氢能的开发使用是应对全球天气转变 ，，，包管国家能源清静 ，，，实现低碳转型的主要途径之一。 。。。。比照了氢储能手艺与目今主要储能手艺的要害性参数 ，，，效果显示氢储能手艺具有整体性系统优势 ； ；；；；；探讨了氢能在未来综合能源系统中工业用户、交通运输、修建热电联供、能源企业潜在的应用途径及未来要害手艺节点 ； ；；；；；给出了对中国氢能生长的启示。 。。。。为氢能在综合能源系统中的应用提供参考。 。。。。
随着能源体制厘革、手艺生长、系统形态升级 ，，，能源效劳形态泛起出新的特点。 。。。。综合能源效劳能够知足用户多元化需求、拓展企业盈利空间、提升社会整体能效[1-2]。 。。。。大规模储能手艺是综合能源系统中实现“心脏”功效的直接工具 ，，，能够在综合能源系统中施展缓冲器、聚合器和稳固器的作用[3-4] ，，，而氢能作为一种清洁、高效、易规 ； ；；；；；哪茉粗嬗胱忠 ，，，已普遍应用合成氨和冶炼厂加氢等大规模工业中[5-7]。 。。。。
近年来 ，，，受能源政策、市场以及相关氢能使用手艺的驱动 ，，，氢能为综合能源系统中难以实现电气化的行业和应用提供了更多可行和适用的选择[8-9]。 。。。。阻止 2019 年底 ，，，50 多个国家制订了相关政策激励步伐来支持氢能在能源系统中的应用研究[2]。 。。。。文献 [10-12] 针对氢储能系统的要害手艺举行了总结 ，，，比照了电解制氢与其他制氢手艺的本钱 ，，，并基于燃气轮机或燃料电池的热电联产（combined heat and power ，，，CHP）手艺讨论了氢储能系统在能源电力行业中的应用。 。。。。文献 [13-15] 探讨了氢作为能源载体的作用以及氢能源系统的经济性 ，，，预计 到 2050 年 ，，，全球最终能源需求 的18% 可以通过氢气知足 ，，，这一数目相当于 78 EJ ，，， 响应 CO2 减排潜力为 6 Gt/年。 。。。。文献 [16-17] 综合剖析了氢能在日本和德国未来能源系统中的作用 ，，，比照了差别氢供应链条件下的温室气体排放强度 ，，，指出了未来潜在的清洁氢能供应国。 。。。。在未来能源系统框架中 ，，，日本氢能源主要用于发电 ，，，较小比例用于交通运输和工业领域 ，，，而德国主要用于交通运输 ，，，较少用于发电和工业领域。 。。。。文献 [18-19]以氢能在综合能源系统中 35 个应用案例为研究工具 ，，，对 40 种氢气生产和分派手艺举行了建模剖析 ，，，探讨了氢能价值链的本钱动态以及各环节间的相互关系 ，，，给出了氢工业链的整体架构 ，，，预计到 2030 年 ，，，氢能价钱低至 1.8 美元/kg ，，，将占有15% 的全球能源需求份额。 。。。。
能源系统的深度脱碳需求、整合大宗波动性可再生能源并网都将成为氢能快速生长的驱动力 ，，，研究氢能在未来能源系统中的应用远景意义重大。 。。。。首先较量了氢储能与其他储能方法的手艺特点及要害参数 ，，，剖析了氢能在综合能源系统中的应用途径及希望 ，，，指出了未来氢能应用的要害节点 ，，，并给出了对海内氢能工业生长的启示。 。。。。
储能系统（energy storage system ，，，ESS）具有以电荷形式存储电能并在需要能量时允许放电的能力。 。。。。随着手艺的一直生长 ，，，能量贮存方法多种多样 ，，，常见的机械储能方法有抽水蓄能（pumped hydro storage ，，，PHS）、压缩空气储能（compressed air energy storage ，，，CAES）、飞轮储能（flywheel energy storage ，，，FES）[20] 等 ； ；；；；；电磁储能有超等电容储能（ supercapacitors ，，， Super-C）、超导储能（superconducting magnetic energy storage ，，，SMES）等 ； ；；；；；电化学储能主要指电池储能系统 ，，，包括铅酸电池、镍铬电池（ nickel cadmium battery, NiCd）、锂离子电池（lithium ion, Li-ion）、钠硫电池（sodium sulphur battery ，，，NaS）等 ； ；；；；；相变储能主要指热储能（thermal energy storage ，，，TES） ，，，现在研究较多是接纳熔盐储能 ； ；；；；；化学储能 3 个常见途径是氢气、氨和合成气 ，，，其中氢储能（Hydrogen）最具吸引力的能量贮存方法之一。 。。。。
常见 ESS 的手艺成熟度如图 1 所示。 。。。。大规模储能手艺中 PHS、CAES 的手艺相对成熟 ，，，但两者均依赖特殊的地点条件 ，，，其大规模生长受到制约 ，，，但由于其启停无邪、反应迅速 ，，，具有调峰填谷、紧迫备用和黑启动等功效 ，，，国家电网公司与南方电网公司仍相继投建数座 PHS。 。。。。为了提高效率、更好地调解电网频率 ，，，研究职员正在开发变速涡轮机。 。。。。现有凌驾 180 GW 的 PHS 存储容量 ，，，80% 位于欧洲、中国、日本和美国。 。。。。其他较为成熟的是电池储能系统 ，，，由于原质料市场供应富足、手艺前进较快 ，，，本钱进一步降低 ，，，电池储能系统将进一步生长。 。。。。近期 ，，，太平洋自然气和电力公司（PG&E）的 Elkhorn 电池储能项目（182 MW/730 MW·h）已获批准 ，，，未来将为全球着名的科技中心硅谷供电。 。。。。随着氢使用手艺的生长和进一步成熟 ，，，以及可再生能源的氢供应本钱下降 ，，，人们已熟悉到氢能可在未来清洁、清静的能源系统中施展更要害的作用 ，，，手艺成熟度上升较快 ，，，泛起规模性效应[21]。 。。。。
图 2 为 常 见 ESS 的系统效率和运行寿命较量。 。。。。ESS 循环效率最高的是 SMES ，，，它将电流贮保存由电流流过超导线圈爆发的磁场中 ，，，由于超导线圈没有电阻 ，，，消耗险些为零 ，，，仅有隶属电力装备如交流/直流转换器造成的 2%~3% 的消耗[22]。 。。。。FES 和 Li-ion 的系统效率也较高。 。。。。ESS 的能量消耗主要泉源于差别组件之间的能量转达历程 ，，，通过调理充电和放电历程中的能量消耗 ，，，可以提高 ESS的效率。 。。。 ； ；；；；；荡⒛芊椒ㄖ PHS 和 CAES 的使用寿命最长 ，，，划分为 40~80 年和 25~60 年。 。。。。电池储能系统随着事情时间的延伸 ，，，电池的化学性能变差 ，，，使用寿命相对较短 ，，，大多低于 20 年。 。。。。氢储能系统的循环效率 为 35%~55%[ 2 0 , 2 3 ] ，，，低于常 规ESS ，，，其主要受氢价值链中接纳差别手艺路径的影响 ，，，如汽车中氢燃料电池效率约为 60% ，，，而通过内燃机的效率约为 20% ，，，综合思量氢能的价值链 ，，，氢储能的寿命为 15~50 年[24]。 。。。。
图 3 为 常 见 ESS 的响应时间与投资本钱较量。 。。。。由图 3 可知 ，，，SMES、FES 和 Super-C 的单位投资本钱低于其他储能手艺 ，，，鉴于它们的快速响应时间 ，，，通常用于短期能量贮存[5, 22]。 。。。。在已开发的手艺中 ，，，SMES 的单位投资本钱最低 ，，，响应时间最短[22-24]。 。。。。电池储能单位成内情对较高。 。。。。氢储能系统投资本钱适中 ，，，为 1500~2400 美元/kW[25]。 。。。。响应时间在可接受的分钟级规模内 ，，，其系统本钱及响应时间同样受氢价值链中接纳差别手艺路径的影响。 。。。。
氢可以直接以纯净形式使用 ，，，或作为合成液态或气态氢基燃料（合成甲烷或合成柴油）以及其他能源载体（氨）的基础。 。。。。现在大大都氢气用于工业领域 ，，，直接为炼化、钢铁、冶金等行业提供高效质料、还原剂和高品质热源 ，，，有用镌汰碳排放 ，，，其中炼油厂、氨生产、甲醇生产消耗氢气比例划分为 33%、27%、11% ，，，另外 3% 的氢气用于钢铁生产[18]。 。。。。久远来看 ，，，氢能可以普遍用于能源企业、交通运输、工业用户、商业修建[17-19] 等领域 ，，，如图 4 所示。 。。。。既可以通过燃料电池手艺应用于汽车、轨道交通、船舶等领域 ，，，降低长距离高负荷交通对石油和自然气的依赖 ； ；；；；；还可以使用燃气轮机手艺、燃料电池手艺应用于漫衍式发电 ，，，为家庭住宅、商业修建等供暖供电。 。。。。表 1 列出了部分典范氢能使用案例。 。。。。
现在 ，，，工业用户中的氢险些完全来自自然气、煤炭和石油的大规模制氢 ，，，对情形爆发重大影响 ，，，接纳可再生能源发电制氢耦合工业用户 ，，，既可以提供无碳氢 ，，，又可以提供可再生电力 ，，，阻止化石燃料的碳排放问题。 。。。。氢用于工业用户中的途径有：（1）炼油 ，，，加氢处置惩罚和加氢裂化去除杂质 ，，，提高中心馏分油的精收效率 ； ；；；；；（ 2） 化工 ，，，用于合成氨、甲醇 ，，，合成甲烷等工业质料和燃料 ； ；；；；；（3）钢铁 ，，，取代古板高炉及碱性氧气转炉系统中常用的焦炭和自然气[2, 17]。 。。。。
基于氢的合成燃料贮存更容易 ，，，可使用现有的基础设施运送 ，，，为海事、铁路、航空提供可靠的清洁燃料。 。。。。2019 年 11 月 ，，，德国蒂森克虏伯钢铁集团正式注入杜伊斯堡 9 号高炉 ； ；；；；；奥地利林茨奥钢联钢厂 6 MW 电解制氢装置投产 ，，，开启了氢能冶金时代。 。。。。中国宝武钢铁、鞍钢、酒钢等均最先可再生能源制氢-氢能冶金立项 ，，，探寻循环经济的可行性。 。。。。
恒久以来 ，，，氢作为潜在的交通燃料 ，，，被视为石油和自然气的清洁替换品。 。。。。氢动力系统因其零碳排放和普遍的顺应性有望成为交通运输部分实现快速减排的少数选择之一 ，，，这依赖于燃料电池手艺的生长 ，，，常见燃料电池包括：质子交流膜电池（ proton exchange membrane fuel cell ，，，PEMFC）、磷酸电池（phosphoric acid fuel cell ，，，PAFC）、熔融碳酸盐电池（molten carbonate fuel cell ，，，MCDC）和固体氧化物电池（solid oxide fuel cell ，，，SOFC） ，，，综合思量事情温度、催化剂稳固性、电效率、比功率/功率密度等指标 ，，，最常用于交通运输行业的是 PEMFC。 。。。。现在氢能燃料电池用于交通运输领域主要包括：（1）蹊径运输 ，，，如小型汽车、公共汽车、卡车和其他货车 ； ；；；；；（2）海事行业 ，，，如船舶、口岸 ； ；；；；；（3）铁路和航空 ； ；；；；；（4）其他特殊领域 ，，，如救援车辆、深海装备等。 。。。。
相比于纯电动汽车 ，，，氢燃料电池汽车、卡车及叉车的燃料加注时间短、续航里程长 ，，，但氢燃料汽车的综合能量使用效率仅为 25% 左右 ，，，虽然高于古板合成燃料内燃机汽车的 15% ，，，但远低于纯电动汽车约 70% 的综合能量使用效率 ，，，研究批注当燃料电池本钱为 75~100 美元/kW 时 ，，，氢燃料电池汽车可以在续航里程为 400~500 km 内与纯电动汽车竞争 ，，，氢燃料电池汽车关于有更高里程要求的消耗者更有吸引力[17-18]。 。。。。现在氢在海事、铁路和航空领域的应用处于树模阶段 ，，，主要用于辅助动力单位 ，，，而欧洲碳排放生意系统的一直扩大为氢能在这些领域的应用提供了潜在的空间。 。。。。2019 年 11 月 ，，，中国首列氢燃料电池有轨电车在佛山投运。 。。。。2020 年 1 月 ，，，美国国防部联合能源部启动氢燃料电池应抢救援车 H2Rescue 项目 ，，，基于氢燃料电池/锂电池混淆系统 ，，，开启微电网搭建、供热和供水一体化研究。 。。。。
现在 ，，，全球氢能发电比例很小 ，，，约占总发电量的 0.2%。 。。。。随着对能源行业深度脱碳要求的进一步提高 ，，，氢能应用于能源企业路径主要有：（1）氢为燃气轮机或燃料电池提供燃料 ，，，作为备用电源或离网供电 ，，，为易停电和偏远地区的要害设施（如医院 ，，，通讯基础设施等）提供备用电源 ，，，成为电力系统的一个无邪性电源 ； ；；；；；（2）氢转化成氨 ，，，与煤粉共燃 ，，，降低古板燃煤电厂的碳排放强度 ； ；；；；；（3）氢以压缩气体、氨或合成甲烷的方法贮存 ，，，平衡电力需求和可再生能源的间歇性波动。 。。。。
日本和韩国均明确了在能源企业中使用氢或氢基燃料的目的 ，，，日本希望在 2030 年氢发电能力抵达 1 GW ，，，韩国氢蹊径图设定目的是 2022 年电力行业中燃料电池装机容量为 1.5 GW ，，，2040 年抵达 15 GW[17]。 。。。。2020 年 2 月 ，，，北美拟投资可再生能源-氢发电枢纽项目替换 1800 MW 的 Intermountain燃煤电站 ，，，为南加州提供可靠的清洁能源 ，，，从2025 年最先 ，，，每年春、秋两季将有 538 MW 可再生能源用来制氢 ，，，可再生能源制氢本钱可能低至1.5~2.9 美元/kg ，，，氢气将贮保存地下盐洞 ，，，通过100% 氢燃料的燃气轮机举行发电[19]。 。。。。
在住宅修建领域 ，，，75% 的古板能源用于空间供暖、热水和烹饪。 。。。。氢可与自然气混淆（氢气掺混比例为 0~20%） ，，，通过基于燃气轮机或燃料电池的 CHP 手艺 ，，，使用现有修建和能源网络基础设施提供无邪性和一连性的热能、电力供应 ，，，从而取代化石燃料 CHP。 。。。。
基于燃气轮机的 CHP 可通过布雷顿-朗肯循环来实现热、电联供 ，，，氢气通过高温燃气轮机举行燃烧 ，，，推动燃气轮机发电 ，，，燃烧形成的高温蒸汽通过余热锅炉吸收爆发蒸汽 ，，，推动小汽轮机发电 ，，，汽轮机排汽作为热源提供热量 ，，，整体循环效率可达 55%。 。。。。日本某微型氢燃气轮机已乐成向社区供应 2.8 W 热能和 1.1 MW 电力[18]。 。。。。
基于燃料电池的 CHP 最常用的是 PEMFC 和SOFC 手艺。 。。。。CHP 中的 2 种类型的电池都可以由热或电功率驱动 ，，，并且由于其紧凑的尺寸可以安排为微型 CHP。 。。。。它们既可以直接用氢气作为燃料 ，，，也可以用自然气或沼气作为燃料 ，，，而在装置内部转化为氢气。 。。。。若是爆发的热量具有足够高的温度 ，，，则该系统还可以通过吸附（三联产）提供冷却 ，，，整体运行效率可达 60%。 。。。。“Ene-Farm”项 目 从 2009 年最先 ，，，已相继投 入 30 多万套微 型CHP 单位 ，，，单位本钱已从 3.5 万美元降至 0.9 万美元。 。。。。别的 ，，，100% 的纯氢可通过氢锅炉用于修建供热 ，，，但氢气价钱需低至 1.5~3.0 美元/kg 时 ，，，才华与自然气锅炉和电动热泵竞争。 。。。。2019 年 6 月 ，，，由BDRThermea 研制的天下第 1 台纯氢家用锅炉在荷兰罗森堡投入使用 ，，，初始供暖量将知足总热量需求的 8% ，，，该项目与荷兰北部海优势电制氢、盐洞储氢及格罗宁根氢燃料电池列车组成了荷兰氢能使用蓝图的雏形。 。。。。
为了实现《巴黎协定》中的目的 ，，，全球能源系统必需举行深刻的厘革 ，，，可再生能源的低碳电力可能成为首选的能源载体 ，，，电力在全球终端能源消耗中的份额到 2050 年需要增添近 40%。 。。。。但关于难以通过电气化实现脱碳的行业（如物流、工业用户） ，，，各国政府正在逐步熟悉到可再生能源耦合氢能是实现零碳净排放的主要选择之一。 。。。。
（1）现在 ，，，90% 的氢用作工业质料 ，，，但这部分氢大多泉源于化石燃料 ，，，未来工业用户的深度脱碳途径是使用可再生制氢来替换这部分氢气。 。。。。制氢本钱与碳排放本钱是影响该用途希望的要害因素。 。。。。氢气综合本钱为 1.2~2.3 美元/kg 时 ，，，可再生能源制氢的竞争力大大提升 ，，，但这并不故障氢能在工业领域的普遍应用 ，，，预计到 2030 年 ，，，氢能需求量为 10~15 万 t/年[17] ，，，如图 5 所示。 。。。。
（2）氢能已经逐步用于交通运输领域的都会用车、短程公共车 ，，，但大规模推广仍受限于氢燃料电池及车载氢罐的本钱 ，，，以及氢供应链基础设施完善水平。 。。。。但关于重型卡车或远程运输来说 ，，，氢能仍是该领域脱碳本钱最低的要领之一。 。。。。随着氢燃料和车辆本钱的降低 ，，，勉励政策的实验及加氢基础设施的完善 ，，，预计到 2030 年 ，，，交通运输行业氢能需求量为 7~15 万 t/年[18]。 。。。。
（3）氢能主要作为清洁燃料为能源企业提供热量和电力 ，，，但现在仍受限于较高的制氢本钱 ，，，但整体思量系统年使用率及资笔僻出 ，，，氢能用于热电质料比例将会进一步提升。 。。。。相比之下 ，，，氢能以储能的方法为电网提供平衡和无邪性的要领更有竞争力 ，，，大容量储氢本钱未来低至 0.3 美元/kg。 。。。。预计到 2030 年 ，，，能源企业的氢能总需求量为 10~18 万 t/年[6]。 。。。。
（4）修建的供热和电力需求约占全球能源需求的 1/3 ，，，而关于漫衍式供暖 ，，，氢能是少数几种可以与自然气竞争的低碳替换品 ，，，随着制氢本钱和氢锅炉、燃料电池本钱的下降 ，，，以及氢气使用现有自然气管道运送能力的提升 ，，，预计到 2030 年 ，，，CHP 中氢锅炉与氢燃料电池的本钱为 900~2000 美元/（户·年） ，，，修建热电联供的氢能需求量为 3 万~ 9 万 t/年[14]。 。。。。
虽然氢能已经在能源系统中的许多领域获得应用 ，，，但氢能工业链中基础设施较为薄弱 ，，，氢能供应链中制氢手艺的本钱问题 ，，，长距离、大容量储运经济清静问题及终端加氢设施本钱等问题仍是现在亟须解决的。 。。。。
氢能在海内能源电力领域的应用远景仍有部分争议 ，，，险些所有的氢能和燃料电池手艺还依赖于公共财务的支持 ，，，但中国在制氢方面具有优异的基础 ，，，工业副产氢和可再生能源制氢已开展项目树模。 。。。。中国氢能同盟已牵头开启氢能在综合能源系统中的应用研究。 。。。。综合以上研究 ，，，对中国氢能生长带来以下启示。 。。。。
（1）氢能工业现在仍处于市场导入期 ，，，氢能的“制—储—运—用”环节与天下先进水平仍保存较大差别。 。。。。需要尽快将氢能经济纳入国家能源系统中 ，，，研究制订国家氢能生长蹊径图、明确氢能使用目的与工业结构 ，，，指导地方凭证区域特点差别化生长氢能工业。 。。。。
（2）除交通运输外 ，，，氢能在能源企业、工业用户及修建部分的商业化应用应作为氢能战略参考指标 ，，，明确氢能在低碳能源系统转型中的战略作用。 。。。。
（3）氢能工业化结构基础设施较为薄弱 ，，，应增强氢能工业链要害手艺攻关和应用。 。。。。加速推进可再生能源制氢、氢储能、氢能使用等要害手艺协同研究 ，，，对要害质料及焦点部件手艺立异加大财务津贴。 。。。。
（1）随着氢使用手艺的生长和进一步成熟 ，，，氢储能系统成熟度上升较快。 。。。。与其他通例储能系统相比 ，，，氢储能系统在系统效率、运行寿命、机组响应时间和投资本钱等要害参数上均处于中心位置 ，，，但思量氢能在未来能源系统中深度脱碳的主要作用 ，，，氢储能系统具有辽阔的应用途径。 。。。。
（2）氢储能系统未来可用于工业用户 ，，，提供化工原质料及高温热源 ； ；；；；；用于交通运输中车辆的脱碳 ； ；；；；；用于能源企业 ，，，取代化石燃料发电、供暖 ，，，或者以储能的方法提高电网无邪性 ； ；；；；；用于修建热电联供 ，，，提高能量使用效率。 。。。。
（3）氢能还未充分验展在低碳能源系统中的作用 ，，，需要从国家战略层面、焦点手艺研发投入、财务津贴等方面进一步加大支持力度 ，，，推动氢能工业实现跨越式生长。 。。。。
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