从可再生能源中储存氢气的4种方法

很少有化学物质能像氢一样承载着如此多的希望和抱负。在过去的几年里，元素周期表中的第一个元素已经从一个全球流行语变成了工业、发电和交通行业脱碳的最有希望的途径之一。

随着使用低碳资源的天然气生产在全球范围内不断增加，绿色氢动力经济的愿景面临着许多挑战。除了扩大生产和降低成本外，最大的挑战之一是储氢。

1.为什么氢能储存至关重要？

氢有可能解决全球到2050年实现净零排放的两大挑战。首先，它可以帮助解决风能和太阳能等可再生能源的间歇性长期存在的问题。通过将刮风或晴天产生的多余电力转化为氢气，这种气体可以储存可再生能源，然后在需求高峰期作为清洁燃料来源进行调度。其次，氢可以替代化石燃料，使仅靠电气化无法满足要求的行业脱碳，例如家庭供暖、工业、航运和航空。

问题在于，虽然氢气是可再生能源储存的绝佳介质，但氢气本身却很难储存。

这是因为与其他气体（例如天然气）相比，它的体积能量密度较低，这意味着它占用的空间要大得多。此外，氢气的沸点接近绝对零，需要低温储存。虽然它通常不会腐蚀储存容器，但在某些条件下会导致金属开裂。

正如Hydrogen Europe所规划的那样，这里有四种储氢解决方案可以帮助应对这些挑战。

4种储存可再生氢的方法

（1）、地质储氢

世界上最大的可再生能源存储中心之一——先进清洁能源存储中心目前正在美国犹他州建设。该中心将汇集绿色氢气的生产、储存和分配，以展示对未来脱碳电网至关重要的技术。

三菱重工 (MHI) 旗下的电力解决方案品牌 Mitsubishi Power 正在提供利用可再生能源生产氢气的技术，这些氢气将被储存在一系列盐洞中。它们将建在地下深处的一个占地超过4,800英亩的盐丘中。每个洞穴的直径约为67米，高度约为580米。

Mitsubishi Power 还参与了美国Texas Brine的一个类似项目，该项目从巨大的洞穴中提取盐分，为储氢腾出空间。

盐洞中的气体储存是一种成熟的方法，可以轻松进行知识转移。地质储存的其他选择包括枯竭的油田和含水层。

（2）、液化氢

除了以气态储存氢气外，它还可以液态储存。三菱重工集团以及整个航天工业多年来一直使用液化氢为火箭提供燃料。

但液氢储存在技术上很复杂，因此在历史上一直非常昂贵。

氢气必须冷却至-253°C并储存在隔热罐中以保持这种低温并最大限度地减少蒸发。这需要一个复杂的工厂。

迄今为止，复杂性和成本限制了液化氢的使用。一些最大的用户包括半导体芯片行业和氢气最著名的应用：作为太空发射的火箭燃料。

国际能源署在其最新的氢报告中强调，液化等关键技术仍需扩大规模。它指出，2022年初在澳大利亚和日本之间运送第一批液氢是一个重要的里程碑。

随着可再生氢供需的激增，更大的规模经济将使液化成为更可行的储存和运输选择。

3.压缩储氢

与任何气体一样，氢气也可以压缩并储存在罐中，然后根据需要使用。然而，氢气的体积远大于其他碳氢化合物——几乎是天然气的四倍。因此，出于实际处理目的，需要压缩氢气。例如，燃料电池驱动的汽车依靠大型高压容器中的压缩氢气运行。

如果应用需要进一步减少氢体积而不是压缩所能达到的体积，则可以将其液化。这两种技术——压缩和液化——也可以结合使用。

氢的低能量密度、高容量和低温储存需求是其发展的一些最大障碍。对于重型运输等移动应用尤其如此，在这些应用中，氢储存的空间和其他要求将大大减少乘客和货物的空间。这同样适用于车辆，需要在乘客空间和续航里程之间取得平衡。

一种解决方案是用于汽车行业的新型储罐——欧盟支持的众多氢基础设施项目之一。

4. 基于材料的存储

压缩和液化氢的替代方案是基于材料的存储。在这里，能够吸收氢或与氢发生化学反应的固体和液体被用来结合它。这包括从钯等元素以及镁、铝和某些合金中制造金属氢化物，钯可以吸收自身体积900倍的氢。

使用氨——一种氢和氮的化合物——作为氢的载体，可以说是最有潜力的选择。其体积能量密度几乎是液化氢的两倍，使其更易于储存和运输。

这意味着氢被转化为氨，被输送到目的地，然后在使用点“裂解”以释放氢。氨裂解仍处于早期开发阶段，转化率仍然很低——最多只有三分之一左右。

有人提出，氨可能成为未来氢能社会的“主力军”，尤其是在无法直接使用氢气的情况下。日本和韩国等国家正在寻求进口氨，因为它们生产氢气并将其输送给直接承销商的机会较少。例如，三菱重工的造船部门正在设计一艘由氨提供动力并可运输氨的船只。

欧洲和美国的大多数国家更有可能优先考虑氢，因为它可以更容易地在当地生产和消费，例如在工业集群内或通过管道。

在 Wood Mackenzie 的氢能项目追踪系统中列出的100多个低碳氢能项目中，超过85%的项目整合了氨和氢气，以服务国内和出口市场。

氢气安全吗？

安全是低碳燃料的一个重要问题，尤其是当它们可能在公众可能接触到它们的环境中储存、运输或使用时。

氢气无毒且消散很快，因为它比空气轻。但是，仍有风险需要考虑。

当与空气结合并达到足够浓度时，氢气可能是易燃的。因此，无论在哪里储存和使用氢气，通风和泄漏检测都至关重要。由于氢气燃烧时几乎看不见火焰，因此需要特殊检测器。储存容器需要足够坚固以承受脆化，脆化会导致某些材料出现裂纹。

所有这些步骤将确保氢在未来仍然是一种安全的燃料。

储氢的下一步在哪里？

很明显，释放氢的潜力以实现真正脱碳的社会和经济将取决于为每种应用确定最合适的储存方法。这不仅仅是关于技术可能性——任何方法都必须在经济上可行。

但科学并没有停滞不前：英国兰开斯特大学的科学家们发现了一种新材料，与当前的燃料电池技术相比，它可以在相同体积下储存四倍多的氢气。它也不需要外部加热和冷却。虽然研究重点是氢燃料汽车，但这一发现的意义最终可能会进一步帮助开辟氢燃料的大众市场。