淺析氫能的潛在儲能節能價值

隨著雙碳和綠色理念的興起，近年來新能源汽車、光伏、風電、儲能等相關行業得到了市場和社會輿論的廣泛關注。盡管對于氫能的應用還方興未艾，盡管氫能暫不如新能源汽車、光伏、風電等亮眼，但也在快速發展之中。

當前對于氫能的輿論理解，可能更多還在于氫能源汽車、氫燃料電池等應用場景；但經邏輯分析可以發現，氫能更重要的應用前景，實則在于儲能和節能。當前我國發展新能源產業勢在必行，但一大問題就是儲能，特別是長時儲能、跨月跨季節儲能。

通過“垃圾電”電解氫進行儲能

一是能解決“垃圾電”并網利用的問題；

二是能作為長時儲能的簡單方式；

三是作為長距離能源輸送的新途徑。

據國際氫能委員的報告顯示，今年 2 月以來，全球范圍內啟動了 131 個大型氫能開發項目；預計到 2030 年，全球氫能領域的投資總額將達到 5000 億美元。另據世界能源理事會預計，到 2050 年氫能在全球終端能源消費量中的占比可高達25%。

目前全球約有9000萬噸的氫產量，幾乎全部用于從精煉產品中脫硫和煉油廠的重油改制等化工而非能源用途，但后續作為能源需求將是重要的增長點。而我國作為制造業大國目前氫產量也居全球首位，2021 年制氫產量約3300萬噸，同比增長32%。從生產結構來看，2020年我國主要是煤制氫、天然氣制氫等化石原料轉制占比81%左右，工業副產制氫僅為18%左右， 電解水制氫僅占1%左右。

氫元素是地球上最為常見的元素，也是較容易制取的元素；同時還有密度小、易燃的物理化學特性。故而進入工業化時代以來對其應用其實也開始較早；但從歷史來看，氫的應用之所以不溫不火，主要是受其化學性質影響、始終存在安全隱患。

20世紀初，隨著飛機的發明，人類對航空業的實際需求不斷增加；而飛艇成本低、續航力好、舒適性佳，是當時較為重要的一種航空工具。當時主流的充氣技術路徑主要是氦氣和氫氣。氦氣作為一種惰性氣體，安全性好，但其制取成本較高；而氫氣雖然容易制取，但易燃易爆，存在安全隱患。

▲興登堡號事件現場

如同當今處于新舊能源的轉換變革時代；當時作為航空業、飛艇制造業興起的時代，人類對于氫的應用做了大量工程技術研究后，開始“自信”地認為氫的安全問題已得到較好解決，一批能跨洲際飛行的客運飛艇建造并投入商業運營。但1937年5月6日，從德國直飛美國的巨型飛艇“興登堡”號在新澤西州準備著陸時，因靜電或火花引燃氫氣而在短短32秒內在空中焚毀。該事件后，氫的航空應用告一段落。

軍工領域的技術應用往往較為超前，包括核能、計算機、衛星、互聯網等諸多當前較普及的民用項目最早也起源于軍事用途。對于氫能源汽車、氫燃料電池的民用場景盡管還相對較少，但在軍事領域已有多年應用。主要是常規潛艇的不依賴空氣動力系統（AIP系統），該系統也有多種技術路線，包括斯特林發動機、閉式循環柴油機、閉式循環汽輪機和（氫）燃料電池。

▲氫燃料電池應用——德國212A級AIP潛艇

德國AIP潛艇對于氫燃料電池的應用相對較為成熟，但目前來看氫燃料電池路線只是少數，并未被大多數建造AIP潛艇的國家采用（我國為斯特林發動機路線）；除了成本和壽命，主要的問題就是安全性問題。

對于技術更為先進、性能要求更高，同時級別更大（更有條件和空間完善安全措施）的AIP潛艇，氫燃料電池的應用尚不完全成熟。故而在民用領域，如何解決安全性問題，可能是今后氫能源汽車、氫燃料電池等直接面向個人消費端的應用場景需要重點關注的領域。

氫能要想直接應用于個人消費端，并有助于碳中和、碳達峰目標的實現，一個是安全性問題；一個是目前的制氫模式需要改變，通過煤制氫、天然氣制氫等化石原料轉制，節能減排效果相對有限。

思路上，考慮到成本因素，氫能利用的較好模式，可能是通過光伏、風能、水電等產生的、原本利用率較低、利用較為困難的“垃圾電”來進行電解氫，然后以常溫高壓或低溫常壓等形式通過儲氫來進行儲能。一是能解決“垃圾電”并網利用的問題，二是儲氫能作為長時儲能的簡單方式，能夠較好解決當前的長時儲能瓶頸。

故而，站在國家能源安全的戰略高度來看，廢棄可再生能源制氫很可能成為我國制氫的主要發展方向。《氫能產業發展中長期規劃 （2021-2035 年）》將清潔低碳作為氫能發展的基本原則，提出構建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系，將發展重點放在可再生能源制氫，并提出嚴格控制化石能源制氫。以儲氫為媒介，可以調節電網負荷和儲能，明顯提高光伏、風能和水電等的利用效率。

故而國內的可再生能源制氫項目正如火如荼地建設中。據《2022 中國電解水制氫產業藍皮書》，我國已有超過百個在建和規劃中的電解水制氫項目，涵蓋了石油、化工、鋼鐵和交通等多個領域。

在 2020 年之前，大型電解水制氫設備在大工業領域幾乎沒有涉及。2020 年以后，雙碳目標的提出極大推動了電解水制氫項目在工業領域的應用。近兩年以來，中國能建、國家電網、三峽集團、北京能源、深圳能源等央企/國企紛紛布局綠氫項目。

說到底，一是可提高“垃圾電”的利用效能，二是提供了長時儲能的解決辦法，三則是提供了長距離能源輸送的新途徑，有助于改善我國能源生產和消費地域不匹配的問題。

眾所周知，我國的能源消費更多地集中在長三角、珠三角等東南沿海地區，而光伏、風能和水電等清潔可再生能源資源則大多數分布在中西部地區，故而后續隨著技術迭代、經濟性改善后，可在中西部地區通過儲氫的形式，如同油、煤等長距離運輸至東南沿海地區，改善地區錯配問題。同時這種模式，主要在工業領域而非直面個人消費端，對于安全問題的把控應也相對較好。

氫能的另一應用領域就是節能、主要是工業節能。目前制氫幾乎全部用于從精煉產品中脫硫和煉油廠的重油改制等化工領域，而國際能源署、麥肯錫等機構都認為后續氫能將有助于實現工業部門的深度脫碳，主要方式為應用氫能革新型工藝。

氫氣直接還原鐵是氫能革新型工藝的典型代表，鐵礦石一般是含鐵氧化物，該工藝使用化學性質比鐵元素更為活潑的氫元素作為還原劑、通過和含鐵氧化物中的氧結合生成水，將鐵礦石直接還原為海綿鐵，之后進入電爐煉鋼，從而節省了焦炭的使用、減少了因冶煉而帶來的能耗及二氧化碳排放。我國作為全球第一鋼鐵生產國，2021年粗鋼產量達10.33億噸，故而后續節能減排具有較好的應用前景。

故而通過上述分析可以發現，盡管氫能的應用在國內還方興未艾，但潛力是較為明顯的。氫能提供了一種儲能和節能的新思路，既經得起邏輯的推敲，目前來看也具有實際可行性。