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(dòng)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(lì)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(chǔ)能

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

氫儲(chǔ)能的工作原理及能量轉(zhuǎn)化過程

一、氫儲(chǔ)能的工作原理

氫儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)存起來；

在電力輸出不足時(shí)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(chǔ)能的特征及應(yīng)用場(chǎng)景

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

原料簡(jiǎn)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(chǔ)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(shí)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(dòng)和空間分布的不均。氫儲(chǔ)能具備更長的儲(chǔ)能時(shí)長及極高的儲(chǔ)存容量，有望成為長時(shí)間、跨區(qū)域儲(chǔ)能的有效解決方案；

極大的能量密度和熱值。氫儲(chǔ)能的能量密度可達(dá)140 MJ/kg，是鋰電池等電化學(xué)儲(chǔ)能的100多倍，可以以更小的體積存儲(chǔ)更多的能量，有效避免能量浪費(fèi)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(shí)，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(fèi)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(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)。

各類儲(chǔ)能技術(shù)的評(píng)價(jià)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(chǔ)能時(shí)長還是儲(chǔ)存容量方面，氫儲(chǔ)能都有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

不同儲(chǔ)能形式時(shí)長與容量對(duì)比 資料來源：2021氫儲(chǔ)能行業(yè)研究報(bào)告

氫儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)——儲(chǔ)氫

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

以下就四大關(guān)鍵儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)行介紹與對(duì)比：

一、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫：發(fā)展最成熟、最常用的儲(chǔ)氫技術(shù)

高壓氣態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)存。

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

目前，高壓氣態(tài)儲(chǔ)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(gè)類型。除此之外，國外已經(jīng)在研發(fā)Ⅴ型儲(chǔ)氫瓶，即無內(nèi)膽纖維纏繞。

四個(gè)類型氫儲(chǔ)存瓶的結(jié)構(gòu)圖

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

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是一種深冷氫氣存儲(chǔ)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?chǔ)到特制的絕熱真空容器(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(diǎn)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(diǎn)極低，與環(huán)境溫差極大，對(duì)儲(chǔ)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(chǔ)罐

三、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫：最具發(fā)展?jié)摿Φ臍錃獾蛢r(jià)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)之一，在安全性、儲(chǔ)氫密度、儲(chǔ)運(yùn)效率上極具優(yōu)勢(shì)

有機(jī)液體儲(chǔ)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(chǔ)存和運(yùn)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(chǔ)運(yùn)過程示意圖

與高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫相比，有機(jī)液態(tài)液體儲(chǔ)氫反應(yīng)過程可逆，儲(chǔ)氫密度高；氫載體儲(chǔ)運(yùn)安全方便，適合長距離運(yùn)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(chǔ)氫領(lǐng)域，美國化學(xué)家研制出一種B-N基液態(tài)儲(chǔ)氫材料，可在室溫下安全工作，該項(xiàng)技術(shù)的突破為氫能儲(chǔ)運(yùn)難題提供了解決方案。

四、地下儲(chǔ)氫：仍處發(fā)展初級(jí)階段，是解決大容量長期儲(chǔ)能的有效途徑

地下儲(chǔ)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(chǔ)，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(chǔ)存氫能。

整體流程如下：

地下儲(chǔ)氫的能源系統(tǒng)示意圖

地下儲(chǔ)氫技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)是儲(chǔ)能成本低。另外，與地面儲(chǔ)氫相比，地下儲(chǔ)存的氫氣不與大氣中的氧氣接觸，不具有爆炸危險(xiǎn)，更具安全性。盡管與地面儲(chǔ)氫技術(shù)相比，地下儲(chǔ)氫效率相對(duì)較低，前期投資較大，但由于其儲(chǔ)存容量大，地下儲(chǔ)氫更能體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。

高壓氣態(tài)

儲(chǔ)氫

低溫液態(tài)

儲(chǔ)氫

有機(jī)液態(tài)

儲(chǔ)氫

地下

儲(chǔ)氫

技術(shù)

特點(diǎn)

在高溫下將氫氣壓縮

以高密度氣態(tài)形式儲(chǔ)存

利用氫氣在高壓低溫條件下液化

輸送效率高于氣態(tài)氫

基于不飽和液體有機(jī)物在催化劑作用下的加氫反應(yīng)生成穩(wěn)定化合物

需要?dú)錃鈺r(shí)進(jìn)行脫氫反應(yīng)

利用地下地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行大規(guī)模氫能存儲(chǔ)

優(yōu)點(diǎn)

技術(shù)成熟、成本較低、充放氫快、能耗低、易脫氫、工作條件較寬

儲(chǔ)氫密度高、氫純度高

儲(chǔ)氫密度高、成本較低、安全性較高、運(yùn)輸便利

儲(chǔ)能成本低、經(jīng)濟(jì)性高、更具安全性

缺點(diǎn)

儲(chǔ)氫密度低、存在泄露安全隱患

液化過程能耗高、易揮發(fā)、成本高

副反應(yīng)產(chǎn)生雜質(zhì)氣體、脫氫反應(yīng)需高溫、催化劑易結(jié)焦失活

效率相對(duì)較低、前期投資較大

應(yīng)用

領(lǐng)域

成熟商業(yè)化

（軍用、化工、運(yùn)輸）

國外商業(yè)化

國內(nèi)僅軍事與航天領(lǐng)域

研發(fā)階段

（車用、運(yùn)輸）

發(fā)展初級(jí)階段

相關(guān)

企業(yè)

中國石油、中集安瑞科、科泰克、天海工業(yè)、中材科技、富瑞氫能、斯林達(dá)等

美國AP、普萊克斯、德國林德、航天101所、國富氫能、鴻達(dá)興業(yè)等

氫陽能源、Hydrogenious LOH、御氫科技、日本千代田化工建設(shè)公司等

英國Hydrenor、法國氫能公司（HDF）等

（國內(nèi)首座地下儲(chǔ)氫井加氫站于8月23日正式建成）

四種儲(chǔ)氫方式對(duì)比

氫儲(chǔ)能的發(fā)展歷史