儲能 │ 氫儲能

張立品vnf7h6ps 2023-02-13 發(fā)布于廣東

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氫在地球上主要以化合態(tài)的形式出現(xiàn)，其構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%，分布廣泛。相比傳統(tǒng)能源，氫被譽(yù)為21世紀(jì)最清潔能源，是未來二次能源體系中電能的重要補(bǔ)充。

在低碳發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型的背景下，氫能產(chǎn)業(yè)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。國家層面，國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)加速規(guī)劃布局，《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等文件均鼓勵氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

氫能源產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D 資料來源：中國氫能聯(lián)盟

何為氫儲能

氫儲能（Hydrogen energy storage）是一種應(yīng)用在特定環(huán)境下的儲能技術(shù)，其本質(zhì)是儲氫，即將易燃易爆的氫氣以穩(wěn)定的形式儲存，以更少的總質(zhì)量蘊(yùn)藏更多的能量。

氫儲能的工作原理及能量轉(zhuǎn)化過程

一、氫儲能的工作原理

氫儲能技術(shù)利用了電→氫→電的互變性，基本原理就是將水電解得到氫氣和氧氣。

其原理圖如下：

氫燃料電池發(fā)電原理

二、氫儲能的能量轉(zhuǎn)化過程

在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，電力間歇產(chǎn)生和傳輸被限的現(xiàn)象常有發(fā)生，利用富余的、非高峰的或低質(zhì)量的電力大規(guī)模制氫，將電能轉(zhuǎn)化為氫能儲存起來；

在電力輸出不足時利用氫氣通過燃料電池或其它方式轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng)。

氫燃料電池能量轉(zhuǎn)化過程

氫儲能的特征及應(yīng)用場景

氫儲能作為一種清潔、高效、可持續(xù)的無碳能源存儲技術(shù)，其具有其他儲能技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢：

原料簡單，沒有資源焦慮問題。氫能可通過直流電，直接電解地球上的水得到氫氣；

可作為新型電力系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。氫能可作為有效媒介，將棄光或棄風(fēng)資源儲存起來，解決新能源發(fā)電間歇性、隨機(jī)性導(dǎo)致的廢棄問題；

極強(qiáng)的時間和空間維度跨越性。光伏、風(fēng)電等新型能源存在季節(jié)性波動和空間分布的不均。氫儲能具備更長的儲能時長及極高的儲存容量，有望成為長時間、跨區(qū)域儲能的有效解決方案；

極大的能量密度和熱值。氫儲能的能量密度可達(dá)140 MJ/kg，是鋰電池等電化學(xué)儲能的100多倍，可以以更小的體積存儲更多的能量，有效避免能量浪費的現(xiàn)象。在熱值上，氫氣熱值可達(dá)120 MJ/kg，是煤炭、天然氣、石油等傳統(tǒng)化石能源的3-4倍。

與此同時，其短板也是不可忽視的：

電力系統(tǒng)仍未完全脫碳。目前生產(chǎn)氫能的過程并非完全零碳；

產(chǎn)氫成本過高。電解水過程中，通常電費占制備成本的80%左右，投資成本高；

產(chǎn)氫效率偏低。目前氫儲能的整體電→氫→電的能量效率僅為30%左右，能量損失高于其他常用的儲能技術(shù)。

各類儲能技術(shù)的評價指標(biāo)不同，其應(yīng)用范圍也不盡相同。如下圖所示，無論是儲能時長還是儲存容量方面，氫儲能都有著絕對的優(yōu)勢。

不同儲能形式時長與容量對比資料來源：2021氫儲能行業(yè)研究報告

氫儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)——儲氫

儲氫技術(shù)可分為物理儲氫（技術(shù)最為成熟）、化學(xué)儲氫、地下儲氫和其他儲氫，具體可細(xì)分為12種儲氫方式。物理儲氫主要有高壓氣態(tài)儲氫和低溫液態(tài)儲氫；化學(xué)儲氫主要有配位氫化物儲氫、無機(jī)化合物儲氫、有機(jī)液體儲氫、液氨儲氫與甲醇儲氫。

以下就四大關(guān)鍵儲氫技術(shù)進(jìn)行介紹與對比：

一、高壓氣態(tài)儲氫：發(fā)展最成熟、最常用的儲氫技術(shù)

高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)是指在氫氣臨界溫度以上，通過高壓壓縮方式將氫氣以高密度氣態(tài)形式儲存。

該項儲氫技術(shù)具有成本較低、能耗低、易脫氫等優(yōu)勢，但儲氫密度受壓力影響較大，壓力又受儲罐材質(zhì)限制。因此，尋找輕質(zhì)、耐高壓的儲氫罐成為了高壓氣態(tài)儲氫的關(guān)鍵。

目前，高壓氣態(tài)儲氫容器主要分為純鋼制金屬瓶(I型)，鋼制內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞瓶(II型)，鋁內(nèi)膽纖維全纏繞瓶(III型)及塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶(IV型)四個類型。除此之外，國外已經(jīng)在研發(fā)Ⅴ型儲氫瓶，即無內(nèi)膽纖維纏繞。

四個類型氫儲存瓶的結(jié)構(gòu)圖

二、低溫液態(tài)儲氫：尚處起步階段，或?qū)⒃谖磥砼c高壓氣態(tài)儲氫互補(bǔ)共存發(fā)展

低溫液態(tài)儲氫技術(shù)是一種深冷氫氣存儲技術(shù)。氫氣經(jīng)過壓縮后，深冷到 21K（約-253°C）以下，使之變?yōu)橐簹洌缓蟠鎯Φ教刂频慕^熱真空容器(杜瓦瓶)中。

美國通用公司在轎車上使用的液氫罐模型圖資料來源于文獻(xiàn)

其優(yōu)點是氫的體積能量高，液氫密度可達(dá)70.78kg/m3，是標(biāo)準(zhǔn)情況下氫氣密度的850倍左右。但液氫沸點極低，與環(huán)境溫差極大，對儲氫容器的絕熱要求很高。

我國低溫液氫目前尚處于起步階段，主要應(yīng)用于軍事與航天領(lǐng)域（氫的能量密度是普通汽油的3倍，意味著燃料自重可降低2/3，能大幅改善飛機(jī)各類性能參數(shù)）。

小型液氫儲罐

三、有機(jī)液態(tài)儲氫：最具發(fā)展?jié)摿Φ臍錃獾蛢r儲運技術(shù)之一，在安全性、儲氫密度、儲運效率上極具優(yōu)勢

有機(jī)液體儲氫技術(shù)是基于不飽和液體有機(jī)物在催化劑作用下進(jìn)行加氫反應(yīng)，生成穩(wěn)定化合物，從而可在常溫常壓下，以液態(tài)形式進(jìn)行儲存和運輸，并通過脫氫反應(yīng)提取出所需量的氫氣。

整體流程如下：

氫氣有機(jī)液態(tài)儲運過程示意圖

與高壓氣態(tài)儲氫和低溫液態(tài)儲氫相比，有機(jī)液態(tài)液體儲氫反應(yīng)過程可逆，儲氫密度高；氫載體儲運安全方便，適合長距離運輸；可利用現(xiàn)有汽油輸送管道、加油站等基礎(chǔ)設(shè)施。但還存在脫氫技術(shù)復(fù)雜、脫氫能耗大、脫氫催化劑技術(shù)亟待突破等技術(shù)瓶頸。

在有機(jī)液態(tài)儲氫領(lǐng)域，美國化學(xué)家研制出一種B-N基液態(tài)儲氫材料，可在室溫下安全工作，該項技術(shù)的突破為氫能儲運難題提供了解決方案。

四、地下儲氫：仍處發(fā)展初級階段，是解決大容量長期儲能的有效途徑

地下儲氫技術(shù)是利用地下地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行大規(guī)模氫能存儲，即用能源電解水制氫，將氫氣注入鹽穴、枯竭油氣藏和含水層等地下地質(zhì)構(gòu)造中，儲存氫能。

整體流程如下：