【学术研究】电解水制氢储能技术现状与展望_丛琳.pdf

综 述电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７） 丛 琳（１９８０ ）， 女，高级工程师，博 士，主要从事电力 系统安全管理、大 规模储能、综合能 源技术研究。 王 楠（１９７７ ），男，教授级高级工程师，博士，主要从事电力系统规划、大规模储能、综合能源技术研究。 李志远（１９８０ ），男，高级工程师，博士，主要从事氢能与燃料电池、储能、综合能源技术研究。 ∗基金项目国家电网有限公司总部管理科技项目资助（５２１２０５２０００１１） 电解水制氢储能技术现状与展望∗ 丛 琳， 王 楠， 李志远， 李 娜， 周喜超 （国网综合能源服务集团有限公司，北京 １０００５２） 摘 要太阳能、风能等可再生能源的规模化开发利用推动全球范围内能源互联 网的发展，储能是可再生能源高占比能源系统中的关键支撑技术之一。氢能具有能源 储存时间跨度长、运输距离远、消纳利用渠道多等特点，以氢作为储能载体的电解水制 氢技术可望促进大规模可再生能源的整合与消纳，是未来储能产业的重要发展方向。 首先比较了包括氢储能在内的各种储能技术特点，其次重点阐述了各种电解水制氢技 术的原理、特性与应用现状，概述了氢能储运与利用等产业链相关技术的发展现状。 在此基础上，对电解水制氢、氢能储运及利用技术的发展趋势进行了展望。 关键词储能；可再生能源；电解水；制氢；发展趋势 中图分类号 ＴＭ ７３４ 文献标志码 Ａ 文章编号 ２０９５⁃８１８８（２０２１）０７⁃０００１⁃０７ ＤＯＩ １０．１６６２８／ ｊ． ｃｎｋｉ．２０９５⁃８１８８．２０２１．０７．００１ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂｙ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗ ａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ＣＯＮＧ Ｌｉｎ， ＷＡＮＧ Ｎａｎ， ＬＩ Ｚｈｉｙｕａｎ， ＬＩ Ｎａ， ＺＨＯＵ Ｘｉｃｈａｏ （Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ． ，Ｌｔｄ． ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００５２， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｓｏｌａｒ ａｎｄ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ． Ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ ａ ｈｉｇｈ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ，ｌｏｎｇ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ａｂｕｎｄａｎｔ ｗａｙｓ ｏｆ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ｈｙｄｒｏｇｅｎ⁃ｂａｓｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂｙ ｗａｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｗｉｌｌ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｐｌａｙ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ． Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ， ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｗａｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｒｅ ｔｈｏｒｏｕｇｈｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅｌａｔｅｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｔｏｒａｇｅ， ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｒｅ ｂｒｉｅｆｌｙ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｗａｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｔｏｒａｇｅ，ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｒｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ； ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ； ｗａｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ； ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ； ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ０ 引 言 以可再生能源为主要一次能源的能源互联网 概念逐步兴起，代表了当前及未来世界能源的发 展趋势［１⁃２］。然而，随着地理上分散、生产不连 续、随机性、波动性和不可控等特点的可再生能源 的占比增大，对电网的稳定性造成重要的影响，导 致弃风、弃光问题，在一定程度上阻碍了能源互联 网的发展［３］。利用储能技术可将波动性强的可 再生能源发电以其他能源形式储存并转化为多种 能源形式满足负荷侧需求，因此储能技术是实现 可再生能源平滑波动、调峰调频、大规模接入电网 １ 电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７） 综 述 的重要手段［４⁃８］，逐步成为能源互联网中的关键 技术。此外，储能技术在需求侧管理、削峰填谷、 辅助服务等多个场景均有广阔的应用前景［９］。 本文将介绍包括氢储能在内的各种储能技 术，重点分析电解水制氢技术在储能领域的应用 研究进展，同时简要概括氢储运及利用等产业链 相关技术的现状，指出未来的氢储能技术及相关 产业的发展趋势，并结合现状和趋势提出发展 建议。 １ 各种储能技术的特点 目前，国内外开展了多种储能技术的研究与 探索［１０⁃２４］。按存储介质进行分类，电能的储能技 术主要分为物理储能、热储能、电化学储能、电气 储能以及化学储能等［２３］。 在物理储能中，抽水蓄能与压缩空气储能的 储能规模大、技术相对成熟，但二者占地空间大， 均对选址有一定的要求。前者受水文、地质条件 限制，后者则需要利用现有的矿井、洞穴。飞轮储 能具有响应速度快、寿命长等特点，但是其能量密 度低、自放电率高、投资成本高。储冷、储热等热 储能技术由于热（冷）能不易长时间存储、不易长 距离运输等限制，多用于用户侧储能，以便就近消 纳。电化学储能技术是应用最为广泛的储能技 术，具有容量大、成本低、模块化等特点［２５］，其中 以锂离子电池为主，但是安全性、废旧电池回收利 用等问题是制约其发展的重要因素。超级电容、 超导等电气储能则由于技术、容量等因素的限制， 占比有限。 相比于以上储能技术，基于电解水制氢的氢 储能技术，把电转化为氢进行能量储存，具有占地 空间小（ＭＷ级制氢设备占地＜１００ ｍ２）、储存能 量高（可达上百ＧＷｈ）等特点。作为储能载体的 氢，具有清洁低碳、存储时间长、运输距离远、消纳 利用渠道多元化等优势。因此，基于电解水制氢 的氢储能技术具有广阔的应用前景，受到很多专 家学者的关注［１９⁃２２］。 将各种储能技术的技术特点与主要应用场景 进行总结［１６⁃１８］，不同储能技术的比较如表１ 所示。 表１ 不同储能技术的比较 储能类型效率／％容量／ ＭＷ成本／ （元 ｋＷｈ －１）时间尺度运行特点应用场景 抽水蓄能７０ ～８０ １００ ～５ ０００ ３００ ～５００ 压缩空气７０ ～８９ ５ ～３００ ２０ ～５０ 氢储能６０ ～９２ ０ ～５０ ３０ ０００ 热储能 ０ ～３００ 小时级以上 能量储存容量大 可再生能源消纳、并网，削峰填谷 电池储能７０ ～９５ ０ ～０．２５ １ ５００ ～２ ０００（磷酸铁锂电池）分钟～小时级 充放电转换频繁，效率高 可再生能源消纳、 并网，应急电源， 调频 超级电容８４ ～９５ ＜０．３ ＞１０ ０００ 超导储能９５ ～９８ ０．１ ～１０ ６ ０００ ～６０ ０００ 飞轮储能９０ ～９５ ０ ～０．２５ ２ ０００ ～５ ０００ 分钟级以下 毫秒级响应 速度，大功率充 放电 改善电能质量；微 网暂态支撑 注“ ”表示相应的技术数据不完善。 ２ 氢储能技术的应用现状 氢储能技术是通过电解水制氢，将电能转化 为氢能储存起来的储能方式，包括电解水制氢、储 氢两个环节。其中电解水制氢实现电氢的转换， 是氢储能的基础。氢作为储能介质，不仅可以通 过燃料电池等技术实现电－氢－电的转换，还可运 输至交通、化工、冶金、建筑等终端用能部门转换 为其他形式的能源进而得到应用，因此氢运输及 其利用技术在一定程度上也会影响基于电解水制 氢的氢储能技术应用［２５］。本节重点介绍氢储能 核心技术电解水制氢技术的现状，并简要介绍氢 储存、运输及利用技术的现状。 ２．１ 电解水制氢技术的类型与现状 以可再生能源为主的能源转型已初具规模， 但是由于以风、光为主的可再生能源自身稳定性 差，其大规模利用面临巨大挑战。利用可再生能 源电解水制氢可将间歇性大、波动性强的电能转 化为稳定的氢气化学能形式储存，被认为是储能 技术发展的重要方向［２３］。 ２ 综 述电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７） ２．１．１ 技术类型 目前，主流的电解槽主要有３类碱性、固体 聚合物和固体氧化物电解槽［１９］。不同电解水制 氢技术示意图［２６］如图１所示。 图１ 不同电解水制氢技术示意图 碱性电解水技术原理如图１（ａ），以ＫＯＨ、 ＮａＯＨ水溶液为电解质，在直流电的作用下将水 电解，生成氢气和氧气。碱性水电解制氢的关键 设备是碱性电解槽，由镀镍的铁电极或镍系金属 电极、石棉或聚酯系材料等多孔质隔膜构成。在 电解槽的阳极和阴极分别发生电化学反应 ２ＯＨ－ ＝ Ｈ２Ｏ ＋ １２ Ｏ２ ＋ ２ｅ－（阳极反应） （１） ２Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ－ ＝ Ｈ２ ＋ ２ＯＨ－（阴极反应） （２） 与碱性水电解不同，固体聚合物电解技术原理 如图１（ｂ），采用致密、无孔的固体聚合物（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ，ＰＥＭ）作为电解质和阴、阳极 隔膜，在电解槽的阳极和阴极分别发生电化学 反应 Ｈ２Ｏ ＝ ２Ｈ＋ ＋ １２ Ｏ２ ＋ ２ｅ－（阳极反应） （３） ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ－ ＝ Ｈ２（阴极反应） （４） 固体氧化物电解水制氢的原理如图１（ｃ），高 温水蒸汽进入固体氧化物电解槽后，在阴极处被 分解为Ｈ ＋和Ｏ２ － ，Ｈ ＋得到电子生成Ｈ２，Ｏ２ －通过 传导氧离子的固体氧化物电解质到达阳极，生成 Ｏ２。在电解槽的阳极和阴极分别发生电化学 反应 Ｏ２－ ＝ １２ Ｏ２ ＋ ２ｅ－（阳极反应） （５） Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ－ ＝ Ｈ２ ＋ Ｏ２－（阴极反应） （６） 在以上３类电解水技术中，碱性电解水技术 是发展时间最长、技术最为成熟的电解水制氢技 术，具有操作简单、成本低的优点，在２０世纪中期 已实现工业化，运行寿命可达１５ ａ。缺点是电解 效率低，频繁启停或功率变化对设备寿命影响大， 同时碱液存在一定的腐蚀性。此外，为防止氢气、 氧气穿过多孔的石棉膜混合而引起爆炸，电解槽 的阳极和阴极两侧上的压力必须均衡，因此电解 槽关闭或者启动速度慢，制氢速度难以快速调节， 导致碱性电解槽难以与具有快速波动特性的可再 生能源直接配合使用。与采用多孔、非固体电解 质隔膜的碱性水电解相比，固体聚合物电解的效 率更高、工作模式更加灵活、设备结构更紧凑、耐 压差强度更高，可以结合可再生能源发电，其正在 迅速兴起并用于商业用途，但是电极材料通常用 贵重的Ｐｔ合金，设备造价高，近年来虽投资成本 已大幅下降，但仍高于碱性电解装置。固体氧化 物电解装置技术有望进一步提高电解水制氢效 率，但是技术成熟度较差、投资成本高，目前仅在 实验室和通过小型示范规模发展。各种电解水制 氢技术比较如表２所示。 表２ 各种电解水制氢技术的比较 指标 电解水制氢技术 碱性固体聚合物固体氧化物 电流密度／ （Ａ ｃｍ －２） １ ～２ １ ～１０ ０．２ ～０．４ 工作电压／ Ｖ １．８ ～２．４ １．８ ～２．２ ０．９ ～１．３ 效率／％ ６０ ～８０ ６５ ～８５ ８１ ～９２ 运行温度／ ℃ ６０ ～８０ ５０ ～８０ ９００ ～１ ０００ 冷启动时间分钟级秒级 波动适应性差较好差 单机规模／ （Ｎｍ３Ｈ２ ｈ －１） １ ０００ ５００ 投资成本／ （元 Ｎｍ －３） ６ ０００ ～８ ０００碱性的２ ～４倍 产业化程度成熟商业化推广实验室阶段 ２．１．２ 应用现状 随着可再生能源技术的大规模应用，基于电 解水制氢的氢储能技术在电力行业的重要性日益 凸显，在多个场景下均有广泛的应用前景［２７］。 电解水制氢可以与集中式光伏／风电等电站 配合使用，减弱可再生能源波动性对电网的冲击， 有利于可再生能源的消纳［２８⁃３０］。 氢储能与分布式发电的结合，有利于解决分 布式能源接入配电网的消纳问题。文献［３１］提 出了耦合分布式光伏发电与气电混合的区域多能 互补配电系统，系统主要由分布式光伏发电系统、 ３ 电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７） 综 述 气电混合装置、氢储能装置、配电网、燃气网和控 制系统等部分组成。 此外，在偏远地区或海岛，风能、太阳能较为 充足，可通过电解水制氢技术制取氢气并存储。 当可再生能源发电不足时，通过氢燃料电池发电 为负载供电，形成一套微电网系统，实现独立 供电［３２］。 在全球范围内，日本、欧洲的电解水制氢技术 储备充足，装备制造能力强，成功将电解水制氢技 术应用于储能发电领域，已建成或规划多个配合 新能源接入的氢储能示范项目。日本新能源产业 技术综合开发机构、东芝能源系统公司等单位，在 福岛县浪江町建设了１０ ＭＷ可再生能源制氢示 范项目，于２０２０年２月底竣工并投入运行，旨在 通过电解水制氢技术调整电力系统的供需平衡。 此外，法国、荷兰、英国等欧洲国家也分别建设了 与光伏电站、风电站等可再生能源配套的电解水 制氢储能系统。 与日本、法国、荷兰、英国相比，可再生能源电 解水制氢技术在我国的商业化推广启动较晚，产 业化进程较发达国家和地区还存在较大差距。近 年来，随着可再生能源弃置问题日益严重，我国已 规划／正在规划多个可再生能源电解水制氢示范 项目，如沽源风电制氢综合利用示范项目等，以期 推动电解水制氢储能技术在我国的工业化应用。 ２．２ 氢能储运及利用技术的现状 氢能储存、运输与利用等氢能产业链的其他 环节技术的发展，在一定程度上也会影响到电解 水制氢的技术发展与推广应用。因此，本节将对 目前的氢能储存、运输及利用技术进行简要介绍。 储氢技术包括高压气态储氢、低温液态储氢、 有机液态储氢以及固态储氢等类型，不同储氢技 术的比较如表３所示。 目前，高压气态储氢技术是最常用的储氢技 术，其成本低、充放氢速度快，但其体积功率密度 仅为２５ ｇ／ Ｌ，远低于美国能源部设定的目标体积 储氢密度７０ ｇ／ Ｌ。低温液态储氢技术体积功率密 度可达７０ ｇ／ Ｌ，但在液化过程中能耗过大，且对容 器绝热性、抗冻性等安全性能要求苛刻，目前主要 应用于航空航天、军事等特殊领域。有机液态储 氢利用有机液体氢化物对氢气进行可逆存储，储 氢密度较高，且可多次循环使用，但其脱氢反应条 表３ 不同储氢技术的比较 指标高压气态储氢低温液态储氢有机液态储氢固态储氢 质量储氢 密度／％ １．０ ～５．７ ５．７ ～１０ ５．０ ～７．２ １．０ ～４．５ 体积储 氢密度／ （ｇ Ｌ －１） ～２５ ～７０ ４０ ～５０ ～１７０ 优点 技术成 熟、成本低、 充放氢速 度快 体积储 氢密度 高、液化 氢纯度高 储氢密 度高、可 循环多次 使用 体积储 氢密度高、 无需高压 容器 缺点 储氢密度低 液化过程能耗大 成本 高、操作 条件苛刻 成本高、 吸放氢有 温度要求 件较为苛刻，且仍存在一些技术难题。金属固态 储氢具有体积储氢密度高、安全方便等优点，但仍 处于材料研发的实验室阶段。在氢气运输方面， 高压气态储运是当前氢输运的主要方式，包括长 管拖车和管道运输两种方式。此外，液氢槽车、液 氢船运输也在大规模氢气运输中有一定的应用。 目前氢能大多数用于传统工业领域，如炼油 （３３％ ）、合成氨（２７％ ）、生产甲醇（１１％ ）等方面。 在新兴领域方面，燃料电池是氢能利用的主要途 径，燃料电池通过电化学反应把氢能转换为电能， 具有无需燃烧、功率密度高、无运动部件、噪声低 等特点，近几年来受到越来越多的关注。日本、美 国、欧洲一些国家和地区已实现了燃料电池在交 通、固定式发电、便携电源领域的商业化应用。特 别是以氢气为燃料的固体聚合物燃料电池汽车发 展较快，目前世界范围内已经具有一定的市场 规模。 ２．３氢储能技术应用中的问题 基于电解水制氢的氢储能技术，在推广应用 过程中仍存在一些问题需要解决，主要表现在以 下方面 （１）电解水制氢的能耗高，高效的制氢技术 有待开发； （２）电解水制氢的单台套规模小，大型化问 题有待解决； （３）电解水制氢的电源功率波动适应能力较 差，功率波动适应性有待提升； （４）氢储运的成本高，低成本、规模化的氢储 运技术有待发展； （５）氢利用的新兴应用场景少，燃料电池的 ４ 综 述电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７） 成本高，多元化的氢利用途径有待拓展，高效、低 成本的燃料电池技术有待发展。 ３ 氢储能技术的发展趋势 ３．１ 电解水制氢技术的发展趋势 目前，电解水制氢技术的发展以能耗、稳定性 等性能的提升为主要目标，以便提高与可再生能 源的匹配性，降低氢气成本，为电解水制氢的推广 应用奠定坚实的技术基础。 碱性电解制氢技术采用非贵金属催化剂，电 解槽以及配套设备材质要求低、制造成本低，因此 已在制氢与储能领域实现了工业应用。但其电能 消耗大，每标立Ｈ２能耗可达４．５ ～５．６ ｋＷｈ［３３⁃３４］， 通过催化材料的改进等方法，提升电流密度，降低 制氢能耗，减小装备体积与重量，成为碱性电解制 氢的主要发展方向。 对于固体聚合物电解技术，其核心部件是膜 电极组件，电极催化剂一般必须使用贵金属，阴极 多采用高比表面积碳基体负载Ｐｔ及其合金纳米 粒子作为催化剂，阳极多采用ＲｕＯ２、ＩｒＯ２及其合 金作为催化剂，以提高工作电流密度。但贵金属 催化剂的引入显著提高了制造成本，因此减少电 极催化剂中贵金属用量、提升产氢的压力等级 （高压差）等成为固体聚合物电解技术的重要发 展方向。 固体氧化物电解制氢由于在高温下工作，在 热力学与动力学上相比于以上两种技术都有明显 优势。从热力学角度，高温电解的理论分解电压 低；从动力学角度，高温电解可提升电解速率，降 低对贵金属催化剂的需求与电解能耗［３５］。此外， 固体氧化物电解中高温操作使其具备Ｈ２Ｏ／ ＣＯ２ 共电解能力［３６］，从而可生成不同组分的合成气， 为电解储能提供新型转化途径。但相比于低温电 解技术，固体氧化物电解的高温操作使系统热管 理更为复杂，且核心陶瓷材料在频繁热循环下易 失效，需着重解决热循环中材料组件的热匹配性 与电堆结构设计问题［３７］。总体而言，提高系统长 期运行的稳定性、提升单套装备的规模、降低投资 成本等是固体氧化物电解制氢技术的主要发展 方向。 目前，电解水制得的氢气成本较高，在一定程 度上阻碍了氢储能技术的发展应用。当电价为 ０．２元／ ｋＷｈ时，电解水制氢成本约为１８元／ ｋｇ （包括设备折旧、水费、人工费等），其中电价成本 占比最高，甚至可达６０％以上。随着可再生能源 发电成本下降至０． １元／ ｋＷｈ时，制氢成本有望 降至约１０元／ ｋｇ的水平（对应煤制氢的煤炭价格 约为７００元／ ｔ），与当前煤制氢价格相当，具备大 规模推广应用的条件。 综上所述，发展电解水制氢技术，重点在于突 破材料性能、设备结构、系统集成等技术，解决宽 功率波动适应性、低成本、大型化等难题，从而实 现电氢两种能量载体之间的高效转化。 ３．２ 氢能储运及利用技术的发展趋势 在储氢方面，技术成熟度高、成本低的高压气 态储氢在短期内仍将是主流方式，提升压力等级、 提高储氢体积功率密度、保证可靠性和安全性是 其发展趋势。随着电制氢技术的发展以及产业规 模的扩大，适用于大规模储氢的低温液态储氢技 术日益受到重视，降低氢液化的能耗、提升储存容 器的绝热性等方面是技术发展的方向。固态储氢 材料研发是未来储氢技术发展的重点，开发轻质、 高效的储氢材料是实现高密度、高安全固态储氢 的前提条件。此外，低温高压储氢等新型储氢方 式也在受到关注。在运输方面，氢气长管拖车仍 是短期内的主要方式，液氢槽车是未来大规模、长 距离氢气运输的重要途径，氢气掺入天然气管道 等方式，充分利用现有基础设施，也是实现氢规模 化运输的途径之一。整体而言，随着可再生能源 电解水制氢规模的日益壮大，亟需提升储氢密度、 降低氢储运成本，规模化、低成本、高效、安全是氢 储运技术的发展目标。 在氢能的利用方面，除了作为原料气体在传 统化工领域的应用外，氢作为清洁、高效的二次能 源，在能源、交通、工业、建筑等领域均有广泛应用 前景［２２］。氢气可通过燃料电池或燃气轮机技术 应用于分布式发电领域，如离网供电以及热电联 供等场合；同时氢燃料电池在续航里程长的交通 应用领域优势明显，如长途火车、客运车等。其 中，燃料电池技术是未来氢能利用中的核心技术， 低温固态聚合物燃料电池在交通、家用热电联供 领域已实现初步商业化，在未来有望具备更大的 市场规模，目前仍需继续突破减少贵金属使用量、 提高使用寿命等技术问题；高温固体氧化物燃料 ５ 电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７） 综 述 电池在固定式发电、分布式供能系统领域应用前 景广阔，需重点突破电极材料催化性能、电堆集成 与延寿策略、系统设计及匹配优化等技术问题。 此外，降低燃料电池制造成本、增加基础设施投入 （如加氢站等）成为燃料电池技术推广和发展的 关注热点。近几年，氢在冶金、建筑等行业应用技 术的关注度逐步提升。总的来说，燃料电池等新 兴氢能利用技术的发展可望拓宽氢能的应用领 域，进一步促进上游电解水制氢产业的发展。 综上所述，高效率、低成本的氢储运、利用技 术，有助于带动产业链上游电解水制氢技术的研 发与推广应用，从而推动可再生能源制氢在储能 领域发挥重要的积极作用。 ４ 氢储能技术及其应用路线总结 氢储能技术涉及电解水制氢与储存两个环 节，氢运输与利用也会影响氢储能技术的发展。 基于不同电解水技术与应用场景，氢储能技术及 其应用路线如图２所示。目前主流的氢储能及其 应用路线是通过不同的电解水技术制取氢气，氢 作为储能载体通过燃料电池等装置进行发电、供 热／冷，或者送至加氢站／并入气网，抑或用于直接 还原、化工合成等工业领域。 图２ 氢储能技术及其应用路线 在电解水制氢方面，低温碱性电解与固态聚 合物电解技术发展较为成熟，实现或接近商业化 推广，固体氧化物电解仍处于实验室发展阶段，开 发新型材料、优化系统集成等方面是降低电解能 耗、提升稳定性以及实现大型化的重要途径。在 储存和运输方面，高压气态、低温液态技术已得到 应用，有机液态、固态金属技术距商业化推广存在 一定的距离。 在终端利用方面，氢气可用于燃料电池或燃 机进行发电或供热，也可送至加氢站提供交通燃 料，此技术路线为日本、美国主要发展的技术路 线。受限于氢气储运的安全性与经济性问题，利用 氢合成甲烷等产品，基于天然气管网或化工产品运 输网络实现能源的广义运输与存储，该技术路线受 到了以德国为首的欧洲国家的大力推广［３８］。 总体来说，氢储能技术利用可再生能源电解 水制取氢气，相较于输出单一能源形式的储能方 式，在终端可以输出电能、热能、冷能、化学能等多 种形式的能源，具有能量转化、消纳利用渠道多样 化的优势，有利于促进大规模可再生能源的消纳， 并实现电网－气网－热网等能源网络的交互连接。 ５ 结 语 对于可再生能源而言，存储时间长、运输距离 远、消纳利用渠道多的氢气是一种极好的能量存 储介质。可再生能源电解水制氢技术可实现电能 向氢气化学能的转换，发挥氢作为储能介质的优 势，是未来储能领域中的重要发展方向。从产业 链上下游协同发展的角度看，氢储能技术的发展 还需突破氢能的运输、综合高效利用等产业链其 他环节技术，实现能源网络化大规模存储，促进高 效率、低成本的储能技术规模化应用，为构建配置 能力强、安全可靠性高、绿色低碳的全球能源互联 网提供技术支撑。 【参考文献】 ［ １ ］ 刘振亚．全球能源互联网［Ｍ］．北京中国电力出 版社，２０１４． ［ ２ ］ 刘振亚．全球能源互联网跨国跨洲互联研究及展 望［ Ｊ］．中国电机工程学报， ２０１６， ３６ （１９） ５１０３⁃５１１０． ［ ３ ］ 李建林，孟高军，葛乐，等．全球能源互联网中的储 ６ 综 述电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７） 能技术及应用［Ｊ］．电器与能效管理技术，２０２０ （１９）１⁃８． ［ ４ ］ 李建林，田立亭，来小康．能源互联网背景下的电 力储能技术展望［Ｊ］．电力系统自动化，２０１５，３９ （２３）１５⁃２５． ［ ５ ］ 王雅婷，苏辛一，刘世宇，等．储能在高比例可再生 能源系统中的应用前景及支持政策分析［Ｊ］．电力 勘测设计，２０２０（１）１５⁃１９． ［ ６ ］ 茆美琴，刘云晖，张榴晨，等．含高渗透率可再生能 源的配电网广义储能优化配置［Ｊ］．电力系统自动 化，２０１９，４３（８）７７⁃８５． ［ ７ ］ 李欣然，黄际元，陈远扬，等．大规模储能电源参与 电网调频研究综述［Ｊ］．电力系统保护与控制， ２０１６，４４（７）１４５⁃１５３． ［ ８ ］ 李军徽，冯喜超，严干贵，等．高风电渗透率下的电 力系统调频研究综述［Ｊ］．电力系统保护与控制， ２０１８，４６（２）１６３⁃１７０． ［ ９ ］ 李建林，崔宜琳，王含，等．十四五储能典型政策解 析［Ｊ］．电器与能效管理技术，２０２０（１０）１⁃６． ［１０］ 李章溢，房凯，刘强，等．储能技术在电力调峰领域 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ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｓｏｕｒｃｅｓＡｎ ｕｐｄａｔｅｄ ｒｅｖｉｅｗ ［ Ｊ］． Ｅｎｅｒｇｙ ｆｏｒ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ， ２０１０，１４（４）３０２⁃３１４． ［１８］ ＣＨＯＵＤＨＵＲＹ Ａ， ＣＨＡＮＤＲＡ Ｈ， ＡＲＯＲＡ Ａ． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ － Ａ ｒｅｖｉｅｗ ［ Ｊ］． Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ａｎｄ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｖｉｅｗｓ，２０１３，２０４３０⁃４４２． ［１９］ 许世森，张瑞云，程健，等．电解制氢与高温燃料电 池在电力行业的应用与发展［Ｊ］．中国电机工程学 报，２０１９，３９（９）２５３１⁃２５３７． ［２０］ 蒋东方，贾跃龙，鲁强，等．氢能在综合能源系统中 的应用前景［Ｊ］．中国电力，２０２０，５３（５）１３５⁃１４２． ［２１］ ＭＡＲＯＣＣＯ Ｐ，ＦＥＲＲＥＲＯ Ｄ，ＧＡＮＤＩＧＬＩＯ Ｍ，ｅｔ ａｌ． Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏ⁃ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｈ２ － ｂａｓｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｒｅｍｏｔｅ ａｒｅａｓ ［ Ｊ］． Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，２０２０，２１１１１２７６８． ［２２］ 刘金朋，侯焘．氢储能技术及其电力行业应用研究 综述及展望［ Ｊ］．电力与能源， ２０２０， ４１ （２） ２３０⁃２３３． ［２３］ 饶宇飞，司学振，谷青发，等．储能技术发展趋势及 技术现状分析［Ｊ］．电器与能效管理技术，２０２０ （１０）７⁃１５． ［２４］ 邵云峰，刘永强，马中静，等．基于蓄电池储能系统 的电网合环技术研究［Ｊ］．电器与能效管理技术， ２０２０（１０）２７⁃３５． ［２５］ 杨昌海，万志，刘正英，等．氢综合利用经济性分析 ［Ｊ］．电器与能效管理技术，２０１９（２１）８３⁃８８． ［２６］ ＫＵＭＡＲ Ｓ Ｓ，ＨＩＭＡＢＩＮＤＵ Ｖ． Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ＰＥＭ ｗａｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ － Ａ ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｆｏｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，２０１９，２４４２⁃４５４． ［２７］ ＧＡＨＬＥＩＴＮＥＲ Ｇ． Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｆｒｏｍ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ Ａｎ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｐｏｗｅｒ⁃ｔｏ⁃ｇａｓ ｐｉｌｏｔ ｐｌａｎｔｓ ｆｏｒ ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ［ Ｊ ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ，２０１３，３８ （５）２０３９⁃２０６１． ［２８］ 赵波，赵鹏程，胡娟，等．用于波动性新能源大规模 接入的氢储能技术研究综述［Ｊ］．电器与能效管理 技术，２０１８（１６）１⁃７． ［２９］ 陈军，李思儒，彭生江，等．光伏分散入网条件下复 合储能经济性分析［Ｊ］．电器与能效管理技术， ２０１９（２４）５８⁃６３． ［３０］ 黄涛，许志鹏，葛乐．考虑风电出力随机特性的氢 储能综合能源系统优化调度［Ｊ］．电器与能效管理 技术，２０２０（５）７２⁃７７． （下转第２８页） ７ 电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７） 氢储能技术 【参考文献】 ［ １ ］ 崔杨，张家瑞，王铮，等．计及价格型需求响应的风 －光－光热联合发电系统日前调度策略［Ｊ］．中国电 机工程学报，２０２０，４０（１０）３１０３⁃３１１４． ［ ２ ］ 杨晓辉，芮松宏，陈再星，等．计及两阶段需求侧响 应荷源协调消纳弃风调度模型［Ｊ］．实验室研究与 探索，２０２１，４０（２）１⁃７． ［ ３ ］ ＺＨＡＮＧ Ｒ， ＬＩ Ｚ， ＤＯＮＧ Ｈ， ｅｔ ａｌ． Ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｗｉｎｄ ａｎｄ ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｙｂｒｉｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ ［ Ｃ］． ２０２０． ［ ４ ］ 鲁鹏，田浩，武伟鸣，等．需求侧能量枢纽和储能协 同提升风电消纳和平抑负荷峰谷模型［Ｊ］．电力科 学与技术学报，２０２１，３６（１）４２⁃５１． ［ ５ ］ 李彦哲，郭小嘉，董海鹰，等．风／光／储微电网混合 储能系统容量优化配置［Ｊ］．电力系统及其自动化 学报，２０２０，３２（６）１２３⁃１２８． ［ ６ 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