氢储能的工作原理及能量转化过程
一、氢储能的工作原理
氢储能技术利用了电→氢→电的互变性，基本原理就是将水电解得到氢气和氧气。
其原理图如下：
氢燃料电池发电原理
二、氢储能的能量转化过程
在可再生能源发电系统中，电力间歇产生和传输被限的现象常有发生，利用富余的、非高峰的或低质量的电力大规模制氢，将电能转化为氢能储存起来；
在电力输出不足时利用氢气通过燃料电池或其它方式转换为电能输送上网。
氢燃料电池能量转化过程
氢储能的特征及应用场景
氢储能作为一种清洁、高效、可持续的无碳能源存储技术，其具有其他储能技术无法比拟的优势：
原料简单，没有资源焦虑问题。氢能可通过直流电，直接电解地球上的水得到氢气；
可作为新型电力系统的有效补充。氢能可作为有效媒介，将弃光或弃风资源储存起来，解决新能源发电间歇性、随机性导致的废弃问题；
极强的时间和空间维度跨越性。光伏、风电等新型能源存在季节性波动和空间分布的不均。氢储能具备更长的储能时长及极高的储存容量，有望成为长时间、跨区域储能的有效解决方案；
极大的能量密度和热值。氢储能的能量密度可达140 MJ/kg，是锂电池等电化学储能的100多倍，可以以更小的体积存储更多的能量，有效避免能量浪费的现象。在热值上，氢气热值可达120 MJ/kg，是煤炭、天然气、石油等传统化石能源的3-4倍。
与此同时，其短板也是不可忽视的：
电力系统仍未完全脱碳。目前生产氢能的过程并非完全零碳；
产氢成本过高。电解水过程中，通常电费占制备成本的80%左右，投资成本高；
产氢效率偏低。目前氢储能的整体电→氢→电的能量效率仅为30%左右，能量损失高于其他常用的储能技术。
各类储能技术的评价指标不同，其应用范围也不尽相同。如下图所示，无论是储能时长还是储存容量方面，氢储能都有着绝对的优势。
不同储能形式时长与容量对比 资料来源：2021氢储能行业研究报告
氢储能系统关键技术——储氢
储氢技术可分为物理储氢（技术最为成熟）、化学储氢、地下储氢和其他储氢，具体可细分为12种储氢方式。物理储氢主要有高压气态储氢和低温液态储氢；化学储氢主要有配位氢化物储氢、无机化合物储氢、有机液体储氢、液氨储氢与甲醇储氢。
以下就四大关键储氢技术进行介绍与对比：
一、高压气态储氢：发展最成熟、最常用的储氢技术
高压气态储氢技术是指在氢气临界温度以上，通过高压压缩方式将氢气以高密度气态形式储存。
该项储氢技术具有成本较低、能耗低、易脱氢等优势，但储氢密度受压力影响较大，压力又受储罐材质限制。因此，寻找轻质、耐高压的储氢罐成为了高压气态储氢的关键。
目前，高压气态储氢容器主要分为纯钢制金属瓶(I型)，钢制内胆纤维环向缠绕瓶(II型)，铝内胆纤维全缠绕瓶(III型)及塑料内胆纤维缠绕瓶(IV型)四个类型。除此之外，国外已经在研发Ⅴ型储氢瓶，即无内胆纤维缠绕。
四个类型氢储存瓶的结构图
二、低温液态储氢：尚处起步阶段，或将在未来与高压气态储氢互补共存发展
低温液态储氢技术是一种深冷氢气存储技术。氢气经过压缩后，深冷到 21K（约-253°C）以下，使之变为液氢，然后存储到特制的绝热真空容器(杜瓦瓶)中。
美国通用公司在轿车上使用的液氢罐模型图 资料来源于文献
其优点是氢的体积能量高，液氢密度可达70.78kg/m3，是标准情况下氢气密度的850倍左右。但液氢沸点极低，与环境温差极大，对储氢容器的绝热要求很高。
我国低温液氢目前尚处于起步阶段，主要应用于军事与航天领域（氢的能量密度是普通汽油的3倍，意味着燃料自重可降低2/3，能大幅改善飞机各类性能参数）。
小型液氢储罐
三、有机液态储氢：最具发展潜力的氢气低价储运技术之一，在安全性、储氢密度、储运效率上极具优势
有机液体储氢技术是基于不饱和液体有机物在催化剂作用下进行加氢反应，生成稳定化合物，从而可在常温常压下，以液态形式进行储存和运输，并通过脱氢反应提取出所需量的氢气。
整体流程如下：
氢气有机液态储运过程示意图
与高压气态储氢和低温液态储氢相比，有机液态液体储氢反应过程可逆，储氢密度高；氢载体储运安全方便，适合长距离运输；可利用现有汽油输送管道、加油站等基础设施。但还存在脱氢技术复杂、脱氢能耗大、脱氢催化剂技术亟待突破等技术瓶颈。
在有机液态储氢领域，美国化学家研制出一种B-N基液态储氢材料，可在室温下安全工作，该项技术的突破为氢能储运难题提供了解决方案。
四、地下储氢：仍处发展初级阶段，是解决大容量长期储能的有效途径
地下储氢技术是利用地下地质构造进行大规模氢能存储，即用能源电解水制氢，将氢气注入盐穴、枯竭油气藏和含水层等地下地质构造中，储存氢能。
整体流程如下：
地下储氢的能源系统示意图
地下储氢技术主要优势是储能成本低。另外，与地面储氢相比，地下储存的氢气不与大气中的氧气接触，不具有爆炸危险，更具安全性。尽管与地面储氢技术相比，地下储氢效率相对较低，前期投资较大，但由于其储存容量大，地下储氢更能体现经济性。
高压气态 储氢 | 低温液态 储氢 | 有机液态 储氢 | 地下 储氢 | |
技术 特点 | 在高温下将氢气压缩 以高密度气态形式储存 | 利用氢气在高压低温条件下液化 输送效率高于气态氢 | 基于不饱和液体有机物在催化剂作用下的加氢反应生成稳定化合物 需要氢气时进行脱氢反应 | 利用地下地质构造进行大规模氢能存储 |
优点 | 技术成熟、成本较低、充放氢快、能耗低、易脱氢、工作条件较宽 | 储氢密度高、氢纯度高 | 储氢密度高、成本较低、安全性较高、运输便利 | 储能成本低、经济性高、更具安全性 |
缺点 | 储氢密度低、存在泄露安全隐患 | 液化过程能耗高、易挥发、成本高 | 副反应产生杂质气体、脱氢反应需高温、催化剂易结焦失活 | 效率相对较低、前期投资较大 |
应用 领域 | 成熟商业化 （军用、化工、运输） | 国外商业化 国内仅军事与航天领域 |
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