氫儲能技術(shù)特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用展望

吳子帆

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東廣州 510000）

0.引言

在我國致力于構(gòu)建清潔、低碳、安全、有效利用的現(xiàn)代能源結(jié)構(gòu)的大背景下，再生能源開發(fā)事業(yè)已步入嶄新時代，但同時也存在著許多挑戰(zhàn)，包括可再生能源開發(fā)中存在的諸多障礙、電網(wǎng)總體質(zhì)量較差、清潔資源全國優(yōu)化選擇障礙、清潔資源的替代任務(wù)復(fù)雜等。對于可再生能源的使用，必須克服新能源技術(shù)中的問題，由于風(fēng)能、光發(fā)電特點(diǎn)與低負(fù)載特征間的同步性很差，以及光伏發(fā)電與用電中心的斷開問題。儲氫技術(shù)則是一項把電能轉(zhuǎn)換為氫氣的關(guān)鍵技術(shù)，對于推動可再生能源發(fā)電與低碳發(fā)展有著重大意義。

1.氫能源發(fā)展概述

當(dāng)前廣為流傳的氫能，一般是指氫氣的化學(xué)性質(zhì)，即它在氧化反應(yīng)中所放出的內(nèi)部能量。氫能既可替代傳統(tǒng)的化石燃料用作道路運(yùn)輸?shù)闹匾芰咳加?，也可能取代煤油和燃?xì)庥米麟娏ο到y(tǒng)中的重要發(fā)電能量燃油。氫氣的熱值比汽油高出3倍，比木材高出4.5倍，而且發(fā)生反應(yīng)后都只產(chǎn)生水，不產(chǎn)生其他有害物質(zhì)。因此，氫氣一般可從化石燃料和可再生能源中獲取。

1.1 國外氫能源發(fā)展現(xiàn)狀

日本在發(fā)展迅速的電池科技與商業(yè)應(yīng)用技術(shù)方面均居于全球領(lǐng)先地位，其在2017年發(fā)表的《氫能源基本戰(zhàn)略》中確定了到2050年建立氫能社會的總體目標(biāo)。日本在氫能與電池方面也有著相當(dāng)廣泛的技術(shù)，并擁有世界上最高的專利數(shù)量。美國政府曾經(jīng)公布，每年的10月8號都是氫能與燃料電池日，這表明美國對氫氣能源領(lǐng)域的重視。美國目前已規(guī)劃了一個從科研到產(chǎn)業(yè)化的整體發(fā)展路線。在歐洲，據(jù)估計到2050年，氫燃料電池車輛數(shù)量將超過所有家用車輛的35%。歐盟目前有著世界上最多的加氫電站，對氫能源技術(shù)和工業(yè)發(fā)展政策的影響還是很大的。

1.2 國內(nèi)氫能源發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，我國政府高度重視氫能行業(yè)的發(fā)展，實施了重大技術(shù)專項和技術(shù)創(chuàng)新工程等項目，并獲得了一定的進(jìn)展[1]。但目前，中國國內(nèi)氫氣的生產(chǎn)仍大部分依賴化石燃料，電解水制氫工藝的比例也十分有限。隨著儲氫科技的進(jìn)展和工程成本的下降，未來風(fēng)能、光等可再生能源的制氫需求量還將愈來愈大，而我國的制氫能量結(jié)構(gòu)也顯得越來越清潔。但總的來說，我國的氫能發(fā)展主要還是受燃料電池反應(yīng)器技術(shù)和關(guān)鍵材料的制約。當(dāng)前生產(chǎn)的氫電池中的電堆，在功率密度、系統(tǒng)容積、使用壽命等方面，與世界先進(jìn)的技術(shù)水平仍有一定差異；質(zhì)子交換膜、催化劑、膜電極等重要材料，以及高壓比空氣壓縮機(jī)、氫循環(huán)器等關(guān)鍵設(shè)備一直依靠進(jìn)口，且價格偏高，因此，我國必須著重攻破關(guān)鍵材料和核心技術(shù)，以補(bǔ)齊短板。

2.氫儲能技術(shù)特點(diǎn)

在2021年4月的全球儲能峰會上，氫能被認(rèn)為是大規(guī)模、長期儲存集中式可再生能源資源的最好方法。與其他儲能方法比較，氫儲能存在著如下4個方面的突出優(yōu)點(diǎn)：在能量利用的充分性方面，氫儲能的大容量、長周期模式更有利于可再生發(fā)電；在儲能經(jīng)濟(jì)性方面，固定規(guī)模的氫氣儲能比電池儲能成本低一個數(shù)量級；在與電池放電的互補(bǔ)性方面，氫氣能源是高容量、長周期、靈活的能源；在靈活性方面，儲氫可以采用長管拖車、管道氫氣運(yùn)輸、氫氣摻雜、長距離輸電－本地制氫的形式。

儲氫技術(shù)是氫氣儲能的主要技術(shù)步驟，通常包括3類：高壓儲氫、液態(tài)儲氫和固體儲氫。高壓氣態(tài)貯氫是最普遍采用的貯氫方式，在成本控制方面有著較突出的優(yōu)點(diǎn)，但由于其容積和重量密度較低，故在安全性方面不敵其他儲氫方式。液態(tài)氫貯存又可分成有機(jī)液態(tài)氫貯存和低溫液態(tài)氫貯存兩種：前者體積儲氫密度高，在常溫下穩(wěn)定性較好，但其對工藝技術(shù)要求嚴(yán)格，必須催化加氫與脫氫裝置相配套，因此受到限制；后者雖然具備高純度和大儲氫密度的優(yōu)勢，其缺陷則是能耗高，且對罐體性能的要求高，因此生產(chǎn)成本也相對較高。盡管采用了金屬氫化物的固體儲氫技術(shù)有效率百分比較低的劣勢，但也有突出的優(yōu)點(diǎn)，如能量密度大、安全特性好、成本低等。在電網(wǎng)方面，也可能具備了良好的大規(guī)模儲能發(fā)展前景條件，從長期而言，仍存在著很大的發(fā)展?jié)摿?，長期發(fā)展的經(jīng)濟(jì)潛能巨大[2]。

3.氫儲能系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

通過清潔燃料電解技術(shù)獲得的氫，首先貯存于高效儲氫設(shè)備中，之后再通過燃料電池技術(shù)反饋到國家電網(wǎng)，又或者將所貯存的高純度儲氫材料直接輸送到氫氣產(chǎn)業(yè)鏈中，進(jìn)行再利用。這個全新的能源轉(zhuǎn)換鏈需要對氫氣制造、儲運(yùn)以及能量生產(chǎn)作出規(guī)劃，并在技術(shù)方面作出進(jìn)一步發(fā)展[3]。

3.1 制氫技術(shù)

電解水法生產(chǎn)氫氣是一個完全潔凈的氫氣生產(chǎn)方式，技術(shù)過程簡便，且生產(chǎn)純度較高。按照電解及制造技術(shù)的不同，把水轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃獾碾娊夥绞街饕煞殖?種類型：堿性電解、固態(tài)聚合物電解和高溫的固態(tài)氧化物電解。目前，與電解質(zhì)氫有關(guān)的主要問題是能源消耗高和效率低。關(guān)鍵的技術(shù)將聚焦于減少裝置生產(chǎn)成本，提升電解槽的能源效益和形成集中的規(guī)?；圃祗w系。

3.2 儲氫技術(shù)

由于氫氣能量密度很低（汽油的1/3000），所以氫貯存體系的重點(diǎn)是以高能密度貯存和輸送氫。另外，以氫氣的燃燒值為基礎(chǔ)，假設(shè)氫貯存和運(yùn)送所耗費(fèi)的能源不大于其燃燒熱的10%，則是比較合適的。目前的氫貯存主要包括高壓液態(tài)氫貯存、低溫液態(tài)氫氣貯存和金屬固體氫貯存，對儲氫技術(shù)的需求是安全、高容量、廉價和方便使用。

3.3 氫發(fā)電技術(shù)

如同傳統(tǒng)的化石燃料那樣，氫氣能夠在氫氣內(nèi)燃機(jī)中使用，并產(chǎn)生電能。但是，由于燃料電池能夠把它的化學(xué)性能直接轉(zhuǎn)換為能量，所以并不像傳統(tǒng)的熱力發(fā)動機(jī)一般利用高壓鍋爐、渦輪裝置或者汽輪機(jī)改變能源的方法，這樣就能夠減少了中間的能量轉(zhuǎn)換損失，從而實現(xiàn)了較大的能量生產(chǎn)效益，同時也可以使效能更高、更環(huán)保，因此更加實用。儲氫與可再生能源發(fā)電中的應(yīng)用，主要集中于以純氫為能源的固體多聚物質(zhì)子交換薄膜電池。其特性為功率密度較高，電能轉(zhuǎn)化效率高，且啟動環(huán)境溫度較低，環(huán)保[4]。

4.氫儲能技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

近年來，氫能成為一個潛在的新能源已經(jīng)逐步走進(jìn)了中央政府和地方政府的中長期經(jīng)濟(jì)建設(shè)視野。實際上，我國一直是世界上最大的氫能量生產(chǎn)地和消費(fèi)者國。從2017年開始，氫能量工業(yè)生產(chǎn)和燃料電池等新能源汽車行業(yè)發(fā)展在我國取得了迅速進(jìn)展。目前，中國已經(jīng)在長三角、珠三角、環(huán)渤海、川渝鄂地區(qū)建立了4個氫能量工業(yè)集聚區(qū)，關(guān)鍵的工業(yè)生產(chǎn)配套和商業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)也正逐漸探索和完成，燃料電池等大型商用車輛的制造銷售和商業(yè)示范運(yùn)用已在全球上居于領(lǐng)先地位。雖然中國氫能工業(yè)蓬勃發(fā)展的基石已夯實，但要破解中國的能源發(fā)展困難，發(fā)掘氫能在中國電力轉(zhuǎn)化中的重要潛力，仍有不少困難與挑戰(zhàn)必須克服。

4.1 公眾認(rèn)知問題

氫氣有活潑的化學(xué)性質(zhì)，在中國長期被認(rèn)為是一種危險化學(xué)品，其用途僅限于化學(xué)品，氫氣能源沒有被用作能源，公眾的認(rèn)識也很低。實際上，所有研究都證明氫氣的風(fēng)險系數(shù)較原油和天然氣小，只要有堅強(qiáng)的科技保障和安全的操作控制，氫氣都能夠遵照規(guī)范操作和運(yùn)行，氫氣的安全都能夠受到監(jiān)控。

4.2 頂層設(shè)計問題

不管在氫能的制造、倉儲和物流等方面，或是在技術(shù)方面，公眾關(guān)于氫能的政策支持都只有新能源發(fā)展和其他政策措施，缺乏具體的氫能政策，也缺乏具體的氫能部門發(fā)展規(guī)劃，就不能提出有助于市場預(yù)期的未來發(fā)展路線圖，行業(yè)不和諧的問題越來越明顯，氫能領(lǐng)域的長遠(yuǎn)可持續(xù)健康發(fā)展將遭到很大約束。

4.3 技術(shù)裝備問題

電池和其他氫能設(shè)備有更多的關(guān)鍵部件、更復(fù)雜的系統(tǒng)、特殊的材質(zhì)和更復(fù)雜的制備工序，而我國對于掌握核心技術(shù)和系統(tǒng)的自主性還不夠，關(guān)鍵部件和關(guān)鍵材質(zhì)仍然依靠進(jìn)口。氫氣已經(jīng)由一個化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)換為能源，因此迫切需要依靠新科技來支撐并促進(jìn)制造、倉儲和配送、終端設(shè)施以及產(chǎn)品方面的完整生態(tài)圈。

4.4 基礎(chǔ)設(shè)施問題

氫能量設(shè)施的分布，尤其是加氫站已經(jīng)成為氫能量經(jīng)濟(jì)性的重要影響因子，也制約著在氫能量汽車領(lǐng)域的開發(fā)。到目前為止，在我國有數(shù)10個加氫站，遍布于全國各省份，雖然加氫站的建設(shè)主體很多，但沒有全國性的技術(shù)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)和政府保障設(shè)施，因此，加氫站建設(shè)以及相應(yīng)設(shè)施的部署工作如何能夠盡快進(jìn)行，都有賴于氫氣生產(chǎn)成本降低的速率以及在加氫站使用階段的政府公共補(bǔ)貼水平。

4.5 發(fā)展成本問題

氫氣需要制造兩次，而運(yùn)送、貯存和補(bǔ)充氫的成本都非常高昂，這也導(dǎo)致了人們對氫能源的經(jīng)濟(jì)性的懷疑。而目前氫的高昂生產(chǎn)成本并不僅僅是出于科技因素，而且還由于應(yīng)用規(guī)模限制。根據(jù)全球再生能源署和全球氫能理事會的研究報告指出，工業(yè)規(guī)模是減少氫能生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。在目前，用可再生能源制造氫的生產(chǎn)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氫產(chǎn)量的增加，到2030年，用可再生能源制造氫的生產(chǎn)成本可能較目前水平減少約30%。氫電池用于車輛的成本目前是每千瓦230美元，但估計在近期將降到為每千瓦180美元，在長期降至為每千瓦50～75美元，所以高運(yùn)營里程的氫電池車將比傳統(tǒng)電動汽車更有經(jīng)濟(jì)可行性。

5.氫儲能技術(shù)未來發(fā)展應(yīng)用展望

5.1 加強(qiáng)科技突破，實現(xiàn)低成本生產(chǎn)最優(yōu)化

雖然儲氫系統(tǒng)對可再生能源有明顯的優(yōu)勢，但目前該技術(shù)的高成本限制了其發(fā)展，需要進(jìn)一步研究如何在不同情況下實現(xiàn)最佳成本。儲氫系統(tǒng)的深入發(fā)展必需與化工、生物、材料科學(xué)以及其他學(xué)科共同研究，進(jìn)而掌握高效的制氫工藝、廉價儲氫以及快速除氫等新技術(shù)。探討減少儲氫材料成本的辦法，研究天然氣與儲氫材料的混合，以減少天然氣的生產(chǎn)成本；合理分?jǐn)傎A氫體系和有關(guān)輔助裝置的生產(chǎn)成本，同時改善系統(tǒng)的利用效果，以減少單位成本，增加效益[5]。

5.2 完善配套設(shè)施，優(yōu)化綜合效益

針對儲氫系統(tǒng)部署層面上仍存在的挑戰(zhàn)，如相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)仍不健全，總體部署效果亟待提高，但未來仍可由部門間協(xié)同實施進(jìn)行。在政府政策的幫助下，積極推進(jìn)加氫電站的試點(diǎn)工程，逐步優(yōu)化燃料電池及電動汽車的儲氫體系，并探討氫動力汽車市場的未來發(fā)展走向；積極考慮利用煤氣、熱力聯(lián)產(chǎn)等新形式的燃料綜合利用，以提升儲氫體系的綜合效率；建立儲氫系統(tǒng)項目的效益評估體系，對示范項目進(jìn)行量化評估，以提高整體效益。

5.3 提升應(yīng)用水平，擴(kuò)大利用規(guī)模

在目前對氫能儲能技術(shù)和分布式光伏電站再生能源的融合技術(shù)還不完善的前提下，未來應(yīng)該考慮對氫能儲能技術(shù)的配置問題進(jìn)行深入研究，從而進(jìn)一步完善我國新能源的消費(fèi)規(guī)劃，以緩解可再生能源的就地消納難題；把不同的資源很好地整合起來，研制出氫能儲能技術(shù)，從而成為風(fēng)能和發(fā)電技術(shù)的互補(bǔ)；逐步探索氫能存儲技術(shù)在斷開條件下的整合，緩解偏遠(yuǎn)地區(qū)的困難；繼續(xù)進(jìn)行海洋風(fēng)力強(qiáng)度與氫能貯存相結(jié)合的探索，并推動應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

5.4 優(yōu)化控制策略，提高經(jīng)濟(jì)效益

能源網(wǎng)絡(luò)上的氫能儲存，不再像傳統(tǒng)的儲能技術(shù)一樣與電能生產(chǎn)和消費(fèi)脫節(jié)，而是只要當(dāng)電能被轉(zhuǎn)換為氫能后，就能夠在多個不同的電網(wǎng)上和終端用戶之間自由流轉(zhuǎn)。研究氫儲能技術(shù)的能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)管理與優(yōu)化控制策略，可以實現(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)各種能量形態(tài)的互補(bǔ)優(yōu)勢，提升能量綜合利用水平，從而提高能源網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)可行性。

5.5 提升電網(wǎng)供電的安全可靠性

儲氫能夠成為國家電網(wǎng)的應(yīng)急儲備，并帶來了平滑長期波動的可能性，進(jìn)而有效地增加電力系統(tǒng)的韌性和恢復(fù)能力，增強(qiáng)國家電網(wǎng)的穩(wěn)定性。大面積的集中式儲氫能夠成為在極端條件下供電恢復(fù)時的“黑啟動”資源，而分散的分布式儲氫則能夠為供電生命線負(fù)荷提供應(yīng)急資源保障。

5.6 完善環(huán)節(jié)，打通氫能生產(chǎn)線條

促進(jìn)氫氣生產(chǎn)的多樣化，以保證氫氣來源的供應(yīng)，在中短期內(nèi)以工業(yè)副產(chǎn)氫為主要來源，在長期內(nèi)以綠色能源生產(chǎn)的氫氣為主。利用可再生能源和低碳電力來生產(chǎn)氫氣，并探索利用核能等新能源生產(chǎn)氫氣的技術(shù)路線，不斷推進(jìn)加氫站的建設(shè)，大力發(fā)展氫能發(fā)電產(chǎn)業(yè)，在中國建立大規(guī)模的燃料電池生產(chǎn)和研究基地。

6.結(jié)語

碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略表現(xiàn)出我國走的低碳經(jīng)濟(jì)路線的雄心與勇氣，從長期角度看它也意味著，可再生能源的建設(shè)將進(jìn)一步加快，氫燃料領(lǐng)域的拓展將產(chǎn)生全新的機(jī)遇。在總結(jié)海外先進(jìn)地區(qū)成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前的基本國情，探討氫能產(chǎn)業(yè)鏈的增長途徑以及儲氫系統(tǒng)的技術(shù)，達(dá)到高質(zhì)量的穩(wěn)定增長，以此助力形成潔凈、低碳、安全、有效的能源燃料系統(tǒng)。