浅谈电-氢-电技术
发布时间：
2024-08-13
氢储能是利用电力和氢能的互变性而发展起来的。广义的氢储能强调“电氢”单向转换，以气态、液态或固态等形式存储氢气(Power-to-Gas，P2G)，或者转化为甲醇和氨气等化学衍生物(Power-to-X，P2X)进行更安全地储存。狭义的氢储能是基于“电氢电”(Power-to-Power，P2P)的转换过程，利用低谷期富余的新能源电能进行电解水制氢，储存起来或供下游产业使用；在用电高峰期时，储存起来的氢能可利用燃料电池进行发电并入公共电网。大家这里主要先容狭义的氢储能，即电-氢-电技术，其包括三个主要环节：电解水制氢、氢气储存以及燃料电池发电。
电解水制氢
电解水制氢是整个流程的起点，也是能耗最大的环节之一。目前，进入商业化应用主要有两种电解技术：碱性电解和质子交换膜(PEM)电解。
碱性电解水技术相对成熟，效率范围在65%到80%之间。其电解槽的电耗为48.4到60.5kWh/kg氢。这种技术成本较低，但效率相对较低，且对水质要求较高。
质子交换膜电解水技术效率更高，在70%到85%之间。其电解槽电耗为46.2到56.1kWh/kg氢。PEM技术具有更高的电流密度、更快的响应速度和更好的兼容性，特别适合与可再生能源配套使用。然而，其成本较高，且对催化剂和膜材料的要求更严格。
研究人员正在努力提高电解效率，开发新型催化剂和膜材料，以降低成本并提高性能。未来，高温电解和固体氧化物电解等新兴技术可能会带来更高的效率。
氢气储存
氢气储存是电-氢-电技术链中的关键环节，直接影响系统的整体效率和经济性。
高压气态储氢是目前最常用的方法，能耗相对较低，约为1到3kWh/kg。这种方法适用于中小规模的储存需求，但对容器材料和安全性要求较高。
低温液态储氢能够大幅提高储存密度，但能耗显著增加，达到12到15kWh/kg。液氢主要用于长距离运输和大规模储存，但需要复杂的绝热系统和严格的温控。
值得注意的是，如果使用高压PEM电解设备，产生的氢气可以直接存储和使用，几乎可以忽略压缩过程的能耗，这为提高系统整体效率提供了可能。
燃料电池发电
燃料电池是电-氢-电技术链的最后一环，将氢气中的化学能转化为电能。目前，燃料电池系统的整体效率在40%到60%之间。这意味着1kg氢气可以产生13.3到19.9kWh的电力。
燃料电池技术正在快速发展，不同类型的燃料电池适用于不同的应用场景。质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其低温运行、快速启动等特点，在交通和便携式应用中占据主导地位。固体氧化物燃料电池(SOFC)则因其高效率和良好的热电联产性能，在固定式发电领域展现出巨大潜力。
研究人员正致力于提高燃料电池的效率、降低成本、延长寿命，并探索新型催化剂和膜材料。
（燃料电池发电系统示意图）
展望未来
尽管电-氢-电技术目前面临效率和成本方面的挑战，但它在可再生能源集成、季节性储能和碳中和目标实现等方面具有独特优势。随着技术进步和规模化应用，预计其效率将进一步提高，成本将显著下降。
此外，氢能在工业、交通和建筑等多个领域的应用潜力，使得电-氢-电技术成为构建综合能源系统的重要组成部分。未来，随着可再生能源占比提高，电网灵活性需求增加，电-氢-电技术有望在能源转型中发挥更加重要的作用。
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