首页%万恒娱乐挂机%首页摘要：随着化石能源消耗速度的增加，能源危机日益加剧，环境污染和温室效应问题越来越突出。为了应对上述问题，风能、太阳能和水能等可再生能源在人类社会的能源体系中占比越来越高，但可再生能源普遍存在稳定性差、利用效率低等问题。氢能既是清洁低碳的新能源，又可作为储能介质，必将在未来的能源结构中发挥不可替代的作用。氢气的制取、储运和应用技术是保障未来氢能经济顺利到来的重要支撑，尤其氢储能发电技术是实现氢能与电能充分结合和优势互补的重要途径。阐述了氢能利用的技术现状和发展趋势，对比分析了氢储能与其他形式储能的不同，最后明确了氢储能发电对未来电网安全及提高能源利用效率的重要意义。

　　能源在人类社会的发展中一直扮演者至关重要的角色，而且每一次工业革命都伴随着重大的能源体系变革。从远古时期的钻木取火，到19世纪的蒸汽时代再到20世纪的电气时代，人类社会的能源体系一直朝着碳含量越来越低，氢含量越来越高的方向发展，表现出不断加速脱碳的特征。即便如此，在进入21世纪后，受全球经济发展更加迅猛的影响，常规的化石能源———煤、石油、天然气等的年消耗量成倍增长，二氧化碳及有害气体排放量大幅增加，使全球的生态环境遭到严重的污染和破坏。在这样的形势下，大力发展清洁能源，尤其是扩大清洁能源在储能发电领域的大规模并网应用，是改善人类居住环境以及促进人类社会可持续发展的关键所在。

　　在所有的清洁能源中，氢能被广泛认为是未来最有发展潜力的二次能源，它具有其他能源所不具备的多种优点，如储量丰富，能量密度高，可存储等。氢既可由可再生能源如水力、风能、太阳能、生物质和地热能产生，也可由不可再生能源如煤、天然气和核能产生，所以氢的来源途径广泛，具备可再生、可持续性。另外，作为新能源领域备受关注的能量形式，氢在使用后的排放物是水，可以达到“零”碳排放和“零”污染，尤其是 氢具备可储、可运、可发电的独特优势，特别适合大规模应用于电厂的储能发电上，使氢能 与电能可互相转化，互为依托，优势互补。所以，氢能是世界各国普遍认为的最适合人类社 会未来应用的新型清洁能源，是解决当前全球能源危机、环境恶化和温室效应问题的关键解决方案。世界上许多发达国家如美国、日本和欧盟等都对氢能源赋予极大的重视，分别制定了具体的氢能规划，以求在未来的能源革命中抢占“氢经济”发展的制高点。“氢经济”已经成为21世纪新的竞争领域。

　　氢能产业是一个涉及多领域、多专业而且与地域特点紧密相关的产业，氢能技术也是一个涉及到材料、装备和能源等多种行业的综合技术。但按照氢能产业的上下游行业特点，氢能技术一般可划分为氢的制取技术、氢的储运技术和氢的应用技术。

　　氢气的化学性质十分活泼，自然界不存在游离态存在的氢气，因此氢气是一种二次能源，当前各个领域使用的氢气都是通过其他一次能源转化而来的。目前中国制取氢气的主要方法有：化石燃料制氢、含氢尾气副产氢回收、热分解制氢和电解水制氢等，如图1所示。

　　化石燃料制氢又包括石油、天然气蒸汽重整制氢和水煤气法制氢等；含氢尾气副产氢回收主要包括氯碱工业尾气、焦炉煤气和合成氨厂驰放气回收氢等；热分解制氢包括甲醇裂解制氢和氨分解制氢等；电解水制氢是通过提供电能使水分解制得氢气，该过程的效率一般为75％～85％，其工艺过程简单无污染，但因电耗大而成本较高。如果电解水的电能来源于核能、太阳能、水能和风能等可再生资源，那么电解水制取氢气的全过程都将是清洁无排放的，同时这种方法使得能源供给体系更为灵活方便，不仅增加了电网的清洁性，还可利用氢气实现电网的调峰储能，提高消纳比例。

　　制氢产业技术除了以上获取氢气的技术方法外，还包括氢气的液化技术、氢气的装备技术和氢气的净化提纯技术。制氢产业涉及的主要制造商和技术水平见图2。

　　氢是自然界中最轻的元素，氢气在常温常压下的密度非常低，仅为空气密度的1／14，常规的储运方式很难达到理想的储运效率，所以如何提高氢气的储运密度是影响整个氢能产业可持续发展的关键。几十年来，氢的储运技术一直是主要发达国家的研究热点，因为氢能被普遍认为是解决人类社会能源需求日益增长和全球气候变暖问题的终极解决方案。目前，氢气的储运技术主要包括气态储运、低温液态储运和固体储运等。每种氢气的储运技术都有其优缺点，可根据氢气用量和与氢源的距离评估储运成本，从而选择合适的储运方式。

　　气态储运是指以高压气罐为储氢容器来进行氢气储运的技术。它具有成本低、能耗相对较小，可以通过减压阀调节氢气的释放速度，充放气速度快，动态响应好，能在瞬间开关氢气。根据生产使用的不同方式，高压储氢设备按用途大致可分为：车用储氢容器、高压运输设备和固定式高压储存设备。目前，车用储氢容器是氢气储运技术的研究热点，其中丰田汽车公司在高压车用储氢容器方面拥有先进、成熟地制作及应用技术，采用了塑料内胆全缠绕气瓶（IV型），见图3。该类型储氢容器的质量更轻，更加适合用于乘用车，而且实现了70MPa的高压密封储氢，储氢的质量密度达到5.7％（质量分数），但目前该类型储氢容器的成本依然较高，如何降低制造成本和防止氢气的高压渗漏是未来的重点研究方向。

　　目前，国内车用储氢容器通常以锻压铝合金为内胆，外面包覆碳纤维，该结构的储氢容器主要有35和70MPa两种型号。其中35MPa的储氢容器已广泛用于车载系统，国内生产车用储氢容器的厂家主要有北京科泰克、北京天海、沈阳斯林达、中国中氢和中材等多家企业（表1），而70MPa的车载储氢容器还没有国家标准，国内还没有在车载系统上应用。但随着储氢技术地不断发展和燃料电池汽车市场地逐步扩大，未来70MPa的车载储氢容器将会是车载储氢容器的发展趋势。

　　氢的液态储运是指将氢气在低温下进行液化，然后将其存放在绝热的储存容器中进行运输，一般绝热容器的机构示意图如图4所示。

　　氢气液化所需的温度非常低，要求达到－252.65℃以下时氢气才能变为液态，液氢的密度为 0.07g／cm 3 ，约是标准状态下气态氢气的845倍。与气态氢气相比，液氢在储运方面最大的优势是储运的质量和单位体积的储氢能量密度都有大幅提高，它的运输能力一般可达到气态运输的10倍以上，可配合大规模风电、水电、光电或核电电解水制氢储运，是具有广泛应用市场的储运方式。液氢虽然具有储运能量密度高的优势，但是该方式储运的成本很高。成本主要来源于两个方面：一是气态氢气液化压缩时需要消耗大量的能量，约是氢气本身能量的30％，能耗很高；二是液氢储存的容器需要保障绝热并且耐高压，制作成本较高。所以目前中国的液氢主要应用在航天领域，民用较少。

　　氢气的固体储运是利用储氢材料在一定的温度和压力条件下可实现可逆的吸放氢的特性，将氢气先储存在储氢材料的内部，需要时再将储氢材料加热、减压，使氢气逐步放出的一种储运方式。固体储氢的质量储氢密度在1％～4.5％（质量分数），由于储氢合金安全、无污染、可重复利用等优点，该方法适合在潜艇、船舶等需要配重及港口等对质量不敏感的大型器械方面应用。北方稀土、厦门钨业、包头中科轩达、安泰科技、北京浩运金能等公司都在做固体储氢材料的研究。其中北京浩运金能主要利用稀土金属化合物储氢，储氢质量密度为4.0％左右，北方稀土和厦门钨业也在做稀土金属储氢，包头中科轩达和安泰科技开发出可商业化的Mg基储氢合金粉体和A 2 B 7 型储氢合金粉体。虽然固态储氢已经在车上示范应用，但与2017年美国DOE制定的储氢密度标准相比，差距仍然较大。其商业化应用还须进一步提高质量储氢密度、降低分解氢的温度和压力、降低生成热、提高使用寿命等。同时，车载储氢技术不仅与储氢材料有关，还与储气罐的结构有关，需要解决储气罐的体积膨胀、传热和气体流动等问题。

　　在目前的国民经济中，氢能在很多领域都有广泛的应用。概况来讲，氢能的应用领域涉及电力领域、交通领域、民用领域、航天领域、工业领域和储能领域，如图5所示。氢在能源领域可与电力、热力、油气、煤炭等能源品种大范围互联互补，优化能源结构。在电力领域可有效弥补电能存储性差的短板，有力支撑高比例可再生能源发展；在交通领域可降低长距离高负荷交通对燃油的依赖，彻底实现交通终端用能清洁化，尤其是近几年来蓬勃发展的氢燃料电池汽车产业，更是得到了世界各国政府的高度重视，纷纷出台了支持鼓励政策，希望在此领域最早实现氢能大规模应用的突破，从而逐渐打开氢能社会的大门。除此之外，氢能还作为低碳甚至“零”碳排放的新能源正在脱颖而出，随着氢能源未来进一步推广应用，将给人类生活带来巨大变化。

　　氢气在现代工业中主要应用于石油领域的炼油和化学工业的重要原料。全球每年在工业领域消耗的氢气量超过了500亿Nm 3 。目前，为了改善石油和天然气等化石燃料燃料品质，必须对其进行精炼，如烃的增氢、煤的气化、重油的精炼等，这些过程中都要消耗大量的氢气。在化工业中，制备甲醇和合成氨均需要氢气作原料，尤其是合成氨的用氢量最大。世界上约70％的氢气都用在了合成氨上，中国的合成氨的用氢量更高，甚至达到了整个氢气产量的80％以上。

　　氢气是自然界中最轻的气体，而且能量密度是汽油的3倍。这一特点使氢气特别适合应用在航空航天领域。早在20世纪40年代，氢气就已经应用于火箭发动机的液体推进剂。二战结束后，航空航天技术发展迅速，液氢先后被用在航天的动力燃料和美国的“阿波罗”登月上。随着现代航天的发展进步，液氢对人类探索太空提供了重要的能源保障，是航天飞机最安全有效的能量源。中国、美国和俄罗斯均投入大量的人力、物力和财力研发更加高效的氢能应用装置来减去航天飞机的自重，保障续航能力。目前，一种被称为“固态氢”的新材料已经被开发出来，它比液氢的能量密度更高，而且可以作为航天飞机或宇宙飞船的结构材料，在飞行期间，飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而“消耗掉”。这样飞船在宇宙中就能飞行更长的时间。

　　氢能及其应用是未来全球能源革命的关键支撑，而氢燃料电池汽车又是其先导。世界主要发达国家一直十分注重氢能技术的发展，并投入了大量的人力、物力和财力进行技术攻关。目前，美国、日本和韩国在氢燃料电池汽车应用技术方面处于世界领先水平，欧盟也在2019年初发布了交通运输领域的《欧洲氢能路线欧洲氢能路线图部署的燃料电池汽车车型和发展路径

　　在国内，今年《政府工作报告》提出要“推动充电、加氢等设施 建设”，在国内外引起 了广泛关注。业界普遍认为，这一决策部署符合全球能源转型趋势，也是汽车产业升级、生态文明建设的迫切需要，必将加速氢能与燃料电池发展，大幅提升未来中国能源安全水平，同时也为经济增长不断注入新的动能。

　　燃料电池汽车作为电动汽车的一种，其目标市场应瞄准锂电池汽车所不能企及的领域，当前锂电池汽车技术的短板，才是燃料电池汽车可以大展宏图的方向。燃料电池汽车技术的特点主要表现在高功率密度、长续驶里程和快速加注燃3个方面，因此所面向的目标市场是：超大功率的重型车辆，有800km以上续 驶里程需求的长途车辆，以及可以24ｈ运营提升效益的商用车辆。尽管锂电池车辆提出了快速更换电池包的方案，但这一方案无疑增加了基础设施投资和占用了过多的社会资源，长期来看其综合运营效率并不高，燃料电池车辆仍有更大市场机会。

　　新能源是全球具有战略性和先导性的新兴产业。对新能源和可再生能源的研究和开发，寻求提高能源利用率的先进方法，已成为全球共同关注的关键问题。对中国这样一个能源生产和消费大国来说，既有节能减排的需求，也有能源增长以支撑经济发展的需要。开发多种形式的新能源，提高各种能源协调高效运行是中国目前要解决的首要问题。在传统能源和各种形式的新能源交替共存的非常时期，储能产业是各种能源形式紧密结合的“软化剂”，是优化能源结构，避免能源浪费的关键支撑。不管是节能减排，充分利用传统能源，还是大规模发展新能源，提高新能源的渗透率，都离不开储能技术的密切配合。

　　储能技术分为物理储能、化学储能及热储能。物理储能包括机械储能（抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能）与电磁储能（超级电容器、超导储能）；化学储能基于电化学原理进行储电，如铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等；热储能是将热能储存在隔热容器的媒介中，实现热能的直接利用或热发电。这些技术的主要目的均是储电，利于充放电短周期内的就地使用，若需要进行长周期的储能，如不同季节，储电则会受到其容量的限制。

　　目前，大规模储能技术只有抽水蓄能和压缩空气储能可实现商业化。但抽水蓄能电站的建设受到地理条件的严格限制，尤其中国可再生能源集中地水资源有限，难以满足建造抽水蓄能电站的需求。压缩空气储能容量大、寿命长、经济性能好、充放电循环多，但目前还存在传统压缩空气储能系统需要燃烧化石能源、小型系统的效率不高和大型系统需要特定的地理条件建造储气室等缺点。

　　氢能是一种理想的二次能源，燃烧产物为水，是最环保的能源形式，它既能以气、液相的形式存储在高压罐中，也能以固相的形式储存在储氢材料中，如金属氢化物、配位氢化物、多孔材料等。氢储能能量密度高、运行维护成本低、可长时间存储且可实现过程无污染，是少有的能够储存百GW·h以上，且可同时适用于极短或极长时间供电的能量储备技术方式，被认为是极具潜力的新型大规模储能技术。对可再生和可持续能源系统而言，氢气是一种极好的能量存储介质。氢气作为能源载体的优势在于：

　　氢能的一个重要应用就是氢储能发电。氢储能发电技术是一种利用氢气作为能源储存介质，在电力生产过剩时使用冗余电力制造氢气并储存，在电网电力生产不足时将储存的氢气通过燃料电池来生产电力或转化为甲烷，为常规燃气涡轮发电机提供动力的技术。在世界范围内，氢储能发电技术被认为是一种用作平衡可再生能源装机容量较高的电网供需的潜在解决方案。氢能发电具备能源来源简单、丰富、存储时间长、转化效率高、几乎无污染排放等优点，是一种应用前景广阔的储能及发电形式，可以解决电网削峰填谷、新能源稳定并网问题，提高电力系统安全性、可靠性、灵活性，并大幅度降低碳排放，推进智能电网和节能减排、资源可持续发展战略。然而，氢气制备价格，大规模氢气储存的安全及投资，氢燃料电池的效率及相关电力市场的政策、法规及服务等都被认为是氢储能技术推广的重要影响因素。国内外围绕氢能的研究开展已久，但关于氢储能在电力系统中的应用，尤其是在可再生能源发电中的应用还鲜有研究，适用于大规模储能的技术特性及成本比较见表2。

　　在氢储能发电技术方面，欧洲的发展相对成熟，有完整的技术储备和设备制造能力，也有多个配合新能源接入使用的氢储能系统的示范项目。如美国、日本都将氢能发电作为电网新能源应用长期的重点发展方向进行战略规划。目前，国际上小型氢能“发电站”开始进入推广期，大型氢能发电示范站也在逐步建设中。从国内情况看，中国电解水制氢技术的基础较好，包括零部件控制、集成等方面的相关产业链也在逐步形成。发展氢能已列入国家的重大发展项目之列，国家电网公司也正在进行氢能储能发电的前瞻性研究。

　　氢气储能发电与传统的电池储能技术不同，它通过电解水制氢的方式，将能源以气态燃料的方式存储起来，可以用在化工、氢电池汽车、加气站等更多的场合。使用这种方式，一方面有利于就地应用，另一方面，借助天然气管网技术也可以实现远距离运输。但目前氢储能发电在应用过程中还存在一些技术上的制约因素，主要表现在以下几个方面：

　　氢能具有能量密度高，环保无污染，无碳排放等多种优势，已被认为是未来人类社会发展所需的重要能源形式。氢能的制取、储存和应用技术是影响到人类的生存环境和生活水平的关键因素，尤其在氢气储存技术方面各国投入了大量的人力、物力和财力研发，为氢气储能提供了技术保障。氢能与电能将是未来能源应用的主要表现形式，为了未来的能源和全球经济安全，必须大力发展氢气储能及发电技术，充分将氢能和电能合理而高效的结合，同时发挥氢气可以作为储能介质的优势，克服可再生能源间歇性弊端，才能实现能源革命的顺利过度，促使“氢能经济”早日到来。

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