概述

IRENA的2018年全球能源轉型報告指出，按照目前的發展模式，全球電力需求到2050年相比2012年將會翻倍。目前，發電導致的碳排放約佔能源相關的碳排放的40%。因此，發電系統“去碳化”對控制全球變暖在2°C以內至關重要。為了達到《巴黎協定》的目標，到2050年，電力行業的碳排放相比於2012年需要降低至少85%，這就需要可再生能源在發電中的比例達到63%。然而，可再生能源發電功率不穩定的特性，使其覆蓋基礎負荷的能力較差，且需要其他大功率的發電設備在可再生能源無法產生電力時予以補充。儲能技術能夠有效的降低對發電功率的要求。上週，我們曾介紹了電池儲能對於德國能源轉型的重要性,詳細信息請看：

除了電池儲能，氫儲能技術，也是另外一種極具競爭力的發展方向。所謂氫儲能技術，即：將多餘的電力可用於製造可無限期儲存的氫氣，然後在常規燃氣發電廠中燃燒氣體發電，或用於給家庭供熱。

轉換成氫氣的好處是，電解制氫效率很高，目前能達到80%的電能轉化率，此外，氫能夠在利用方面提供多種解決方案，且能夠滿足大規模、長時間儲能的需要。目前，氫儲能技術如果細分的話，則可以分為以下兩種：

1. 電轉電技術（Power-to-power，PtP）：指將電能轉化成其他形式的能量儲存起來，需要時再重新轉化成電能的過程。
2. 電轉氣技術（Power-to-gas, PtG）:指將電能轉化成燃氣的過程。一般轉化成氫氣，並注入天然氣管道中，或通過甲烷化轉化成甲烷。

（小編有句話要說:上述兩個技術的具體介紹將在之後的文章與大家見面，敬請期待並關注交能網哦~精彩文章歡迎點贊轉發麼麼噠）

除此之外，還有電轉燃料（Power-to-fuel），電轉合成氣（Power-to-syngas）等。相比之下應用沒有上述兩者廣泛。

位於丹麥的P2G-BioCat電轉氣項目，圖片來源：European Power to Gas

氫儲能系統好在哪裡？又有哪些不足？

通常來說，儲能系統可以依照儲能密度、放電功率及儲存時間來加以分類。這三個參數最終其決定儲能能力。此外，儲能系統的重要參數還包括預期平均循環次數，綜合效率，自放電率，利用小時數等。而各類不同的儲能系統，其應用範圍也不盡相同，下圖顯示了各種儲能技術的應用範圍：

從上圖可以看出，無論是從儲能密度還是從儲存時間來說，氫儲能都有著絕對的優勢，尤其適用於大規模儲能中。

然而，相比電池儲能來說，氫儲能會經歷更多的能量轉換環節。而每一次轉化，就意味著一次能量損失和設備資金投入。因此一般來說，轉化次數越多，總效率越低。下圖展示了上述兩種技術中各轉化過程的大致效率：

氫儲能除了電解和利用過程，還經歷了壓縮、輸送等過程，而這些過程都會帶來些許損失，當然這些損失相比電解和利用過程的損失，可以說是微不足道。氫儲能的痛點在於壓縮和輸送過程的設備資金投入。根據研究顯示，目前整個氫能產業鏈中，氫氣的儲存和輸送所需成本幾乎佔據全部成本的半壁江山。此外，在氫氣利用方面，氫轉電的單一效率相比電池儲能十分低下，只有依靠熱電聯產技術，才能夠使得氫能利用的效率大大提升。

那麼，上述兩種技術區別在哪？

上面提到的兩種技術的共同點在於，均包含電解，儲存，轉化三個環節。兩種技術都是以電解水反應為基礎，將電能轉化成氫能並進行儲存。其區別在於氫氣的利用設備和途徑：

在電轉電技術中，氫能通過燃料電池等設備轉換成電能。

對於PtP技術來說，氫能系統在跨季節儲能上有很好的應用前景，也是唯一能在價格上接近普通燃氣輪機機組的選擇。而相比其他的儲能系統，例如：抽水儲能和壓縮空氣儲能，氫儲能的能量密度很高。而且，利用燃料電池技術，能夠很好得實現行業耦合，將交通行業、工業和建築行業的供能整合在一起，實現未來能源系統的一體化和靈活化。

在電轉氣技術中，可以將電解得到的氫氣混入天然氣管道中，產生富氫天然氣，或讓氫氣與二氧化碳反應，生成的甲烷可以用於發電或其他各種用途。

PtG系統的優點在於，使用燃氣輪機將富氫天然氣重新轉化為電力的系統，能夠很好的利用現有的基礎設施，包括儲存，運輸，發電設備等。同時，將氫氣混入天然氣管網中意味著燃氣輪機可以按照以往的方式正常運行，從而避免了更換設備的投資。

然而，即使不計氫氣成本，PtG發電的成本也達到了天然氣價格的三倍。因此，除非假設碳稅價格超過400美元/噸，否則，PtG系統的發電成本不太可能低於普通燃氣輪機機組。但是，如果能夠在天然氣中混入5%的氫氣，PtG系統的發電成本基本可以與普通燃氣輪機機組一致。如果管網和燃氣輪機能夠承受20%的氫氣摻雜，那麼其經濟效率則會相比5% 的極限大大增加。

PtG系統的在經濟性上依賴於電解制氫價格的降低，同時在技術上依賴於電力供需的不平衡。從系統的角度來說，如果可能的話，應優先考慮產生電能這樣高品質的能源，即在優先考慮利用燃料電池的PtP技術。因此，在未來，如果電力系統能夠更好的平衡發電和用電，留給PtG的發展空間可能會收到限制。

兩種技術的發展狀況

電轉氣的核心概念早在19世紀就已經提出，相比之下，直到2009年，第一個電轉電設備才投入運行。截止到目前，兩種技術的實際應用規模都很小。其中，電轉氣技術的應用相對較多，且主要集中在德國和其他一些歐洲國家。德國目前投入運行的電轉氣設備有16個，輸入功率從25~6000千瓦不等。其他一些歐洲國家，如奧地利、丹麥、挪威等，也有在運行中的電轉氣設備。儘管目前的應用不是很廣泛。電轉氣技術仍然被給予厚望。許多專家認為，這一技術將會是完成德國能源轉型的關鍵。

然而氫儲能技術的成本目前依然居高不下，主要原因有兩個。

第一，是電解裝置的價格較為昂貴。因此，只有在利用率較高，即年運行時長較長的情況下，才能較為經濟的運行。而新能源發電設備的年運行時長相較於傳統能源較短，如果僅僅依賴於新能源產生的過剩的電力，很難降低發電成本。

第二，不論哪種技術都包含多個能量轉化過程，而每一步轉化都會帶來損失。這使得兩種技術的總效率都不高。因此，氫儲能技術的發展關鍵在於降低成本和提高效率。解決氫能在綜合能源應用的問題，僅僅專注於解決技術問題是不夠的。還應該開發更新、更多的應用方法，使得新的商業模式成為可能。

我國對於電轉氣的研究也高度重視。早在“十二五”期間，就啟動了“基於可再生能源制/儲氫的70MPa加氫站研發及示範項目”，重點研究電轉氣（P2G）技術在燃料電池汽車加氫站方面的應用，部署了“風電直接制氫及燃料電池發電系統技術研究與示範”，重點研究風電制氫及燃料電池集成系統關鍵技術。在2016年國家能源局發佈的《關於政協十二屆全國委員會第四次會議第1013號（工交郵電類056號）提案答覆的函》中，國家能源局指出，“儲能技術對於優化電力調峰，解決棄風、棄光、棄水等問題具有重要意義。電轉氣（P2G）技術是儲能等領域重要發展路線之一，具有規模適應性強、環境友好、終端應用靈活多樣、可跨季度儲存等優點，並可與天然氣管網結合，是有效解決棄風、棄光、棄水等新能源發展難題的重要途徑。”

要點總結

1. 氫能在儲能環節上主要有，包括電轉電和電轉氣兩種應用形式。

2. 到2050年以前，兩種技術的輸出電力的成本都難以低於燃氣輪機發電的成本。

3. 目前，兩種技術都沒有得到大規模應用，大部分項目集中在德國。

4. 氫儲能技術發展的關鍵在於提高效率和降低成本。

【參考文獻】

[1] Jörg Gigler, Marcel Weeda, Outlines of a HydrogenRoadmap, 2018

[2] dena,Jahreskonferenz Power to Gas – Power to Gas als Baustein einer integriertenEnergiewende: https://www.dena.de/newsroom/veranstaltungen/2017/jahreskonferenz-power-to-gas/

[3] Wikipedia, Speicherkraftwerk: https://de.wikipedia.org/wiki/Speicherkraftwerk

[4] Wikipedia, Power-to-Gas: https://de.wikipedia.org/wiki/Power-to-Gas

[5] dena, Audi e-gas Projekt: http://www.powertogas.info/power-to-gas/pilotprojekte-im-ueberblick/audi-e-gas-projekt/

[6] 國家能源局，《關於政協十二屆全國委員會第四次會議第1013號（工交郵電類056號）提案答覆的函》：http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto83/201703/t20170309_2647.htm

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