#01
為什麼發展氫能儲能？
10月31日，《聯合國氣候變化架構公約》第26次締約方大會（COP26）在英國道格拉斯舉行。這次會議的目标是在COP21上通過的《巴黎協定》要求的“将全球氣溫升幅控制在較工業革命前升高2攝氏度以内，最好不超過1.5攝氏度”的目标基礎上，要求各國為碳中和達成具體而深入的協定。未來煤炭是否盡快退出使用是這次氣候大會的争論焦點之一。煤炭作為全球用量最大的化石能源之一，已經深入人類生産和生活的各個領域。煤炭不僅在發電領域應用廣泛，在工業領域也起到了關鍵作用（如圖1所示）。但電力部門的脫碳可通過風能、光能等可再生能源實作，工業部門的深度脫碳卻存在困難。
圖1.中國煤炭行業下遊需求占比，2018 年
資料來源：中國煤炭協會
從工業部門的深度減碳角度來講，氫能作為可替代能源之一，受到國際社會和科學界的廣泛關注。氫的熱值高（120.0MJ/kg），是同品質焦炭、汽油等化石燃料熱值的2–4倍。氫氣還具有很強的還原性，既可以和氧氣通過燃燒産生熱能，也可以通過燃料電池轉化成電能。最重要的是，氫能在上述轉化中并不産生溫室氣體。是以，氫能除用于發電外，還能夠在煉鋼、化工、水泥等工業部門中起到廣泛應用，并且能夠作為燃料實作交通部門的深度減排（如圖2所示）。
圖2.未來氫能應用前景
除了氫能之外，其他可再生能源，例如太陽能、風能、水能和地熱能等是實作能源結構低碳轉型的必然選擇。但目前這些可再生能源除水能外，仍然存在很多問題，例如時空分布不均，并網能力差等，造成很大的能源浪費。為了提高可再生能源的并網能力，減少棄風棄光現象，同時為了調節電網輸配，合适的儲能技術的發展顯得尤為重要。傳統的儲能方式難以便捷地實作能量長時間的儲存，而氫能作為一種新能源，其儲能方式能量密度高，儲能規模大，能量容量成本較小，可作為長時間儲能或季節性儲能的最優方案，進而有效提高能量使用率。
圖3. 我國氫能資源分布
#02
氫能儲運技術比較
2.1
氫能儲能技術
“用氫地區不産氫，氫氣儲運成本居高不下，氫氣儲運正是目前制約我國氫能發展卡脖子的地方。”中科院大連化學實體研究所張家港産業技術研究院院長韓滌非告訴《中國能源報》記者。在氫能生産利用的産業鍊的上遊，制氫、加氫端相對成熟，而儲存、運輸環節（簡稱“儲運”）已成為氫能價格居高不下的主要制約因素。
氫能儲存（氫氣儲能）本質是儲氫，即将易燃、易爆的氫氣以穩定形式儲存。在確定安全前提下，提高儲氫容量（效率）、降低成本、提高易取用性是儲氫技術的發展重點。儲氫技術可分為實體儲氫和化學儲氫兩大類。實體儲氫主要有高壓氣态儲氫、低溫液态儲氫、活性炭吸附儲氫、碳纖維和碳納米管儲氫以及地下儲氫等；化學儲氫主要有金屬氫化物儲氫、液态有機氫載體儲氫、無機物儲氫、液氨儲氫等。
2.1.1 實體儲氫
2.1.1.1高壓氣态儲氫
氫氣在生産及應用環節都離不開壓縮技術。高壓氫氣壓縮機是将氫氣加壓注入儲氫系統的核心裝置，輸出壓力和氣體封閉性是其重要的性能名額。
圖4. 氫氣壓縮機
高壓氣體儲氫的品質儲氫密度範圍是4.0~5.7wt%，目前高壓氣态儲氫技術比較成熟，是目前最常用的儲氫技術。該技術是采用高壓将氫氣壓縮到一個耐高壓的容器裡。金屬高壓儲氫容器由對氫氣有一定抗氫脆能力的金屬或者通過複合材料構成，最常用的材質是奧式不鏽鋼。銅和鋁由于在常溫附近對氫免疫，不會造成氫脆，也常被選作高壓儲氫罐的材料。
圖5. 全複合材料高壓儲氫容器
高壓氣體儲氫的成本相對較低，壓縮過程耗能低，釋放簡單快速，是目前技術最為成熟的儲氫技術，但是存在體積儲氫密度極低的重大缺陷。此外高壓氣态儲氫存在洩漏、爆炸的安全隐患，是以安全性能有待提升。未來，高壓氣态儲氫還需向輕量化、高壓化、低成本、品質穩定的方向發展。
高壓氣态儲氫的主要應用領域包括了運輸用大型高壓儲氫容器、加氫站用大型高壓儲氫容器、燃料電池車用高壓儲氫罐、通信基站不間斷電源用儲氫罐、無人機燃料電池用儲氫罐等。例如國内某儲氫企業為上海世博會加氫站，提供了國内第一台45MPa的氫氣儲能器，第一台35MPa的移動加氫車，累計為國内加氫站提供儲能器50套以上，為國外加氫站提供儲能器達240套以上。該企業後又研制出的87.5MPa鋼質碳纖維纏繞大容積儲氫容器，已示範應用于大連加氫站；研發的35MPa橇裝加氫站，将應用于2022年冬奧會；首創35MPa全內建橇裝式移動加氫站，推動加氫站商業化營運。
2.1.1.2 低溫液态儲氫
低溫液态儲氫是先将氫氣液化，然後儲存在低溫絕熱真空容器中。低溫絕熱技術是低溫工程中的一項重要技術，也是實作低溫液體儲存的核心技術手段，按照是否有外界主動提供能量可分為被動絕熱和主動絕熱兩大方式。被動絕熱技術已廣泛運用于各種低溫裝置中; 而主動絕熱技術由于需外界的能量輸入，雖能達到更好的絕熱效果，甚至做到零蒸發存儲( Zero boil－off，ZBO) ，但也勢必帶來一些問題，如需要其他的附加裝置而使整套裝置的體積與重量增加，制冷機效率低、能耗大、成本高、經濟性差。
圖6. 液氫儲罐和儲存系統結構圖示
液态氫具有很高的密度，體積比容量大，體積占比小，能夠使得儲運簡單。但把氣态的氫變成液态的氫較難，要液化1kg的氫氣就要消耗4-10千瓦時的電量。并且，為了能夠穩定的儲存液态氫，需要耐超低溫和保持超低溫的特殊容器。該容器需要抗凍、抗壓，且必須嚴格絕熱。是以，這種容器除了制造難度大，成本高昂之外，還存在易揮發、運作過程中安全隐患多等問題。
當全球來看，低溫液态儲氫技術已應用于車載系統中，在全球的加氫站中有較大範圍的應用。液氫加氫站在日本、美國及法國市場比較多。目前全球大約有三分之一以上的加氫站是液氫加氫站，氫液化裝置主要由美國AP、普萊克斯、德國林德等廠商提供。而我國的液氫工廠僅為航天火箭發射服務，受法規及技術成本所限，還無法應用于民用領域，但相關企業已着手研發相應的液氫儲罐、液氫槽車，如航天101所、國富氫能、鴻達興業、中集聖達因等公司均在研發國産液氫儲運産品。相關部門正在研究制訂液氫民用标準，未來液氫運輸将成為我國氫能發展的大動脈。
圖7. NASA航天發射場加氫站
由财政部支援的國家重大科研裝備研制項目“液氦到超流氦溫區大型低溫制冷系統研制”近日通過驗收及成果鑒定，這也是大型低溫制冷裝備技術的重大突破。
2.1.2 化學儲氫
與實體儲氫不同，化學儲氫方案一般通過利用儲存媒體與氫氣結合為穩定化合物的方式實作氫儲存。用氫時，通過加熱或其他方式使化合物分解放氫，同時回收儲存媒體。
根據儲存媒體種類不同，化學儲氫技術主要包括金屬氫化物儲氫、液态有機氫載體儲氫、無機物儲氫、液氨儲氫等。與高壓氣态儲氫和低溫液态儲氫相比，化學儲氫技術成熟度相對較低，目前多在實驗室、示範項目環節。
2.1.2.1 金屬氫化物儲氫
該技術将氫以金屬氫化物形式儲存于儲氫合金材料中。在一定溫度壓力下，儲氫合金與氫接觸首先形成含氫固溶體（α相），随後固溶體繼續與氫反應産生相變，形成金屬氫化物（β相）。在加熱條件下，金屬氫化物放氫。早期發現的合金有LaNi5、Mg2Ni、TiFe等，随後研究者發現這類合金由一種吸氫元素A與另一種非吸氫元素B組成，兩種元素分别控制儲氫量與吸放氫可逆性。目前世界上已研發的儲氫合金可大緻分為稀土镧鎳系、钛鐵系、钛锆系、釩基固溶體、鎂系等。
這類基于固體的儲氫技術往往具有儲氫密度高、儲氫壓力低、安全性好、放氫純度高等優勢，其體積儲氫密度高于液氫。目前，國内外對儲氫金屬材料的研究成果不斷，在部分領域已得到應用。國外固體儲氫技術已在電池艦艇中得到商業應用，在分布式發電和風電制氫規模儲氫中得到示範應用；國内固态儲氫已在分布式發電中得到示範應用。
然而，成熟體系的金屬儲氫材料重量儲氫率偏低，最高的TiV材料可逆儲氫量為2.6 wt%。為提高重量儲氫率，目前開發了配位氫化物、金屬氨硼烷等新材料，但這些材料存在如吸放氫速度慢、可逆循環性能差等應用問題，仍處于實驗室技術研發中。此外，儲氫金屬材料的成本受有色金屬原料價格波動影響，成本偏高是制約發展的另一因素。
2.1.2.2 液态有機氫載體儲氫
液态有機氫載體（LOHC）儲氫技術基于不飽和液體有機物在催化劑作用下進行的加氫反應。常用的不飽和液體有機物有甲醇、環烷烴、N-乙基咔唑、甲苯、1,2-二氫-1,2-氮雜硼烷等。
這類技術具有較高儲氫密度，在環境條件下即可儲氫，安全性較高，運輸友善。缺點是氫的取放不如實體儲氫容易，需要配備額外的反應裝置，且放氫過程往往需要加熱耗能，導緻成本增高。
LOHC技術在日本和歐洲發展迅速，在我國尚屬于示範階段。總部位于德國Erlangen的Hydrogenious LOHC公司一直在開發有機氫載體（LOHC）儲運技術。目前，Hydrogenious公司正在德國Dormagen化學園區建造世界上最大的LOHC儲氫工廠，計劃2023年投産。該工廠使用二苄基甲苯為載體媒體，據稱該媒體具有不易燃不易爆性。
圖8. Hydrogenious LOHC工廠的存儲箱(上)與釋放箱（下）系統
今年10月，禦氫科技與中車西安有限公司簽署戰略合作協定，雙方将在現有鐵路運輸裝備基礎上，開發适應于大規模有機液态儲氫媒體運輸的新型鐵路罐體開發。
2.1.2.3 液氨儲氫
氫與氮氣在催化劑作用下合成液氨，以液氨形式儲運。液氨在常壓、約400 ℃下分解放氫。
相比于低溫液态儲氫技術要求的極低氫液化溫度-253℃，氨在一個大氣壓下的液化溫度-33℃高得多，“氫-氨-氫”方式耗能、實作難度及運輸難度相對更低。同時，液氨儲氫中體積儲氫密度比液氫高1.7倍，更遠高于長管拖車式氣态儲氫技術。該技術在長距離氫能儲運中有一定優勢。然而，液氨儲氫的也具有較多劣勢。液氨具有較強腐蝕性與毒性，儲運過程中對裝置、人體、環境均有潛在危害風險；合成氨工藝在我國較為成熟，但過程轉換中存在一定比例損耗；合成氨與氨分解的裝置與終端産業裝置仍有待內建。
2.1.3 地下儲氫
氫氣的長時間儲存需要依賴一定的儲存空間，利用地下空間進行儲氫成為了氫氣儲存的重要方式。諸多不同的地下儲氫方案中，最有潛力的一種方式：在地下鹽層中挖出一個“容器”來儲氫。這個“容器”的制造需要首先鑽到目标鹽層，安裝好套管（如石油鑽井一樣）；其次注入溶液把鹽層溶化，溶化後的鹽水抽出來；再用這種溶解的方式在鹽層中造出所需要的形狀和大小的“容器”；最後充入氣體把鹽洞穴中的所有鹽水排空。根據不同鹽層結構，這上述溶解方法造出來的不同“容器”的形狀。
圖9. 地下儲氫工藝流程示意圖
氫氣地下存儲能可以充分利用地下空間、節約土地資源、有效降低氫氣的儲內建本、提高氫氣的經濟效益，應用于風光儲一體化項目，可以解決新能源發電波動性，保障能源供應和能源安全等。但氫氣地下儲庫建設面臨諸多挑戰，主要包括：儲層和蓋層的地質完整性、氫氣地下化學反應、井筒完整性、氫氣采出純度以及材料耐久性問題。
圖10. 風光氫儲一體化項目
在地下儲氫的應用上，2021年8月23日，中國石化重慶首座加氫站——半山環道綜合加能站于近日正式建成。該站是國内首座應用儲氫井技術的加氫站，日供氫能力1000公斤，将為重慶首批氫能示範公共汽車和市内物流車提供加氫服務，是氫能産業技術創新發展的良好實踐和示範。
2.2
氫能運輸技術
氫和氧能形成爆炸混合物，在運輸和使用過程中需要十分小心。目前氫能的運輸通常根據儲氫狀态的不同和運輸量的不同有所調整，主要有氣氫輸送、液氫輸送和固氫輸送3種方式。
2.2.1 氣氫輸送
氫能的氣态輸運分為長管拖車和管道輸運2種。長管拖車靈活便捷，但在長距離大容量輸送時，成本則會更高。與此相比，管道運輸的輸氫量大、能耗低，但是建造管道一次性投資也更大。在管道輸運發展初期，可以積極探索摻氫天然氣方式——将氫氣逐漸引入天然氣網絡，這也是大規模推廣氫氣的現實解決方案。
2.2.2 液氫輸送
液氫一般采用車輛或船舶運輸，液氫生産廠至使用者較遠時，可以把液氫裝在專用低溫絕熱槽罐内，放在卡車、機車、船舶或者飛機上運輸。這是一種既能滿足較大輸氫量，又比較快速、經濟的運氫方法。在特别的場合，液氫也可用專門的液氫管道輸送。由于液氫是一種低溫(-253℃)液體，其存儲的容器及輸送液氫管道都需要高度的絕熱性能，是以管道容器的絕熱結構就比較複雜，且液氫管道一般隻适用于短距離輸送。
2.2.3 固氫輸送
采用固體儲氫材料對氫氣進行實體吸附，或與氫氣發生化學反應等方式，儲存、釋放氫能的方法被稱為“固氫”儲運技術。其中，儲氫材料是實作固氫運輸的核心部分，它能夠對氫氣進行有效的吸附與釋放，或者能夠與氫氣發生高效、可逆的化學反應，進而實作氫能的儲存與釋放。常用的固體儲氫材料包括金屬儲氫合金、碳質儲氫材料等。
表1：不同輸送方式的技術比較
總體來看，氣氫儲運由于工藝及裝置相對簡單而被應用地最為廣泛，但它儲能密度低、不經濟，适用于短距離運輸。是以，采用輸氫管道輸送氫氣對于分布集中的使用者非常合适。液氫儲運由于其儲能密度較氣氫高得多，是以适用于對儲能量要求很高的航空火箭等場合，但其對裝置的絕熱、密封性等要求高。固氫儲運兼具能量密度高、運輸安全、經濟等優點，适用于工業、交通工具等多種場合，但其對固體儲氫材料性能要求較高，對新型儲氫材料的開發提出了新要求。
#03
氫能的發展瓶頸與展望
盡管氫能存在多方面的優勢，有多種儲存、運輸方式，但其生産過程存在着重要瓶頸，制約着目前氫能的大規模應用和發展。
3.1
電力系統仍未完成脫碳
氫能本身是清潔的可再生能源，在使用的過程中沒有碳排放，但目前生産氫能的過程卻并非完全零碳。如果用目前電網中的電，發電過程會産生碳排放，再電解水制氫，氫能也間接産生碳排放。氫能按照其制取方式，可分為灰氫、藍氫、綠氫三種，其中隻有綠氫是零碳的。
圖11. 氫氣制備過程示意圖
3.1.1 灰氫
灰氫是通過化石燃料，經過化學反應制造的氫氣。如通過瓦斯化，用C + H2O H2 + CO2的原理制氫，顯然會産生大量碳排放。目前，市面上絕大多數氫氣是灰氫，約占當今全球氫氣産量的95％左右。
灰氫的生産成本較低，制氫技術較為簡單，而且所需裝置、占用場地都較少，看似具有優勢，但是從本質上看并不是清潔能源。
3.1.2 藍氫
藍氫是将化石燃料通過蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整等制造的氫氣。雖然仍采用化石燃料，也會産生溫室氣體，但其使用了碳捕捉、利用與儲存（CCUS）等先進技術。溫室氣體被捕獲，減輕了對地球環境的影響，實作了低排放生産。
藍氫相對生産成本低、技術成熟，适合作為一種“過渡清潔能源”，用于現階段的減碳行動。
3.1.3 綠氫
綠氫，是通過使用再生能源（如太陽能、風能、核能等）制造的氫氣。一般通過可再生能源發電，再通過電解水制氫，生産綠氫的全過程中沒有碳排放，又稱為新能源制氫。
國際氫能協會副主席、清華大學教授毛宗強說：“2020年，中國氫氣主要來源于灰氫，在2030年之後，綠氫應該成為主體。”但綠氫受到目前技術及制造成本的限制，實作大規模應用還需要時間。
要充分應用綠氫，首先要建構以新能源為主體的新型電力系統。而新能源發電具有高度波動性和不确定性等特點，目前的電力系統尚不能完全适應。未來需要建構“電-氫”耦合體系，才能建立低碳電氫網絡，實作全過程的低碳。從這個角度看，氫能的一大瓶頸不在氫氣本身，而在于電力系統。
3.2
産氫成本過高
中國石油和化學工業規劃院新能源發展研究中心主任劉思明曾表示：“降低氫能使用成本是産業發展的關鍵所在，成本的下降趨勢和速度将決定這個産業發展的速度。”
表2：産氫成本估算
（假設：電$0.095/kWh，天然氣$9/MMBtu，煤價$20/t）
整體來看，藍氫的成本略高于灰氫，但碳排放顯著減少。如果不考慮發電本身的碳排放，電解水制氫是最為環保的，但其成本仍然偏高。機關制氫成本主要取決于煤、天然氣及電價，但是目前看來，這些價格均存在上漲的可能，綠氫的成本短期難以大幅下降。
一般認為，當電解水制氫的綜合成本降低到約1元/Nm，也即11.2元/kg時，用氫能才是經濟的。電解水過程中，通常電費占制備成本的80%左右。盡管近年在制氫的工藝、裝置、催化劑上有一定突破，成本有所下降，但未能解決根本問題。有人預計，2025年，我國60%地區的光伏上網電價将在度電0.13元左右，風電度電成本将控制在0.15元左右，可再生能源制氫成本将很快降至1元/Nm，屆時氫能的成本将比汽油更有優勢。
3.3
産氫效率偏低
産氫效率因方法而不同，但整體上偏低，或存在效率、方法、安全性等不可兼得的問題。就電解水制氫而言，通過堿性電制氫，技術較為成熟，但效率偏低，能量利用效率僅為21.42%～26.04%。通過質子交換膜（PEM）制氫，可實作高電流密度和較高效率（31.08%～33.18%），但膜與催化劑相對昂貴。通過高溫電制氫，效率高（38.22%～48.98%），但技術不夠成熟，相對昂貴。
即便是較為先進的方法，其制氫的能量利用效率也不超過50%。制得的氫氣常用于燃料電池，而燃料電池理論效率85%~90%，實際工作時效率約為40%~60%，遠達不到理論效率。如果用氫氣作為儲能媒介，在“電能氫能電能/其他”的過程中，能量浪費是巨大的，這也是制約氫氣大規模應用的一大瓶頸。未來在制氫效率及燃料電池效率上還需進一步突破。
#04
氫能的展望
目前，雖然氫能由于效率低、成本高等缺點，仍未得到大規模的應用，但由于其在各個重要領域中脫碳的關鍵作用，在未來，氫能具有廣闊的發展前景。
4.1
政策支援
首先，世界各國在政策層面為氫能的推廣制定了發展路線。國際氫能理事會（Hydrogen Council）釋出的 《氫能觀察2021》 (Hydrogen Insights 2021）統計顯示，截至2021年2月，已有30多個國家釋出了氫能路線圖[31]。美國的氫能戰略的目标是在未來十年，使清潔氫能的價格降低至1美元/千克，到2030年，預計美國氫能經濟每年可産生約1400億美元的收入，并在整個氫價值鍊中提供70萬個工作崗位。歐盟委員會于2020年3月10日宣布成立“清潔氫能聯盟”，并在2020年7月公布的歐盟的氫戰略中提出，将在2024年生産100萬噸清潔氫能，并在2030年擴大至1000萬噸;日本在《2050碳中和綠色增長戰略》中也提出，到2030年将氫能年度供應量增加到300萬噸，到2050年氫能供應量達到2000萬噸/年，力争在發電和交通運輸等領域将氫能成本降低到30日元/立方米，到2050年降至20日元/立方米。在未來越來越多政策的支援下，氫能将會得到更加廣泛的應用。
4.2
技術展望
在氫能的生産方面，未來的氫能，将以可再生能源電解水制氫為主。在可再生能源成本下降之前，站内天然氣制氫能大幅降低全産業鍊成本，是加氫站未來發展的趨勢之一。
在氫能的運輸方面，儲運是限制氫能産業發展的瓶頸，氫氣專輸管道投資大、審批難，短期内仍然以高壓氣氫儲運為主。低溫液态儲氫密度高但成本高，主要應用于航空領域。固氫及有機液氫儲運容量大、安全經濟，是以發展潛力巨大。以商用車帶動加氫站建設，有望形成正回報降低氫能源成本。
在氫能的應用方面，氫能應用模式豐富，能夠幫助工業、建築、交通等主要終端應用領域實作低碳化。目前氫能以工業原料消費為主，未來氫能在交通部門應用潛力巨大，尤其是遠端重貨運、航空等，其形式則包括燃料電池、氫能熱機等。通過氫能作為主要能源，将會為目前難以減排的行業部門（如圖10所示）提供可行的深度減排路徑。
圖12. 2015年按行業劃分的全球能源相關CO2排放量
作者簡介
張乾志，清華大學核能與新能源技術研究院2021級博士研究所學生，研究方向為能源系統分析。
滕明睿，清華大學土木工程系2020級博士研究所學生，研究方向為智能建造。
楊清，清華大學公共管理學院2020級碩士研究所學生，研究方向為氣候變化與可持續發展。
楊乾坤，清華大學電機工程與應用電子技術系2020級碩士研究所學生，研究方向為能源環境。
楊盟，清華大學能源與動力工程系2018級博士研究所學生，研究方向為空氣碳捕集。
李司令，清華大學環境學院2018級博士研究所學生，研究方向為地下水污染。
徐骁翰，清華大學航天航空學院2018級博士研究所學生，研究方向為壓氣機智能設計。
文稿｜張乾志 滕明睿 楊 清 楊乾坤 楊 盟 李司令 徐骁翰
排版｜溫 柔
編輯｜李 潤 宋盛禹 李 楊 危 琨
稽核｜張可人 牛家赫
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來源：探臻科技評論
編輯：雲開葉落