电-氢-电储能转化效率知多少

氢储能是利用电力和氢能的互变性而发展起来的。氢储能既可以储电，又可以储氢及其衍生物（如氨、甲醇）。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。

（图：氢储能狭义“电氢电”示意图）

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。

（图：氢储能广义“电氢”示意图）

电-氢-电技术作为一种新兴的能源转换和储存方式，正在全球范围内引起广泛关注。我们主要介绍这一技术路线，其包括三个主要环节：电解水制氢、氢气储运以及燃料电池发电。每个环节都涉及复杂的技术和效率考量，对整个系统的性能起着决定性作用。

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60.5 kWh/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56.1 kWh/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。

氢气储运

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3 kWh/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15 kWh/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。

在运输方面，能耗主要取决于距离和运输方式。对于局部电网平衡或小规模应用，如果制氢和发电设施位于同一区域，运输环节的能耗可以忽略不计。然而，对于大规模、长距离的氢能利用，如跨国氢能贸易，运输成本和能耗将成为重要考虑因素。

研究人员正在探索新型储氢材料和技术，如金属氢化物、有机液体氢载体等，以提高储存密度、降低成本和能耗。

（图：氢储能狭义“电氢电”示意图）

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19.9 kWh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。

（图3 燃料电池发电系统示意）

系统效率分析

综合考虑各个环节的效率，电-氢-电技术的总体效率在21.2%到43%之间。这个范围反映了不同技术组合和运行条件下的性能差异。

值得注意的是，制氢效率通常以高热值（HHV）计算，而燃料电池效率则以低热值（LHV）计算。这种差异使得直接将各环节效率相乘可能导致误差。

在最理想的情况下，即采用高效的PEM电解制氢、直接高压储存、并使用高效燃料电池系统发电，电-氢-电技术的总效率可以达到43%。虽然这一效率低于某些传统储能技术（如抽水蓄能），但考虑到氢能的灵活性、可扩展性和长期储存能力，它在未来能源系统中仍具有重要地位。

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。