旗和达茂旗的案例表明，在目前所处的氢能产业发展初期，将绿电-绿氢-绿氨进行结合，或者将可再生能源制氢与下游交通等应用紧密结合，打通氢能产业链各关节，从而降低储运成本，是重要的发展模式和路径。

4.2 建议

通过对氢电耦合助力构建新型能源体系的研究，本文提出如下建议：

(1)可再生能源与氢能融合发展布局。从多能互补的角度，我国应大力开展可再生能源与氢能融合发展建设，实现“两中心、三基地”，即京津冀氢能应用负荷中心、东部沿海氢能应用负荷中心、东南海上风电制氢基地、西南地区弃水发电制氢基地、三北地区风光氢储综合能源基地的建设布局。

(2)风光氢高比例耦合技术及产业推广。科技专项重点研究三北地区风能、光能与氢能技术耦合，将低成本新能源电力转化为氢能，提高新能源综合利用效率，为推动形成绿电+绿氢能源基地提供技术指引，同时落地产业，带动减排作用明显的氢能技术成果转化项目。

(3)开展氢能制储加一体化可研示范。开展制氢站内配套氢气纯化、气体压缩及氢气储罐，实现新能源发电与制氢、储氢、加氢深度结合，形成氢能制储加一体化示范，助力提升新能源消纳，带动氢能产业发展。

(4)推动交通领域风光+绿氢体系项目孵化。以氢燃料汽车为主的交通用能体系，可最大程度实现减排目标，改善生态环境，氢燃料汽车可有效解决电动汽车在寒冷地区续航里程缩短、重载动力性下降等问题，为氢燃料产业在各领域的大规模发展奠定基础。内蒙古应着力推动建立呼包鄂乌氢能重卡替代，结合氢能重卡用氢需求耦合测算风光配套容量和耦合方式，通过绿氢低价制取带动氢燃料和高端制造产业发展，通过模型优化提高可再生能源与氢储能耦合比例。

(5)在化工领域提出绿氢对灰氢部分替代的解决方案。氢气是煤化工产业的主要原料之一，当前主要通过煤制氢获取，伴随大量二氧化碳排放。以风光等可再生能源制氢作为氢源，可实现煤化工中对灰氢的清洁化替代，减少环境污染和煤炭消耗。