氢能挑战电能？

探索氢能系统：对技术、应用、流行趋势及相关挑战的全面综述INTERNATIONALMUSEUMDAYSUMMERSTUDY小工程师总结：（《Exploringhydrogenenergysystems:Acomprehensivereviewoftechnologies,applications,prevailingtrends,andassociatedchallenges》是发表于《JournalofEnergyStorage》的一篇综述，主要探讨了氢能系统，包括其生产技术、存储技术、应用以及面临的挑战和机遇，并进行了SWOT分析。引言：能源存储系统对于克服可再生能源的间歇性至关重要，氢能存储是最有前途的方法之一。介绍了文章的研究方法和组织结构。氢能生产技术：根据生产来源，氢能可分为不同颜色代码，如灰氢、蓝氢、绿松石氢、绿氢、粉红氢和黄氢等。可再生能源基的氢能生产方法包括热化学过程（热解、气化）、生物过程（暗发酵、光发酵、生物光解）和水分解（电解、热解、光解/光电化学）等。对各生产技术的原理、参数、优缺点及研究进展等进行了详细阐述。氢能存储技术：氢能能量系统相比其他技术具有能量密度高、存储时间长、来源多样、清洁环保等优势。氢能存储面临的挑战包括体积能量密度低、易燃、反应性强、基础设施不足等。常见的存储方法包括压缩气体存储、液体存储、低温压缩存储、吸附存储、金属氢化物存储和化学氢化物存储等，对各存储技术的特点、成本因素、安全性和效率等进行了分析。氢能应用：在可再生能源电力系统中的应用，包括离网和并网模式，以及相关的控制技术和微电网管理。在支持现有电力系统方面的应用，如峰值削减、频率调节、拥塞缓解和黑启动等。在交通领域的应用，包括汽车、船舶和火车等，以及相关的技术挑战和发展前景。在热电联产和三联产中的应用，可提高能源效率和减少碳排放。在冶金中的应用，包括金属还原、热处理和氢脆研究等。实际应用和试点项目：介绍了几个氢能相关的试点项目，包括挪威的HAEOLUS项目、德国的ENERTRAGPrenzlau混合发电厂、美国的Texas氢气示范项目和奥地利的H2FUTURE项目。这些项目展示了氢能在不同领域的应用和技术可行性。挑战、机遇和SWOT分析：挑战包括生产和存储成本高、能源密集、GHG排放、材料脆性以及基础设施不足等。机遇包括利用可再生能源生产氢能、采用氢燃料电池汽车、氢气混合以及开发先进材料等。SWOT分析评估了氢能的优势、劣势、机会和威胁，为投资决策提供了参考。结论：不同的氢能生产技术具有不同的技术经济参数和效率，各有优劣。氢能存储方法各有优缺点，选择取决于具体应用的需求。氢能在多个领域有广泛应用，试点项目展示了其可行性，但仍面临成本和基础设施等挑战。未来研究应重点提高电解和存储效率、降低成本、发展基础设施，并得到政策支持。氢能在向可持续能源过渡中既面临挑战，也充满机遇。）摘要探索氢能及其相关技术是实现碳中和的关键途径。本文基于输入能源、运行条件、转化效率、能量密度和单位投资成本，对氢的生产技术、储存技术和最终用途应用进行了全面综述。该综述还强调了氢生产技术和储存方法的优缺点及技术成熟度。选定的氢生产方法包括热解、气化、发酵、生物光解、电解、热分解和光解，而选定的氢储存技术包括压缩、液态、低温压缩、吸附和氢化物。水电解效率高达55-80%且用途广泛，但成本较高，为4.15-10.30美元/千克。相比之下，热解效率适中（35-50%），产量合理（25-65克/千克），能提供更具成本效益的解决方案，适用于对预算敏感的项目。压缩、液态和低温压缩的氢气由于其高体积和重量密度，在提供高效率的同时还具有紧凑储存的额外优势。金属和化学氢化物提供了出色的安全性和效率，金属氢化物还具有高体积密度，可提供更紧凑的解决方案。此外，该综述探讨了氢能在可再生能源系统、对现有电网的支持、交通运输、热电联产和三联产以及冶金方面的应用，以及来自试点项目的见解。此外，本文研究了氢生产、储存方法和最终用途应用中遇到的挑战和机遇。最后，本文进行了SWOT分析，指出了未来成功采用氢的关键方面。结论表明，持续努力提高性能、扩大规模和推进技术进步对于建立具有成本效益的氢经济至关重要。1.引言由于常规化石燃料的迅速枯竭，可再生能源技术的进步和创新使得可再生能源（RES）的能源产量有所增加，如图1所示。通过整合能源存储系统，可以克服电力系统的间歇性和波动。除了其他能源存储技术，如抽水蓄能、飞轮、压缩空气、超级电容器和电池，氢存储方法无论是以气态还是电化学形式，都是最有前途的能源存储方法[1]。氢能存储（HES）设备可以补充可再生能源，以解决与可再生电力渗透率增加相关的限制[2]。在供应过剩期间，可以利用可再生电力生产绿色氢气，并将其以压缩气体的形式储存起来以备后用。在短缺时期，储存的氢气可以转化为电能。除了作为能源和电力生产实体之外，氢气还服务于各种其他与电网相关的应用，如调峰填谷、电压和频率调节、缓解拥堵和黑启动[3]。由于氢能能够减少碳足迹，并被公众和其他主要工业利益相关者所接受，因此被认为是未来能源组合的重要组成部分。从常规能源或可再生能源中生产氢气的创新已成为减少碳足迹的焦点。氢气的使用呈增长趋势，与2021年的利用相比，2022年增长了3％。除欧洲外，各国的氢气消费量都有所增长，欧洲的氢气消费量减少了6％[4,5]。俄罗斯对乌克兰的入侵导致欧洲天然气价格上涨，这降低了化学工业的活动，大多数化肥生产商要么减少了产量，甚至在一年中的较长时间内关闭了生产单元。欧洲氢气消费量的减少由北美和中东弥补，其消费量增加了7％。中国占全球氢气消费量的30％——是第二大消费国美国的两倍多——仍然是氢气的最大消费国，2022年略有增加0.5％，如图2所示。不幸的是，最近氢气产量的增加并非由于政策的实施；相反，它在炼油和化工行业有所增加，这些是氢气的传统应用。这种增加是由传统化石燃料生产的氢气满足的，对缓解气候变化没有影响。历史数据表明，增长主要由炼油和工业等传统应用主导（图2）。2030年的预测数据显示，氢气在运输、合成燃料、电力、建筑和生物燃料升级等新应用中的消费量贡献略有增加[6]。图3显示了2020年至2022年氢气生产的历史统计数据。2022年，在不进行碳捕获、利用和储存（CCUS）的情况下使用天然气生产氢气仍占主导地位，占产量的62％。在全球氢气生产中，未减排煤炭的使用占21％。在炼油厂和石化行业的石脑油重整过程中，会产生氢气作为副产品。该副产品在2022年占全球氢气产量的16％。与2021年类似，氢气生产主要来自没有CCUS的化石燃料，只有0.7％来自低排放源[7]。已宣布的低排放氢气项目处于不同的开发阶段。如果所有已宣布的带有CCUS的化石燃料制氢和水电解制氢项目都达到其商业运营日期，到2030年，全球低排放氢气产量将约为2000万吨。根据《2022年全球氢气评论报告》，对2030年低排放氢气产量的估计为1600万吨。2022年，通过水电解生产氢气仅占全球产量的0.1％。然而，由于已宣布的项目，预计到2030年将达到160吉瓦[5]。本研究的方法包括在主要学术数据库（即GoogleScholar、ScienceDirect、WebofScience、IEEEXplore和Scopus）中进行有组织的文献搜索。此外，由于国际能源署（IEA）刚刚修订了所有国家的氢能经济和政策，大部分统计数据均来自其官方报告，如《2023年全球氢气评论》和《2023年世界能源展望》。澳大利亚可再生能源署（ARENA）发布了一份报告《国际氢能政策发展：2021年10月更新》，概述了全球多个经济体有关氢能的重要政策决策。在本文中，描述了氢气生产、储存、应用的技术方面以及氢能技术发展的趋势。它为政策制定者和投资者提供了宝贵的资源，使他们能够做出明智的决策，并为氢能的无缝应用制定战略计划。本文的组织如下：第2节描述了主要来自可再生能源的先进氢气生产技术；第3节详细审查了与氢气储存相关的技术；第4节评估了氢气的应用；第5节介绍了一些氢能系统的试点项目；第6节提供了见解图1。1990-2020年，可再生能源消耗和占总最终能源消耗的份额。图2。历史上按部门和地区划分的氢气使用情况，以及到2050年净零排放的情景，2020-2030年。图3。按技术制氢技术，2020-2022年。“经[4]许可复制。版权所有，2023年，国际能源署第7节进行SWOT分析，以系统地评估与氢能系统相关的优势、劣势、机会和威胁。2.氢气生产技术根据生产来源，氢气被分为不同的颜色代码，如灰色、蓝色、青绿色、绿色、粉色和黄色氢气。如今，大部分氢气是灰色氢气，它来自未进行碳捕获、利用与封存（CCUS）的蒸汽重整天然气或煤气化。通过蒸汽甲烷重整（SMR）生产1千克氢气会向大气中释放8-9千克二氧化碳（CO2），这种氢气被称为灰色氢气[8,9]。超过40％的灰色氢气是其他化学反应的副产品。灰色氢气主要用于石化和氨工业。在过去的70年里，这两种用途对氢气的需求显著增加。每年全球约6％的天然气和2％的煤炭用于生产灰色氢气。灰色氢气的主要缺点是在生产过程中预计每年会排放8.3亿吨CO2。未采用CCUS的天然气蒸汽重整是一项成熟的技术，能使氢气生产成本最低。当CCUS技术整合到SMR技术中时，所生产的氢气被称为蓝色氢气[9]。尽管使用了CCUS且排放量较低，但该技术不能被宣布为环境中立。通过化石燃料热解产生的氢气被称为青绿色氢气，其副产品为固体碳[10]。利用可再生能源电力通过电解产生的氢气被称为绿色氢气[11-15]。对于向更可持续能源的过渡，绿色氢气是首选的氢气类型，有时也被称为“可再生氢气”、“低碳氢气”和“清洁氢气”表1因生产方法而导致的氢气类型分类（数据来源：[11–15]）绿色氢气将是实现联合国第七个可持续发展目标（SDG7，即经济适用的清洁能源）的一个里程碑[17]。粉色氢气的颜色代码专门用于通过使用核电站发电进行水电解产生的氢气[18]。同样，使用电网电力进行水解产生的氢气是黄色氢气。基于氢气生产的来源，氢气的颜色代码及其特征在表1中进行了描述。太阳能、风能和水电等替代能源的发展将开发出氢气生产方法，例如利用可再生能源产生的剩余电力进行水电解。一旦可再生能源发电的成本降低，将使氢气成为一种可持续和清洁的能源。在寻找清洁和替代氢气生产来源方面的研究和开发将保持氢气作为清洁和环境友好型能源的这一概念。目前，该行业处于过渡阶段，同时使用传统和可再生的氢气生产方法。绿色氢气生产的创新将为氢气创造一个可持续的未来，而传统方法将满足氢气的即时需求。基于可再生能源的氢气生产方法分为热化学过程、生物过程和水分解方法。在本文中，作者重点介绍了基于可再生能源的氢气生产方法，如热解、气化、暗发酵、光发酵、生物光解、电解、热分解和光解/光电解。图4。通过热解法制氢2.1.氢气生产的热过程2.1.1.热解热解是生物质或有机物质的热化学分解，在500°C至800°C的温度和0.1MPa至0.5MPa的压力下，在无氧（O2）的情况下发生[19-21]。首先，利用炭和气体燃烧产生的热量对进料生物质进行脱水。热解过程在流化床反应器中进行。这种快速热解中的分解会产生气态产物，如甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、氢气（H2）、二氧化碳（CO2）和其他气体，这取决于生物质原料的性质、液体燃料（如丙酮和乙酸等在室温下为液态的油和焦油）[22]以及固体（纯碳、炭）[23]。热解产生的混合物通过旋风分离器，离心力将固体生物炭颗粒与气态和液态成分分离。生物油蒸汽和气体的混合物通过冷凝器，生物油和H2分别在下部和上部腔室收集[24]。上述整个过程在图4中进行了解释。与用于氢气生产的蒸汽重整过程相比，热解所需的能量较少，可由氢气燃烧提供[23]。仅有15-20％产生的氢气被燃烧，大大减少了CO2排放。热解本身不需要水煤气变换（WGS）反应器。可以单独进行去除和储存氢气的过程。这样，与部分氧化和蒸汽重整相比，热解产生氢气的生产成本降低了25-30％[25]。如果将蒸汽重整和WGS与热解过程相结合，氢气产量将显著增加[26]。热解的效率取决于原料类型、温度和在反应器中的停留时间等因素。通常，热解过程的转化效率适中，在35％至50％之间[27]。这意味着约35％至50％的输入能量成功转化为H2。2.1.2.气化生物质气化是一种先进的热化学工艺，在氧化剂存在的情况下，通过精细且不完全的燃烧，将生物质中的复杂聚合物分解为更轻的分子。这种复杂的热转化产生的气态产物主要由二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、氢气（H2）和微量的甲烷（CH4）组成[28]。与其他传统燃烧技术相反，气化是一种从生物质中获取能源的技术先进方法。气化所涉及的过程包括干燥生物质以去除水分，因为水分会对气化造成阻碍；研磨干燥后的生物质以增加表面积并使反应最大化；热解、氧化和气化，如图5所述。热解的主要产物是挥发性气体、炭和焦油。这些热解产物通过氧化过程产生更多的气体和热量，用于气化过程[30]。用于气化的生物质原料主要来自富含木质纤维素材料的木材、糖棕榈、树木、竹子和棕榈生物质。气化的其他原料包括农作物残余物、木屑和固体废物。在气化过程中使用不同的催化剂，这提高了气化过程的速率，增加了氢气产量，减少了焦油的形成，并提高了出口气体的热值[31]。气化是一种成熟的生物质转化技术，成本低且环保，可生产甲烷气体和富含氢气的合成气。气化过程的效率受各种参数的影响，如原料生物质的类型、催化剂的类型、反应器的类型以及各种操作参数（催化剂负载、温度、气化剂、当量比和生物质混合比）[29]。气化过程通常具有中等到高的转化效率，范围为30％至60％[32]。不同研究使用热化学过程提出的氢气生产方法的比较见表2。2.2.生物制氢过程2.2.1.暗发酵暗发酵是一种生物制氢过程。此过程涉及有机化合物的厌氧分解，以产生二氧化碳（CO2）、氢气（H2）和挥发性脂肪酸[40,41]。由于这种发酵在无氧的情况下进行，兼性厌氧菌和专性厌氧菌参与消化过程[42]。暗发酵的整个过程如图6所示。可用的原料包括生物质（来自食品、厨房和工业的有机废料）、木质纤维素生物质（农业残余物、林业残余物和能源作物）、藻类生物质（微藻和大型藻类）、工业渗滤液（乳制品行业、食品加工和啤酒厂的废水）以及来自污水污泥和城市固体废物的有机废物[43]。最初，水解将复杂的有机分子分解为更简单的分子。多糖、蛋白质和甘油三酯等复杂分子分别在酶的作用下分解为更简单的分子，如单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸。其次，在无光的情况下，原料发酵成氧气（O2）、氢气（H2）和乙酸。暗发酵的效率因底物类型、微生物种类和环境条件等因素而异。暗发酵过程通常具有较高的转化效率，范围为60％至80％[44]。图5。制氢用的生物质气化过程图5。制氢用的生物质气化过程2.2.2.光发酵光发酵是另一种生物技术，它结合发酵和光合作用的原理将有机化合物转化为氢气。光发酵仍处于发展阶段，在商业竞争方面仍面临困难[68]。该过程涉及在氮缺乏的环境中使用紫色非硫光合细菌（红杆菌属和红假单胞菌属）[45]，从任何光源获取光线，并将厌氧暗发酵过程中产生的有机酸转化为二氧化碳和氢气。光发酵过程可以是单级过程，也可以是两级过程。单级过程成本较低，但需要更多能量，且光转化率较低。然而，两级过程包括先进行暗发酵，然后进行光发酵。在此过程中，氢气的产量增加，但面临着管理两个阶段的参数和细菌的挑战[46]。两级光发酵过程如图7所示。光发酵的效率取决于光强度、底物浓度和反应器设计等因素。光发酵通常实现较低的转化效率，范围为0.1％至12％[44]。2.2.3.生物光解生物光解是一种光驱动的生物制氢方法，其中一些生物体（微生物）利用光能分解水分子并产生分子氢[47]。由于微生物吸收二氧化碳和一氧化碳等有毒气体以完成其生命周期，生物光解制氢过程被认为是环境友好的[26,48]。生物光解可以是直接过程或间接过程，如图8所示。在直接生物光解中，蓝细菌和绿藻等微生物利用光和二氧化碳将水分解为氧气、电子和质子[49]。氢化酶或其他酶利用这些电子还原质子并产生分子氢[50,51]。微藻是二氧化碳的良好固定剂，其培养仅需要在淡水或咸废水中的简单营养物质[52]。尽管直接生物光解在制氢方面具有优势，但它也面临挑战，包括氢化酶对氧气的敏感性，这可能会引发爆炸。在间接生物光解中克服了这个问题，因为氧气的产生和氢气的产生在两个独立的阶段进行[53]。在第一步中，蓝细菌进行光合作用的光依赖阶段，将水和二氧化碳转化为有机物质，同时释放氧气。在第二步中，一个不依赖光的过程，蓝细菌将第一步产生的有机物质转化为二氧化碳、氢气和其他可溶物。在间接生物光解中，产氢阶段与氧气产生阶段分离，消除了氢化酶暴露于潜在爆炸性氧气的风险[54]。生物光解的效率取决于光强度、营养物质的可用性和反应器设计等因素。生物光解过程通常具有较低的转化效率，范围为10％至15％[44]。不同研究的生物制氢方法的关键参数和关键发现总结在表3中。2.3.水分解2.3.1.电解电解水是生产“绿色氢气”（即由可持续能源制成的氢气）的最重要技术之一。在电解过程中，水在直流电的作用下分解，通过氧化还原过程产生氢气和氧气。通过氧化和还原反应产生氢气和氧气的装置称为电解槽，如图9所示。电解槽可以从任何电源（包括太阳能光伏、风能、核能、化石燃料或生物质能等可再生能源）产生氢气和氧气。电解过程在电解池中进行，电解池由两个浸入水溶液中的电极（称为阳极和阴极）组成。通常，添加电解质以增加溶液的导电性。通过将正极连接到阳极，负极连接到阴极来提供直流电（DC）[64]。电解过程的效率受电解质类型、电极材料和所使用的电压的影响。此外，电解所需的能量输入可能对氢气生产的整体可持续性产生重大影响。如果使用的电力来自可再生能源，如太阳能光伏、风能、生物质能或水能，氢气生产的总体环境影响可以减轻[66]。随着可再生能源的不断发展，电解对于促进清洁和可持续的氢经济的发展具有很大的潜力，从而有助于减少温室气体排放和缓解气候变化的影响[65]。电解的效率取决于电解槽的类型、电效率和操作条件等因素。电解过程通常具有较高的转化效率，范围为55％至80％[44]。电解过程通常使用三种类型的电解质之一：液体、质子传导膜形式的固体聚合物电解质或氧离子传导膜。因此，根据所采用的电解质类型，有三种不同类型的电解槽：碱性电解槽、固体氧化物电解槽（SOE）和质子交换膜（PEM）电解槽。尽管碱性电解是应用最广泛的技术，但固体氧化物电解槽、质子交换膜电解槽和阴离子交换膜（AEM）电解槽正在不断发展[35]。在质子交换膜电解槽的阳极，注入水。水分解为质子（H+），质子通过膜到达阴极产生氢气，以及氧气，氧气与水一起留在阳极。在碱性电解槽和固体氧化物电解槽中，水在阴极供应，并分解为氢氧根离子（OH−），氢氧根离子从电解质水溶液移动到阳极产生氧气，氢气在外部分离单元中从水中分离出来。阴离子交换膜电解槽在碱性环境中运行；然而，阴离子交换膜——在聚合物主链或侧链上带正电荷的官能团——取代了碱性方法中的传统隔膜（石棉）[36]。图6。暗发酵进行制氢2.3.2.热分解热分解是一种因热的作用而发生的化学反应或分解过程。在热分解中，由于向系统提供的热能，分子被分解为更简单的成分。这个过程可能涉及分子内化学键的断裂，导致新物质或产物的形成[67]。用于制氢的热分解涉及通过特定化合物或分子的热分解来产生氢气。一种常见的方法是水的热分解，也称为水的热分解[68]。这个过程涉及利用热能将水分子分解为氧气和氢气。水的热分解可以通过诸如电解（利用电产生热）、太阳能热方法（利用集中的太阳能）或将水直接加热到1500°C至3000°C的极端温度等方法来实现。热分解是可持续能源领域内研究和开发的一个关键领域，根据加热方法和能源，有可能实现从可再生资源中生产氢气而不产生温室气体排放。例如，甲烷可以热分解为氢气和碳（根据反应条件以各种形式）[69]。用于制氢的热分解是可持续能源背景下的研究和开发领域，因为根据所使用的具体加热方法和能源，它有可能提供一种使用可再生能源且不产生温室气体排放的制氢方法。热分解效率取决于温度、反应器设计和热回收系统。热分解过程通常具有中等的转化效率，范围为20％至50％[44]。图7。两阶段光发酵工艺2.3.3.光解/光电解光电解，也称为光解，在光电化学电池中利用阳光将水分子分解为氧气和氢气[70,71]。从光子获取的能量驱动化学反应[50]，使其成为从可再生资源生产氢气最具成本效益和效率的方法之一。制氢的光解方法有两种[51]。第一种方法涉及光电化学电池，由浸入电解质溶液中的半导体电极组成[72]。当电极暴露在光下时，电子被激发，在它们之间产生电位差。这种电位差在阴极还原水，产生氢气，而阳极氧化水，产生氧气[73]。光解的过程如图10所示。光解的效率取决于光子的带隙能量和半导体材料、光强度、光催化剂性质和电池设计。如果入射光子的带隙能量等于或大于材料的带隙能量，电子就会从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。光解过程通常具有较低的转化效率，范围为0.06％至14％[44]。第二种类型使用半导体光催化剂进行光解。当诸如二氧化钛（TiO₂）或其他金属氧化物等半导体材料作为光催化剂并暴露在光下时，它们会产生电子-空穴对。电子参与水分子的还原产生氢气，空穴参与水的氧化产生氧气[11]。使用水分解方法制氢的当前研究总结见表42.4.氢气提纯一旦产生氢气，就有必要对其进行提纯和压缩，以便储存和运输给终端用户。根据[81]，超过95％的氢气生产是通过化石燃料，所产生的氢气包含诸如氧气、一氧化碳、二氧化碳、水、氮氧化物和硫氧化物等杂质。因此，在将氢气储存用于一些实际应用，如固定发电厂和燃料电池（FC）车辆之前，需要一些中间步骤来去除氢气中的杂质[82]。氢气提纯过程分为两类：物理方法和化学方法。一些提纯方法已经商业化，而其他方法仍处于不同的开发阶段。膜分离、变压吸附（PSA）和低温蒸馏是氢气提纯的物理方法，而金属氢化物分离和催化提纯是化学方法[83,84]。提纯方法的使用取决于氢气提纯的程度、拟议的应用以及包括压力和温度在内的储存条件等因素。最有效的技术，PSA，可达到99.999％的提纯水平，但回收率低，适用于广泛的应用。低温蒸馏，在20.15K的低温分离方法，可产生90-98％纯度的氢气[83,85]。这种方法需要对原料气进行预处理以去除水和二氧化碳，以避免设备的低温堵塞。这种技术最适合工业规模的应用。对于燃料电池应用，单独使用这两种方法都不够，需要进一步的提纯循环。使用膜分离方法可获得高纯度的氢气。由于其效率高、能耗低、结构紧凑、操作简单灵活和环境友好，这种方法优于其他方法[86]。通过在不同操作力（如电位差、压力差和浓度差）下运行的选择性渗透膜去除氢气中的杂质。根据膜材料的类型，膜分离方法分为聚合物膜和金属膜[87]。在对氢气生产技术进行全面评估后，很明显，从优点、缺点和技术经济参数方面对它们进行比较对于强调其重要性是必不可少的。上述所有氢气生产技术的技术经济参数总结在表5中。此外，每种生产技术的优点和缺点也总结在表6中。图8。生物光解过程：(a)直接，(b)间接。“经[55]许可复制。版权所有2022年，爱思唯尔”3.氢气储存技术氢能系统相较于其他替代技术具有若干优势。首先，与电池或超级电容器等储存方式相比，氢气的能量密度显著更高。这使得在更小的体积或质量中能够储存更多的能量，这在空间或重量限制较为重要的应用中至关重要。此外，不像电池那样容易快速放电，氢气能够长时间储存而不会有显著的性能下降。这一特性对于需要长期能量储存的应用，如可再生能源的季节性储存，特别有益。而且，氢气可以从各种来源获取，包括太阳能和风能等可再生能源，以及采用碳捕获技术的化石燃料。这种多样性便于将氢能系统整合到现有的基础设施中，并能够实现规模化以满足不断增长的能源需求。此外，当使用可再生能源生产时，氢气在燃料电池或内燃机中使用时仅排放水蒸气，是一种清洁燃料。这一特点使氢气成为减少温室气体排放的一种有前景的方式，特别是在交通和工业领域。此外，氢能系统通过在低需求时期储存多余的能量，并在高峰需求时供应，有助于电网的灵活性，从而提高整体电网的稳定性和能源可靠性。值得注意的是，氢燃料电池能够为从汽车到重型卡车和火车等各种车辆提供动力，为传统化石燃料车辆提供了零排放的替代方案。氢能系统技术与其他替代能源存储方法的比较见表7。表3目前关于生物方法产氢研究的研究。氢气的储存是其在固定和便携式电站、燃料电池和交通运输中成功应用的关键使能技术。如下所述，氢气的某些基本特性对储存技术和方法的选择有显著影响。•氢气的体积能量密度非常低（0.089千克/立方米），因此需要较大的体积来储存[98]。这一特性使得在储存前需要对氢气进行压缩和液化以提高能量密度。•在所有燃料中，氢气单位质量的能量含量较高（120兆焦/千克氢气），但其体积能量密度较低[99]。在保证安全和最小化重量的同时提高体积能量密度是一个核心挑战。图9。水电解过程。“经[65]许可复制。版权所有，2021年，爱思唯尔”图10。光解/光电解过程。“经[55]许可复制。版权所有2022年，爱思唯尔•氢气在大气压下约在-253°C时液化，因此液氢储存需要极低的温度[100,101]。维持如此低温所需的能量是选择储存方法的一个重要因素。•氢气在空气中的可燃性范围很广，体积占比从4%到75%，并且只需很低的能量输入就能点燃，最小点火能量仅为0.02兆焦[102]。相比之下，天然气需要0.29兆焦，汽油蒸气需要0.20兆焦[98]。这就要求在储存设施中小心处理并采取强有力的安全措施。•氢气可以与各种材料发生反应，导致腐蚀或形成脆性氢化物。储存材料与氢气的相容性，特别是在高压或低温下，至关重要[103]。•氢分子很小，很容易通过能容纳大分子的材料逸出[104]。这一特性要求储存容器由能有效容纳氢气而不使其泄漏的材料制成。•氢气储存的成本受材料、储存方法、基础设施、可扩展性、能源效率、维护和安全合规性的影响，所有这些在确定氢气储存技术的经济可行性方面都至关重要[105,106]。目前，最流行的氢气储存方法分为基于物理的（压缩、液化和低温压缩）和基于材料的（吸附、金属氢化物和化学氢化物）；图11列出了这些技术及其储存条件。3.1.压缩气体氢气储存为了在储罐、钢瓶和地下洞穴中储存，氢气被压缩至700巴的压力[81]。在地下储存中，氢气的可用体积和所需压力高于地上储存。对于燃料电池汽车（FCV），所需压力范围为700至1000巴，消耗气体能量含量的10%[107-109]。压缩气体所需的能量通常表示为气体热值的百分比。将氢气从1巴加压至200巴消耗其能量含量的7%，加压至700巴消耗热值的10%[110-113]。在更高压力下压缩氢气会消耗更多的能量含量。将氢气储存在天然存在的地下储层中，如枯竭的气田和油田以及盐穴，提供了大的体积储存容量和高的能量密度。含水层和枯竭的油气田是天然存在的地下储存，而盐穴是盐矿床中的人造储气设施。含水层是通过向盐层注水溶解盐而形成的。然后排出盐水，产生的空隙用作氢气储存的洞穴。参考文献[114]报道，2016年，已安装672个地下储气设施，包括含水层、盐穴以及枯竭的气田和油田，共有4240亿立方米的工作气体。在上述地下储存设施中，盐穴是最适合天然设施的选择，因为盐对氢气是惰性的，并且氢气与储层矿物和天然储存设施中的微生物发生反应的可能性较小。盐穴的其他优点是注水速度快、抽取率高、建设成本低、氢气污染可能性小、泄漏少以及维持洞穴结构稳定所需的缓冲气体少[115,116]。压缩氢气储存的成本因素主要包括由碳纤维等先进材料制成的高压罐的费用、压缩所需的大量能源消耗以及与安全和维护相关的持续成本。此外，用于在高压下安全处理和分配的基础设施增加了资本支出，影响了这种储存方法的整体经济可行性。3.2.液氢储存另一种储存氢气的方法是将气体冷却到非常低的温度，使其从气态转变为液态。尽管液氢的密度高于压缩气体，但将氢气冷却到其沸点-253°C以下需要大量的能量[117]。这个过程，即氢气的液化，包括压缩氢气以增加密度和减小体积，通过热交换器对压缩气体进行预冷以去除一些热量，通过喷嘴使预冷气体膨胀以产生焦耳-汤姆逊效应进一步降低温度，然后使膨胀的氢气通过一系列热交换器和其他冷却阶段达到气-液转变温度[118]。然后将液氢储存在真空良好的隔热容器中，以防止通过对流或传导与周围环境进行任何热交换。液氢储存的成本因素在很大程度上受到能量密集型的液化过程的影响，该过程需要将氢气冷却到极低的温度-253°C。这需要大量的能量，影响运营成本。用于储存液氢的储罐需要先进的隔热以防止热量进入并最大限度地减少氢气蒸发，进一步增加了费用。此外，需要专门的设备和设施来安全处理和运输低温液体，增加了资本和维护成本。应对如此极端温度的法规合规和安全措施也增加了总成本，影响了液氢储存在各种应用中的采用。表4用水裂解法产氢的当代研究。3.3.低温压缩氢气储存通过将低温和压缩氢气储存技术相结合，实现了氢气储存效率和实用性之间的平衡。通过优化氢气的温度和压力来实现储存效率[119]。在70兆帕压力和室温下，氢气的密度为39.1千克/立方米，而在20开尔文和0.4兆帕的较低压力下，液氢的密度增加到71.0千克/立方米。这表明低温压缩储存技术具有更好的储存性能。作者报告称，就温度和压力而言，氢气储存的最优化和最有效条件分别在35开尔文至110开尔文和5兆帕至70兆帕之间，实现了60千克/立方米至71.5千克/立方米的氢气密度[119]。低温压缩氢气储罐必须同时适应高压和极低温，这需要先进的材料和双功能绝缘系统，显著增加了材料和制造成本。能源费用也相当可观，因为这种方法需要压缩和冷却来维持氢气的低温状态。此外，操作和维护必须处理高压和低温的设备的复杂性导致了更高的运行和安全合规成本。这些因素共同使得低温压缩氢气储存成为技术要求高且成本高昂的选择，适用于储存密度增加的好处足以证明额外费用合理的应用。表5不同制氢技术的技术经济参数汇总表3.4.吸附技术吸附剂气体储存技术不同于传统的压缩和液化储存过程。这种方法使用具有高表面积的多孔物质来捕获和储存气体分子。这种储存过程取决于气体分子附着在固体材料表面的能力。吸附剂材料的选择基于其用弱力（如范德华力（约6千焦/摩尔））捕获和保持气体分子，然后在需要时释放它们的能力[120]。常用的吸附剂材料包括金属有机框架（MOFs）、活性炭和各种类型的沸石。该过程的可逆性在很大程度上取决于调节温度和压力。通过降低压力或升高温度，气体分子从材料表面解吸。这些方法的优点包括高可逆性、高储存容量、相对较低的操作压力和快速的动力学。然而，也存在挑战，如在适度温度下密度低以及在吸附和解吸过程中管理热效应。用于氢气储存的吸附技术涉及与吸附剂材料相关的显著成本，这些材料必须具有高表面积和特定性质才能有效地捕获氢气。这些材料，如MOFs或活性炭，生产和加工可能成本高昂。此外，利用这些材料的储存系统的设计和构建需要精密工程，以有效地最大化氢气的吸收和释放。能源成本也起作用，特别是在吸附剂的再生以释放储存的氢气时，这可能需要加热或创造真空。运行和维护成本、安全措施以及符合监管标准进一步增加了实施氢气储存吸附技术的总成本。这些因素共同影响了这种储存方法在各种应用中的经济可行性和采用。表6不同制氢工艺的优缺点3.5.金属氢化物金属氢化物是金属与氢气反应形成的化合物。它们对于氢气储存很重要，因为它们可以在中等温度和压力下可逆地吸收和释放氢气[121,122]。在这个过程中，当氢气到达金属表面时，它首先解离，然后扩散到金属晶格中。在这里，它发生放热反应，释放热量并形成金属氢化物。反应完成后，物质包含结合的氢气，然后在室温下储存[123]。金属氢化物具有广泛的应用，包括压缩、提纯、同位素分离、蓄热和热泵。它们也可以用于各种移动和固定应用中的氢气储存。与气态氢气储存相比，金属氢化物储存为固定应用提供了更低的操作压力和更高的体积能量密度[124-127]。在电力-电力（P2P）系统中，金属氢化物罐在上游连接到电解槽，在下游连接到燃料电池或氢气内燃机（ICE）[128]。质子交换膜电解槽（PEM）通常产生约30巴的氢气[129]，这足以消除对压缩机的需求，这与压缩氢气不同。质子交换膜燃料电池（PEMFC）的阳极子系统需要3-5巴的入口压力[130]，当金属氢化物储存耗尽时可以达到该压力。较低的操作压力还带来了诸如降低维护要求和提高安全性等好处[131]。此外，减少对高压部件的需求可以降低系统的总成本。由于其高体积能量密度和出色的可扩展性，金属氢化物储存适用于从小型到大型的能量储存。金属氢化物也适用于中到长期储存，因为在储存过程中不会损失氢气。这些规格和优点使混合热技术适用于大型季节性储存、离网系统、备用系统和住宅区等应用[131]。在移动应用中，系统重量和动态操作比在固定应用中更受重视。用于道路和铁路的应用需要快速的充装（吸收）时间。有效地处理反应热对于实现这些快速充装时间至关重要，这给热管理系统带来了额外的压力[132]。此外，解吸过程应在运行期间利用燃料电池或氢气内燃机的废热[133]。较小的压缩氢气或电池储存作为启动（如冷启动）和动态负载变化（如加速）的缓冲[133]。德国212a型潜艇及其改进型是移动应用中金属氢化物储存的主要用户[134]。在这种情况下，金属氢化物材料的额外重量有助于保持潜艇的潜水位置并抵消浮力。目前，只有少数船舶，包括那些配备了船上金属氢化物的船舶，使用氢气运行。为了最大限度地提高货物容量，运输船上的燃料储存重量和空间应最小化。然而，在某些条件下（如低重量、高体积货物），金属氢化物的高体积密度可以证明重量的增加是合理的。表7制氢技术与其他储能方法的比较[95]对于船舶，加油时间规定不太严格，因为它们可以通宵停靠。此外，热量可以利用周围的水来消散。另一种选择是将金属氢化物用于氢气的国际运输，而不是船上燃料储存，以利用其高体积能量密度。不同类型的金属氢化物包括元素氢化物、金属间氢化物和复杂金属氢化物[135,136]。金属氢化物涉及的显著成本主要与材料本身相关，因为形成氢化物所需的某些金属和复杂合金可能很昂贵。氢化和脱氢的过程，包括吸收和释放氢气，往往需要大量的能量输入，特别是在氢气释放期间的加热。此外，需要能够承受高压和高温的耐用容纳系统，增加了基础设施和维护成本。图11。储氢的方法。“经[85]许可复制。版权所有2022年，爱思唯尔”3.6.化学氢化物化学氢化物是能够通过化学反应吸收和释放氢气的物质，使其成为氢气储存的可行选择[137]。这些材料缓解了与储存H2相关的一些挑战，为以密集和稳定的形式储存氢气提供了一种手段。化学氢化物大致可分为三类：氨硼烷、轻金属氢化物和复合氢化物[138,139]。最初，化学氢化物通过一种反应吸收氢分子，该反应通常涉及将氢分子分解为氢原子（H）或氢离子（H−），然后将其吸收到氢化物材料的晶格中。被吸收的氢原子或离子与主体材料反应形成称为氢化物的稳定化合物[140,141]。在化学氢化物中，氢原子与主体材料之间形成的键通常是共价键，有助于材料的化学稳定性和能量存储能力。这使得氢气能够在需要时被存储在材料中，然后以受控的方式释放。化学氢化物可以按重量储存大量的氢气，使其适用于紧凑的储存解决方案[142]。当需要氢气时，化学氢化物经历逆反应释放氢分子，通常需要加热或外部触发，如压力或催化剂来促进释放[143]。释放的氢气然后可以用于各种应用。硼氢化钠（NaBH4）的水解脱氢，由于其按重量计算的高氢含量，是一种有前途的氢气储存材料，是按需制氢的潜在方法。与其他方法相比，此过程具有处理和储存方便等优点[144]；然而，反应动力学缓慢和需要高效催化剂等挑战阻碍了其广泛应用。正在进行的研究集中在克服这些挑战，并优化水解脱氢过程以用于实际的制氢应用[143]。使用化学氢化物进行氢气储存带来了巨大的成本，主要是由于所涉及的材料和化学过程。这些氢化物通常需要昂贵的化学品和复杂的制造工艺来合成。此外，氢气释放的过程通常需要大量的能量输入，通常以热的形式，来启动分解反应。安全处理、储存和运输化学氢化物所需的基础设施，因为它们可能具有反应性，需要小心处理以避免降解或不希望的反应，增加了资本和运营成本管理与材料相关风险的法规合规和安全措施也增加了总体费用，影响了它们在氢气储存应用中的广泛采用。在对氢气储存方法进行全面评估后，很明显，根据它们的优点、缺点和技术经济参数进行比较对于突出它们的重要性至关重要。所有讨论的氢气储存方法的技术经济参数总结在表8中，每种技术的优点和缺点也在表9中概述。表8储氢技术的特性总结（注：储存条件可能因储存材料的类型而有所不同）。表9几种储氢方法的优缺点和应用情况。4.氢气的应用4.1.在可再生能源电力系统中的应用风能、太阳能、生物质能、地热能和水能等可再生能源通过最合适的技术转化为电能[15]。利用电解过程中产生的电能由可再生能源生成氢气。所生成的氢气要么在应用终端使用，要么在燃料电池中用于为电网发电。氢气在可再生能源系统中的整合分为离网和并网模式[168]。在离网或独立电网系统中，来自可再生能源的电力驱动电解，燃料电池的输出满足当地电力需求。在并网混合能源系统中，多余的电力用于制氢，在产量低的时期，从电网进口电力。研究[169]提出了一个独立电网的混合可再生能源系统，包括太阳能光伏系统和氢气生产。该系统为离网移动房屋提供48V直流电源。该系统由太阳能光伏系统、DC/DC控制器、电解槽、氢气储罐、燃料电池和直流家用电器组成。如果太阳能光伏系统的产量超过负载需求，多余的电力将用于电解制氢。如果其他地方不需要氢气，则由燃料电池用于发电。在由于天气条件导致太阳能光伏系统性能不佳的情况下，燃料电池发电以满足负载。参考文献[170]提出了一个离网的整合氢气的可再生能源系统。该系统由风力涡轮机、太阳能热抛物面集热器、蒸汽轮机、电解槽、制冷系统和燃料电池组成。蒸汽和风力涡轮机在阳光明媚和有风的时间提供电力。此外，电解槽利用多余的电力生产氢气。最终，当蒸汽和风力涡轮机无法满足能源需求时，氢气也被用于发电。所提出的系统旨在仅使用可再生能源满足所有电力、制冷和供热需求。参考文献[171]还介绍了氢燃料电池与太阳能光伏和风力涡轮机集成的实验工作。计算了质子交换膜电解槽的能量效率，在174秒的时间间隔和30立方厘米的氢气体积下，发现其为86％。图12显示了并网、整合氢气的可再生能源系统。氢气由电网和可再生能源系统产生。所产生的氢气既用于通过燃料电池发电，也用于为氢燃料车辆提供燃料作者[172]研究了通过基于氢气的P2P系统为在当地市场安装了可再生能源的终端用户整合的可再生能源社区（REC）。他们提出了一种混合光伏和风能系统，产生可再生能源，通过电解将多余的能量储存为氢气，并通过燃料电池将第一个REC中的氢气为第二个REC供电。两个REC都可以使用和供应电网能源。尽管往返效率低，但P2P氢气供应网络将客户自给率从68.6％提高到83.7％。由于设备成本，即使有REC补贴，所提出的系统也是不可持续的。氢气融入现代电网需要电力电子转换器，这需要先进的控制技术来实现最大功率生产和高效的系统性能，如图13所示。诸如晶闸管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、交流二极管（DIAC）、交流三极管（TRIAC）和门极关断（GTO）晶闸管等有源功率开关对于转换器是必不可少的，并且需要现代控制系统来有效操作这些固态开关。作者[173]回顾了各种控制技术，如PI控制器、反步控制器、滑模控制器、模糊逻辑控制、前馈神经网络控制和模型预测控制本综述论文探讨了与将HES系统纳入现代电网相关的问题，重点关注控制方面的考虑，如直流链路电压控制、储罐控制以及有功和无功功率共享，以及并网和构网逆变器控制技术。他们报告了与这些技术相关的控制系统的改进和部署，以及它们的风险和机会。本文还侧重于整合可再生能源，以帮助学者、工程师和政策制定者了解HES系统的当前和未来潜力。对于整合氢气的微电网，控制系统对于能源管理至关重要。[174]提出了基于氢气的海上微电网的两级控制系统，其特点是能量管理系统旨在优化负载分配、降低系统成本，并符合电池充电状态和氢气水平限制。电解槽系统用于现场制氢，以减少运输费用并提高微电网的自给自足能力。[175]的一项提议引入了一个用于微电网集群的混合能源系统，该系统整合了氢气和电力存储系统。对所提出的微电网集群双层优化模型的分析显示，微电网的运营成本降低了14.92％。图13。电力电子产品与可再生能源基氢气系统的集成。图12。RES与制氢和常规电网的集成。“经[173]许可复制。版权所有，2023年，爱思唯尔4.2.对现有电力系统的支持调峰是一种通过在用电高峰时段利用储能单元或替代能源来减轻电网负担的技术，氢气能够以最佳方式实现这种调峰。在用电低谷时段，尤其是来自可再生能源的电力充足且价格较低时，通过水电解产生氢气并进行储存[176]。然后，在用电高峰时段，当电费超过正常费率时，利用这些氢气通过燃料电池或其他技术发电来满足高峰需求，从而使系统盈利[177,178]。另一方面，在电网需求较低的时候，比如深夜大多数人都在睡觉的时候，可能会有多余的电力。通过电解这些多余的电力，可以产生氢气，从而“填谷”，即满足低需求时段的电力储存。产生的氢气可以储存起来供以后使用，例如在需求高峰时段使用，或者用于为燃料电池供电，以满足工业或交通等各种用途。总的来说，利用氢气进行填谷和调峰为平衡电网的电力供需提供了一种途径，特别是在可再生能源丰富的情况下。以氢气的形式储存多余的可再生能源，为平衡供需波动提供了一种手段，减少了对传统化石燃料发电厂的依赖，并促进了可再生能源并入电网，如图14所示。然而，在氢气生产和储存技术的基础设施发展、成本效益和可扩展性方面仍存在挑战。随着风能和太阳能系统在电网中越来越普遍，由于频率波动显著，终端用户的电能质量受到影响[180]。这些波动造成了安全管理问题，并导致电网不稳定。频率调节是电力系统稳定的一个重要方面，通过维持发电和用电之间的平衡，将系统频率保持在可接受的范围内。在传统电网中，稳定性是通过同步发电机的转动惯量来实现的，这对频率偏差起到了阻尼作用。可再生能源系统没有转动惯量，而且由于其间歇性的特点，可能会引起较大的频率扰动，导致采取诸如切断大型发电机、甩负荷以及其他纠正措施来恢复系统频率等安全措施。氢气有助于解决频率调节的挑战，特别是在惯性减小的能源系统中，如微电网[181]。氢气有可能在电力系统中作为电网频率调节的一种来源[182,183]。通过氢气存储和燃料电池运行实现了电网中的局部频率调节。参考文献[184]提出了微电网背景下的燃料电池模型，并优化了燃料电池的运行以进行频率调节。结果表明，氢燃料电池（HFC）是微电网运行中频率调节的有效来源。参考文献[185]提出了一种用于电解制氢的混合整流器的协调控制，以实现频率调节。辅助变流器用于实现短时间/低功率/小能量的频率调节，而可控硅整流器（SCR）用于实现长时间/高功率/大能量规模的频率调节。参考文献[186]指出，太阳能光伏系统中由于没有旋转电机，通过静态功率转换器连接到电网，造成了严重的频率控制问题。他们引入了与氢能系统集成的太阳能光伏系统的算法来控制频率。研究表明，在氢气生产和频率控制之间存在经济平衡的权衡[187]。用于电力系统运行和管理的术语有“缓解拥堵”和“黑启动”。拥堵是指缓解电力传输系统中的拥堵情况。当特定区域的电力需求远远超过传输线路的容量时，特定传输线路就会出现拥堵。这可能会导致可靠性问题，并增加系统成本。极端天气条件或设备故障可能会导致传输线路的负荷增加。电网运营商采取各种措施，如实施需求响应计划、升级现有基础设施、优化传输线路和实施能效措施。氢气存储可以作为虚拟传输线路，在产量过剩的时期以氢气的形式储存电力[188]。在用电高峰时段，当传输线路处于压力之下时，输入燃料电池的氢气将发电，而不会给传输线路增加额外的负担。这条虚拟传输线路将平衡负荷，减少拥堵，并通过按需供电增强电网的弹性[189]。黑启动是指在由于设备故障或自然灾害导致完全停电或关闭后恢复电力系统的过程[190]。为了实现有弹性和可靠的运行，电站必须具备黑启动能力，能够在不依赖外部电源的情况下从完全停电中恢复。具有黑启动能力的电站配备了诸如小型柴油发电机或燃气轮机等辅助电源。这些传统电源在启动时噪音要大得多，而氢燃料电池则提供了一个更安静的选择。燃料电池可以作为分布式发电安装在靠近用户的地方，不仅作为黑启动资源，还可以减少输电损失[191]。4.3.在车辆和船舶中的应用由氢燃料电池驱动的车辆，如电动汽车（EV），使用电动机来驱动车轮，而不是内燃机。然而，氢燃料电池汽车在内部自行发电，而电动汽车则依赖外部充电的电池[192]。电动汽车应由电力驱动，而氢燃料电池汽车应由清洁能源发电系统产生的氢气驱动。在燃料电池中，来自空气中的氧气与来自汽车燃料箱中的氢气混合产生电能，仅排放热和水作为废物[193]。氢燃料电池汽车与电动汽车一样，是零排放汽车；其尾气排放不产生温室气体或污染。氢燃料电池汽车在加油速度更快和续航里程更长方面优于电动汽车[194,195]。一辆电池容量普通的纯电动汽车在使用交流充电站时完全耗尽需要8-10小时充电，使用直流快速充电站需要1.5-3小时。特斯拉的超级充电站仍需要80分钟才能充满。另一方面，氢燃料电池汽车只需要短暂的充电时间就能行驶数百公里。例如，现代的氢燃料SUVNEXO一次加注燃料可行驶高达609公里，只需5分钟。法国公司Hopium于2021年6月开发了alpha0氢燃料电池原型车，一次充电能够行驶超过一千公里。电动汽车供电基础设施建设进展迅速，在一定程度上解决了充电时间长和续航里程有限的问题。同样，一辆价格与本田燃料电池汽车相当的电动汽车，根据价格和型号规格，续航里程可达500-700公里。此外，有大量的充电站可供电动汽车充电。截至2021年底，中国已安装114.7万个公共充电站[196]。图14。氢气在RES集成电力系统中的应用。“经[179]许可复制。使用氢燃料电动动力系统可以实现清洁能源的长途驾驶。预计到2050年，全球售出的车辆中有36%将使用氢能源，而2030年这一比例为3%[197]。许多企业正在致力于提高燃料电池动力系统的质量、可靠性和稳定性，以加速其在汽车行业的商业化。2018年，氢燃料电池汽车市场价值为6.519亿美元。预计到2026年将增长到420.389亿美元，年复合增长率为66.9%。预计超过50%的新公共和货运车辆将由燃料电池和电池供电。丰田、本田和现代分别率先在日本和韩国部署了面向乘客的商用氢燃料电池汽车，随后其他全球汽车制造商也纷纷跟进。燃料电池驱动的卡车、叉车和其他大型设备也已投入使用[198]。目前，由于技术水平的原因，中型氢燃料电池汽车的生产成本比同等内燃机汽车高出约50%。在乘用车领域，电池电动汽车的增长速度比氢燃料电池汽车更快，尤其是在短途城市出行方面。另一方面，氢燃料电池汽车在长途和重型运输领域占据主导地位[199]。在欧洲和中国的主要城市，燃料电池电动巴士正得到积极鼓励和使用。“H2BusEurope”合作项目计划建造1000辆新的燃料电池电动巴士，预计到2023年将完成600辆。在未来几十年，乘用车领域预计将成为燃料电池增长的主要驱动力。市场研究未来（MRFR）2019年的研究指出，全球汽车燃料电池市场预计到2025年的年复合增长率为25%。通过传统方式和可再生能源生产氢气以及在制造业、加气站和氢燃料电池汽车中的应用过程如图15所示。除了汽车，燃料电池船舶近年来也一直是研究的焦点。船舶约占全球温室气体排放量的2.5%，这促使航运业向更可持续的能源，如氢能源转型。与电池相比，燃料电池可以更有效地为船舶提供长途动力，满足大型船舶的额外能源需求。这也适用于燃料电池列车。氢动力区域列车目前在欧洲投入使用，预计将占据更大的市场份额，有可能取代多达30%的现有柴油车队[197]。作者[200]提出了一种用于船舶的混合能源管理系统，集成了电池、超级电容器和氢燃料电池，以提高效率、降低氢气消耗，并确保氢燃料电池的高运行效率。在提出的系统中，超级电容器通过双向DC/DC转换器串联连接到直流母线，而锂电池直接连接到直流母线。根据算法的功率调度命令，每个DC/DC转换器调节电源的输出以及能量存储单元的充电/放电。锂电池管理低频负载波动，而超级电容器处理高频负载。同样，研究[201]探索了一种使用五种不同的环保氢基燃料混合物的新型混合船舶动力系统。所提出的创新动力系统由内燃机、燃气轮机、固体氧化物燃料电池（SOFC）和热电发生器（TEG）组成。作者得出结论，使用所有五种燃料的混合物可以将特定燃料消耗降低21.7%，并将总功率输出提高31.7%。4.4.在热电联产和三联产中的应用热电联产，也称为热电联合生产（CHP），涉及从单一能源同时生产电力和热能。在热电联产系统中利用氢气为燃料电池供电，与传统发电技术相比，能更高效地生产电力和热能，且排放更低。作者[202,203]报道称，在热电联产系统中使用氢气时，系统效率有了显著提高。他们的研究发现，氢燃料电池的运行效率高达85%，与传统的热电联产技术相比有了大幅提高。这一发现表明，氢气在提高热电联产系统效率方面可以发挥关键作用，特别是在能源需求高的部门。将氢气整合到热电联产系统中可以显著减少碳排放。与天然气驱动的系统相比，此类系统的碳排放量可减少多达40%。这对于实现全球碳减排目标至关重要，尤其是在能源使用密集且持续的城市环境中。作者[204]对一个并网混合热电联产系统进行了数值模拟，该系统旨在利用天然气和太阳能的组合满足小型居民区的能源需求。该系统包括一个天然气重整器、一个质子交换膜燃料电池、光伏板和电池，所有这些都通过双向逆变器连接到电网。燃料电池和光伏配置的热电联产显著减少了排放，与燃气微型涡轮机技术相比减少了61.5%，排放量低至276.5克二氧化碳当量/千瓦时。同样，作者[205]使用混合整数线性规划（MILP）模型进行了成本优化，研究强调，将电转氢存储和现场氢使用与屋顶光伏系统相结合，可以显著提高当地能源供应33吉瓦时，并将可再生能源份额提高6%。然而，未来的市场趋势和能源发展可能会使系统性能降低21%，同时将可再生能源渗透率提高8%。这突显了这种多联产系统在现有热电联产框架内提供灵活和增加可再生能源供应的潜力。在住宅和商业环境中，正在整合氢热电联产系统，为供暖和热水同时提供电力和热能。在能源成本高或环境法规严格的地区，这些系统尤其具有优势。研究强调了氢热电联产在满足波动能源需求的同时保持低排放的潜力[206]。三联产在热电联产的概念基础上增加了制冷，将电力、热能和制冷结合起来。在三联产系统中，氢气通过用于吸收式制冷机（由氢燃料电池产生的热量驱动）发挥关键作用。这种应用对于工业和大型商业建筑很有前景，为在温暖月份有效利用多余热量提供了一种途径[207]。氢三联产系统在对电力、供暖和制冷有高需求且需求持续的工业应用中特别有益[208]。化工、食品饮料和制药等行业正在探索氢三联产，以提高能源效率、降低运营成本和减少温室气体排放[209]。新兴研究正在调查将氢热电联产和三联产系统整合到地方和区域能源网络中。这些研究专注于开发智能能源系统，能够根据实时能源供需情况动态调整氢气的生产和利用，促进向分散式能源电网的过渡。4.5.在冶金中的应用氢气在冶金应用中的重要作用逐渐得到认可，从金属还原到脆化和热处理过程都有其用途[210]。在金属矿石加工中，氢气作为还原剂，在铁矿石的直接还原中尤其有效，是传统高炉方法的一种更清洁的替代方案[211]。氢气的使用显著减少了二氧化碳排放，符合全球可持续发展目标。最近的研究证明了使用氢气还原氧化铁的可行性和增强的动力学[212]。研究[213]研究了使用氢气对铁矿石（Fe2O3）进行低碳直接还原，强调了其大幅减少二氧化碳排放的潜力。该过程在相对较低的500-600°C温度下实现了高达98%的高转换效率。使用氢气不仅降低了能源消耗，还使基于化石燃料的二氧化碳排放量减少了75%以上。此外，该研究指出，氢气可以通过有竞争力和环保的方法生产，进一步增强了这一过程的可持续性。在热处理应用中，氢气作为气氛气体用于防止氧化，并通过还原金属部件上存在的氧化物来净化表面。这对于制造的金属产品获得高质量的表面处理至关重要。氢气在金属退火和烧结等热处理中的作用已得到广泛研究，研究结果表明其改善了机械性能和表面纯度[214]。在粉末冶金中，氢气用于金属的烧结，特别是在生产高纯度粉末，如钛、铜、钴和钨时[215]。烧结过程中的气体气氛防止了氧化，并有助于去除杂质，从而提高了产品质量。氢气在改善烧结金属的微观结构和机械性能方面的有效性已有充分记录[216,217]。氢气在氢脆现象的研究中起重要作用，这是一种由于金属吸收氢气而变脆和开裂的现象。这在使用高强度钢和合金的行业中尤其相关。该领域的研究重点在于理解脆化机制和开发抗氢材料[218]。新兴研究继续探索氢气在冶金应用中的潜力，特别是关注其在钢铁行业脱碳和其他有色金属冶金过程，如直接还原铁、高炉和熔炼还原中的作用[219]。研究正在调查基于氢气的还原技术的可扩展性及其经济可行性。几种氢气应用的优点和挑战总结在表10中。5.实际应用和试点项目5.1.挪威的HAELOUS项目位于挪威伯勒瓦格（Berlevåg）拉格维达（Raggovidda）的HAEOLUS项目，以氢气的形式进行能量存储，以提高间歇性风力发电的可靠性。该项目是解决与间歇性可再生能源，特别是风力发电相关挑战的重要一步。通过以氢气的形式整合能量存储，该项目旨在提高电网的可靠性和稳定性，最终为向更可持续和可再生能源的未来过渡做出贡献[239]。康明斯为该项目的氢气系统开发了一个2.5兆瓦的电解槽。氢气生成速率为45千克/小时。电解槽的预计最大使用寿命为20年，但使用可能会缩短其寿命。此外，两个特定参数控制其循环寿命：40000工作小时和5000次开/关切换周期[240,241]。该项目的基本结构如图16所示。该项目使用一个65立方米的不锈钢储罐作为存储元件。该储罐能够承受300巴压力的氢气流入。电解槽将压缩机与氢气输出端连接，压缩机为氢气提供30至300巴的压力范围。电解槽将其产生的氢气从初始压力30巴压缩到最终压力300巴。我们考虑了初始体积0.5%的气体泄漏，将损失的氢气作为排放释放到环境中。压缩机的预期使用寿命为15年。该项目构建了一个120千瓦的燃料电池，用于将产生的氢气重新电解，但监管限制将其功率输出限制在100千瓦。该装置旨在支持当地氢市场的发展[242]。挪威伯勒瓦格的拉格维达风电场直接整合了这个系统。尽管电解槽的占地面积较小，但一个标准的40英尺集装箱容纳了电解槽。拉格维达风电场由15台涡轮机组成，每台容量为3兆瓦[243]。尽管拉格维达在挪威所有风电场中拥有最高的容量系数，但当地的电网基础设施不足以容纳未来的扩展。运营商已获得200兆瓦的已安装风力发电容量的特许权。然而，目前的瓶颈限制了当地电网的出口容量至95兆瓦[244]。总的来说，Haeolus项目是一个复杂的、技术先进的倡议，展示了将可再生能源与氢气生产相结合，创建多功能和可持续能源系统的潜力。图15。hfcv操作系统的基本过程。5.2.德国ENERTRAG普伦茨劳混合发电厂德国的ENERTRAG普伦茨劳混合发电厂是一个开创性的设施，展示了多种可再生能源的整合以生产电力和氢气。这个创新项目为可再生能源生产、存储和利用的潜在未来提供了一个范例。该项目于2009年4月在柏林东北部的多厄塔尔启动，整合了多种可再生能源技术以应对能源供应挑战。该项目的特点是三个2.3兆瓦的风力涡轮机直接连接到中压电缆，为一个600千瓦的碱性电解槽供电。这个电解槽的氢气生产能力为120立方米/小时，氧气生产能力为60立方米/小时。此外，每天处理33吨玉米青贮饲料的沼气厂，大约产生350立方米/小时的沼气。氢气存储由三个固定储罐组成，总容量为1350千克，一个高压隔膜压缩机便于以200巴的压力为拖车灌装以便运输。如图17所示的这种全面设置能够从可再生能源中生产高纯度氢气，有助于电网稳定并推进可持续能源解决方案[245]。ENERTRAG普伦茨劳项目不仅展示了整合风能、沼气和氢气的技术可行性，还指向了能源的未来，即多种可再生能源无缝整合，以提供稳定、可持续和清洁的能源解决方案。5.3.德克萨斯州氢气示范项目FrontierEnergy与各合作伙伴合作，并由能源部资助，于2020年7月启动了德克萨斯州氢气示范项目，旨在设计、建设和运营一个专用的可再生氢气网络。该项目涉及利用风能和太阳能产生的氢气为德克萨斯大学奥斯汀分校的现场数据中心和燃料电池驱动的车辆提供动力。此外，休斯顿港的案例研究将评估风能和太阳能资源、存储容量、氢气管道和港口运营，以证明全国性氢气经济的可行性。该项目涉及多种技术组件，包括太阳能电池板安装、利用风能和太阳能进行电解制氢、利用垃圾填埋场的甲烷进行蒸汽重整、现场氢气存储，以及将燃料电池技术与数据中心的太阳能和风能相结合，如图18所示。该项目总成本为1080万美元，涵盖了三年的规划、建设、示范和评估阶段，主要合作伙伴如GTI、德克萨斯大学、丰田、壳牌和三菱重工在氢气技术、燃料电池驱动车辆以及氢气存储和分配方面贡献了专业知识[246]。德克萨斯州氢气示范项目的成功可以为其他地区提供一个模型，并有可能推动美国乃至全球向基于氢气的能源系统转变。5.4.奥地利的H2FUTURE项目奥地利的H2FUTURE项目由奥钢联于2017年主导，是一项开创性的努力，旨在通过生产绿色氢气使钢铁行业脱碳[248]。主要目标是测试在炼钢过程中用氢气替代煤炭的可行性，这可以显著减少这个能源密集型行业的碳排放。通过利用最新的质子交换膜电解技术，该项目专注于在工业规模上从可再生能源中产生氢气[249]。通过严格的测试和试点运营，该项目旨在展示在炼钢过程中利用绿色氢气的可行性和有效性，同时也提供辅助的电网服务[250]。H2FUTURE项目高度关注可持续性和技术创新，为绿色氢气生产的未来进步开创了先例，不仅为钢铁行业，也为其他依赖氢气的部门提供了潜在的解决方案。随着项目的进展，它寻求解决可扩展性、经济性和电网整合等挑战，为更可持续和碳中和的工业格局铺平道路[251]。该项目的成功可能会导致在炼钢和其他重工业中更广泛地采用氢气技术，为全球减少碳排放的努力做出重大贡献。5.5.德国Falkenhagen的WindGas项目为响应德国到2050年向无核、以可再生能源为主的能源未来过渡的全面立法方案，Falkenhagen项目在2011年之前就开始了其预规划阶段。这个阶段包括对开创性的电力转气体（P2G）试点项目潜在地点的广泛探索。由于该地区风能过剩导致确定的电网瓶颈，Falkenhagen成为了主要候选地。2011年10月，该项目的推动力量E.ON与Swissgas和Hydrogenics建立合作伙伴关系，使这一愿景得以实现[252]。位于德国勃兰登堡州的Falkenhagen氢气发电厂使用质子交换膜电解技术生产氢气。投入使用后，它成为世界上第一个用于在天然气电网中存储风能的兆瓦级示范工厂，容量为2兆瓦。安装并使用了六个康明斯HySTAT®60–10电解槽，将多余的风能转化为氢气。一条2公里的加压氢气管道将氢气输送到天然气电网中。由可再生能源供电，该发电厂持续运行，通过电解生产氢气，在其运营的第一年成功生产了超过200万千瓦时的氢气。它是绿色氢气生产技术的示范。表10氢气应用技术的优缺点。图16。挪威海勒斯氢气项目的结构。图17。在德国的风-沼气混合发电厂的结构。图18。德州氢气示范项目的结构。截至2013年8月28日，第一座电力转气体（P2G）工厂在Falkenhagen投入运营，这是可再生能源存储领域的一个重要里程碑。该工厂的容量为2兆瓦，每小时可生产多达360标准立方米的氢气，并无缝接入当地的ONTRAS天然气电网。随后，E.ON于2013年4月在汉堡启动了第二个项目，进一步扩大了其在P2G方面的努力。该项目采用了1.5兆瓦的质子交换膜电解槽堆，并于2015年10月投入运营，进一步巩固了E.ON对可再生能源创新的承诺[253]。Falkenhagen的WindGas项目为未来旨在利用风能和氢气技术协同作用的可再生能源项目树立了典范，在全球向更可持续能源格局的转变中发挥了关键作用。6.挑战、机遇和SWOT分析6.1.挑战氢气在清洁能源转型中的重要性取决于可再生能源技术创新的速度。在整个供应链中，与氢相关的技术成熟度差异很大，低排放氢气供应技术比终端使用技术先进得多。首先，氢能生产商面临的一个主要挑战是与氢气生产和储存相关的高昂费用。目前，生产和储存氢气的成本高于传统化石燃料[254]。此外，氢气生产主要是能源密集型的，往往涉及排放温室气体的过程，这引起了环境问题。氢气生产的两种主要传统方法，蒸汽甲烷重整（SMR）和煤气化，严重依赖化石燃料，并作为副产品释放二氧化碳[7]。这削弱了氢气作为清洁能源载体的环境效益。此外，氢气的反应性会导致用于生产、储存和终端使用设备的材料脆化，损害其机械性能并导致过早失效[255,256]。各国必须实施缓解策略，如材料选择和防护涂层，以将风险降至最低。另一个重大问题是支持氢能的基础设施不足，特别是加氢站和储存设施的稀缺。这种氢气储存基础设施的缺乏对氢气作为能源载体的广泛采用和利用构成了相当大的障碍[257]。现有的传统加油站基础设施，如汽油或柴油加油站，不容易适应加氢，因此需要建造专门的加氢站。与传统化石燃料相比，氢气的能量密度差，这给能源存储带来了重大挑战。汽油和柴油等化石燃料在相对较小的体积内蕴含大量能量，而氢气需要更大的空间来储存相同数量的能量[258]。这带来了物流挑战，特别是在空间有限的应用中，如交通运输和城市基础设施。此外，由于氢气的高度可燃性，处理氢气是一个重大挑战。作为最轻和最小的分子，氢气具有很宽的可燃性范围，容易点燃[149]。这在生产、储存、运输和利用过程中带来了风险。安全措施对于降低这些风险至关重要，包括严格的法规、适当的设备设计和操作人员培训。此外，先进的泄漏检测和抑制系统对于防止事故至关重要[259]。尽管存在这些挑战，正在进行的研究和技术进步旨在提高处理氢气过程的安全性，促进其作为清洁和可持续能源载体的广泛采用。此外，另一个挑战在于确保终端使用技术与氢气兼容，这进一步使氢能系统整合到现有基础设施变得复杂[258,260]。这些终端使用技术包括用于交通运输和固定发电的燃料电池、氢内燃机以及用于交通运输和发电的往复式发动机。其他终端使用应用可能包括氢气混合、氨生产以及在热电联产系统中的使用。表11给出了氢能系统面临挑战的总结。6.2.机遇在氢领域，利用风能和太阳能等可再生能源生产氢气带来了重大机遇。通过利用这些可再生能源，可以以环境可持续的方式生产氢气，从而促进可再生能源融入更广泛的能源组合。这不仅减少了对化石燃料的依赖，还有助于降低温室气体排放，符合全球应对气候变化的努力[256]。此外，可再生能源技术的可扩展性和多功能性使氢气作为清洁能源载体得到广泛采用，促进向更可持续和碳中和的未来过渡。此外，氢燃料电池汽车（HFCVs）的采用为氢能系统带来了重大机遇。这些车辆有可能取代传统的汽油动力汽车，从而降低温室气体排放并改善空气质量[261]。这种转变符合减少环境影响和推进可持续交通解决方案的更广泛目标[262]。此外，氢气混合为氢系统提供了机会。将氢气与天然气混合提供了一种经济有效的向更清洁能源的逐步过渡，减少了基础设施需求和碳排放[263,264]。这种方法促进了氢气融入现有能源系统，推动了可持续性和可再生能源的采用。此外，先进材料的开发是改善氢气储存系统的关键机遇。专注于轻质和耐用材料的研究旨在提高氢气储存的效率和安全性。这些创新有可能克服当前的限制，提高储存容量，并促进氢气在各个领域的广泛采用[265-267]。氢气是各种工业过程中的关键原材料，包括氨生产、精炼和甲醇生产。在钢铁制造中也有潜力，氢气可以替代炼焦煤，大幅减少碳排放。钢铁行业是全球二氧化碳排放的主要贡献者，由于其依赖化石燃料进行铁矿石还原，占能源相关二氧化碳排放量的7%。作者[268]评估了基于绿色氢气的铁矿石直接还原（H2-DRI）随后进行电弧炉（EAF）炼钢作为可行的脱碳途径的市场竞争力。研究表明，到2030年，使用绿色氢气（H2-DRI）和EAF的钢铁生产可能具有成本效益，特别是在靠近南回归线和北回归线的地区，那里可再生能源丰富。经济可行性取决于保持炼焦煤的高价格和可再生能源技术的进步。从长远来看，在钢铁行业实施H2-DRI可以减少80-90%的碳排放[269]。因此，预计广泛采用H2-DRI技术将是钢铁行业向更环保生产方法过渡的关键一步。表11给出了几个氢能系统中的机遇总结。表11在采用氢气方面面临的挑战和机遇6.3.SWOT分析通过评估优势、劣势、机会和威胁来形成SWOT分析，可以评估氢气及其相关技术的潜在影响和可行性。利益相关者通过分析氢气作为能源的优势、劣势、机会和威胁，可以全面了解其技术、经济和环境影响。然后，这些知识可用于做出明智的决策，并为将氢气纳入能源领域制定战略计划。[276]对伊朗能源政策发展进行的研究采用了SWOT、层次分析法（AHP）、F-TOPSIS和FVIKOR方法。它确定了内部和外部因素，通过AHP对其进行了优先级排序，并使用F-VIKOR和F-TOPSIS对策略进行了排名。首要策略是“确定绿色氢气技术在能源政策制定中的作用”，其次是“开展实验项目”和“通过公众接受推广氢气作为能源”。[277]对巴基斯坦可再生能源部门进行了详细的SWOT分析，评估了包括太阳能、风能、生物质能和水能在内的各种可再生能源的现状和未来前景。[278]通过SWOT分析研究了海湾合作委员会（GCC）地区的氢经济。GCC国家拥有引领氢经济的资源和机会，但必须承担风险在全球竞争。短期和中期的采用将集中在蓝色氢气，但到2030年，预计绿色氢气生产成本将大幅下降，为GCC基于自然禀赋提供了一条重要的长期路线。[279]对东南亚电力系统的低碳转型进行了SWOT分析。确定的限制包括缺乏雄心勃勃的可再生能源目标、丰富的化石燃料和不发达的电网基础设施。然而，在可再生能源禀赋、发电成本下降和国际支持方面发现了机会。为了促进转型，该研究建议将可再生能源纳入疫情后的经济复苏政策，系统地逐步淘汰煤电，推进制度改革，改善融资机制，提高环境标准，加强电网连接和深化国际合作。表12概述了氢气的SWOT分析，为技术对投资决策的适用性提供了有价值的见解。该分析为决策者提供了指导，有助于评估采用氢技术的可行性和潜在效益。7.结论各种制氢技术展现出不同的技术经济参数和效率。热解和气化分别在高温（300-1000℃和800-900℃）下利用干燥的生物质，实现了中等的氢气产量（25-65克/千克和40-190克/千克），投资成本相对较低（1.59-2.20美元/千克和1.77-2.05美元/千克）。此外，暗发酵和光发酵过程分别在缺氧和厌氧条件下进行，氢气产量较低（4-44克/千克和9-49克/千克），但转化效率较高（60-80%和0.1-12%）。再者，生物光解利用微生物代谢，在环境条件下运行，产量为111克/千克，效率为10-15%，而光解利用太阳能，实现了类似的产量，效率范围为0.06-14%。电解和热解分别利用电力和极端高温（>2500℃），提供了高产量（111克/千克），但投资成本显著更高（4.15-10.30美元/千克和7.98-8.40美元/千克）。每种方法的可行性取决于其转化效率、经济投资、氢气产量、能源来源和操作条件，根据具体的应用需求和资源可用性而有所不同。氢气储存方法各有其独特的优势和权衡。在空间和安全得到管理的情况下，压缩氢气高效且可行。低温解决方案提供了高密度，但需要极低的温度。金属和化学氢化物提供了高密度，但面临释放和毒性挑战，而吸附材料效率高风险低，但受动力学限制。选择取决于为特定应用平衡效率、安全性和成本。氢气在可再生能源整合、电网支持、运输、热电联产、三联产和冶金中的应用突显了其多功能性。试点项目展示了实际的可扩展性，但高生产成本和基础设施需求仍是挑战。增长机会由技术进步和全球可持续发展努力驱动。SWOT分析突出了氢气的高能量密度和零排放，但也指出了高生产成本和储存挑战。机会在于扩大可再生能源和有利的政策，而威胁包括来自现有能源的竞争和对化石燃料的依赖。未来的研究应侧重于提高效率、降低成本和开发强大的基础设施，并得到政策和扩大试点项目的支持。氢气在向可持续能源转型中既是挑战也是机遇。未来的研究应优先提高电解和储存效率，通过技术创新降低成本，并开发强大的基础设施解决方案。此外，探索新的生产技术，如生物和热化学方法，可能会彻底改变氢气的可用性。在储存方面，材料科学的创新可能会产生新的或改进的储存介质，如金属氢化物和先进的压缩和液态氢储罐设计。将试点项目扩展到更多地区，以收集更多关于长期运行和环境影响的数据也至关重要。此外，政策驱动的支持对于促进氢气解决方案的商业可扩展性至关重要，与全球可持续发展目标保持一致。总的来说，本综述的结论强调了氢气在向可持续能源系统过渡中的双重作用，即既是挑战也是机遇，SWOT分析提供的战略见解为未来的研究和政策方向提供了指导，并从试点项目的实践见解中得到了丰富。本文来源：Exploringhydrogenenergysystems:Acomprehensivereviewoftechnologies,applications,prevailingtrends,andassociatedchallenges来源：气瓶设计的小工程师