氢能技术在储能发电领域的应用场景
文/杨凯鹏大庆油田化工有限公司甲醇分公司，化工设计通讯
1氢能技术概述
氢能技术是一种以氢气作为能源载体的能源生产和利用方式，依靠氢巨大的能量密度，通过氢气燃烧获得能量。由于氢气在燃烧时只产生水，不产生温室气体和空气污染物，因此被认为是一种清洁、可再生的能源。氢能技术具有广泛的应用前景，可以作为一种替代传统能源的可持续能源形式，有望在能源转型和环境保护方面发挥重要作用。然而，目前氢能技术在生产成本、储存和运输、安全风险等方面仍面临一些制约因素，需要进一步技术突破和政策支持，推动其在能源领域的广泛应用。
2制氢技术状况
2.1气态储运
氢气的气态储运是指将氢气从生产源地（如制氢厂）运输到使用地点（如氢能源站或氢燃料电池车辆加氢站）的过程，由于氢气具有低密度、高燃烧性和高渗透性等特性，所以气态储运面临一些技术和安全挑战，在储运过程中需要采取一系列措施来确保氢气的安全、高效和可靠储运。氢气的气态储运主要采用以下几种方式。
气瓶储运。氢气会被压缩储存在高压气瓶中，这是一种常见的氢气储运方式。氢气气瓶通常采用包括碳纤维等高强度材料制成，以承受高压氢气的存储和运输，但是该方式适用于小规模和短距离的氢气运输，但由于气瓶本身重量较大，对运输成本和能源效率有一定影响。
气体管道储运。氢气可以通过管道进行储存和运输，类似于天然气管道输送，可以实现大规模、长距离的氢气运输，满足高效、连续的氢气供应需求。但是，由于氢气的危险性，对管道要求很高，所以管道储运面临技术和安全挑战，比如要保证管道材料的适应性，严防氢气泄漏和爆炸风险。
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2.2氢气液态储运
液态储运是指将氢气在低温下液化成液态氢，并通过液态氢储存和运输的方式。液态氢储运通常采用高真空多层绝热容器，以防止液态氢的蒸发和能量损失。使用液态储运方式下，液态氢具有高能量密度，相较于气体形态，液态氢可以在相对较小的容器中储存更多的氢气，具备更高的储存能力。通过高真空多层绝热容器进行储存和运输，可以减少氢气的蒸发和能量损失，并且容器可以根据需要进行尺寸调整，适应不同的运输距离和需求，从而实现全球范围内的氢气供应链。由于液态储运的优势，因此该方法也是目前氢气储运的最主要方式，但是该方法对基础设施需求较高，同时储运过程中也伴随着巨大的能量消耗。
2.3氢气固态储运
氢气的固态储运是指将氢气储存为固态化合物，并通过固态储存材料进行氢气的储存和运输。一些固态储存材料，如金属有机框架、金属氢化物等，可以在相对较小的体积内存储更多的氢气，具备较高的储存能力。另一方面，固体储运能保证相对较低压力，实现常温、常压条件下储存氢气，降低了储运系统的能耗和复杂性。由于固态储存材料通常较为稳定，不易泄漏和燃烧，也简化了储运操作，降低了安全风险。
常用的固态储运技术包括金属氢化物、金属有机框架、化学吸附等。金属氢化物是一种能够以固态形式储存氢气的材料，在高压和适当温度条件下将氢气吸附在金属氢化物中，从而形成金属氢化物固态储氢化合物，需要使用储存的氢气时，通过加热或降低压力等方式，将氢气从金属氢化物中释放出来。金属有机框架是一种由金属离子或金属团簇与有机配体组成的结晶化合物，具有多孔性和高度可调控性，通过调整其结构和组成，可以实现高储氢容量和适中的操作条件。化学吸附剂是一类可以通过化学反应吸附和释放氢气的材料，例如氨基硅烷和氨基硼烷等。这些化学吸附剂可以在固态储存材料中吸附氢气，并在特定条件下通过化学反应释放氢气。这些固态储运方法在不同的应用场景和技术要求下具有不同的优缺点，需要综合考虑储氢容量、操作条件、经济性、可用性及安全性等因素。
目前，固态储存材料通常需要较低的温度条件来保持氢气的固态状态，这需要能耗较高的制冷设备和系统，从而增加了储运系统的复杂性和成本。而且，固态储存材料的储氢密度相较于液态氢和气态氢可能仍然较低，导致相对较大的储存体积[8]。这可能对储运系统的体积和重量造成限制，尤其对于需要长距离运输的应用。由于上述原因，以及固态储存材料在商业应用上还面临一定的限制，使得固态储运的经济性不足，影响了固态储运技术的应用。
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3氢技术的应用情况
3.1工业领域应用
氢技术在工业领域具有广泛的应用潜力。其中，最常见的应用是作为工业原料和能源载体。在工业生产中，氢气可以用作氢气焊接、氢气还原、氢气气氛保护等多种用途。此外，氢气还可以作为合成气、氨、甲醇等化工原料的重要来源，用于生产化肥、石化产品、电池材料等。目前将氢气作为原料，可以用于合成氨、甲醇、氢气气氛保护等多种化工过程，在生产化肥时，氢气可以与氮气通过哈柏法合成氨，进而制备尿素等化肥产品。氢气可以在金属加工中也能起到重要作用，例如氢气焊接和氢气还原，利用氢气作为保护气体，可以减少氧化、氮化等不良反应，提高焊缝质量。氢气在工业上也可以作为一种储能介质，比如可以将多余的电能通过电解水的方式转化为氢气，然后将氢气储存起来，待能源需求高峰时通过燃料电池再次释放氢气产生电能供应给工厂或设备使用，实现能源的高效利用。
3.2汽车领域应用
在汽车领域，氢技术被视为一种具有潜力的清洁能源解决方案之一，被广泛研究和开发。氢燃料电池车作为一种基于氢气和氧气通过化学反应产生电能的汽车，被认为是一种零排放、高能量密度的可持续出行解决方案。由于燃料电池汽车需要氢气作为燃料，因此建设氢气充电站是推动燃料电池汽车普及的重要一环。氢气充电站是给燃料电池汽车供应氢气的设施，通常包括氢气储存、氢气制备、氢气压缩等设备，用于将氢气储存和输送到燃料电池汽车。随着燃料电池汽车的逐步商业化，氢气充电站的建设也在不断增加，以满足汽车用户的氢气供应需求。
3.3航天领域应用
氢气作为一种高能量密度的燃料，在航天领域中被广泛用于火箭燃料，通过氢气与氧气或其他氧化剂在火箭发动机中燃烧，产生高温高压的气体，从而产生推力，推动火箭进入太空。在很多大推力火箭中，都以氢氧燃料为主。作为航天器的动力系统的一部分，用于产生电能或提供动力，目前，氢气燃料电池可以在航天器上产生电能，供应给电动推进系统或电力系统，用于航天器的动力驱动和电力供应。
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4氢储能技术在储能发电领域的应用分析
4.1氢储能技术应用在发电领域的优势
4.1.1存储容量大
氢气作为一种储能介质，能量密度是燃油的3倍左右。与传统的电池储能技术相比，氢气储能可以实现更大规模的能量储存。目前可以对氢气进行压缩或液化满足储存需要，实现在相对较小的体积中储存大量的能量。在需要大规模能源储备的场景，如电力系统调峰、应对突发能源需求等具有重要意义。
4.1.2长期储存和长距离运输
氢气储能不受容量衰减等限制，具有良好的稳定性，可以实现较长时间的储存，也能实现长距离运输。同时，氢气还可以通过管道、船舶等方式进行长距离运输，可以远距离输送氢气能源到需要的地点，满足不同地区的能源需求，尤其对于无法直接利用可再生能源的地区具有较大优势。
4.1.3清洁能源转换
燃料电池发电系统利用氢气与氧气在电化学反应中产生电能，这个过程不产生污染物和温室气体排放，只产生水和热。与传统的化石燃料发电方式相比，氢气储能系统是一种无污染、无排放的清洁能源转换方式，使用氢储能技术有助于减少环境污染，降低碳排放，有助于应对气候变化和改善空气质量。
4.1.4实现多能源互补
氢气可以与其他能源形式互补利用，从而提高能源系统的灵活性和稳定性。当可再生能源如太阳能和风能不可用时，可以利用储存的氢气作为能源补充，实现持续的能源供应。此外，氢气还可以与传统能源形式如天然气、煤炭等混合燃料使用，减少对化石能源的依赖，推动能源结构转型。
4.1.5满足偏远地区和岛屿的能源需要
在一些偏远地区和岛屿地区，传统能源供应方式可能受限或不太可行。对于岛屿地区很难实现大规模的电网供电，氢气储能技术可以为这些地区提供可靠的能源解决方案。氢气可以通过船舶实现长距离运输，从其他地区输送氢气能源到偏远地区和岛屿，满足其能源需求，对实现偏远地区和岛屿地区的能源自给自足，减少对传统能源供应的依赖具有重要意义。
4.1.6应用领域广泛
氢气储能技术在能源领域有着广泛的应用前景。除了电力系统调峰和能源供应外，氢气储能还可以应用于交通运输、工业生产、暖通空调等领域。目前，氢燃料电池汽车利用氢气作为燃料，可以实现零排放的驱动方式，对于减少交通尾气排放、改善空气质量具有重要意义。在工业生产过程中的能源供应也可以使用氢能源，替代传统的高碳能源，有利于降低工业产生的碳排放。
4.1.7经济可行性
虽然氢气储能技术在一些方面仍面临挑战，但随着技术的不断发展，氢气储能的成本逐渐下降，越来越多的项目和企业开始投资和使用氢气储能技术。此外，氢气作为一种可再生能源储备，可以在未来可能面临能源供应不稳定性和价格波动性的情况下，提供一种可靠的能源替代方案，具有经济价值和战略意义。
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4.2氢储能发电技术分析
氢储能发电技术是一种将氢气作为能源储存介质，利用燃料电池或燃烧等方式使氢气释放能量，并将能量转化为电能的技术。燃料电池是一种将氢气和氧气通过电化学反应产生电能的设备。氢气在阳极处被氧化成为氢离子和电子，而在阴极处，氧气与氢离子和电子结合生成水，产生电流从而产生电能。燃料电池发电技术具有高效、环保、无污染的特点，且电化学反应只产生水和热，不产生温室气体和污染物排放，能量转换效率可达50%以上，相较于传统的燃烧发电技术效率更高。通过燃烧氢气产生热能，驱动涡轮发电机产生电能也是重要的发电方式之一。在燃烧发电中，氢气与空气或氧气混合后燃烧，产生高温高压的气体，驱动涡轮发电机产生电能。燃烧发电技术相对简单且成熟，但燃烧氢气会产生水蒸气和一定的氮氧化合物排放，需要控制和处理相关的排放物。
4.3氢储能技术在发电领域应用的制约因素
4.3.1生产成本
氢气的生产成本较高，目前主要通过蒸汽重整、水电解等方式生产，其中蒸汽重整法需要使用天然气等化石能源作为原料，而水电解法需要大量电能作为驱动力，由于生产成本问题，直接限制了氢储能技术的应用规模。
4.3.2储存和运输
氢气在常温常压条件下是气体，体积较大，储存和运输过程中需要对氢气进行压缩，因此需要建立储氢设备和基础设施，包括压缩储氢和液态储氢设备、氢气管道、储运车辆等。这些设备和基础设施的建设和运维成本较高，限制了氢储能发电技术的应用范围。
4.3.3安全风险
氢气具有高能性和易燃性，同时具有极高的密度，在含量4%~75%都会导致爆炸。由于储存和运输需要对氢气进行压缩，所以必然存在泄漏和安全风险。氢气泄漏不仅可能导致能源浪费，如果有明火还会导致火灾和严重的爆炸事故。所以目前氢气一般都在大型应用场景中比较常用，并且需要使用专业性的设备。
4.3.4技术成熟度问题
虽然氢储能发电技术已经取得了一定的技术突破和应用进展，但相对于传统能源发电技术，如燃煤、天然气和核能等，氢储能发电技术仍处于相对较早期的阶段，技术成熟度相对较低。这意味着在实际应用中还需要进一步验证技术的可靠性、稳定性和经济性，仍然需要极高的投资。
5结束语
氢能源相比其他能源虽然更加清洁、能量密度更大，但是在使用、运输的过程中也要面临十分巨大的安全风险，因此需要加强技术开发，解决当前的技术问题，并选择合理的场景开展使用，充分发挥氢能技术的优势。发电领域应用氢储能技术具有较好的前景，能够满足偏远地区的用电问题，还能提升能源输送效率。但是依然要克服成本等问题，才能真正满足应用需要。