氢能存储：可再生能源解决方案的未来

来源：碳中和技术实战

氢能作为一种低碳的新能源和新原料，是实现能量转换的关键载体，是未来二次能源系统中对电能的重要补充。作为一种新的储能方式，氢能储能系统具有放电时间长、容量大、经济性高、储运灵活、环保等优点，可以有效补充其他储能的不足，并将在新型电力系统建设中发挥重要作用。

目前，储氢系统正处于示范应用阶段。未来，随着技术的发展和大规模应用，储氢系统的成本将显著下降，这对服务碳峰值和碳中和具有重要意义。

1.利用电能和氢能的相互转换，开发氢能储存系统。

氢能储存系统既能储存电能，又能储存氢及其衍生物（如氨和甲醇）。

窄氢储能系统基于“电、氢、电”（Power—to—Power，P2P）的转换过程，主要包括电解器、储氢罐和燃料电池。

非高峰期剩余的新能源电力用于电解水制氢，储存或用于下游产业；在用电高峰期，储存的氢能可利用燃料电池发电并并入公共电网。

氢能储存系统的广义定义强调“电和氢”的单向转换，以气态、液态或固态形式储存氢（Power-to-Gas，P2G），或将其转化为甲醇和氨等化学衍生物（Power- to-X，P2X），以便更安全地储存。

2.储氢系统的应用价值极高，是新型电力系统的重要补充

新型电力系统是新能源系统的重要组成部分，它以新能源为主要动力源，关键在于不同功能定位的储能协调发展，引入大规模、跨区域的新兴剃峰手段，在不同时间尺度上实现电能平衡，并与其他深度脱碳的能源品种有机融合，实现碳中和的最终目标。

随着储能成为源、网、负荷、储能等新型电力系统不可缺少的第四要素，氢能储能系统可以实现从数小时到季节的长期、跨季节储能，运输方式多样化，不受输配电网的制约，在平滑风能、太阳能发电输出波动、跟踪计划输出曲线、提供峰值剃峰辅助容量、参与电力需求响应、缓解供电侧、电网侧和用户侧输配电线路拥堵等方面发挥辅助作用，将成为新型电力系统的重要补充。

氢能储存系统减少了电力弃用，平滑了电力供应侧的波动。由于光伏和风电等新能源的输出具有自然波动性，电力系统中一直存在弃光和弃风的问题。使用氢能储能系统将无法接入电网的电力现场转化为绿色氢气，不仅可以解决新能源消费问题，还可以为当地的工业、交通、建筑等领域提供清洁廉价的氢能。

同时，储氢系统在风电场和光伏电站产出峰值时吸收电力，在产出低时输出电力，将风能和太阳能总发电量加到储氢能量的功率后，综合功率曲线变得平滑，从而提高新能源的友好性，支持大规模的新能源电力传输。

在电网方面，氢能储存系统提供了峰值剃峰能力，缓解了输变电线路的拥堵。电网接收和吸收新能源的能力在很大程度上取决于其峰值剃顶能力。随着大规模新能源的渗透和工业用电结构的变化，电网的峰谷差将继续扩大，氢能存储具有高密度、大容量和长期存储的特点，可以提供相当大的峰值剃尖辅助能力。此外，在一些地区，电力传输容量的增长无法跟上电力需求增长的步伐。在电力需求高峰期间，输配电系统会拥堵和堵塞，影响电力系统的正常运行。因此，大容量氢能储能系统可以作为“虚拟输电线路”，安装在输配电系统的堵塞段的下游。电能存储在没有输配电拥堵的段。氢能储能在电力需求高峰时释放电能，从而降低输配电体系的容量需求，缓解输配电的拥堵问题。

氢能储能系统可以实现电价差价的套利，在用户端作为应急备用电源，目前大多数工业用户都实行了峰谷电价制度，鼓励用户在不同时间段规划用电，而有了氢能储能在电价较低的谷期使用氢能储电装置储电，在高峰期使用燃料电池释放电能，从而实现峰谷电价格套利。

此外，柴油发电机、铅酸电池或锂电池是目前应急备用电源系统的主流，存在高噪声、高污染排放或使用寿命短、能量密度低、耐用性差等缺陷。移动氢燃料电池环保、安静且耐用性长，使其成为最理想的替代品之一。已经有实际案例，例如单个氢燃料电池移动应急电源，单堆功率超过120 kW。

3.氢能储存系统优缺点明显，行业处于示范应用阶段

氢储能系统在储存容量、放电时间等性能指标上具有明显优势，但在投资成本和转换效率上存在一定差距。氢储能系统的能量密度可以达到140MJ/kg，是锂电池等电化学储能的100倍以上。它可以在更小的体积下储存更多的能量，有效避免了能源浪费现象。

在发热量方面，氢的发热量可以达到120MJ/kg，是传统化石能源如煤、天然气和石油的3-4倍。氢能储能系统在放电时间（小时到季度）和容量规模（百吉瓦级别）方面与其他储能相比优势明显。在转换效率方面，抽水蓄能、飞轮储能、锂电池、钠硫电池和各种电磁储能的能量转换效率都在70%以上。

在氢能储存系统的“电-氢”转换过程中，碱性水电解、PEM水电解和固体氧化物（SO）水电解的制氢效率分别为63%-70%、56%-60%和74%-81%，而“氢-电”转换过程的燃料电池发电效率仅为50%-60%，能量损耗高于其他常用储能技术。大规模应用仍需技术改进。在成本方面，氢能储能系统的成本约为1850美元/千瓦，远高于其他储能方法如抽运储能（1000美元/千威）和电化学储能（286美元/千维）。

4、氢储能系统的大规模应用还有很长的路要走，技术和成本是最大的制约因素

氢能储存系统主要包括氢生产系统、氢储存系统、氢能发电系统三部分，这就需要整个氢能产业链的整合，实现电能链和氢能链两条路径的能量流动。

尽管氢能储存系统是未来大规模储能的主流路径，但氢生产系统和发电成本高，主流汽车运输方式成本高且效率低，高压储氢瓶急需迭代升级，碳纤维材料、碳纤维缠绕设备和高压罐等加工设备高度依赖进口。长距离氢运输和储氢的技术问题也成为现阶段制约行业进一步发展的重要因素。随着一体化氢生产和加氢站、轻氢油一体化能源站的探索，或通过光伏风电基地旁的尖峰燃煤电厂通过氢气与燃烧混合发电，氢能产业正向一体化能源站发展，近距离消费的发展模式可能能够解决当前的困境，实现成本降低和效率提高。

氢能储存系统对风电场大功率波动的适应性有待提高，由于风能和太阳能具有很强的不确定性，其功率输出波动范围非常大，随机变化导致碱性水电解装置的输入功率频繁变化，导致石棉隔膜压力和碱液浓度变化，影响水电解效率和电解装置的使用寿命和运行安全，同时水电解需要稳定的直流电源提供足够的动力来驱动电解反应，频繁的功率波动将对设备的使用寿命和氢的纯度和质量产生很大影响。

因此，有必要对制氢设备对电力波动的适应性进行深入研究，开发高功率、低成本、高效的工业碱性水电解制氢技术，并开发能够快速响应电力波动的质子交换膜水电解生产技术，以提高水电解成氢设备对间歇性电力波动的应变能力。

5.氢能储存系统的未来展望

近两年，氢能储能系统项目数量逐步增加，培育了“风能太阳能发电+氢能储能+抽水蓄能”的综合应用新模式，在建设氢能储能系统电站的同时发展风电产业，在资源条件适宜的地区利用氢能实现电网用电调峰和转换。

在碳中和和储能的背景下，随着燃料电池中“八大部件”（八大部件是指催化剂、扩散层、质子交换膜、膜电极、双极板、燃料电池、空压机和氢循环泵）等关键部件的技术逐步提高，氢能产业链的整体成本将继续降低，上游将与风能和太阳能制氢相结合，下游将在多个领域探索零碳应用，氢能储能系统将迎来蓝海市场。

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