文｜能鏈研究院

氫能被譽為終極清潔能源。

具備高效無污染、儲量豐富、儲運靈活等優(yōu)點，應用場景多樣，市場空間廣闊，被冠以十萬億賽道的頭銜。

不過，作為新興產(chǎn)業(yè)，同樣存在著諸多問題。

比如，制氫成本過高，儲運方式不經(jīng)濟，下游氫能源車無法規(guī)?；茝V，有著較多需要攻關的技術難點。

在政策大力扶持、資本的助推下，科研機構、企業(yè)不斷精進，陸續(xù)打破各項技術瓶頸。氫能產(chǎn)業(yè)完成從0到1的蝶變過程，即將迎來高速發(fā)展時期。

近日，國家重點研發(fā)計劃中的固態(tài)儲氫開發(fā)項目率先在廣州和昆明實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。這是我國首次利用光伏發(fā)電制成固態(tài)氫能并成功應用于電力系統(tǒng)，對于推進可再生能源大規(guī)模制氫、加快建成新型電力系統(tǒng)具有里程碑意義。

能源站通過氫能的制取、存儲、發(fā)電、加氫一體化，實現(xiàn)“綠電”與“綠氫”之間的靈活轉換，很好地解決了新能源發(fā)電的隨機性、季節(jié)性波動強的難題。

在示范項目中，以固態(tài)儲氫技術為基石，氫能向外界展示了在儲能方面的應用。

01 氫儲能長時間、大容量、跨區(qū)域的優(yōu)勢

眾所周知，儲能應用場景豐富，技術路線眾多。

基本可以分為機械儲能、電磁儲能、電化學儲能、光熱儲能四大類。

而按照能源形式可以分為電儲能、熱儲能和氫儲能。機械儲能、電化學儲能和電磁儲能屬于電儲能。

不同儲能技術均有其優(yōu)缺點，適用于不同的應用場景。

對于氫能而言，主要適用于長時間、大容量、跨區(qū)域、多種類的儲能場景。

首先，在新能源消納方面。氫儲能在放電時間（小時至季度）和容量規(guī)模（百吉瓦級別）上的優(yōu)勢比其他儲能明顯。

氫儲能基本沒有剛性的儲存容量限制，可根據(jù)需要滿足數(shù)天、數(shù)月乃至更長時間的儲能需求，從而平滑可再生能源季節(jié)性的波動。

其次，氫能在空間上的轉移也更為靈活。氫氣的運輸不受輸配電網(wǎng)絡的限制，可實現(xiàn)能量跨區(qū)域、長距離、不定向地轉移?？刹捎瞄L管拖車、管道輸氫、天然氣摻氫、液氨等儲運方式，更為靈活。 再次，氫能的應用范圍也更為廣泛?？筛鶕?jù)不同領域的需求轉換為電能、熱能、化學能等。

最后，在地理限制與生態(tài)保護上。相較于抽水蓄能和壓縮空氣等大規(guī)模儲能技術，氫儲能不需要特定的地理條件且不會破環(huán)生態(tài)環(huán)境。

對于現(xiàn)階段主流的電化學儲能而言，氫儲能互補性強于競爭性。

相較于以鋰電池為代表的電化學儲能，氫儲能在能量密度、儲能時長上具有較大優(yōu)勢，在能量轉換效率、響應速度等方面則相對較差。

電化學儲能主要針對日內(nèi)、高頻的波動，氫儲能則主要用于季節(jié)性或跨地區(qū)的能量轉移。

氫儲能與電化學儲能并不是非此即彼的競爭關系，而是互為補充，共同支撐未來電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

02 氫儲能的效率缺陷

同樣地，氫儲能也存在著諸多缺點。 首先，氫儲能系統(tǒng)效率較低。

現(xiàn)階段，抽水蓄能、鋰電池等多種儲能的能量轉化效率均在70%以上，而氫儲能需要完成“電 氫 電”兩次能量轉換，整體效率不到40%，與其他儲能的效率差距明顯。

其次，成本高昂。

制氫成本是一方面，系統(tǒng)成本是另一方面。

氫儲能是否具備經(jīng)濟性，是其規(guī)?；茝V應用的先決條件。

而經(jīng)濟性取決于充（制氫）放（發(fā)電）電價差。

假設綠電-制氫-發(fā)電場景：機構研究結果表明，可再生能源電價占綠氫制氫成本的60%-70%。

以0.15元/kWh可再生能源發(fā)電電價和50kWh/kg制氫電耗計算，可再生能源制氫的成本約為10.7-12.5元/kg。按照單位千克氫氣發(fā)電18kWh和0.6元/kWh售電價格計算，售電收入為10.8元/kg，最多與制氫成本勉強持平，全鏈條算下來必然虧損。

當前抽水蓄能和壓縮空氣儲能投資功率成本約為7000元/kW，電化學儲能成本約為2000元/kW，而氫儲能系統(tǒng)成本約為13000元/kW，遠高于其他儲能方式。其中，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)造價約9000元/kW，占到總投資的近70%。

最后，受技術、經(jīng)濟、政策和標準等因素的制約，氫能在新型電力系統(tǒng)中的應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

那么，氫儲能未來發(fā)展方向在哪？

03 廣義氫儲能打開市場空間

首先，是靈活運用，不單單只局限于服務發(fā)電端。 從廣義上講，氫儲能是“電 氫”單向轉換，以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)等形式存儲起來，既可以服務于電力，應用于新型電力系統(tǒng)“源網(wǎng)荷”的各個環(huán)節(jié)。又可以為交通、建筑和工業(yè)等終端部門提供高純度氫氣。 在狹義氫儲能的“氫 電”轉化環(huán)節(jié)，充分利用氫燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)特性，利用氫燃料電池為建筑、社區(qū)等供熱，并作為備用電源，與電力、熱力等能源品種實現(xiàn)互聯(lián)互補，實現(xiàn)不同品位能量的梯級利用，提高能量的轉化效率。

氫儲能既可以儲電，又可以儲氫及其衍生物（如氨、甲醇），轉化為甲醇和氨氣等化學衍生物（Power-to-X，P2X）進行更安全地儲存。

棄光、棄風問題一直存在于電力系統(tǒng)中。隨著我國“雙碳”目標下新能源裝機和發(fā)電量的快速增長，未來新能源消納仍有較大隱憂。

全國新能源消納監(jiān)測預警中心發(fā)布2022全國新能源并網(wǎng)消納情況，具體來看，風電利用率為96.8%，光伏利用率為98.3%。

2022年我國風電、光伏發(fā)電量達到1.19萬億千瓦時。棄光、棄風的電力高達上百億千瓦時。

因此，利用廣義氫儲能將無法并網(wǎng)的電能就地轉化為綠氫，不僅可以解決新能源消納問題，并可為當?shù)毓I(yè)、交通和建筑等領域提供清潔廉價的氫能，延長綠色產(chǎn)業(yè)鏈條。

從成本端來看，未來，隨著新能源電力價格以及電解資本支出的下降，氫儲能中的電解系統(tǒng)成本將大幅下降。根據(jù)專業(yè)機構估算，當電價為0.5元/kW·h時，堿性電解和PEM電解的單位制氫成本分別為33.9元/kg和42.9元/kg，而當電價下降為0.1元/kW·h時，上述數(shù)值分別僅為9.2元/kg和20.5元/kg。

與此同時，隨著規(guī)模效應和技術成熟，堿性和PEM電解槽投資成本將以每年9%和13%的學習曲線下降，氫燃料電池和儲氫罐成本也分別以11%~17%、10%~13%的速率下降。

氫儲能技術憑借著能量維度、時間維度和空間維度上的突出優(yōu)勢，隨著廣義儲能的應用以及成本的逐步下降，將在各領域發(fā)揮重要作用。

04 固態(tài)儲氫落地應用

在氫儲能產(chǎn)業(yè)鏈中，儲氫環(huán)節(jié)上連氫氣制造，下接氫氣應用。是不可或缺的重要一環(huán)。

我們常見的儲氫技術通常分為氣態(tài)儲運、液態(tài)儲運以及固態(tài)儲運三種方式。

通過技術領域的摸索，對這三種方式進行簡單比較，可以大致得到一些確定性的結論。

氣態(tài)儲運的成本較低、充放氫速度較快，目前最為成熟，應用也最廣。但儲氫密度與運輸半徑較為有限，所以適用于短途運輸。

相比之下，中長距離大規(guī)模運輸，主要考慮管道和液氫運輸方式。液態(tài)儲運的儲氫密度較大，但設備投資與能耗成本較高。

固態(tài)氫儲能技術具有儲存時間長、安全性高、釋放氫氣方便等優(yōu)點，也存在著室溫下儲氫量過低,且吸附材料的制備昂貴,商業(yè)化程度較低的問題。

根據(jù)固態(tài)材料儲氫機制的差異，主要可將儲氫材料分為物理吸附型儲氫材料和金屬氫化物基儲氫合金兩類，其中，金屬氫化物儲氫是目前最有希望且發(fā)展較快的固態(tài)儲氫方式。

其原理是將氫氣與合金發(fā)生化學反應，氫原子進入金屬的空隙中存儲，生成了一種叫“氫化物”的固態(tài)物質(zhì)，當需要對外供氫時，升高氫化物的環(huán)境溫度就可以釋放氫氣。

儲氫材料，主要來自我國儲量豐富的稀土元素和鈦資源。

在全世界范圍內(nèi)，經(jīng)濟發(fā)達國家和地區(qū)正在積極推動固態(tài)氫儲能技術的研究和開發(fā)。美國、日本、韓國等國家一直處于這項技術的前沿，歐洲國家也在積極發(fā)展該技術。

與國外相比，中國在固態(tài)氫能儲存技術方面的研究起步較晚，但是憑借著近年來的不斷創(chuàng)新和加強的投入，已經(jīng)取得了實質(zhì)的進展。隨著我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，陸續(xù)打破各項技術瓶頸，使得固態(tài)儲氫技術得以進入應用。

云南電氫智慧能源站試點項目中，同樣體積的三兆帕氫氣儲罐只能儲存10公斤的氫氣，而固態(tài)氫儲能技術則可以儲存200立方米氫氣，儲氫密度提高20倍。

廣東示范項目中，所采用的核心技術和裝置全部國產(chǎn)化，固態(tài)儲氫裝置核心單元的體積儲氫密度指標達到國內(nèi)領先水平。固態(tài)儲氫裝置替代傳統(tǒng)加氫站中的氫壓縮機、高壓儲罐和純化系統(tǒng)，可使單站建設成本節(jié)約200余萬元。

隨著固態(tài)儲氫等技術的深入探索，加氫站、燃料電池車、電氫智慧能源站、熱電聯(lián)供、調(diào)峰調(diào)頻、航空、軍工、冶金等領域的應用正在逐步落地。

氫能將在諸多領域得到更廣泛的應用，實現(xiàn)從1邁入到N。

參考資料：

[1] 羊城晚報，《國內(nèi)首個固態(tài)氫儲能加氫站在廣州建成》

[2] 中國儲能網(wǎng)新聞中心，《氫儲能在我國新型電力系統(tǒng)中的應用價值、挑戰(zhàn)及展望》

[3] 高工氫燃料電池，《氫儲能發(fā)電應用痛點及解決策略》

[4] 東北證券，《氫儲能潛力巨大，產(chǎn)業(yè)化尚需時日》