氢能与储能耦合发展的机遇与挑战_罗志斌.pdf

氢能与储能耦合发展的机遇与挑战 罗志斌✉，孙潇，孙翔，林海周，朱光涛 （中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司, 广东 广州 510663） 摘要： [目的]氢能和储能是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要手段，并且其产业化正步入快速发展时期。氢能与储 能的产业与技术创新具有多方面的交叉与融合。文章旨在通过梳理氢能和储能的应用场景与关键技术，为其耦合发 展提供建议。[方法]具体阐述了氢能的储能角色在构建新型电力系统中发挥的作用及其在交通、建筑、工业等领域 中促进碳减排的定位，分析了氢能与储能的共性关键技术，并提出推动其耦合发展的建议。[结果]新能源通过氢能 和储能的形式渗透至电力、交通、建筑、工业等领域进行深度脱碳，但是其产业技术的瓶颈还需要持续突破。[结 论]氢能与储能的共性关键技术可以进行协同研发攻关，其产业化仍需要酝酿。在推动工程示范的过程中应该积极积 累经验，掌握核心技术，避免盲目和重复建设。 关键词： 氢能；储能；产业化；机遇；挑战 中图分类号 ： TK91； F426.2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 2095-8676(2022)04-0024-08 开放科 学 (资源服务 )二维码： The Coupling Development of Hydrogen and Energy Storage Technology: Opportunities and Challenges LUO Zhibin✉，SUN Xiao，SUN Xiang，LIN Haizhou，ZHU Guangtao （China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, Guangdong, China） Abstract: [Introduction] Hydrogen energy and energy storage are important tools to achieve the goal of “carbon peak and neutrality.“ Their industrialization is entering a period of rapid development. The industry and technological innovation of hydrogen energy and energy storage have various intersections and integration. Therefore, the research provides suggestions for their coupling development by sorting out the application scenarios and key technologies of hydrogen energy and energy storage. [Method] The role of hydrogen energy in the construction of new power systems as energy storage technology was specified and the positioning of hydrogen energy in promoting carbon emission reduction in transportation, construction, industry, and other fields was explained. The common key technologies of hydrogen energy and energy storage were analyzed. Suggestions to promote the development of its coupling were also put forward. [Result] New energy penetrates into power, transportation, construction, industry, and other fields for deep decarbonization in the form of hydrogen energy and energy storage, but the bottleneck of their industrial technologies needs to be broken through continuously. [Conclusion] The common key technologies of hydrogen energy and energy storage can be collaboratively researched and developed, and their industrialization still needs to be brewed. In promoting engineering demonstration, we should actively accumulate experience as well as master the core technology and avoid blind and duplicate construction. Key words: hydrogen energy；energy storage；industrialization；opportunities；chanllenges 2095-8676 © 2022 Energy China GEDI. Publishing services by Energy Observer Magazine Co., Ltd. on behalf of Energy China GEDI. This is an open access article under the CC BY-NC license (https: //creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/). 收稿日期：2022-02-16 修回日期：2022-04-22 基金项目：中国博士后科学基金项目（2020M682996）；中国能建广东院科技项目“制氢关键技术应用研究”（EV06041W）；中国能建广东院科技项 目“等离激元制氢催化剂及反应装置研究设计”（ER06671W） 2022 年 第 9 卷 第 4 期 南方能源建设 2022 Vol. 9 No. 4 SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION New Power System and Energy Storage Technology DOI： 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.003 OA： https://www.energychina.press/ 0 引言 碳中和已成为了人类社会应对全球气候变化达 成的共识，世界各国都在积极采取措施努力实现碳 中和目标[1-2]。氢能既是清洁零碳的新能源，又是重 要的储能载体，具有燃料与原料的双重属性，是碳替 代的重要手段[3]。随着新能源的大发展，在新型电力 系统构建过程中，风电、光伏等可再生能源的比例将 大幅度攀升，但其间歇性和波动性容易使得发/用电 匹配失衡，电力系统可调容量、惯量下降。储能是高 比例的可再生能源接入电网后，维持电力系统平稳 运行的必然选择。在全球碳中和的时代背景下，氢 能与储能的交叉、融合发展，将迎来巨大发展前景。 1 氢能在新型电力系统中的作用 氢能作为一种清洁灵活的二次能源，在新能源 为主体的新型电力系统中可作为电力介质的载体， 实现氢-电灵活转化。氢能也是广义上的能量存储 形式之一，如图1所示，在众多的储能技术中，氢储 能可与新型电力系统高度耦合，克服新能源电力储 存的难题，实现大规模、长周期、跨季节储能，支撑 新能源成为新型电力系统的低碳能源[4]。 null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null 储能单元规模null 自放电至null%深度放电时间 null 液流电池 二次电池 储热 氢储能 飞轮 生物燃料 生物质 null生物燃料null 压缩空气 null氢储能null null储热null 超导磁储能 超级电容 抽水 蓄能 图1 各类储能技术的自放电时间与单元规模[4] Fig. 1 All storage technologies, mapped by self-discharge time and unit size[4] 氢气作为能源载体，本身并不含有碳元素，其是 否能发挥脱碳作用取决于其生产方式。根据国际可 再 生 能 源 机 构 （International Renewable Energy Agency, IRENA）报道，按照氢气的来源，可以将其划 分为绿氢、蓝氢和灰氢[5]。其中，通过可再生能源电 力电解水制取的氢气为绿氢，这一过程中没有二氧 化碳（CO2）的产生，实现100%绿色氢气生产；通过 化石燃料制取氢气（如天然气裂解制氢、含氢工业尾 气提取氢气等），产生的CO2会被捕集、存储并被利 用，整个过程实现CO2零排放，生产的氢气被认为是 蓝氢；而通过化石燃料生产氢气，产生的CO2直接排 放到大气中，生产的氢气称为灰氢。从碳中和目标 的角度而言，要实现脱碳，绿氢是最终的选择。 根据IRENA的预测，如按照《巴黎协定》约定的 将本世纪全球气温升幅控制在1.5 ℃以内，到2050 年全球需要5 TW可再生能源电力用于生产绿氢，折 合约4×108 t绿氢[6]。而根据中国氢能联盟的报道， 2030年我国的氢气需求量在3.5×107 t，2050年则达 到6×107 t，在我国的终端能源体系中的比重将超过 10%[7]。 现阶段，由于电解水制氢的成本相对于化石燃 料制氢仍然较高，直接推广使用绿氢仍缺乏经济性， 因此氢能的推广是从减少灰氢过渡到以蓝氢为主， 最终将广泛采用绿氢。除了政策与市场，绿氢的生 产成本是其规模化的重大阻力。绿氢成本的两大组 成部分包括可再生能源电价与电解水装置。新能源 规模的扩大与发电技术进步会使可再生能源电价 逐步降低。2021年，全球光伏发电最低中标电价 1.04美分/kW（折合人民币约0.066元/kW，沙特），而 我国光伏发电最低中标电价约0.147元/kW（四川甘 孜）。但仅依靠降电价并不能使绿氢相比于蓝氢更 具备经济优势，还需要提高电解水技术成熟度及降 低其电解槽的生产成本。目前，全球有四种主流的 电解水技术，包括碱性（Alkaline）电解水技术、质子 交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）电解水技 术、阴离子交换膜（Anion Exchange Membrane，AEM） 电解水技术和固体氧化物（Solid Oxide）电解水技术， 如图2所示，其中碱性和PEM的商业化成熟度较高， 尽管AEM和固体氧化物拥有巨大的发展前景，但是 其仍处于实验室阶段，仅有少量企业和原型机制造 商在推动其生产制造及商业化[8]。 根据对全球电解水技术研究机构的发展情况进 行总结，四大类电解水技术现阶段的研究成果 （以2020年为例）和未来的发展目标（以2050年为 例）具有比较明确的指标和攻关方向，如表1所示。 可再生能源大规模发展可以为绿氢的生产提供 大量的廉价能源，并且随着电解水技术的不断成熟， 第 4 期 罗志斌，等：氢能与储能耦合发展的机遇与挑战 25 表 1 各类电解水技术现阶段性能及未来研发目标[8] Tab. 1 Current and future key performance indicators for all electrolyser technologies[8] 电解槽 类型 PEM电解槽 碱性电解槽 AEM电解槽 固体氧化物电解槽 项目 2020年 2050年 攻关焦点 2020年 2050年 攻关焦点 2020年 2050年 攻关焦点 2020年 2050年 攻关焦点 标准电流密度 / (A/cm2) 1～ 2 4～ 6 设计、膜 0.2～ 0.8 2 隔膜 0.2～ 2 2 催化剂、膜 0.3～ 1 2 电解液 电极 电压范围 /V 1.4～ 2.5 90 隔膜、框架、辅助设备等 40～ 60 80 稳定性 700～ 850 70 催化剂、膜 70 隔膜、单电池、框架 70 膜 1 20 电解液、电极 负荷范围 /% 5～ 120 5～ 300 膜 15～ 100 5～ 300 隔膜 5～ 100 5～ 200 膜 30～ 125 0～ 200 电解液、电极 氢气纯度 /% 99.9～ 99.999 9 膜 99.9～99.999 8 99.999 9 隔膜 99.9～ 99.999 99.999 9 膜 99.9 99.999 9 电解液、 电极 电压效率 /% 50～ 68 80 催化剂 50～ 68 70 催化剂、温度 52～ 67 75 催化剂 75～ 85 85 催化剂 电效率（电堆） / (kWh/kg H2) 47～ 66 0.5 10 膜、电极 600 2 000 200 电解液、 电极 10 MW系统成本 / (美元 /kW) 700～ 1 400 200 整流器、 净水 700～ 1 400 200 辅助设备 － 200 整流器 － 300 全面 (a) 碱性 隔膜 直流发电机 直流发电机 直流发电机直流发电机 4e − 4e − 4e − 4e − 4OH − 4OH − 4OH − 4OH − OH − O 2− H 2 O 2 O 2 +4H + O 2 +2H 2 O 4H + O 2 2H 2 2H 2 +4OH − 2H 2 +2O 2−O 2 +4H + 2H 2 2H 2 O 4H 2 O 4H 2 O 2H 2 O 2H 2 O 2H 2 O 阳极 阴极 阳极 阴极 阳极 阴极 阳极 PEM AEM 阴极 阳极 4OH − 2H 2 O+O 2 +4e − 2H 2 +4OH − 阴极 4H 2 O+4e − 阳极 4OH − 2H 2 O+O 2 +4e − 2H 2 +4OH − 阴极 4H 2 O+4e − 阳极 2O 2− O 2 +4e − 2H 2 +2O 2− 阴极 2H 2 O+4e − 阳极 2H 2 O O 2 +4H + +4e − 2H 2 阴极 4H + +4e − (b) 质子交换膜 H + (c) 阴离子交换膜 (d) 固体氧化物 图2 各种商业化电解水技术的类型[8] Fig. 2 Different types of commercial electrolysis technologies[8] 26 南方能源建设 第 9 卷 绿氢的生产成本将快速下降[9]。尽管部分领域可以 采用绿电（可再生能源电力）进行替代实现碳减排， 但是冶金、化工、水泥的生产过程中需要大量的高 品位热能（温度高于400 ℃），这部分热能难以采用 电气化的方式来解决，这些难减排领域则适用氢能 替代。因此，绿氢也为可再生能源的进一步发展提 供广阔的应用场景。宜电则电、宜氢则氢、电氢耦 合将是能源应用体系发展的新形势。 2 绿氢的应用场景及技术路线 绿氢的应用场景主要包括交通、建筑、电力、工 业等领域，如图3所示。其中交通领域是目前氢能 应用的主要领域，绿氢是各经济领域深度脱碳的重 要实现路径，同时各经济领域的大规模用氢也将进 一步促进氢能产业的发展。 热电联供 氢能社区 工业 建筑 绿氢 电力 公路 轨道 船舶 航空 交通 物流 原料 燃料 冶金 供热 大型电站 分布式发电 特殊电源 掺氢/纯氢燃机 氢储能 图3 绿氢的应用场景 Fig. 3 Application scenarios for the green hydrogen 2.1 交通 氢燃料电池技术的发展使氢能可以广泛应用于 公路交通、轨道交通、船舶、航空等各种交通领域。 氢能源汽车是人们最熟悉的氢能应用场景，其在国 际上应用已非常广泛。截至2021年，全球各类氢燃 料电池汽车保有量已经达到近四万辆，乘用车、公交 车、物流车、叉车等多种氢燃料电池汽车已经实现 商业化运营。随着氢能源交通技术的进一步完善和 普及，氢能交通的市场发展前景在不断壮大[10]。 2.2 电力 氢能在电力领域的应用主要依托燃料电池技术。 其中，固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）和熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC）是发电领域最具应用前景的燃料 电池，也是未来大规模清洁发电站的优选对象。集 中式可再生能源发电方案可以将周边的氢气运输到 发电站进行发电，并利用现有的电力网络进行电力 输配。分布式发电一般是指靠近终端用户的小型发 电装置，其具有发电技术种类多、发电规模高度可控、 设备安装便捷等优点，可为工商业和住宅的电力需 求提供灵活解决方案。目前，以SOFC为主的分布 式发电已在欧美日韩等发达国家和地区开始初步商 业化。我国分布式电源技术正在加紧应用示范推广， 随着技术进步和成本下降，不断推进商业化进程。 特殊电源主要依托质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）技术，包括通 信基站、数据中心的备用电源和应急电源车等。 掺氢/纯氢燃气轮机也是基于氢能发电清洁能源 系统的一部分，如今国际上关于富氢燃料燃气轮机 的研究与应用已有较多的业绩，全球掌握比较领先 技术的企业包括日本三菱重工、美国通用电气和德 国西门子。 氢能发电可用来解决电网削峰填谷、可再生能 源电力并网稳定性问题，有利于提高电网安全性和 灵活性，大幅度降低碳排放。传统的抽水蓄能在储 能领域中占据绝对主导，氢储能等新型储能技术也 在不断发展[11]。众多燃料中，单位质量氢气的能量 密度高，具备规模大、响应快、可实现跨季节储能的 特点，是少有的能够储存百吉瓦时规模能量以上的 储能方式，极具发展潜力。 随着氢能在终端能源消费体系中的占比逐渐升 高，氢能作为电力储能介质，将发挥连接可再生能源 与电力的纽带作用，成为新型电力系统的有机组成 部分，如图4所示。与此同时，电力网络和氢能供应 链基础设施的协同优化，不仅有利于降低基础设施 建设成本，还可以实现电网碳减排、增强氢电耦合体 系的时间和空间灵活性[12]。 2.3 建筑 建筑领域主要针对满足电和热的需求，基于 SOFC的热电联供系统是主流场景。日本的家用燃 料电池发展领先于世界，目前其家用燃料电池热电 联供系统的安装量已达数十万套。其次，掺氢供热 和纯氢供热技术也在不断研发。现阶段天然气管道 内掺入3%以内的氢气对新建的天然气管道无影响， 终端用户设备燃烧方式不变。 第 4 期 罗志斌，等：氢能与储能耦合发展的机遇与挑战 27 氢能社区是实现氢能“制-储-输-用”综合应用 的重要方式，是开拓氢能燃料电池分布式能源和智 慧能源产业的新途径，也是国家基础设施建设的重 要组成部分。 2019年日本率先建立了全球第一个氢能社区。 我国2021年国家重点研发计划也重点支持氢能社 区综合示范，推动氢能产业发展。2021年，广东佛山 在南海区规划投资80亿元打造全国首个“氢能进万 家”智慧能源示范社区，推广可再生能源互联互通的 智慧能源型城市建设。 2.4 工业 工业领域包括化工、冶金等，氢气在其中主要扮 演原料和燃料的角色[13]。工业用氢的消费量巨大， 仅是存量灰氢的绿氢替代就是巨大的市场。 目前，95%以上的氢气仍作为原料用于炼化行 业加氢精炼以及化工行业合成氨、合成甲醇等。未 来，氢气作为化工原料仍将是其主要用途，但是氢的 来源将从目前以化石能源制氢为主即“灰氢”向可 再生能源电解水生产的“绿氢”转变。绿氢化工（绿 氢替代灰氢）是实现这些行业深度脱碳的重要途径。 无机化工中，绿氢应用主要是合成氨；有机化工 中，绿氢应用除了石油炼化、合成甲醇，还应用于与 CO2合成高端化学品，如表2所示。 冶金工业也是碳排放大户，焦炭作为还原剂使 用是冶金行业高碳排放的重要原因。当前全球75% 的钢铁来自高炉还原工艺，采用焦炭作为还原剂，高 炉还原过程的碳排放量占整个炼钢流程的90%。氢 能冶金的原理是利用氢气的高还原性，将氢气替代 煤炭作为高炉的还原剂，以减少乃至完全避免钢铁 生产带来的碳排放。 随着钢铁行业CO2减排压力日益增大，日本、 瑞典、德国等国纷纷探索应用氢冶金技术并取得一 定进展。我国相关钢铁企业也在积极布局氢冶金项 目。氢能冶金是钢铁行业碳减排的必然路径，也是 钢铁产业进入一个新时代的标志[14]。 全球的工业供热需求巨大，并且90%以上依靠 化石燃料，而工业供热需求近一半是高品位热能。 尽管可再生能源电力可以满足低、中品位热能的需 求，但是冶金、化工、水泥等行业生产过程中高品位 热能则需要氢燃料来替代。因此，工业供热也是绿 氢的一个重要应用场景。 3 氢能和储能的共性关键技术 抽水蓄能、压缩空气储能（包括液化空气储能） 以及氢储能是具备大规模储能能力的储能技术。抽 水蓄能电站受到地理条件的限制较为苛刻，并且我 国可再生能源资源集中的地区往往其水资源也比较 有限，无法满足抽水蓄能电站的建设需求，因此，我 国抽水蓄能的发展潜力将不断减小。压缩空气储能 与氢储能的储能容量大、寿命长，随着其技术的进步 和完善，具有强大的发展潜力[15-16]。现阶段，压缩空 气储能的技术较为成熟，我国压缩空气储能的示范 项目也正在不断布局。氢储能，尤其氢液化工艺与 压缩空气储能（包括液化空气储能）工艺具有较好的 耦合性，耦合工艺可以进行能量的梯次利用以提高 联合工艺的整体能效，如图5所示。此外，这两类储 能技术具有相同的关键设备，如压缩机、膨胀机、换 热器等，如表3所示。因此可以进行协同研发攻关， 形成互相促进的产业格局。 表 2 中国的二氧化碳加氢合成化学品研究进展情况 Tab. 2 Recent advances in carbon dioxide hydrogenation to chemicals in China 产品 进展 石墨烯 国内外合成技术已完成实验室验证 甲醇 全球首套千吨级规模太阳燃料 合成示范项目甲醇装置投产 芳烃 中国科学院大连化学物理研究所 李灿院士团队取得进展 甲酸 科院大连化物所黄延强团队在 CO2加氢合成甲酸研究中取得新进展 低碳烯烃 中科院大连化物所在 CO2催化加氢制备低碳烯烃方面取得新进展 高辛烷值汽油 中科院大连化物所通过设计一种新型 Na-Fe3O4/HZSM-5多功能复合催化剂，成功 实现了 CO2直接加氢制取高辛烷值汽油 电网 光伏 风电 水电 核电 电解槽 管道输氢 盐穴储氢 氢网 长管拖车/液氢罐车 电解槽 特高压 储氢罐 建筑 交通 工业 图4 氢电耦合能源输送系统 Fig. 4 The energy delivery system for power coupling hydrogen 28 南方能源建设 第 9 卷 压缩空气储能与氢储能（地下储氢）的建设条件 也具有高度相似之处。压缩空气储能是利用电能将 空气压缩至高压并存储在地下洞穴（高气密性的岩 石洞穴、盐洞、废弃矿井等）或压力容器中[17]。国外 也已开展利用地下洞穴进行氢气储存的研究，压缩 空气储能技术相对成熟，其在地质勘探、洞穴密封性、 环境保护等方面可作为发展地下储氢的重要借鉴[18-19]。 4 氢能在新型工业系统中的作用 氢气在工业上的应用早已非常广泛，如图6所 示。化石燃料制氢是氢气资源的主要来源，包括煤 制氢、天然气制氢等，绿氢的比例极低，不足1%。氢 气作为工业原料用于合成氨、合成甲醇、石油炼化 等，其作为燃料直接燃烧用于工业供热的比例也近 15%[20]。因此，在工业中绿氢取代灰氢或者蓝氢也具 有相当大的规模和潜力，如图7所示。常规的电力 来源于化石能源，但是会带来严重的碳排放及环境 污染，在碳中和的发展原则下，尤其国家鼓励新能源 电力“能建尽建、能发尽发”，新能源电力的比重将 不断增大，其也将以绿氢作为载体应用于工业领域。 根据相关研究机构的数据估算，我国2020年氢 气的消耗总量在3.5×107 t左右，其中绿氢约5×105 t； 而到2060年实现碳中和，我国氢气的消耗总量将达 到1.3×108 t，其中绿氢的规模也将达到108 t[21]。绿氢 替代无疑是工业领域降低碳排放，实现碳中和的重 要抓手。 空气 压缩机 发电机 压缩机 制冷机 汽化器 换热器 换 热 器 换 热 器 换 热 器 换 热 器 换 热 器 透平 低温泵 电力 液化空气 储罐 液氢储罐 液氢储罐 节流阀 引射器 低品位热 膨胀机 膨胀机 膨胀机 气液分离 电力 电力 绿氢 空气净化 图5 液氢耦合液化空气工艺流程图 Fig. 5 Process flow chart of liquid hydrogen coupling liquid air 表 3 压缩空气储能、液化空气储能与氢液化工艺的 关键设备对比 Tab. 3 Comparison of key equipment of compressed air energy storage, liquid air energy storage and hydrogen liquefaction process 关键设备 储能技术压缩空气储能 液化空气储能 氢液化 压缩机 √ √ √ 膨胀机 √ √ √ 换热器 √ √ √ 压力容器 √ － － 低温储罐 － √ √ 绝热材料 － √ √ 正仲氢转化器 － － √ 注：√表示具备该关键设备。 煤制氢 62% 灰氢 81% 消费 总量 天然气制氢 19% 工业副产氢 18% 电解水制氢 约 1% 副产氢 18% 绿氢 约1% 工业原料 66% 燃料 15% 其它 19% 合成氨 37% 合成甲醇 19% 炼化 10% 直接燃烧 15% 其它应用 19% 图6 我国的氢气生产及消费结构图[20] Fig. 6 Illustration of the structure for hydrogen production and consumption in China[20] 第 4 期 罗志斌，等：氢能与储能耦合发展的机遇与挑战 29 5 总结与展望 “碳达峰、碳中和”目标下，可再生能源的建设 规模也在不断扩大，但是鉴于其波动性、间歇性的特 点，并不能全部以电能的形式融合到电力系统中。 储能可以快速、大规模地在电网侧、发电侧、用户侧 全面发展，有利于保障新能源为主体的新型电力系 统的稳定性。氢能也是广义上的储能，其具备燃料 与原料的双重属性，是新能源渗透工业领域，促进其 低碳转型的重要介质。新能源通过电解水制氢的形 式转化成绿氢，对工业领域中的用氢场景进行替代 （绿氢替代灰氢），并解决无法通过绿电替代减碳的 场景。 氢能与储能都是现在与未来明确的发展方向， 并具备巨大的产业市场前景，现阶段，两者面临的共 同问题是技术不够成熟、工程示范经验不足、利用 成本高昂等。除了政策和资金的支持，应该更关注 关键技术的攻关和核心装备的研发，基于可靠的成 套技术，合理布局，有序进行工程应用示范，积累运 营经验，实现技术进步与成本降低。 参考文献： International Renewable Energy Agency (IRENA). 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