未来大规模储能的主角——氢储能

什么是氢储能技术

氢储能技术，就是将富余的电力用于制造可长期储存的氢气，然后在常规燃气发电厂中燃烧气体发电，或用燃料电池进行发电用于交通、热电联供等场景。换句话说，就是利用富余的、非高峰的或低质量的电力来大规模制氢，将电能转化为氢能储存起来，然后再在电力输出不足时利用氢气通过燃料电池或其它方式转换为电能输送上网，发挥电力调节的作用。氢储能是提高可再生能源消纳、减少弃风弃光、稳定电网输出的关键技术之一。

图 1氢储能技术链分解示意图

储能技术分为热储能、电储能和氢储能。其中，抽水蓄能和电化学储能是目前最常用的两种方法，但两者目前仍存在诸多问题。电化学储能存在安全性较差、资源紧缺、实际有效的储能效率较低、配储时长短等问题；抽水蓄能存在水资源地理分配不均、投资回收期长等缺点。对比来看，氢储能最大的优势在于可以实现长时储能。但在实际应用中，我国氢储能尚处于发展初期，由于可供研究的应用项目较少，项目规模差异较大，导致测算的氢储能度电成本差别较大。因此，进一步系统性地研究氢储能在发电领域的需求情况，分析氢储能的成本现状、降本路径以及经济性，对氢储能在发电领域的规模化应用、构建清洁低碳安全高效的能源体系、实现碳达峰、碳中和目标具有重要意义。

国家能源局数据显示：2022年新增风电光伏发 电量占全国新增发电量的55%以上，可再生能源发电量占全社会用电量的30%左右。未来在以可再生能源为主体的新型电力系统中，可再生能源的比例 有望超过传统化石能源发电，这必然要求储能设施具备一定的储能时长，以满足大规模再生能源的并 网和长时间削峰填谷需求。

氢储能在储能时长、储能容量上具有较大优势。在储能时长方面，可以实现“跨分钟—跨季节”的储能；在储能容量方面，可以达到太瓦时的储能规模，是目前新型发电系统中颇具潜力的储能方式。通过“电—氢—电”的转换，氢储能促使可再生能源的消纳利用率将不断提高，推动 整个能源结构朝着绿色、低碳、高效的方向转型，形成新型综合能源供应体系。

氢储能还可以在电源侧、电网侧、用户侧起到平抑风光出力波动、跟踪计划出力曲线、提供调峰辅 助容量、参与电力需求响应、缓解输配线路阻塞等辅助作用。未来随着可再生能源电力并网规模的增加， 不稳定的风电、光伏发电必将对电网的稳定性造成较大冲击，氢储能将对电网的稳定性发挥重要作用。

 氢储能特点

（1）放电时间长，容量规模大：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；

（2）规模经济性高：随着储能时间的增加，氢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；

（3）储运灵活性大：氢能可根据实际需求采用长管拖车、管道输氢、天然气掺氢和液氨等多种不同的方式进行储运；

（4）对生态环境友好：相较于抽水蓄能和压缩空气储能等其他大规模储能技术，氢储能不需要特定的地理条件且不会破环生态环境。

氢储能系统中的关键技术简介

利用清洁能源电力电解技术得到氢气，将氢气存储于高效储氢装置中，再利用燃料电池技术，将存储的能量回馈到电网，或者将存储的高纯度氢气送入氢产业链直接利用。为了实现这一完整的能量转换链，就要从氢气的制取、储存、发电等方面整体规划，在关键技术上进一步突破。

制氢、储氢、氢发电技术

电解水制氢是一种完全清洁的制氢方式，技术工艺过程简单、产品纯度高。根据电解槽生产技术的不同，电解水制氢方法可以分为碱性电解、固体高分子电解质电解和高温固体氧化物电解3种。

（1） 碱性电解法

在碱性电解领域，工业上广泛采用在工作温度（70～80°C）下具有高传导率的高浓度氢氧化钾溶液（25%～30%水溶液）作为电解质。使用铁、镍和镍合金等在电极反应中过电压小的耐碱性材料作为电极。碱性电解虽然对设备投资的要求不高，但是80%的运行成本都集中于用电上。

（2）高温固体氧化物电解（SOEC）

SOEC采用氧化钇掺杂的氧化锆陶瓷作为固体电解质，高温水蒸气通过阴极板时被离解成氢气和氧离子，氧离子穿过阴极板、电解质后到达阳极，在阳极上失去电子生成氧气。SOEC在800～950°C下工作，能够极大增加反应动力并降低电能消耗，电解效率高达90%以上，总制氢系统效率可达52%～59%。此法具有优良的性能，但由于在高温下（1000°C）工作时材料损耗大，且需要持续供给高质量的水蒸气，在目前技术条件下难以规模化。

（3）固体高分子电解质电解（SPE）

SPE中的固体高分子膜承担固体电解质的作用，被用于隔离电极并将质子从阳极运送到阴极，因此在SPE中只需供给纯水即可。对于实际SPE电解水制氢系统，工作温度约为80°C，电解电压为1.5～1.6V，相应的电耗为3.6～3.8kW·h，电解效率为77.6%～82%，总制氢系统效率约为35%。SPE可实现高电流密度电解，功耗低，系统小巧，生成的气体纯度高，容易实现高压化，较适于电能来源丰富、价格低廉，尤其是水力、风力、太阳能等可再生能源丰富的场合。

与其它燃料相比，氢的质量能量密度大，但体积能量密度低（汽油的1/3000），因此构建氢储能系统的一大前提条件就是在较高体积能量密度下储运氢气。目前氢气的储存可分为高压气态储氢、低温液态储氢和金属固态储氢。对储氢技术的要求是安全、大容量、低成本和取用方便。

图2

（1）高压气态储氢

高压存储气态氢是最普通直接的储氢方式，高压容器内氢以气态储存，储存量与压力成正比。目前国内外采用压力为25～35MPa的碳纤维复合钢瓶储运。根据氢气的特性，储氢瓶的质量储氢密度仅有5%（35MPa）。且压缩氢气是耗能过程，若使用更高压力的储罐，压缩过程需要大量的能量，增加了整体成本。因此未来除了要继续研究如何平衡存储压力和压缩能耗的关系外，还可进行储罐材料方面的研究以平衡储罐的重量和价格。

（2）低温液态储氢

液态氢的体积可减少到气态氢的1/800左右，大大提高体积能量密度。但氢气沸点是-253°C，液化需要消耗相当于氢气燃烧热1/3的能量。而且储存温度和室温相差达200°C，氢气的蒸发潜热低，液氢会汽化散逸，损失率可达每天1%～2%。这种储氢方式适用于大规模高密度的氢储存，如可再生能源氢储能系统，越大的储存罐，使用极好的绝热装置隔热，气体蒸发比例越小，但未来需要进一步降低液化过程中的能耗，提高液化效率。

（3）金属固态储氢

在一定温度下加压，金属可以大量吸收氢生成固态金属氢化物，如LaNi5H6、MgH2和NaAlH4。且该反应具有很好的可逆性，适当升高温度或减小压力即可释放氢气。金属固态储氢花费的能量约是压缩方式（70MPa）的一半，液化方式的1/5，体积能量密度约比压缩和液化储存高3倍。但质量能量密度较低，金属氢化物储存罐的重量是汽油罐的4倍左右，使其在运输方面受限，镧和锂等材料可改善重量问题，但价格昂贵。而且金属氢化物容易发生材料中毒导致储氢能力下降。

与传统化石燃料一样，氢气也可以用于氢内燃机（ICE）发电。但由于燃料电池能将氢的化学能直接转化为电能，没有像普通火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间转换的损失，达到很高的发电效率，而且更高效环保，所以更具实用性。

在可再生能源的氢储能应用中，重点关注使用纯氢作为燃料的固体高分子型质子交换膜燃料电池（PEMFC）。它具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、环保等优点。

氢储氢行业发展前景

利用清洁能源电力电解技术得到氢气，将氢气存储于高效储氢装置中，再利用燃料电池技术，将存储的能量回馈到电网，或者将存储的高纯度氢气送入氢产业链直接利用。为了实现这一完整的能量转换链，就要从氢气的制取、储存、发电等方面整体规划，在关键技术上进一步突破。

政策支持是氢能行业发展的重要保障。目前，全球多个国家都出台了相关政策，鼓励氢能技术的研发和应用。例如，欧盟制定了《清洁能源包》，提出到2030年将氢能作为能源体系的重要组成部分；日本政府也出台了《氢能社会战略路线图》，计划到2050年将氢能作为主要能源之一。国内也出台了一系列政策文件，包括《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》、《关于加快氢能产业发展的指导意见》等，为氢能行业的发展提供政策支持和保障。

技术创新是氢能行业发展的重要驱动力。当前，氢能行业的技术创新主要集中在氢能储存、氢能生产、氢能利用等方面。例如，新型储氢材料的研发、高效的水电解技术、氢燃料电池汽车的研发等都是氢能行业的技术创新方向。随着技术的不断创新和推广，氢能设备的成本不断降低，氢能技术的应用范围也不断扩大，为氢能行业的发展提供了有力的支持。

市场需求是氢能行业发展的重要推动力。随着全球环保意识的不断提高，减少碳排放、实现能源清洁利用已经成为了全球的共识。氢能作为一种高效、清洁的能源，受到了越来越多的关注和认可。目前，氢能技术已经在交通、能源、化工等领域得到了广泛的应用。例如，氢燃料电池汽车、氢能发电、氢能储能等都是氢能技术的应用领域。随着氢能技术的不断发展和成熟，氢能市场的规模也在不断扩大，为氢能行业的发展提供了广阔的市场空间。

氢储能将成为长周期、大规模储能场景的最优选择，是非电能源消费领域碳中和的关键。上游侧耦合风光设备电解水制氢，可解决可再生能源电消纳及上网问题，风光氢储一体化项目正逐步落地，而下游多样化零碳应用将打开需求侧市场。

目前看来，氢能源产业正走在发展的最前沿。放眼未来，技术日益成熟的氢储能，是最适合大规模、长时间的绿电存储方案。其可以弥补其他储能形式的缺陷，将大量的弃风、弃光和弃电等进行储能，有希望成为继抽水蓄能、锂电池储能后的又一大关键储能方式。