1.2.4 化學(xué)儲能

化學(xué)儲能是電化學(xué)儲能技術(shù)的延伸，利用電能將低能物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高能物質(zhì)進(jìn)行存儲，從而實現(xiàn)儲能。目前常見的化學(xué)儲能主要包括氫儲能和合成燃料（甲烷、甲醇等）儲能。這些儲能載體本身是可以直接利用的燃料，因此，化學(xué)儲能與前述其他電儲能技術(shù)（輸入輸出均為電能）存在明顯區(qū)別：如果終端可以直接利用氫、甲烷等物質(zhì)，如氫燃料電池汽車、熱電聯(lián)供、化工生產(chǎn)等，這些儲能載體不必再轉(zhuǎn)化回電力系統(tǒng)的電能，可以提高整體用能效率，相當(dāng)于從存儲“二次能源”變成存儲“三次能源”。因此，化學(xué)儲能往往是能源形式轉(zhuǎn)化過程中的重要環(huán)節(jié)。

目前，在化學(xué)儲能技術(shù)中，氫儲能相對成熟，依托電解水制氫設(shè)備和氫燃料電池（或摻氫燃?xì)廨啓C(jī)）實現(xiàn)電能和氫能的相互轉(zhuǎn)化。儲能時，利用富余電能電解水制氫并存儲，釋能時，用氫燃料電池或氫發(fā)電機(jī)發(fā)電。氫能的利用涉及制取、存儲、運(yùn)輸和應(yīng)用等環(huán)節(jié)。

1.氫的制取

氫氣商業(yè)化制取主要有以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫，以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣提純?yōu)榇淼墓I(yè)副產(chǎn)氣制氫和電解水制氫三種形式，各類制氫方式的技術(shù)特征見表1-1。化石能源重整制氫是目前最主要的制氫方法，全球占比約95%。國外以天然氣制氫為主，我國以煤制氫為主，成本為6～10元/kg，年供氫能力在千萬噸級至億噸級，是最為經(jīng)濟(jì)的方式。

近年來，電解水制氫技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，其在系統(tǒng)安全、電氣安全、設(shè)備安全等方面已經(jīng)形成了完善的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系和管理規(guī)范。電解水制氫成本與用電成本、設(shè)備利用率和設(shè)備造價密切相關(guān)，其中，電費(fèi)在總成本中占比可達(dá)70%～80%，隨著設(shè)備利用率的下降，電解水制氫成本將會顯著上升。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)體制機(jī)制等因素，按照目前的發(fā)展趨勢，我國近期將以工業(yè)副產(chǎn)氣制氫為主，中長期以可再生能源制氫為發(fā)展方向。

2.氫的儲運(yùn)

目前儲氫方式主要有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)儲氫，各類儲氫方式的技術(shù)特征見表1-2。傳統(tǒng)的高壓氣態(tài)儲氫以及高壓絕熱的液態(tài)儲氫技術(shù)，在安全性、經(jīng)濟(jì)性、方便性等方面都不理想。相較而言，固體儲氫材料較為安全且高效，但該方法能耗高，儲能效率低，需要復(fù)雜且高成本的儲氫設(shè)備。短期內(nèi)，高壓氣態(tài)儲氫仍是主要的儲氫手段。但從長遠(yuǎn)來看，輕質(zhì)儲氫材料、固態(tài)儲氫材料等低壓或常壓儲氫材料將成為未來發(fā)展的重點(diǎn)。

3.加氫技術(shù)

根據(jù)H2 stations發(fā)布的第12次全球加氫站評估報告，截至2019年年底，全球共有在運(yùn)加氫站432座，其中330座向公眾開放。根據(jù)氫氣的來源，加氫站可分為外供氫加氫站和內(nèi)制氫加氫站。外供氫加氫站根據(jù)氫氣存儲的方式不同，又可進(jìn)一步分為高壓氣氫站和液氫站，全球約30%為液氫站，且主要分布在美國和日本，而我國現(xiàn)階段全部為高壓氣氫站。站內(nèi)制氫加氫站則是在站內(nèi)建有制氫系統(tǒng)，歐洲站內(nèi)制氫加氫站較多，我國由于化工用地比較緊張，內(nèi)制氫加氫站幾乎沒有。

4.氫氣安全與檢測技術(shù)

氫氣與空氣混合能形成爆炸性混合物，目前主要使用傳感器檢測微量氫氣并報警。氫氣泄漏帶來的安全問題主要通過建立加氫站安全保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)，包括周界、消防、監(jiān)控、火焰監(jiān)測等子系統(tǒng)，防止加氫時由于氫氣泄漏帶來的安全問題。氫能的安全性是社會各界關(guān)注的重點(diǎn)。近年來，我國積極開展氫能安全性研究和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定工作，開展了高壓氫氣泄漏擴(kuò)散、氫氣瓶耐火性能、高壓氫噴射火、氫爆燃爆轟、氫泄爆、氫阻火等研究。但總體而言，國內(nèi)氫安全研究剛剛起步，投入較少，安全檢測能力和保障技術(shù)滯后于氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，缺乏具有第三方公正地位的實驗室，與國際先進(jìn)水平相比有不小的差距。

5.氫燃料電池技術(shù)

氫燃料電池是氫能應(yīng)用的重點(diǎn)方向，其基本原理是把燃料中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能。在各種類型的氫燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池最具發(fā)展前景，其核心材料為固態(tài)離子交換膜。目前，已商業(yè)化的全氟磺酸質(zhì)子交換膜有美國的Nafion膜、Dow膜，日本的Aciplex膜和Flemion膜等。質(zhì)子交換膜燃料電池的電堆造價為1000～3000美元/kW，電堆成本約占系統(tǒng)總成本的60%。而當(dāng)前鋰離子電池模塊（類似燃料電池電堆）成本為300～400美元/kW，系統(tǒng)成本為450～600美元/kW。推高燃料電池造價的主要原因是貴金屬催化劑和全氟磺酸膜價格昂貴。貴金屬催化劑起到催化電化學(xué)反應(yīng)的作用；全氟磺酸膜的功能是隔離氫燃料與氧化劑，傳遞氫質(zhì)子。降低催化劑中鉑的用量、開發(fā)非貴金屬催化劑及價格低廉的非氟質(zhì)子交換膜是降低成本的關(guān)鍵。