氢储能技术特点和应用展望

氢储能技术特点和应用展望

刘骐彰

中国能源建设集团山西电力建设有限公司  山西太原  030000

摘要：氢能不仅是低碳新能源、新原料，更是实现能源转型的关键载体，在应对气候变化中占据重要战略地位。2020年12月，国务院发布的《新时代的中国能源发展》白皮书指出，加速发展绿氢制取、储运和应用等氢能产业链技术装备，促进氢能燃料电池技术链、氢燃料电池汽车产业链发展。支持能源各环节各场景储能应用，着力推进储能与可再生能源互补发展。支持新能源微电网建设，形成发储用一体化局域清洁供能系统。推动综合能源服务新模式，以实现终端能源多能互补、协同高效。针对氢能储运关键技术现状在电力工业中的应用，介绍了氢能利用发展的背景及意义，整理并解读了我国氢储运及电力应用的相关政策，梳理并对比了现有主流氢能储运技术，其中包括高压气态储运、低温液态储运、有机液态储运、金属氢化物储运的原理及经济性分析，分析氢能的电力应用，包括氢燃料电池发电及氢燃气轮机发电技术。

关键词：氢能；氢气储运；氢能发电；氢燃料；燃料电池；燃气轮机

常见的氢气制取包括化石燃料重整制氢、工业副产提纯制氢和电解水制氢3种方式。通过化石能源和副产提纯制取的氢气都来源于化石原料，为俗称的“灰氢”或者“蓝氢”，无法从根本上达到减碳脱碳的目标，不利于降低排放。通过可再生能源电解水制取“绿氢”，制取过程实现零碳排放，一方面促进可再生能源的消纳利用，有力支撑能源结构转型，另一方面将原本无法储存的电能转换为氢能存储起来，有效实现能源的存储和转换。氢储能可视为化学储能的一种延伸，氢储能的基本原理是通过水电解产出氧气与氢气。区别于传统电池的储能特点，氢储能可以把充足富余的可再生能源电力进行电解水，制备出氢气并储存起来。当需要使用电能时，将储氢气通过燃料电池发电的方式转换为电能进行利用。相比于抽水蓄能与电化学储能这2大主流储能方式，氢能可以把可再生能源发的不稳定的电，通过电解水制氢转换成化学能，可以实现在可再生能源转型中的大规模能量储存。

1氢能储运关键技术

1.1氢能储存

①高压气态储氢

高压气态储氢技术比较成熟，是目前我国最常用的储氢技术。高压气态储氢即通过高压将氢气压缩到一个耐高压的容器中，高压容器内氢以气态储存，氢气的储量与储罐内的压力成正比。通常采用气罐作为容器，简便易行，其优点是存储能耗低、成本低(压力不太高时),且可通过减压阀调控氢气的释放，因此，高压气态储氢已成为较为成熟的储氢方案。

②低温/有机液态储氢

第一，低温液态储氢是先将氢气液化，然后储存在低温绝热真空容器中。该方式的优点是氢的体积能量很高，由于液氢密度为70.78，是标况下氢气密度的近850倍，即使将氢气压缩，气态氢单位体积的储存量也不及液态储存。但液氢的沸点极低(−252.78℃)，与环境温差极大,对储氢容器的绝热要求很高。目前最大的液化储氢罐是位于美国肯尼迪航天中心的储氢罐，储氢容积达12000L。

第二，有机液态储氢是通过加氢反应将氢气与甲烷(TOL)等芳香族有机化合物固定，形成分子内结合有氢的甲基环己烷（MCH）等饱和环状化合物，从而可在常温和常压下，以液态形式进行储存和运输，并在使用地点在催化剂作用下通过脱氢反应提取出所需量的氢气,整体流程如图1所示。

液态有机物储氢使得氢可在常温常压下以液态输运，储运过程安全、高效，但还存在脱氢技术复杂、脱氢能耗大、脱氢催化剂技术亟待突破等技术瓶颈。若能解决上述问题，液态有机物储氢将成为氢能储运领域最有希望取得大规模应用的技术之一。

③固体材料储氢

根据固态材料储氢机制的差异，主要可将储氢材料分为物理吸附型储氢材料和金属氢化物基储氢合金两类，其中，金属氢化物储氢是目前最有希望且发展较快的固态储氢方式。固体储氢材料分类如图2所示。

1.2氢能运输

①气氢输送

气态输运分为长管拖车和管道输运2种，长管拖车运输压力一般为，我国长管拖车运输设备产业较为成熟，但在长距离大容量输送时，成本较高，整体落后于国际先进水平；而管道运输是实现氢气大规模、长距离输送的重要方式。管道运输时，管道运输压力一般为，输氢量大、能耗低，但是建造管道一次性投资较大。在管道输运发展初期，可以积极探索掺氢天然气方式。

②液氢输送

液态输运适合远距离、大容量输送，可以采用液氢罐车或者专用液氢驳船运输。采用液氢输运可以提高加氢站单站供应能力,日本美国已经将液氢罐车作为加氢站运氢的重要方式之一。日本千代田公司于2009年成功研发出LOHC(液态有机氢载体)系统关键技术，全球首条氢供应链示范项目采用了千代田公司的SPERA技术探索液态有机氢载体的商业化示范，在2020年实现了210t/年的氢气输运能力。

③固氢输送

通过金属氢化物存储的氢能可以采取更加丰富的运输手段，驳船、大型槽车等运输工具均可以用以运输固态氢。

2氢能与电力

2.1氢燃料电池发电

氢能发电可以用来解决电网削峰填谷、新能源稳定并网问题，还可以提高可再生能源所发电力并网的稳定性和电力系统安全性、灵活性，大幅降低碳排放。目前主要采用氢燃料电池发电技术与新能源耦合发电技术，使用燃料电池发电技术，可以减少CO2对煤炭的使用，减少的排放，且发电效率很高。

根据电解质种类不同，燃料电池分为质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、碱性燃料电池、磷酸型燃料电池等。目前重点关注的是PEMFC技术和SOFC技术。PEMFC工作温度低、启动快，适用于交通领域；SOFC能量转化率高、全固态，是一种清洁高效的发电装置，一般用于大型集中供电、分布式发电等作为固定电站。国内学者于2020年提出了一种利用SOFC燃料电池的新型发电系统，通过高效制氢和废热梯级利用，系统发电效率可达61.2%。

2.2氢燃气轮机发电

以清洁能源氢燃料替代天然气用于燃气轮机发电也是氢能在电力领域的研究重点。燃气轮机具有很好的负荷调节能力，15min左右即可将负荷从零拉满，亦可以氢储能作为中间环节，将氢燃气轮机与新能源混合发电，即可解决弃风弃光问题，也能改善电力系统稳定性，因此燃氢燃气轮机发电是燃气轮机发电的未来发展趋势。燃气轮机系统工作过程为：①压气机连续地从大气中吸入空气并压缩；②压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气；③高温燃气流入燃气涡轮中膨胀做工，推动涡轮叶轮旋转输出电力接入负载。

例如一种风–氢–燃气轮机耦合发电系统，该系统的思想即是把风电场发出的质量较差的电接入电解槽电解制氢，通过氢储能技术储存电力，在电网需要时再由氢燃气轮机发电并网，可以实现对电网的削峰填谷以及对新能源的消纳，可以作为一种新型储能发电形式与风力、光伏等可再生能源配合发电。

结语：

氢能是一种理想的新型能源，具有清洁低碳、便于存储等优点。氢能的最佳利用方式是通过燃料电池技术进行氢电转化，近年来燃料电池技术的不断成熟也使得氢燃料电池成本快速下降，美、德、日等部分国家相继出台氢能战略布局，我国也加速布局氢能战略，加快构建清洁化、低碳化的氢能供应体系，这对我国能源安全及可持续发展战略具有重大意义。

参考文献：

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[4]单彤文,宋鹏飞,李又武,等.制氢、储运和加注全产业链氢气成本分析[J].天然气化工(C1化学与化工),2020,45（1）:85−90+96.