電-氫-電儲能轉(zhuǎn)化效率知多少

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，利用低谷期富余的新能源電能進(jìn)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(shí)，儲存起來的氫能可利用燃料電池進(jìn)行發(fā)電并入公共電網(wǎng)。

（圖：氫儲能狹義“電氫電”示意圖）

廣義的氫儲能強(qiáng)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(jìn)行更安全地儲存。

（圖：氫儲能廣義“電氫”示意圖）

電-氫-電技術(shù)作為一種新興的能源轉(zhuǎn)換和儲存方式，正在全球范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注。我們主要介紹這一技術(shù)路線，其包括三個(gè)主要環(huán)節(jié)：電解水制氫、氫氣儲運(yùn)以及燃料電池發(fā)電。每個(gè)環(huán)節(jié)都涉及復(fù)雜的技術(shù)和效率考量，對整個(gè)系統(tǒng)的性能起著決定性作用。

電解水制氫

電解水制氫是整個(gè)流程的起點(diǎn)，也是能耗最大的環(huán)節(jié)之一。目前，進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用主要有兩種電解技術(shù)：堿性電解和質(zhì)子交換膜（PEM）電解。

堿性電解水技術(shù)相對成熟，效率范圍在65%到80%之間。其電解槽的電耗為48.4到60.5 kWh/kg氫。這種技術(shù)成本較低，但效率相對較低，且對水質(zhì)要求較高。

質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)效率更高，在70%到85%之間。其電解槽電耗為46.2到56.1 kWh/kg氫。PEM技術(shù)具有更高的電流密度、更快的響應(yīng)速度和更好的兼容性，特別適合與可再生能源配套使用。然而，其成本較高，且對催化劑和膜材料的要求更嚴(yán)格。

研究人員正在努力提高電解效率，開發(fā)新型催化劑和膜材料，以降低成本并提高性能。未來，高溫電解和固體氧化物電解等新興技術(shù)可能會帶來更高的效率。

氫氣儲運(yùn)

氫氣儲存是電-氫-電技術(shù)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響系統(tǒng)的整體效率和經(jīng)濟(jì)性。

高壓氣態(tài)儲氫是目前最常用的方法，能耗相對較低，約為1到3 kWh/kg。這種方法適用于中小規(guī)模的儲存需求，但對容器材料和安全性要求較高。

低溫液態(tài)儲氫能夠大幅提高儲存密度，但能耗顯著增加，達(dá)到12到15 kWh/kg。液氫主要用于長距離運(yùn)輸和大規(guī)模儲存，但需要復(fù)雜的絕熱系統(tǒng)和嚴(yán)格的溫控。

值得注意的是，如果使用高壓PEM電解設(shè)備，產(chǎn)生的氫氣可以直接存儲和使用，幾乎可以忽略壓縮過程的能耗，這為提高系統(tǒng)整體效率提供了可能。

在運(yùn)輸方面，能耗主要取決于距離和運(yùn)輸方式。對于局部電網(wǎng)平衡或小規(guī)模應(yīng)用，如果制氫和發(fā)電設(shè)施位于同一區(qū)域，運(yùn)輸環(huán)節(jié)的能耗可以忽略不計(jì)。然而，對于大規(guī)模、長距離的氫能利用，如跨國氫能貿(mào)易，運(yùn)輸成本和能耗將成為重要考慮因素。

研究人員正在探索新型儲氫材料和技術(shù)，如金屬氫化物、有機(jī)液體氫載體等，以提高儲存密度、降低成本和能耗。

（圖：氫儲能狹義“電氫電”示意圖）

燃料電池發(fā)電

燃料電池是電-氫-電技術(shù)鏈的最后一環(huán)，將氫氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。目前，燃料電池系統(tǒng)的整體效率在40%到60%之間。這意味著1kg氫氣可以產(chǎn)生13.3到19.9 kWh的電力。

燃料電池技術(shù)正在快速發(fā)展，不同類型的燃料電池適用于不同的應(yīng)用場景。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）因其低溫運(yùn)行、快速啟動等特點(diǎn)，在交通和便攜式應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。固體氧化物燃料電池（SOFC）則因其高效率和良好的熱電聯(lián)產(chǎn)性能，在固定式發(fā)電領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。

研究人員正致力于提高燃料電池的效率、降低成本、延長壽命，并探索新型催化劑和膜材料。

（圖3 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)示意）

系統(tǒng)效率分析

綜合考慮各個(gè)環(huán)節(jié)的效率，電-氫-電技術(shù)的總體效率在21.2%到43%之間。這個(gè)范圍反映了不同技術(shù)組合和運(yùn)行條件下的性能差異。

值得注意的是，制氫效率通常以高熱值（HHV）計(jì)算，而燃料電池效率則以低熱值（LHV）計(jì)算。這種差異使得直接將各環(huán)節(jié)效率相乘可能導(dǎo)致誤差。

在最理想的情況下，即采用高效的PEM電解制氫、直接高壓儲存、并使用高效燃料電池系統(tǒng)發(fā)電，電-氫-電技術(shù)的總效率可以達(dá)到43%。雖然這一效率低于某些傳統(tǒng)儲能技術(shù)（如抽水蓄能），但考慮到氫能的靈活性、可擴(kuò)展性和長期儲存能力，它在未來能源系統(tǒng)中仍具有重要地位。

展望未來

盡管電-氫-電技術(shù)目前面臨效率和成本方面的挑戰(zhàn)，但它在可再生能源集成、季節(jié)性儲能和碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模化應(yīng)用，預(yù)計(jì)其效率將進(jìn)一步提高，成本將顯著下降。

此外，氫能在工業(yè)、交通和建筑等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，使得電-氫-電技術(shù)成為構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)的重要組成部分。未來，隨著可再生能源占比提高，電網(wǎng)靈活性需求增加，電-氫-電技術(shù)有望在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮更加重要的作用。