文章來源：霍現(xiàn)旭,王靖,蔣菱,徐青山.氫儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用綜述[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2016,5(02):197-203.
摘要：隨著國內(nèi)以風(fēng)電、太陽能為主的可再生能源快速增長，可再生能源消納能力不足和并網(wǎng)困難等問題愈發(fā)突出，大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)被證實(shí)是解決該問題的有效方法。本文回顧了現(xiàn)有成熟儲(chǔ)能系統(tǒng)的不足與限制，分析氫儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，構(gòu)建了電能鏈和氫產(chǎn)業(yè)鏈融合的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)，為可再生能源的進(jìn)一步發(fā)展提供良策。隨后對(duì)氫儲(chǔ)能系統(tǒng)三個(gè)環(huán)節(jié)（制氫、儲(chǔ)運(yùn)氫、氫發(fā)電）關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理，對(duì)電解槽技術(shù)、燃料電池技術(shù)和儲(chǔ)氫材料中的關(guān)鍵性能進(jìn)行了比較和評(píng)估。在氫儲(chǔ)能領(lǐng)域，部分發(fā)達(dá)國家已經(jīng)初步形成了從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到示范演示的全方位格局，本文對(duì)德國和法國的重點(diǎn)示范工程進(jìn)行了調(diào)研，為我國未來發(fā)展氫儲(chǔ)能的提供參考。
我國風(fēng)電以大規(guī)模集中開發(fā)為主要形態(tài)，主要集中在“三北”地區(qū)，占全國風(fēng)電總?cè)萘康?3.4%。同時(shí)我國風(fēng)電資源和負(fù)荷逆向發(fā)布的整體特點(diǎn)，導(dǎo)致風(fēng)電的消納需要大規(guī)模特高壓輸電線路外輸，中國已成為風(fēng)電并網(wǎng)接入電壓等級(jí)最高、電力輸送距離最遠(yuǎn)的國家。隨著風(fēng)電的快速增長，風(fēng)電的波動(dòng)性、間歇性和不可準(zhǔn)確預(yù)測性也給電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)。遠(yuǎn)距離輸送電時(shí)為了調(diào)控和抑制這種大幅波動(dòng)，還需建造大型常規(guī)能源電站，投入快速調(diào)節(jié)電源以平衡風(fēng)電出力不穩(wěn)定的問題，經(jīng)濟(jì)成本極高。受調(diào)峰能力和網(wǎng)架約束的影響，“三北”地區(qū)開始出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象。可再生能源的消納能力不足以及并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的威脅，已經(jīng)成為制約可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要原因。有效解決該問題的辦法是將可再生能源所發(fā)電力轉(zhuǎn)化為其它能量介質(zhì)進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)存，在適當(dāng)時(shí)機(jī)再重新發(fā)電并入電網(wǎng)，以此完成電能的時(shí)空轉(zhuǎn)換，解決電能瞬時(shí)性的弊端，提高其并網(wǎng)的穩(wěn)定性、可控性及電網(wǎng)的安全性。目前，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)只有抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。但抽水蓄能電站的建設(shè)受到地理?xiàng)l件的嚴(yán)格限制，尤其我國可再生能源集中地水資源有限，難以滿足建造抽水蓄能電站的需求。壓縮空氣儲(chǔ)能容量大、壽命長、經(jīng)濟(jì)性能好、充放電循環(huán)多，但目前還存在傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)需要燃燒化石能源、小型系統(tǒng)的效率不高和大型系統(tǒng)需要特定的地理?xiàng)l件建造儲(chǔ)氣室等缺點(diǎn)。氫儲(chǔ)能能量密度高、運(yùn)行維護(hù)成本低、可長時(shí)間存儲(chǔ)且可實(shí)現(xiàn)過程無污染，是少有的能夠儲(chǔ)存百GW·h以上，且可同時(shí)適用于極短或極長時(shí)間供電的能量儲(chǔ)備技術(shù)方式，被認(rèn)為是極具潛力的新型大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。國內(nèi)外圍繞氫能的研究開展已久，但關(guān)于氫儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，尤其是在可再生能源發(fā)電中的應(yīng)用還鮮有研究，這三種儲(chǔ)能技術(shù)的比較見表1。作為一種重要的石油化工原料，早已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)合成氨、甲醇以及石油煉制。同時(shí)在電子工業(yè)、食品工業(yè)、冶金工業(yè)、精細(xì)有機(jī)合成、航空航天工業(yè)等領(lǐng)域也是極其重要的工業(yè)原料。隨著氫燃料和燃料電池的興起和應(yīng)用，氫能的優(yōu)越性逐漸體現(xiàn)。氫能代表了與電力系統(tǒng)相結(jié)合的新途徑，它們可以共同組成一個(gè)具有兩種主要能源載體（電力與氫能）的未來能量系統(tǒng)。因?yàn)殡娏εc氫能是互補(bǔ)的兩個(gè)脫碳能源載體，它們可以從同一個(gè)主能源資源中產(chǎn)生，且能相互轉(zhuǎn)化，如圖1所示。氫儲(chǔ)能技術(shù)就是利用了電力和氫能的互變性而發(fā)展起來的。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反應(yīng)補(bǔ)充發(fā)電。這可以有效解決當(dāng)前模式下的可再生能源發(fā)電并網(wǎng)問題，同時(shí)也可以將此過程中生產(chǎn)的氫氣分配到交通、冶金等其它工業(yè)領(lǐng)域中直接利用，提高經(jīng)濟(jì)性。2 氫儲(chǔ)能系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)
利用清潔能源電力電解技術(shù)得到氫氣，將氫氣存儲(chǔ)于高效儲(chǔ)氫裝置中，再利用燃料電池技術(shù)，將存儲(chǔ)的能量回饋到電網(wǎng)，或者將存儲(chǔ)的高純度氫氣送入氫產(chǎn)業(yè)鏈直接利用。為了實(shí)現(xiàn)這一完整的能量轉(zhuǎn)換鏈，就要從氫氣的制取、儲(chǔ)存、發(fā)電等方面整體規(guī)劃，在關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)一步突破。電解水制氫是一種完全清潔的制氫方式，技術(shù)工藝過程簡單、產(chǎn)品純度高。根據(jù)電解槽生產(chǎn)技術(shù)的不同，電解水制氫方法可以分為堿性電解、固體高分子電解質(zhì)電解和高溫固體氧化物電解3種。在堿性電解領(lǐng)域，工業(yè)上廣泛采用在工作溫度（70～80°C）下具有高傳導(dǎo)率的高濃度氫氧化鉀溶液（25%～30%水溶液）作為電解質(zhì)。使用鐵、鎳和鎳合金等在電極反應(yīng)中過電壓小的耐堿性材料作為電極。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，水的理論分解電壓為1.23V，相應(yīng)電耗為2.95kW·h/m3。但堿性電解中實(shí)際電耗達(dá)4.5～5.5kW·h/m3，電解效率為53.6%～62%，總制氫系統(tǒng)效率最高僅達(dá)30%。堿性電解雖然對(duì)設(shè)備投資的要求不高，但是80%的運(yùn)行成本都集中于用電上。2.1.2 固體高分子電解質(zhì)電解（SPE）
SPE中的固體高分子膜承擔(dān)固體電解質(zhì)的作用，被用于隔離電極并將質(zhì)子從陽極運(yùn)送到陰極，因此在SPE中只需供給純水即可。對(duì)于實(shí)際SPE電解水制氫系統(tǒng)，工作溫度約為80°C，電解電壓為1.5～1.6V，相應(yīng)的電耗為3.6～3.8kW·h，電解效率為77.6%～82%，總制氫系統(tǒng)效率約為35%。SPE所使用的固體高分子膜多為全氟磺酸型膜，被水浸潤時(shí)酸性較強(qiáng)，為兼顧耐酸性和催化活性，電極中通常加入鉑系貴金屬，而且膜本身價(jià)格昂貴，因此降低SPE的成本是當(dāng)前的重要課題。SPE可實(shí)現(xiàn)高電流密度電解，功耗低，系統(tǒng)小巧，生成的氣體純度高，容易實(shí)現(xiàn)高壓化，較適于電能來源豐富、價(jià)格低廉，尤其是水力、風(fēng)力、太陽能等可再生能源豐富的場合。SOEC采用氧化釔摻雜的氧化鋯陶瓷作為固體電解質(zhì)，高溫水蒸氣通過陰極板時(shí)被離解成氫氣和氧離子，氧離子穿過陰極板、電解質(zhì)后到達(dá)陽極，在陽極上失去電子生成氧氣。SOEC在800～950°C下工作，能夠極大增加反應(yīng)動(dòng)力并降低電能消耗，電解效率高達(dá)90%以上，總制氫系統(tǒng)效率可達(dá)52%～59%。此法具有優(yōu)良的性能，但由于在高溫下（1000°C）工作時(shí)材料損耗大，且需要持續(xù)供給高質(zhì)量的水蒸氣，在目前技術(shù)條件下難以規(guī)?；?。目前電解水制氫的主要問題是能耗高、效率低。關(guān)鍵技術(shù)的突破應(yīng)集中在減少設(shè)備成本、提高電解槽的能源效率以及如何搭建集中式大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)等方面。與其它燃料相比，氫的質(zhì)量能量密度大，但體積能量密度低（汽油的1/3000），因此構(gòu)建氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的一大前提條件就是在較高體積能量密度下儲(chǔ)運(yùn)氫氣。尤其當(dāng)氫氣應(yīng)用到交通領(lǐng)域時(shí)，還要求有較高的質(zhì)量密度。此外，以氫的燃燒值為基準(zhǔn)，將氫的儲(chǔ)存運(yùn)輸所消耗的能量控制在氫燃燒熱的10%內(nèi)設(shè)為理想狀態(tài)。目前氫氣的儲(chǔ)存可分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和金屬固態(tài)儲(chǔ)氫。對(duì)儲(chǔ)氫技術(shù)的要求是安全、大容量、低成本和取用方便。高壓存儲(chǔ)氣態(tài)氫是最普通直接的儲(chǔ)氫方式，高壓容器內(nèi)氫以氣態(tài)儲(chǔ)存，儲(chǔ)存量與壓力成正比。目前國內(nèi)外采用壓力為25～35MPa的碳纖維復(fù)合鋼瓶儲(chǔ)運(yùn)。氫氣在35MPa時(shí)密度約為23kg/m3，70MPa時(shí)約為38kg/m3，儲(chǔ)氫瓶的質(zhì)量儲(chǔ)氫密度僅有5%（35MPa）。而且壓縮氫氣是耗能過程，若使用更高壓力的儲(chǔ)罐，如70MPa，則壓縮過程需要大量的能量，增加了整體成本（壓縮的能量消耗相當(dāng)于液化的1/3）。未來除了要繼續(xù)研究如何平衡存儲(chǔ)壓力和壓縮能耗的關(guān)系外，還可進(jìn)行儲(chǔ)罐材料方面的研究以平衡儲(chǔ)罐的重量和價(jià)格。液態(tài)氫的體積可減少到氣態(tài)氫的1/800左右，大大提高體積能量密度。但氫氣沸點(diǎn)是-253°C，氫氣液化需要消耗相當(dāng)于氫氣燃燒熱1/3的能量，每千克氫需要120MJ。而且儲(chǔ)存溫度和室溫相差達(dá)200°C，氫氣的蒸發(fā)潛熱低，液氫會(huì)汽化散逸，損失率可達(dá)每天1%～2%。所以液氫儲(chǔ)存不太適用于間歇使用的場合，如汽車。但適用于大規(guī)模高密度的氫儲(chǔ)存，如可再生能源氫儲(chǔ)能系統(tǒng)，越大的儲(chǔ)存罐，使用極好的絕熱裝置隔熱，氣體蒸發(fā)比例越小，但未來需要進(jìn)一步降低液化過程中的能耗，提高液化效率。氫還可以和許多金屬或合金化合形成金屬氫化物。在一定溫度下加壓，金屬可以大量吸收氫生成固態(tài)金屬氫化物，如LaNi5H6、MgH2和NaAlH4。且該反應(yīng)具有很好的可逆性，適當(dāng)升高溫度或減小壓力即可釋放氫氣。金屬固態(tài)儲(chǔ)氫花費(fèi)的能量約是壓縮方式（70MPa）的一半，液化方式的1/5，體積能量密度約比壓縮和液化儲(chǔ)存高3倍。但質(zhì)量能量密度較低，金屬氫化物儲(chǔ)存罐的重量是汽油罐的4倍左右，使其在運(yùn)輸方面受限，鑭和鋰等材料可改善重量問題，但價(jià)格昂貴。而且金屬氫化物容易發(fā)生材料中毒導(dǎo)致儲(chǔ)氫能力下降。與傳統(tǒng)化石燃料一樣，氫氣也可以用于氫內(nèi)燃機(jī)（ICE）發(fā)電。但由于燃料電池能將氫的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，沒有像普通火力發(fā)電機(jī)那樣通過鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，可以避免中間轉(zhuǎn)換的損失，達(dá)到很高的發(fā)電效率，而且更高效環(huán)保，所以更具實(shí)用性。燃料電池按其工作溫度不同，把堿性燃料電池（AFC，100°C）、固體高分子型質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC，100°C以內(nèi)）和磷酸型燃料電池（PAFC，200°C）稱為低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC，650°C）和固體氧化型燃料電池（SOFC，1000°C）稱為高溫燃料電池。在可再生能源的氫儲(chǔ)能應(yīng)用中，重點(diǎn)關(guān)注使用純氫作為燃料的固體高分子型質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。它具有高功率密度、高能量轉(zhuǎn)換效率、低溫啟動(dòng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。影響質(zhì)子交換膜燃料電池性能的三大關(guān)鍵是質(zhì)子交換膜、電催化劑和膜電極。高性能的質(zhì)子交換膜技術(shù)被國外廠家壟斷，價(jià)格昂貴；電催化劑一般采用鉑，價(jià)格高昂，近年的研究已使膜電極上鉑載量明顯減少；膜電極是影響PEMFC性能、能量密度分布及其工作壽命的關(guān)鍵因素，對(duì)其制備工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究最為關(guān)鍵。燃料電池需組成電堆才可大規(guī)模發(fā)電，因此要發(fā)展高均一性的電堆技術(shù)，組成大容量聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。同時(shí)，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)通常還需配置一個(gè)輔助儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，彌補(bǔ)燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)上的不足。燃料電池產(chǎn)生的直流經(jīng)換流器轉(zhuǎn)為交流及電池與系統(tǒng)連接運(yùn)行時(shí)，需對(duì)交流波形、高次諧波、故障分析和保護(hù)等問題進(jìn)一步研究，采取專門的措施穩(wěn)定并網(wǎng)。基于氫儲(chǔ)能的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的電能鏈和氫氣鏈如圖2所示。圖2 基于可再生能源和氫儲(chǔ)能的能量系統(tǒng)電能鏈：利用可再生能源的富余電力或低質(zhì)量電力電解水。燃料電池發(fā)電的加入可以穩(wěn)定可再生能源的間歇性輸出，提高可再生能源的并網(wǎng)性能和利用率，滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求。氫產(chǎn)業(yè)鏈：水電解制氫（不同的規(guī)模）、壓縮氫儲(chǔ)存以及通過燃料電池電站再次轉(zhuǎn)化為電能。高純度的富余氫氣還可出售以增加氫氣的附加值。兩條能量鏈得以對(duì)接的基礎(chǔ)是風(fēng)能或太陽能等可再生能源融合電解槽單元一同輸出電力。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，電解水制氫裝置可以極好適應(yīng)可再生能源的波動(dòng)性和間歇性功率輸出，調(diào)整到不同的生產(chǎn)速率，從而實(shí)現(xiàn)更高的利用率。而且電解槽呈模塊化，設(shè)備容量與設(shè)備數(shù)量成正比，可以并列分布或平行分布，從而形成確切的電壓頻率，以滿足電力輸入能力和輸入方式的變化。目前可用的商業(yè)電解系統(tǒng)產(chǎn)氫量為485N·m3/h，輸入的能量是2.5MW，綜合運(yùn)作效率可達(dá)85%，工作壽命預(yù)估可達(dá)20年。針對(duì)可再生能源發(fā)電現(xiàn)場來說，生成的氫氣一般選擇高壓氣態(tài)存儲(chǔ)或低溫液態(tài)存儲(chǔ)。通過燃料電池發(fā)電再次轉(zhuǎn)化為電力，與可再生能源發(fā)電電站一起投入電網(wǎng)。在氫儲(chǔ)能領(lǐng)域，歐、美、日等國起步較早，走在世界前列，根據(jù)既定的氫能發(fā)展戰(zhàn)略有序推進(jìn)，已經(jīng)取得了較大成果。德國在普倫茨勞市推進(jìn)PTG（power to gas）項(xiàng)目，采用電解水制氫方式，將富裕的風(fēng)電轉(zhuǎn)化為氫氣存儲(chǔ)。圖3是位于該市的風(fēng)電-氫氣混合發(fā)電站，這是世界上第一座此類電站，于2011年11月投入運(yùn)行。該電廠利用風(fēng)能、氫能和生物質(zhì)能（沼氣）混合發(fā)電，發(fā)電量6MW。ENERTRAG綜合發(fā)電廠的工作原理（圖4）是：3臺(tái)2MW風(fēng)機(jī)正常發(fā)電，所產(chǎn)生的大部分電力直接并入電網(wǎng)，一部分電力用于電解水制氫，所產(chǎn)生的氫氣就地加壓儲(chǔ)存。同時(shí)利用附近啤酒廠的生產(chǎn)肥料制造沼氣（生物質(zhì)能），將沼氣與氫氣作為燃料混合發(fā)電，熱電聯(lián)產(chǎn)，產(chǎn)生的電力配合風(fēng)力發(fā)電平穩(wěn)的輸入電網(wǎng)，產(chǎn)生的熱能給電廠附近區(qū)域供暖。電解水制氫儲(chǔ)存起來的氫氣在富余時(shí)還可以輸送到當(dāng)?shù)氐募託湔?，用來給燃料電池汽車加氫。下一階段將會(huì)繼續(xù)建設(shè)3座電站，投入更多的示范設(shè)備并將制備的氫氣并網(wǎng)到天然氣輸送管道中去。圖4 ENERTRAG混合發(fā)電廠的工作原理法國在科西嘉島啟動(dòng)完成了MYRTE項(xiàng)目（圖5），將光伏發(fā)電與氫儲(chǔ)能結(jié)合起來，使光伏電站的電力輸出平均化，更易于并入電網(wǎng)。MYRTE項(xiàng)目建設(shè)了560kW的光伏發(fā)電設(shè)備，將超出預(yù)測出力的電力（圖6中①區(qū)）用50kW的電解水裝置生產(chǎn)氫氣和氧氣，分別儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐中。MYRTE與15kV的電網(wǎng)聯(lián)動(dòng)，在光伏出力不足時(shí)，由100kW的PEMFC（固體高分子型）燃料電池利用氫氧發(fā)電（圖6中②區(qū)）。電解和燃料電池發(fā)電時(shí)的廢熱用作溫水回收，儲(chǔ)藏在溫水罐中。綜合效率達(dá)到70%～80%。圖6為相鄰兩天的光伏實(shí)際出力和電站實(shí)際出力對(duì)比圖，實(shí)際并網(wǎng)供電量如圖中的紅線所示。氫能作為理想的新型能源載體，將其與電能復(fù)合形成的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性，尤其是在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域。目前因?yàn)榧夹g(shù)和材料限制，還存在低效率和高成本問題。今后氫儲(chǔ)能的研究重點(diǎn)應(yīng)集中在電解槽技術(shù)、燃料電池技術(shù)和儲(chǔ)氫材料研發(fā)及性能綜合評(píng)估方面。在氫儲(chǔ)能領(lǐng)域，各國都已經(jīng)初步形成了從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到示范演示的全方位格局。中國也已啟動(dòng)了沽源風(fēng)電制氫綜合利用示范項(xiàng)目。相信隨著技術(shù)和材料的不斷發(fā)展，在全球能源互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代需求下，氫儲(chǔ)能不久就可以進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。文章來源：霍現(xiàn)旭,王靖,蔣菱,徐青山.氫儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用綜述[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2016,5(02):197-203.
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