文｜能鏈研究院
氫能被譽(yù)為終極清潔能源。
具備高效無污染、儲(chǔ)量豐富、儲(chǔ)運(yùn)靈活等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)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(chǔ)運(yùn)方式不經(jīng)濟(jì)，下游氫能源車無法規(guī)?；茝V，有著較多需要攻關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)。
在政策大力扶持、資本的助推下，科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)不斷精進(jìn)，陸續(xù)打破各項(xiàng)技術(shù)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(shí)期。
近日，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中的固態(tài)儲(chǔ)氫開發(fā)項(xiàng)目率先在廣州和昆明實(shí)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(yīng)用于電力系統(tǒng)，對(duì)于推進(jìn)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(chǔ)、發(fā)電、加氫一體化，實(shí)現(xiàn)“綠電”與“綠氫”之間的靈活轉(zhuǎn)換，很好地解決了新能源發(fā)電的隨機(jī)性、季節(jié)性波動(dòng)強(qiáng)的難題。
在示范項(xiàng)目中，以固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)為基石，氫能向外界展示了在儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。
01 氫儲(chǔ)能長時(shí)間、大容量、跨區(qū)域的優(yōu)勢(shì)
眾所周知，儲(chǔ)能應(yīng)用場景豐富，技術(shù)路線眾多。
基本可以分為機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、光熱儲(chǔ)能四大類。
而按照能源形式可以分為電儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能。機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能屬于電儲(chǔ)能。
不同儲(chǔ)能技術(shù)均有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場景。
對(duì)于氫能而言，主要適用于長時(shí)間、大容量、跨區(qū)域、多種類的儲(chǔ)能場景。
首先，在新能源消納方面。氫儲(chǔ)能在放電時(shí)間（小時(shí)至季度）和容量規(guī)模（百吉瓦級(jí)別）上的優(yōu)勢(shì)比其他儲(chǔ)能明顯。
氫儲(chǔ)能基本沒有剛性的儲(chǔ)存容量限制，可根據(jù)需要滿足數(shù)天、數(shù)月乃至更長時(shí)間的儲(chǔ)能需求，從而平滑可再生能源季節(jié)性的波動(dòng)。
其次，氫能在空間上的轉(zhuǎn)移也更為靈活。氫氣的運(yùn)輸不受輸配電網(wǎng)絡(luò)的限制，可實(shí)現(xiàn)能量跨區(qū)域、長距離、不定向地轉(zhuǎn)移?？刹捎瞄L管拖車、管道輸氫、天然氣摻氫、液氨等儲(chǔ)運(yùn)方式，更為靈活。 再次，氫能的應(yīng)用范圍也更為廣泛?？筛鶕?jù)不同領(lǐng)域的需求轉(zhuǎn)換為電能、熱能、化學(xué)能等。
最后，在地理限制與生態(tài)保護(hù)上。相較于抽水蓄能和壓縮空氣等大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，氫儲(chǔ)能不需要特定的地理?xiàng)l件且不會(huì)破環(huán)生態(tài)環(huán)境。
對(duì)于現(xiàn)階段主流的電化學(xué)儲(chǔ)能而言，氫儲(chǔ)能互補(bǔ)性強(qiáng)于競爭性。
相較于以鋰電池為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能，氫儲(chǔ)能在能量密度、儲(chǔ)能時(shí)長上具有較大優(yōu)勢(shì)，在能量轉(zhuǎn)換效率、響應(yīng)速度等方面則相對(duì)較差。
電化學(xué)儲(chǔ)能主要針對(duì)日內(nèi)、高頻的波動(dòng)，氫儲(chǔ)能則主要用于季節(jié)性或跨地區(qū)的能量轉(zhuǎn)移。
氫儲(chǔ)能與電化學(xué)儲(chǔ)能并不是非此即彼的競爭關(guān)系，而是互為補(bǔ)充，共同支撐未來電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。
02 氫儲(chǔ)能的效率缺陷
同樣地，氫儲(chǔ)能也存在著諸多缺點(diǎn)。 首先，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)效率較低。
現(xiàn)階段，抽水蓄能、鋰電池等多種儲(chǔ)能的能量轉(zhuǎn)化效率均在70%以上，而氫儲(chǔ)能需要完成“電 氫 電”兩次能量轉(zhuǎn)換，整體效率不到40%，與其他儲(chǔ)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(chǔ)能是否具備經(jīng)濟(jì)性，是其規(guī)模化推廣應(yīng)用的先決條件。
而經(jīng)濟(jì)性取決于充（制氫）放（發(fā)電）電價(jià)差。
假設(shè)綠電-制氫-發(fā)電場景：機(jī)構(gòu)研究結(jié)果表明，可再生能源電價(jià)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(jià)和50kWh/kg制氫電耗計(jì)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(jià)格計(jì)算，售電收入為10.8元/kg，最多與制氫成本勉強(qiáng)持平，全鏈條算下來必然虧損。
當(dāng)前抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能投資功率成本約為7000元/kW，電化學(xué)儲(chǔ)能成本約為2000元/kW，而氫儲(chǔ)能系統(tǒng)成本約為13000元/kW，遠(yuǎn)高于其他儲(chǔ)能方式。其中，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)造價(jià)約9000元/kW，占到總投資的近70%。
最后，受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策和標(biāo)準(zhǔn)等因素的制約，氫能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。
那么，氫儲(chǔ)能未來發(fā)展方向在哪？
03 廣義氫儲(chǔ)能打開市場空間
首先，是靈活運(yùn)用，不單單只局限于服務(wù)發(fā)電端。 從廣義上講，氫儲(chǔ)能是“電 氫”單向轉(zhuǎn)換，以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)等形式存儲(chǔ)起來，既可以服務(wù)于電力，應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)“源網(wǎng)荷”的各個(gè)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(chǔ)能的“氫 電”轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)互聯(lián)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)不同品位能量的梯級(jí)利用，提高能量的轉(zhuǎn)化效率。
氫儲(chǔ)能既可以儲(chǔ)電，又可以儲(chǔ)氫及其衍生物（如氨、甲醇），轉(zhuǎn)化為甲醇和氨氣等化學(xué)衍生物（Power-to-X，P2X）進(jìn)行更安全地儲(chǔ)存。
棄光、棄風(fēng)問題一直存在于電力系統(tǒng)中。隨著我國“雙碳”目標(biāo)下新能源裝機(jī)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(yù)警中心發(fā)布2022全國新能源并網(wǎng)消納情況，具體來看，風(fēng)電利用率為96.8%，光伏利用率為98.3%。
2022年我國風(fēng)電、光伏發(fā)電量達(dá)到1.19萬億千瓦時(shí)。棄光、棄風(fēng)的電力高達(dá)上百億千瓦時(shí)。
因此，利用廣義氫儲(chǔ)能將無法并網(wǎng)的電能就地轉(zhuǎn)化為綠氫，不僅可以解決新能源消納問題，并可為當(dāng)?shù)毓I(yè)、交通和建筑等領(lǐng)域提供清潔廉價(jià)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(jià)格以及電解資本支出的下降，氫儲(chǔ)能中的電解系統(tǒng)成本將大幅下降。根據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)估算，當(dāng)電價(jià)為0.5元/kW·h時(shí)，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(dāng)電價(jià)下降為0.1元/kW·h時(shí)，上述數(shù)值分別僅為9.2元/kg和20.5元/kg。
與此同時(shí)，隨著規(guī)模效應(yīng)和技術(shù)成熟，堿性和PEM電解槽投資成本將以每年9%和13%的學(xué)習(xí)曲線下降，氫燃料電池和儲(chǔ)氫罐成本也分別以11%~17%、10%~13%的速率下降。
氫儲(chǔ)能技術(shù)憑借著能量維度、時(shí)間維度和空間維度上的突出優(yōu)勢(shì)，隨著廣義儲(chǔ)能的應(yīng)用以及成本的逐步下降，將在各領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
04 固態(tài)儲(chǔ)氫落地應(yīng)用
在氫儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈中，儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)上連氫氣制造，下接氫氣應(yīng)用。是不可或缺的重要一環(huán)。
我們常見的儲(chǔ)氫技術(shù)通常分為氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)以及固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)三種方式。
通過技術(shù)領(lǐng)域的摸索，對(duì)這三種方式進(jìn)行簡單比較，可以大致得到一些確定性的結(jié)論。
氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)的成本較低、充放氫速度較快，目前最為成熟，應(yīng)用也最廣。但儲(chǔ)氫密度與運(yùn)輸半徑較為有限，所以適用于短途運(yùn)輸。
相比之下，中長距離大規(guī)模運(yùn)輸，主要考慮管道和液氫運(yùn)輸方式。液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)的儲(chǔ)氫密度較大，但設(shè)備投資與能耗成本較高。
固態(tài)氫儲(chǔ)能技術(shù)具有儲(chǔ)存時(shí)間長、安全性高、釋放氫氣方便等優(yōu)點(diǎn)，也存在著室溫下儲(chǔ)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(chǔ)氫機(jī)制的差異，主要可將儲(chǔ)氫材料分為物理吸附型儲(chǔ)氫材料和金屬氫化物基儲(chǔ)氫合金兩類，其中，金屬氫化物儲(chǔ)氫是目前最有希望且發(fā)展較快的固態(tài)儲(chǔ)氫方式。
其原理是將氫氣與合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氫原子進(jìn)入金屬的空隙中存儲(chǔ)，生成了一種叫“氫化物”的固態(tài)物質(zhì)，當(dāng)需要對(duì)外供氫時(shí)，升高氫化物的環(huán)境溫度就可以釋放氫氣。
儲(chǔ)氫材料，主要來自我國儲(chǔ)量豐富的稀土元素和鈦資源。
在全世界范圍內(nèi)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)正在積極推動(dòng)固態(tài)氫儲(chǔ)能技術(shù)的研究和開發(fā)。美國、日本、韓國等國家一直處于這項(xiàng)技術(shù)的前沿，歐洲國家也在積極發(fā)展該技術(shù)。
與國外相比，中國在固態(tài)氫能儲(chǔ)存技術(shù)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(qiáng)的投入，已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)的進(jìn)展。隨著我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，陸續(xù)打破各項(xiàng)技術(shù)瓶頸，使得固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)得以進(jìn)入應(yīng)用。
云南電氫智慧能源站試點(diǎn)項(xiàng)目中，同樣體積的三兆帕氫氣儲(chǔ)罐只能儲(chǔ)存10公斤的氫氣，而固態(tài)氫儲(chǔ)能技術(shù)則可以儲(chǔ)存200立方米氫氣，儲(chǔ)氫密度提高20倍。
廣東示范項(xiàng)目中，所采用的核心技術(shù)和裝置全部國產(chǎn)化，固態(tài)儲(chǔ)氫裝置核心單元的體積儲(chǔ)氫密度指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。固態(tài)儲(chǔ)氫裝置替代傳統(tǒng)加氫站中的氫壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)罐和純化系統(tǒng)，可使單站建設(shè)成本節(jié)約200余萬元。
隨著固態(tài)儲(chǔ)氫等技術(shù)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(lǐng)域的應(yīng)用正在逐步落地。
氫能將在諸多領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從1邁入到N。
參考資料：
[1] 羊城晚報(bào)，《國內(nèi)首個(gè)固態(tài)氫儲(chǔ)能加氫站在廣州建成》
[2] 中國儲(chǔ)能網(wǎng)新聞中心，《氫儲(chǔ)能在我國新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值、挑戰(zhàn)及展望》
[3] 高工氫燃料電池，《氫儲(chǔ)能發(fā)電應(yīng)用痛點(diǎn)及解決策略》
[4] 東北證券，《氫儲(chǔ)能潛力巨大，產(chǎn)業(yè)化尚需時(shí)日》