氫能作為一種低碳新能源、新原料，是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵載體，是未來二次能源體系中電能的重要補充。氫儲能作為新型儲能方式，具有放電時間長、容量規(guī)模大、經(jīng)濟性高、儲運靈活和對環(huán)境友好等優(yōu)勢，能有效補充其他儲能的不足，將在新型電力系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮重要作用。目前國內(nèi)外氫儲能處在示范應(yīng)用階段，未來隨著技術(shù)發(fā)展和規(guī)模化應(yīng)用，氫儲能成本將大幅下降，對服務(wù)碳達峰碳中和有重要意義。

一、氫儲能為狹義“電氫電”與廣義“電氫”

氫儲能是利用電力和氫能的互變性而發(fā)展起來的。氫儲能既可以儲電，又可以儲氫及其衍生物（如氨、甲醇）。狹義的氫儲能是基于“電氫電”(Power-to-Power，P2P)的轉(zhuǎn)換過程，主要包含電解槽、儲氫罐和燃料電池等裝置。利用低谷期富余的新能源電能進行電解水制氫，儲存起來或供下游產(chǎn)業(yè)使用；在用電高峰期時，儲存起來的氫能可利用燃料電池進行發(fā)電并入公共電網(wǎng)。

圖 1 氫儲能狹義“電氫電”示意圖

廣義的氫儲能強調(diào)“電氫”單向轉(zhuǎn)換，以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)等形式存儲氫氣(Power-to-Gas，P2G)，或者轉(zhuǎn)化為甲醇和氨氣等化學(xué)衍生物(Power-to-X，P2X)進行更安全地儲存。

圖 2 氫儲能廣義“電氫”示意圖

二、氫儲能應(yīng)用價值極高，是新型電力系統(tǒng)的重要補充

黨的二十大報告明確提出，加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系，加大增儲上產(chǎn)力度。新型電力系統(tǒng)是新型能源體系的重要組成，其以新能源成為主體電源，關(guān)鍵在于統(tǒng)籌發(fā)展不同功能定位的儲能，引入大規(guī)模、跨區(qū)域的新興調(diào)峰手段，實現(xiàn)不同時間尺度上的功率與能量平衡，并與其他深度脫碳的能源品種進行有機融合，實現(xiàn)碳中和的最終目標(biāo)。隨著儲能成為源網(wǎng)荷儲新型電力系統(tǒng)不可或缺的第四要素，氫儲能可以實現(xiàn)小時至季節(jié)的長時間、跨季節(jié)儲存，運輸方式多元，不受輸配電網(wǎng)絡(luò)的限制，能夠在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)起到平抑風(fēng)光出力波動、跟蹤計劃出力曲線、提供調(diào)峰輔助容量、參與電力需求響應(yīng)、緩解輸配線路阻塞等輔助作用，將成為新型電力系統(tǒng)的重要補充。

圖 3 氫儲能與新型能源體系圖

氫儲能在電源側(cè)，減少棄電、平抑波動。由于光伏、風(fēng)力等新能源出力具有天然的波動性，棄光、棄風(fēng)問題一直存在于電力系統(tǒng)中，利用氫儲能將無法并網(wǎng)的電能就地轉(zhuǎn)化為綠氫，不僅可以解決新能源消納問題，并可為當(dāng)?shù)毓I(yè)、交通和建筑等領(lǐng)域提供清潔廉價的氫能。同時，氫儲能系統(tǒng)在風(fēng)電場、光伏電站出力尖峰時吸收功率，在其出力低谷時輸出功率。風(fēng)光總功率加上儲氫能的功率后的聯(lián)合功率曲線變得平滑，從而提升新能源并網(wǎng)友好性，支撐大規(guī)模新能源電力外送。氫儲能在電網(wǎng)側(cè)，提供調(diào)峰容量和緩解輸變線路阻塞。電網(wǎng)接收消納新能源的能力很大程度上取決于其調(diào)峰能力。

隨著大規(guī)模新能源的滲透及產(chǎn)業(yè)用電結(jié)構(gòu)的變化，電網(wǎng)峰谷差將不斷擴大，而氫儲能具有高密度、大容量和長周期儲存特點，可以提供可觀的調(diào)峰輔助容量。此外，在我國部分地區(qū)，電力輸送能力的增長跟不上電力需求增長的步伐，在高峰電力需求時輸配電系統(tǒng)會發(fā)生擁擠阻塞，影響電力系統(tǒng)正常運行。因此，大容量的氫儲能可充當(dāng)“虛擬輸電線路”，安裝在輸配電系統(tǒng)阻塞段的潮流下游，電能被存儲在沒有輸配電阻塞的區(qū)段，在電力需求高峰時氫儲能系統(tǒng)釋放電能，從而減少輸配電系統(tǒng)容量的要求，緩解輸配電系統(tǒng)阻塞的情況。氫儲能在用戶側(cè)，實現(xiàn)電價差額套利以及作為應(yīng)急備用電源。我國目前絕大部分省市工業(yè)用戶均已實施峰谷電價制來鼓勵用戶分時計劃用電，利用氫儲能，用戶可以在電價較低的谷期利用氫儲能裝置存儲電能，在高峰時期使用燃料電池釋放電能，實現(xiàn)峰谷電價套利。

此外，柴油發(fā)電機、鉛酸蓄電池或鋰電池是目前應(yīng)急備用電源系統(tǒng)的主流，存在噪音大、高污染排放或使用壽命較短、能量密度低、續(xù)航能力差等缺陷。而移動式氫燃料電池擁有環(huán)保、靜音、長續(xù)航等特點，是最理想的替代方案之一。目前國內(nèi)已有實踐案例，如首臺單電堆功率超過120 kW氫燃料電池移動應(yīng)急電源參與抗擊廣東省的“山竹”臺風(fēng)。

三、氫儲能優(yōu)勢與不足明顯，行業(yè)處于示范應(yīng)用階段

氫儲能儲存容量、放電時長等性能指標(biāo)優(yōu)勢明顯，但投資成本和轉(zhuǎn)化效率有一定差距。氫儲能的能量密度可達140MJ/kg，是鋰電池等電化學(xué)儲能的100多倍，可以以更小的體積存儲更多的能量，有效避免能量浪費的現(xiàn)象。在熱值上，氫氣熱值可達120MJ/kg，是煤炭、天然氣、石油等傳統(tǒng)化石能源的3-4倍。氫儲能在放電時間（小時至季度）和容量規(guī)模（百吉瓦級別）上的優(yōu)勢比其他儲能明顯。在轉(zhuǎn)化效率上，抽水蓄能、飛輪儲能、鋰電池、鈉硫電池以及各種電磁儲能的能量轉(zhuǎn)化效率均在70%以上。氫儲能“電—氫”轉(zhuǎn)化過程的堿性電解水、PEM電解水和固體氧化物(SO)電解水制氫效率分別為63%—70%、56%—60%和74%—81%，而“氫—電”轉(zhuǎn)化過程的燃料電池發(fā)電效率僅為50%—60%，能量損失高于其他常用的儲能技術(shù)，大規(guī)模應(yīng)用還有待技術(shù)提升。在成本方面，相關(guān)關(guān)鍵核心材料也依賴進口，RFC技術(shù)與國際先進水平有一定差距，氫儲能系統(tǒng)成本約為13000元/kW，遠高于抽水蓄能（7000元/kW）與電化學(xué)儲能（2000元/kW）等其他儲能方式。（數(shù)據(jù)來源：氫儲能在我國新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用價值、挑戰(zhàn)及展望[J].中國工程科學(xué)，2022，24(3):89-99.）

圖 4 各類儲能在放電時間和容量性能的對比

數(shù)據(jù)來源：香橙會氫能數(shù)據(jù)庫、Xiangyu Meng《China"s hydrogen development strategy in the context of double carbon targets》、公開數(shù)據(jù)等

中關(guān)村產(chǎn)業(yè)研究院整理國內(nèi)外氫儲能的發(fā)展還處在示范應(yīng)用階段。國外已超過9座氫儲能設(shè)施在運營，其中最大的一處在德國，電解槽裝機量為6000kW。我國氫儲能方面的研究起步較晚，目前我國已建成的氫儲能項目多數(shù)是kW級別的電解水制氫系統(tǒng)，氫燃料電池的功率也以kW和MW級別為主，制氫和發(fā)電規(guī)模較小，已有多個氫儲能投運，以東部地區(qū)為主，氫儲能項目逐步增多，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的同時建立氫儲能電站，借助氫能實現(xiàn)電網(wǎng)電力的調(diào)峰和轉(zhuǎn)換。2019年8月，我國首個兆瓦級氫儲能項目在安徽六安落地，并于2022年正式投運，成功實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，利用1MW質(zhì)子交換膜電解制氫和余熱利用技術(shù)，實現(xiàn)電解制氫、儲氫、售氫、氫能發(fā)電等功能。

四、氫儲能大規(guī)模應(yīng)用尚有距離，技術(shù)和成本為最大限制

氫儲能主要包括三個部分，制氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、氫發(fā)電系統(tǒng)，這需要把氫能全產(chǎn)業(yè)鏈集成，實現(xiàn)電能鏈和氫產(chǎn)業(yè)鏈兩條路徑實現(xiàn)能量流轉(zhuǎn)。雖然氫儲能是未來大規(guī)模儲能的主流路徑，制氫系統(tǒng)成本和發(fā)電成本居高，主流汽車運輸方式成本高效率低，高壓儲氫瓶亟待迭代升級，碳纖維材料、碳纖維纏繞設(shè)備與高壓罐體等加工設(shè)備高度依賴進口，長距離氫氣運輸氫儲運的技術(shù)問題也成為現(xiàn)階段制約產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的重要因素。隨著佛山制氫加氫一體化站、中石化光氫油綜合能源站等探索，或通過光伏風(fēng)電基地旁邊調(diào)峰煤電廠用摻氫燃燒的方式發(fā)電等方式，氫能產(chǎn)業(yè)向綜合能源站發(fā)展，就近消納的發(fā)展模式，或許可以破解當(dāng)前困境，實現(xiàn)降本提效。

圖 5 氫能產(chǎn)業(yè)鏈成本情況表 數(shù)據(jù)來源：《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2022》、根據(jù)“兩桶油”管道輸氫實踐等公開數(shù)據(jù)

中關(guān)村產(chǎn)業(yè)研究院整理氫能標(biāo)準(zhǔn)體系仍待建立，需要政府企業(yè)形成合力。新階段多地對氫能在交通領(lǐng)域的示范試點已經(jīng)取得一定成果，但氫能作為一種“能源產(chǎn)品”，尚未被實質(zhì)性納入能源產(chǎn)品管理體系，在發(fā)電、儲能、工業(yè)等領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用仍有待創(chuàng)新。氫儲能系統(tǒng)與風(fēng)電場的寬功率波動適配性尚需提高。由于風(fēng)力、太陽能的不確定性較強，功率輸出波動范圍非常大，隨機變化導(dǎo)致堿性電解水裝置輸入功率頻繁變動，造成石棉隔膜壓力和堿液濃度等的變化，影響電解水效率和電解裝置的壽命和運行安全性。同時，電解水制氫需要一個穩(wěn)定的直流電源，以提供足夠的電力來驅(qū)動電解反應(yīng)，頻繁的電力波動將對設(shè)備的運行壽命和氫氣純度質(zhì)量造成較大影響。因此，需要深入研究制氫裝備的功率波動適應(yīng)性，開發(fā)大功率、低成本的高效率的工業(yè)化堿性電解水制氫技術(shù)，以及開發(fā)可快速響應(yīng)功率波動的質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)，以提高電解水制氫設(shè)備對間歇性電源功率波動的適應(yīng)性。

五、氫儲能未來展望

近兩年，我國氫儲能項目逐步增多，培育“風(fēng)光發(fā)電＋氫儲能＋抽水蓄能”一體化應(yīng)用新模式，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的同時建立氫儲能電站，在資源條件適宜的地區(qū)，借助氫能實現(xiàn)電網(wǎng)電力的調(diào)峰和轉(zhuǎn)換。在碳中和及儲能背景下隨著燃料電池方面“八大件”（八大件指催化劑、擴散層、質(zhì)子交換膜、膜電極、雙極板、電堆、空氣壓縮機、氫循環(huán)泵）等關(guān)鍵零部件國產(chǎn)化加速，各項技術(shù)自主化程度逐漸提高，氫能產(chǎn)業(yè)鏈整體成本將不斷降低，上游耦合風(fēng)光制氫、下游多領(lǐng)域探索零碳應(yīng)用，氫儲能將迎來藍海市場。

來源：中關(guān)村產(chǎn)業(yè)研究院