浅析氢能的潜在储能节能价值

随着双碳和绿色理念的兴起，近年来新能源汽车、光伏、风电、储能等相关行业得到了市场和社会舆论的广泛关注。尽管对于氢能的应用还方兴未艾，尽管氢能暂不如新能源汽车、光伏、风电等亮眼，但也在快速发展之中。

当前对于氢能的舆论理解，可能更多还在于氢能源汽车、氢燃料电池等应用场景；但经逻辑分析可以发现，氢能更重要的应用前景，实则在于储能和节能。当前我国发展新能源产业势在必行，但一大问题就是储能，特别是长时储能、跨月跨季节储能。

通过“垃圾电”电解氢进行储能

一是能解决“垃圾电”并网利用的问题；

二是能作为长时储能的简单方式；

三是作为长距离能源输送的新途径。

据国际氢能委员的报告显示，今年 2 月以来，全球范围内启动了 131 个大型氢能开发项目；预计到 2030 年，全球氢能领域的投资总额将达到 5000 亿美元。另据世界能源理事会预计，到 2050 年氢能在全球终端能源消费量中的占比可高达25%。

目前全球约有9000万吨的氢产量，几乎全部用于从精炼产品中脱硫和炼油厂的重油改制等化工而非能源用途，但后续作为能源需求将是重要的增长点。而我国作为制造业大国目前氢产量也居全球首位，2021 年制氢产量约3300万吨，同比增长32%。从生产结构来看，2020年我国主要是煤制氢、天然气制氢等化石原料转制占比81%左右，工业副产制氢仅为18%左右， 电解水制氢仅占1%左右。

氢元素是地球上最为常见的元素，也是较容易制取的元素；同时还有密度小、易燃的物理化学特性。故而进入工业化时代以来对其应用其实也开始较早；但从历史来看，氢的应用之所以不温不火，主要是受其化学性质影响、始终存在安全隐患。

20世纪初，随着飞机的发明，人类对航空业的实际需求不断增加；而飞艇成本低、续航力好、舒适性佳，是当时较为重要的一种航空工具。当时主流的充气技术路径主要是氦气和氢气。氦气作为一种惰性气体，安全性好，但其制取成本较高；而氢气虽然容易制取，但易燃易爆，存在安全隐患。

▲兴登堡号事件现场

如同当今处于新旧能源的转换变革时代；当时作为航空业、飞艇制造业兴起的时代，人类对于氢的应用做了大量工程技术研究后，开始“自信”地认为氢的安全问题已得到较好解决，一批能跨洲际飞行的客运飞艇建造并投入商业运营。但1937年5月6日，从德国直飞美国的巨型飞艇“兴登堡”号在新泽西州准备着陆时，因静电或火花引燃氢气而在短短32秒内在空中焚毁。该事件后，氢的航空应用告一段落。

军工领域的技术应用往往较为超前，包括核能、计算机、卫星、互联网等诸多当前较普及的民用项目最早也起源于军事用途。对于氢能源汽车、氢燃料电池的民用场景尽管还相对较少，但在军事领域已有多年应用。主要是常规潜艇的不依赖空气动力系统（AIP系统），该系统也有多种技术路线，包括斯特林发动机、闭式循环柴油机、闭式循环汽轮机和（氢）燃料电池。

▲氢燃料电池应用——德国212A级AIP潜艇

德国AIP潜艇对于氢燃料电池的应用相对较为成熟，但目前来看氢燃料电池路线只是少数，并未被大多数建造AIP潜艇的国家采用（我国为斯特林发动机路线）；除了成本和寿命，主要的问题就是安全性问题。

对于技术更为先进、性能要求更高，同时级别更大（更有条件和空间完善安全措施）的AIP潜艇，氢燃料电池的应用尚不完全成熟。故而在民用领域，如何解决安全性问题，可能是今后氢能源汽车、氢燃料电池等直接面向个人消费端的应用场景需要重点关注的领域。

氢能要想直接应用于个人消费端，并有助于碳中和、碳达峰目标的实现，一个是安全性问题；一个是目前的制氢模式需要改变，通过煤制氢、天然气制氢等化石原料转制，节能减排效果相对有限。

思路上，考虑到成本因素，氢能利用的较好模式，可能是通过光伏、风能、水电等产生的、原本利用率较低、利用较为困难的“垃圾电”来进行电解氢，然后以常温高压或低温常压等形式通过储氢来进行储能。一是能解决“垃圾电”并网利用的问题，二是储氢能作为长时储能的简单方式，能够较好解决当前的长时储能瓶颈。

故而，站在国家能源安全的战略高度来看，废弃可再生能源制氢很可能成为我国制氢的主要发展方向。《氢能产业发展中长期规划 （2021-2035 年）》将清洁低碳作为氢能发展的基本原则，提出构建清洁化、低碳化、低成本的多元制氢体系，将发展重点放在可再生能源制氢，并提出严格控制化石能源制氢。以储氢为媒介，可以调节电网负荷和储能，明显提高光伏、风能和水电等的利用效率。

故而国内的可再生能源制氢项目正如火如荼地建设中。据《2022 中国电解水制氢产业蓝皮书》，我国已有超过百个在建和规划中的电解水制氢项目，涵盖了石油、化工、钢铁和交通等多个领域。

在 2020 年之前，大型电解水制氢设备在大工业领域几乎没有涉及。2020 年以后，双碳目标的提出极大推动了电解水制氢项目在工业领域的应用。近两年以来，中国能建、国家电网、三峡集团、北京能源、深圳能源等央企/国企纷纷布局绿氢项目。

说到底，一是可提高“垃圾电”的利用效能，二是提供了长时储能的解决办法，三则是提供了长距离能源输送的新途径，有助于改善我国能源生产和消费地域不匹配的问题。

众所周知，我国的能源消费更多地集中在长三角、珠三角等东南沿海地区，而光伏、风能和水电等清洁可再生能源资源则大多数分布在中西部地区，故而后续随着技术迭代、经济性改善后，可在中西部地区通过储氢的形式，如同油、煤等长距离运输至东南沿海地区，改善地区错配问题。同时这种模式，主要在工业领域而非直面个人消费端，对于安全问题的把控应也相对较好。

氢能的另一应用领域就是节能、主要是工业节能。目前制氢几乎全部用于从精炼产品中脱硫和炼油厂的重油改制等化工领域，而国际能源署、麦肯锡等机构都认为后续氢能将有助于实现工业部门的深度脱碳，主要方式为应用氢能革新型工艺。

氢气直接还原铁是氢能革新型工艺的典型代表，铁矿石一般是含铁氧化物，该工艺使用化学性质比铁元素更为活泼的氢元素作为还原剂、通过和含铁氧化物中的氧结合生成水，将铁矿石直接还原为海绵铁，之后进入电炉炼钢，从而节省了焦炭的使用、减少了因冶炼而带来的能耗及二氧化碳排放。我国作为全球第一钢铁生产国，2021年粗钢产量达10.33亿吨，故而后续节能减排具有较好的应用前景。

故而通过上述分析可以发现，尽管氢能的应用在国内还方兴未艾，但潜力是较为明显的。氢能提供了一种储能和节能的新思路，既经得起逻辑的推敲，目前来看也具有实际可行性。