氢储能技术特点、关键技术及其应用展望

吴子帆

（广东电网有限责任公司，广东广州 510000）

0.引言

在我国致力于构建清洁、低碳、安全、有效利用的现代能源结构的大背景下，再生能源开发事业已步入崭新时代，但同时也存在着许多挑战，包括可再生能源开发中存在的诸多障碍、电网总体质量较差、清洁资源全国优化选择障碍、清洁资源的替代任务复杂等。对于可再生能源的使用，必须克服新能源技术中的问题，由于风能、光发电特点与低负载特征间的同步性很差，以及光伏发电与用电中心的断开问题。储氢技术则是一项把电能转换为氢气的关键技术，对于推动可再生能源发电与低碳发展有着重大意义。

1.氢能源发展概述

当前广为流传的氢能，一般是指氢气的化学性质，即它在氧化反应中所放出的内部能量。氢能既可替代传统的化石燃料用作道路运输的重要能量燃油，也可能取代煤油和燃气用作电力系统中的重要发电能量燃油。氢气的热值比汽油高出3倍，比木材高出4.5倍，而且发生反应后都只产生水，不产生其他有害物质。因此，氢气一般可从化石燃料和可再生能源中获取。

1.1 国外氢能源发展现状

日本在发展迅速的电池科技与商业应用技术方面均居于全球领先地位，其在2017年发表的《氢能源基本战略》中确定了到2050年建立氢能社会的总体目标。日本在氢能与电池方面也有着相当广泛的技术，并拥有世界上最高的专利数量。美国政府曾经公布，每年的10月8号都是氢能与燃料电池日，这表明美国对氢气能源领域的重视。美国目前已规划了一个从科研到产业化的整体发展路线。在欧洲，据估计到2050年，氢燃料电池车辆数量将超过所有家用车辆的35%。欧盟目前有着世界上最多的加氢电站，对氢能源技术和工业发展政策的影响还是很大的。

1.2 国内氢能源发展现状

近年来，我国政府高度重视氢能行业的发展，实施了重大技术专项和技术创新工程等项目，并获得了一定的进展[1]。但目前，中国国内氢气的生产仍大部分依赖化石燃料，电解水制氢工艺的比例也十分有限。随着储氢科技的进展和工程成本的下降，未来风能、光等可再生能源的制氢需求量还将愈来愈大，而我国的制氢能量结构也显得越来越清洁。但总的来说，我国的氢能发展主要还是受燃料电池反应器技术和关键材料的制约。当前生产的氢电池中的电堆，在功率密度、系统容积、使用寿命等方面，与世界先进的技术水平仍有一定差异；质子交换膜、催化剂、膜电极等重要材料，以及高压比空气压缩机、氢循环器等关键设备一直依靠进口，且价格偏高，因此，我国必须着重攻破关键材料和核心技术，以补齐短板。

2.氢储能技术特点

在2021年4月的全球储能峰会上，氢能被认为是大规模、长期储存集中式可再生能源资源的最好方法。与其他储能方法比较，氢储能存在着如下4个方面的突出优点：在能量利用的充分性方面，氢储能的大容量、长周期模式更有利于可再生发电；在储能经济性方面，固定规模的氢气储能比电池储能成本低一个数量级；在与电池放电的互补性方面，氢气能源是高容量、长周期、灵活的能源；在灵活性方面，储氢可以采用长管拖车、管道氢气运输、氢气掺杂、长距离输电－本地制氢的形式。

储氢技术是氢气储能的主要技术步骤，通常包括3类：高压储氢、液态储氢和固体储氢。高压气态贮氢是最普遍采用的贮氢方式，在成本控制方面有着较突出的优点，但由于其容积和重量密度较低，故在安全性方面不敌其他储氢方式。液态氢贮存又可分成有机液态氢贮存和低温液态氢贮存两种：前者体积储氢密度高，在常温下稳定性较好，但其对工艺技术要求严格，必须催化加氢与脱氢装置相配套，因此受到限制；后者虽然具备高纯度和大储氢密度的优势，其缺陷则是能耗高，且对罐体性能的要求高，因此生产成本也相对较高。尽管采用了金属氢化物的固体储氢技术有效率百分比较低的劣势，但也有突出的优点，如能量密度大、安全特性好、成本低等。在电网方面，也可能具备了良好的大规模储能发展前景条件，从长期而言，仍存在着很大的发展潜力，长期发展的经济潜能巨大[2]。

3.氢储能系统中的关键技术

通过清洁燃料电解技术获得的氢，首先贮存于高效储氢设备中，之后再通过燃料电池技术反馈到国家电网，又或者将所贮存的高纯度储氢材料直接输送到氢气产业链中，进行再利用。这个全新的能源转换链需要对氢气制造、储运以及能量生产作出规划，并在技术方面作出进一步发展[3]。

3.1 制氢技术

电解水法生产氢气是一个完全洁净的氢气生产方式，技术过程简便，且生产纯度较高。按照电解及制造技术的不同，把水转变为氢气的电解方式主要可分成3种类型：碱性电解、固态聚合物电解和高温的固态氧化物电解。目前，与电解质氢有关的主要问题是能源消耗高和效率低。关键的技术将聚焦于减少装置生产成本，提升电解槽的能源效益和形成集中的规模化制造体系。

3.2 储氢技术

由于氢气能量密度很低（汽油的1/3000），所以氢贮存体系的重点是以高能密度贮存和输送氢。另外，以氢气的燃烧值为基础，假设氢贮存和运送所耗费的能源不大于其燃烧热的10%，则是比较合适的。目前的氢贮存主要包括高压液态氢贮存、低温液态氢气贮存和金属固体氢贮存，对储氢技术的需求是安全、高容量、廉价和方便使用。

3.3 氢发电技术

如同传统的化石燃料那样，氢气能够在氢气内燃机中使用，并产生电能。但是，由于燃料电池能够把它的化学性能直接转换为能量，所以并不像传统的热力发动机一般利用高压锅炉、涡轮装置或者汽轮机改变能源的方法，这样就能够减少了中间的能量转换损失，从而实现了较大的能量生产效益，同时也可以使效能更高、更环保，因此更加实用。储氢与可再生能源发电中的应用，主要集中于以纯氢为能源的固体多聚物质子交换薄膜电池。其特性为功率密度较高，电能转化效率高，且启动环境温度较低，环保[4]。

4.氢储能技术面临的挑战

近年来，氢能成为一个潜在的新能源已经逐步走进了中央政府和地方政府的中长期经济建设视野。实际上，我国一直是世界上最大的氢能量生产地和消费者国。从2017年开始，氢能量工业生产和燃料电池等新能源汽车行业发展在我国取得了迅速进展。目前，中国已经在长三角、珠三角、环渤海、川渝鄂地区建立了4个氢能量工业集聚区，关键的工业生产配套和商业应用系统也正逐渐探索和完成，燃料电池等大型商用车辆的制造销售和商业示范运用已在全球上居于领先地位。虽然中国氢能工业蓬勃发展的基石已夯实，但要破解中国的能源发展困难，发掘氢能在中国电力转化中的重要潜力，仍有不少困难与挑战必须克服。

4.1 公众认知问题

氢气有活泼的化学性质，在中国长期被认为是一种危险化学品，其用途仅限于化学品，氢气能源没有被用作能源，公众的认识也很低。实际上，所有研究都证明氢气的风险系数较原油和天然气小，只要有坚强的科技保障和安全的操作控制，氢气都能够遵照规范操作和运行，氢气的安全都能够受到监控。

4.2 顶层设计问题

不管在氢能的制造、仓储和物流等方面，或是在技术方面，公众关于氢能的政策支持都只有新能源发展和其他政策措施，缺乏具体的氢能政策，也缺乏具体的氢能部门发展规划，就不能提出有助于市场预期的未来发展路线图，行业不和谐的问题越来越明显，氢能领域的长远可持续健康发展将遭到很大约束。

4.3 技术装备问题

电池和其他氢能设备有更多的关键部件、更复杂的系统、特殊的材质和更复杂的制备工序，而我国对于掌握核心技术和系统的自主性还不够，关键部件和关键材质仍然依靠进口。氢气已经由一个化学物质转换为能源，因此迫切需要依靠新科技来支撑并促进制造、仓储和配送、终端设施以及产品方面的完整生态圈。

4.4 基础设施问题

氢能量设施的分布，尤其是加氢站已经成为氢能量经济性的重要影响因子，也制约着在氢能量汽车领域的开发。到目前为止，在我国有数10个加氢站，遍布于全国各省份，虽然加氢站的建设主体很多，但没有全国性的技术协调机构和政府保障设施，因此，加氢站建设以及相应设施的部署工作如何能够尽快进行，都有赖于氢气生产成本降低的速率以及在加氢站使用阶段的政府公共补贴水平。

4.5 发展成本问题

氢气需要制造两次，而运送、贮存和补充氢的成本都非常高昂，这也导致了人们对氢能源的经济性的怀疑。而目前氢的高昂生产成本并不仅仅是出于科技因素，而且还由于应用规模限制。根据全球再生能源署和全球氢能理事会的研究报告指出，工业规模是减少氢能生产成本的关键。在目前，用可再生能源制造氢的生产成本一般是每千克3～7.5美元，但由于可再生能源成本的降低以及世界氢产量的增加，到2030年，用可再生能源制造氢的生产成本可能较目前水平减少约30%。氢电池用于车辆的成本目前是每千瓦230美元，但估计在近期将降到为每千瓦180美元，在长期降至为每千瓦50～75美元，所以高运营里程的氢电池车将比传统电动汽车更有经济可行性。

5.氢储能技术未来发展应用展望

5.1 加强科技突破，实现低成本生产最优化

虽然储氢系统对可再生能源有明显的优势，但目前该技术的高成本限制了其发展，需要进一步研究如何在不同情况下实现最佳成本。储氢系统的深入发展必需与化工、生物、材料科学以及其他学科共同研究，进而掌握高效的制氢工艺、廉价储氢以及快速除氢等新技术。探讨减少储氢材料成本的办法，研究天然气与储氢材料的混合，以减少天然气的生产成本；合理分摊贮氢体系和有关辅助装置的生产成本，同时改善系统的利用效果，以减少单位成本，增加效益[5]。

5.2 完善配套设施，优化综合效益

针对储氢系统部署层面上仍存在的挑战，如相关基础设施与产业链建设仍不健全，总体部署效果亟待提高，但未来仍可由部门间协同实施进行。在政府政策的帮助下，积极推进加氢电站的试点工程，逐步优化燃料电池及电动汽车的储氢体系，并探讨氢动力汽车市场的未来发展走向；积极考虑利用煤气、热力联产等新形式的燃料综合利用，以提升储氢体系的综合效率；建立储氢系统项目的效益评估体系，对示范项目进行量化评估，以提高整体效益。

5.3 提升应用水平，扩大利用规模

在目前对氢能储能技术和分布式光伏电站再生能源的融合技术还不完善的前提下，未来应该考虑对氢能储能技术的配置问题进行深入研究，从而进一步完善我国新能源的消费规划，以缓解可再生能源的就地消纳难题；把不同的资源很好地整合起来，研制出氢能储能技术，从而成为风能和发电技术的互补；逐步探索氢能存储技术在断开条件下的整合，缓解偏远地区的困难；继续进行海洋风力强度与氢能贮存相结合的探索，并推动应用领域的拓展。

5.4 优化控制策略，提高经济效益

能源网络上的氢能储存，不再像传统的储能技术一样与电能生产和消费脱节，而是只要当电能被转换为氢能后，就能够在多个不同的电网上和终端用户之间自由流转。研究氢储能技术的能源网络协调管理与优化控制策略，可以实现能源网络各种能量形态的互补优势，提升能量综合利用水平，从而提高能源网络的经济可行性。

5.5 提升电网供电的安全可靠性

储氢能够成为国家电网的应急储备，并带来了平滑长期波动的可能性，进而有效地增加电力系统的韧性和恢复能力，增强国家电网的稳定性。大面积的集中式储氢能够成为在极端条件下供电恢复时的“黑启动”资源，而分散的分布式储氢则能够为供电生命线负荷提供应急资源保障。

5.6 完善环节，打通氢能生产线条

促进氢气生产的多样化，以保证氢气来源的供应，在中短期内以工业副产氢为主要来源，在长期内以绿色能源生产的氢气为主。利用可再生能源和低碳电力来生产氢气，并探索利用核能等新能源生产氢气的技术路线，不断推进加氢站的建设，大力发展氢能发电产业，在中国建立大规模的燃料电池生产和研究基地。

6.结语

碳达峰、碳中和的战略表现出我国走的低碳经济路线的雄心与勇气，从长期角度看它也意味着，可再生能源的建设将进一步加快，氢燃料领域的拓展将产生全新的机遇。在总结海外先进地区成功经验的基础上，结合当前的基本国情，探讨氢能产业链的增长途径以及储氢系统的技术，达到高质量的稳定增长，以此助力形成洁净、低碳、安全、有效的能源燃料系统。