電-氫-電儲能轉化效率知多少

氫儲能是利用電力和氫能的互變性而發展起來的。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)的轉換過程，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業使用；在用電高峰期時，儲存起來的氫能可利用燃料電池進行發電并入公共電網。

（圖：氫儲能狹義“電氫電”示意圖）

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

（圖：氫儲能廣義“電氫”示意圖）

電-氫-電技術作為一種新興的能源轉換和儲存方式，正在全球范圍內引起廣泛關注。我們主要介紹這一技術路線，其包括三個主要環節：電解水制氫、氫氣儲運以及燃料電池發電。每個環節都涉及復雜的技術和效率考量，對整個系統的性能起著決定性作用。

電解水制氫

電解水制氫是整個流程的起點，也是能耗最大的環節之一。目前，進入商業化應用主要有兩種電解技術：堿性電解和質子交換膜（PEM）電解。

堿性電解水技術相對成熟，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。這種技術成本較低，但效率相對較低，且對水質要求較高。

質子交換膜電解水技術效率更高，在70%到85%之間。其電解槽電耗為46.2到56.1 kWh/kg氫。PEM技術具有更高的電流密度、更快的響應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格。

研究人員正在努力提高電解效率，開發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可能會帶來更高的效率。

氫氣儲運

氫氣儲存是電-氫-電技術鏈中的關鍵環節，直接影響系統的整體效率和經濟性。

高壓氣態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模的儲存需求，但對容器材料和安全性要求較高。

低溫液態儲氫能夠大幅提高儲存密度，但能耗顯著增加，達到12到15 kWh/kg。液氫主要用于長距離運輸和大規模儲存，但需要復雜的絕熱系統和嚴格的溫控。

值得注意的是，如果使用高壓PEM電解設備，產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，這為提高系統整體效率提供了可能。

在運輸方面，能耗主要取決于距離和運輸方式。對于局部電網平衡或小規模應用，如果制氫和發電設施位于同一區域，運輸環節的能耗可以忽略不計。然而，對于大規模、長距離的氫能利用，如跨國氫能貿易，運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，如金屬氫化物、有機液體氫載體等，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）

燃料電池發電

燃料電池是電-氫-電技術鏈的最后一環，將氫氣中的化學能轉化為電能。目前，燃料電池系統的整體效率在40%到60%之間。這意味著1kg氫氣可以產生13.3到19.9 kWh的電力。

燃料電池技術正在快速發展，不同類型的燃料電池適用于不同的應用場景。質子交換膜燃料電池（PEMFC）因其低溫運行、快速啟動等特點，在交通和便攜式應用中占據主導地位。固體氧化物燃料電池（SOFC）則因其高效率和良好的熱電聯產性能，在固定式發電領域展現出巨大潛力。

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 燃料電池發電系統示意）

系統效率分析

綜合考慮各個環節的效率，電-氫-電技術的總體效率在21.2%到43%之間。這個范圍反映了不同技術組合和運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）計算，而燃料電池效率則以低熱值（LHV）計算。這種差異使得直接將各環節效率相乘可能導致誤差。

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發電，電-氫-電技術的總效率可以達到43%。雖然這一效率低于某些傳統儲能技術（如抽水蓄能），但考慮到氫能的靈活性、可擴展性和長期儲存能力，它在未來能源系統中仍具有重要地位。

展望未來

盡管電-氫-電技術目前面臨效率和成本方面的挑戰，但它在可再生能源集成、季節性儲能和碳中和目標實現等方面具有獨特優勢。隨著技術進步和規模化應用，預計其效率將進一步提高，成本將顯著下降。

此外，氫能在工業、交通和建筑等多個領域的應用潛力，使得電-氫-電技術成為構建綜合能源系統的重要組成部分。未來，隨著可再生能源占比提高，電網靈活性需求增加，電-氫-電技術有望在能源轉型中發揮更加重要的作用。