氫儲能技術特點、關鍵技術及其應用展望

吳子帆

（廣東電網有限責任公司，廣東廣州 510000）

0.引言

在我國致力于構建清潔、低碳、安全、有效利用的現代能源結構的大背景下，再生能源開發事業已步入嶄新時代，但同時也存在著許多挑戰，包括可再生能源開發中存在的諸多障礙、電網總體質量較差、清潔資源全國優化選擇障礙、清潔資源的替代任務復雜等。對于可再生能源的使用，必須克服新能源技術中的問題，由于風能、光發電特點與低負載特征間的同步性很差，以及光伏發電與用電中心的斷開問題。儲氫技術則是一項把電能轉換為氫氣的關鍵技術，對于推動可再生能源發電與低碳發展有著重大意義。

1.氫能源發展概述

當前廣為流傳的氫能，一般是指氫氣的化學性質，即它在氧化反應中所放出的內部能量。氫能既可替代傳統的化石燃料用作道路運輸的重要能量燃油，也可能取代煤油和燃氣用作電力系統中的重要發電能量燃油。氫氣的熱值比汽油高出3倍，比木材高出4.5倍，而且發生反應后都只產生水，不產生其他有害物質。因此，氫氣一般可從化石燃料和可再生能源中獲取。

1.1 國外氫能源發展現狀

日本在發展迅速的電池科技與商業應用技術方面均居于全球領先地位，其在2017年發表的《氫能源基本戰略》中確定了到2050年建立氫能社會的總體目標。日本在氫能與電池方面也有著相當廣泛的技術，并擁有世界上最高的專利數量。美國政府曾經公布，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域的重視。美國目前已規劃了一個從科研到產業化的整體發展路線。在歐洲，據估計到2050年，氫燃料電池車輛數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，對氫能源技術和工業發展政策的影響還是很大的。

1.2 國內氫能源發展現狀

近年來，我國政府高度重視氫能行業的發展，實施了重大技術專項和技術創新工程等項目，并獲得了一定的進展[1]。但目前，中國國內氫氣的生產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。隨著儲氫科技的進展和工程成本的下降，未來風能、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構也顯得越來越清潔。但總的來說，我國的氫能發展主要還是受燃料電池反應器技術和關鍵材料的制約。當前生產的氫電池中的電堆，在功率密度、系統容積、使用壽命等方面，與世界先進的技術水平仍有一定差異；質子交換膜、催化劑、膜電極等重要材料，以及高壓比空氣壓縮機、氫循環器等關鍵設備一直依靠進口，且價格偏高，因此，我國必須著重攻破關鍵材料和核心技術，以補齊短板。

2.氫儲能技術特點

在2021年4月的全球儲能峰會上，氫能被認為是大規模、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個方面的突出優點：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電；在儲能經濟性方面，固定規模的氫氣儲能比電池儲能成本低一個數量級；在與電池放電的互補性方面，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、管道氫氣運輸、氫氣摻雜、長距離輸電－本地制氫的形式。

儲氫技術是氫氣儲能的主要技術步驟，通常包括3類：高壓儲氫、液態儲氫和固體儲氫。高壓氣態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點，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。液態氫貯存又可分成有機液態氫貯存和低溫液態氫貯存兩種：前者體積儲氫密度高，在常溫下穩定性較好，但其對工藝技術要求嚴格，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勢，其缺陷則是能耗高，且對罐體性能的要求高，因此生產成本也相對較高。盡管采用了金屬氫化物的固體儲氫技術有效率百分比較低的劣勢，但也有突出的優點，如能量密度大、安全特性好、成本低等。在電網方面，也可能具備了良好的大規模儲能發展前景條件，從長期而言，仍存在著很大的發展潛力，長期發展的經濟潛能巨大[2]。

3.氫儲能系統中的關鍵技術

通過清潔燃料電解技術獲得的氫，首先貯存于高效儲氫設備中，之后再通過燃料電池技術反饋到國家電網，又或者將所貯存的高純度儲氫材料直接輸送到氫氣產業鏈中，進行再利用。這個全新的能源轉換鏈需要對氫氣制造、儲運以及能量生產作出規劃，并在技術方面作出進一步發展[3]。

3.1 制氫技術

電解水法生產氫氣是一個完全潔凈的氫氣生產方式，技術過程簡便，且生產純度較高。按照電解及制造技術的不同，把水轉變為氫氣的電解方式主要可分成3種類型：堿性電解、固態聚合物電解和高溫的固態氧化物電解。目前，與電解質氫有關的主要問題是能源消耗高和效率低。關鍵的技術將聚焦于減少裝置生產成本，提升電解槽的能源效益和形成集中的規模化制造體系。

3.2 儲氫技術

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是以高能密度貯存和輸送氫。另外，以氫氣的燃燒值為基礎，假設氫貯存和運送所耗費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氫貯存、低溫液態氫氣貯存和金屬固體氫貯存，對儲氫技術的需求是安全、高容量、廉價和方便使用。

3.3 氫發電技術

如同傳統的化石燃料那樣，氫氣能夠在氫氣內燃機中使用，并產生電能。但是，由于燃料電池能夠把它的化學性能直接轉換為能量，所以并不像傳統的熱力發動機一般利用高壓鍋爐、渦輪裝置或者汽輪機改變能源的方法，這樣就能夠減少了中間的能量轉換損失，從而實現了較大的能量生產效益，同時也可以使效能更高、更環保，因此更加實用。儲氫與可再生能源發電中的應用，主要集中于以純氫為能源的固體多聚物質子交換薄膜電池。其特性為功率密度較高，電能轉化效率高，且啟動環境溫度較低，環保[4]。

4.氫儲能技術面臨的挑戰

近年來，氫能成為一個潛在的新能源已經逐步走進了中央政府和地方政府的中長期經濟建設視野。實際上，我國一直是世界上最大的氫能量生產地和消費者國。從2017年開始，氫能量工業生產和燃料電池等新能源汽車行業發展在我國取得了迅速進展。目前，中國已經在長三角、珠三角、環渤海、川渝鄂地區建立了4個氫能量工業集聚區，關鍵的工業生產配套和商業應用系統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示范運用已在全球上居于領先地位。雖然中國氫能工業蓬勃發展的基石已夯實，但要破解中國的能源發展困難，發掘氫能在中國電力轉化中的重要潛力，仍有不少困難與挑戰必須克服。

4.1 公眾認知問題

氫氣有活潑的化學性質，在中國長期被認為是一種危險化學品，其用途僅限于化學品，氫氣能源沒有被用作能源，公眾的認識也很低。實際上，所有研究都證明氫氣的風險系數較原油和天然氣小，只要有堅強的科技保障和安全的操作控制，氫氣都能夠遵照規范操作和運行，氫氣的安全都能夠受到監控。

4.2 頂層設計問題

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

4.3 技術裝備問題

電池和其他氫能設備有更多的關鍵部件、更復雜的系統、特殊的材質和更復雜的制備工序，而我國對于掌握核心技術和系統的自主性還不夠，關鍵部件和關鍵材質仍然依靠進口。氫氣已經由一個化學物質轉換為能源，因此迫切需要依靠新科技來支撐并促進制造、倉儲和配送、終端設施以及產品方面的完整生態圈。

4.4 基礎設施問題

氫能量設施的分布，尤其是加氫站已經成為氫能量經濟性的重要影響因子，也制約著在氫能量汽車領域的開發。到目前為止，在我國有數10個加氫站，遍布于全國各省份，雖然加氫站的建設主體很多，但沒有全國性的技術協調機構和政府保障設施，因此，加氫站建設以及相應設施的部署工作如何能夠盡快進行，都有賴于氫氣生產成本降低的速率以及在加氫站使用階段的政府公共補貼水平。

4.5 發展成本問題

氫氣需要制造兩次，而運送、貯存和補充氫的成本都非常高昂，這也導致了人們對氫能源的經濟性的懷疑。而目前氫的高昂生產成本并不僅僅是出于科技因素，而且還由于應用規模限制。根據全球再生能源署和全球氫能理事會的研究報告指出，工業規模是減少氫能生產成本的關鍵。在目前，用可再生能源制造氫的生產成本一般是每千克3～7.5美元，但由于可再生能源成本的降低以及世界氫產量的增加，到2030年，用可再生能源制造氫的生產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，所以高運營里程的氫電池車將比傳統電動汽車更有經濟可行性。

5.氫儲能技術未來發展應用展望

5.1 加強科技突破，實現低成本生產最優化

雖然儲氫系統對可再生能源有明顯的優勢，但目前該技術的高成本限制了其發展，需要進一步研究如何在不同情況下實現最佳成本。儲氫系統的深入發展必需與化工、生物、材料科學以及其他學科共同研究，進而掌握高效的制氫工藝、廉價儲氫以及快速除氫等新技術。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成本；合理分攤貯氫體系和有關輔助裝置的生產成本，同時改善系統的利用效果，以減少單位成本，增加效益[5]。

5.2 完善配套設施，優化綜合效益

針對儲氫系統部署層面上仍存在的挑戰，如相關基礎設施與產業鏈建設仍不健全，總體部署效果亟待提高，但未來仍可由部門間協同實施進行。在政府政策的幫助下，積極推進加氫電站的試點工程，逐步優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展走向；積極考慮利用煤氣、熱力聯產等新形式的燃料綜合利用，以提升儲氫體系的綜合效率；建立儲氫系統項目的效益評估體系，對示范項目進行量化評估，以提高整體效益。

5.3 提升應用水平，擴大利用規模

在目前對氫能儲能技術和分布式光伏電站再生能源的融合技術還不完善的前提下，未來應該考慮對氫能儲能技術的配置問題進行深入研究，從而進一步完善我國新能源的消費規劃，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，從而成為風能和發電技術的互補；逐步探索氫能存儲技術在斷開條件下的整合，緩解偏遠地區的困難；繼續進行海洋風力強度與氫能貯存相結合的探索，并推動應用領域的拓展。

5.4 優化控制策略，提高經濟效益

能源網絡上的氫能儲存，不再像傳統的儲能技術一樣與電能生產和消費脫節，而是只要當電能被轉換為氫能后，就能夠在多個不同的電網上和終端用戶之間自由流轉。研究氫儲能技術的能源網絡協調管理與優化控制策略，可以實現能源網絡各種能量形態的互補優勢，提升能量綜合利用水平，從而提高能源網絡的經濟可行性。

5.5 提升電網供電的安全可靠性

儲氫能夠成為國家電網的應急儲備，并帶來了平滑長期波動的可能性，進而有效地增加電力系統的韌性和恢復能力，增強國家電網的穩定性。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荷提供應急資源保障。

5.6 完善環節，打通氫能生產線條

促進氫氣生產的多樣化，以保證氫氣來源的供應，在中短期內以工業副產氫為主要來源，在長期內以綠色能源生產的氫氣為主。利用可再生能源和低碳電力來生產氫氣，并探索利用核能等新能源生產氫氣的技術路線，不斷推進加氫站的建設，大力發展氫能發電產業，在中國建立大規模的燃料電池生產和研究基地。

6.結語

碳達峰、碳中和的戰略表現出我國走的低碳經濟路線的雄心與勇氣，從長期角度看它也意味著，可再生能源的建設將進一步加快，氫燃料領域的拓展將產生全新的機遇。在總結海外先進地區成功經驗的基礎上，結合當前的基本國情，探討氫能產業鏈的增長途徑以及儲氫系統的技術，達到高質量的穩定增長，以此助力形成潔凈、低碳、安全、有效的能源燃料系統。