中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：七.氫氣技術(shù)
如圖43所示，H2 @ Scale公司發(fā)布了一份有關(guān)氫氣市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告。該報(bào)告?zhèn)戎赜跉錃庠诠潭ㄊ絻?chǔ)能系統(tǒng)和交通運(yùn)營(yíng)的應(yīng)用，其中也包括使用氫氣發(fā)電和供熱/分布式能源。
圖43.氫能經(jīng)濟(jì)
氫氣市場(chǎng)
氫氣作為一種儲(chǔ)能技術(shù)具有額外的靈活性。氫氣可以從電力或其他主要能源（例如天然氣）中產(chǎn)生，然后作為燃料或轉(zhuǎn)換成電力。氫氣也可以用作生產(chǎn)其他能量載體和燃料（例如氨或碳?xì)浠衔铮?
預(yù)計(jì)到2022年，全球氫氣總消耗量將從2017年的7,000萬(wàn)噸增長(zhǎng)到8500噸，其中絕大部分是天然氣。中國(guó)每年約消耗全球氫氣的三分之一。當(dāng)前氫氣的主要來(lái)源是氨氣生產(chǎn)、石油精煉和甲醇生產(chǎn)過(guò)程。采用可再生能源電力的電解水制氫在全球范圍內(nèi)繼續(xù)受到關(guān)注，但只占總制氫量的很少一部分。
圖44. 全球氫氣消耗量（2017年～2022年）
氫燃料電池電動(dòng)汽車預(yù)計(jì)會(huì)增加，但目前只占新低碳汽車銷量的不到1％。全球約有三分之一的燃料電池電動(dòng)汽在美國(guó)運(yùn)營(yíng)，其次是中國(guó)、日本和韓國(guó)。在未來(lái)10年中，盡管美國(guó)越來(lái)越重視將氫燃料電池用于中型和重型車輛，但燃料電池電動(dòng)汽車的主要增長(zhǎng)點(diǎn)預(yù)計(jì)在亞洲地區(qū)。
圖45.全球各地的氫氣消耗量
氫氣可以通過(guò)多種方式儲(chǔ)存，其中包括物理方法和化學(xué)方法。氣態(tài)氫儲(chǔ)存包括鹽穴、枯竭氣田和巖穴；液態(tài)氫在低溫容器中高壓儲(chǔ)存。而氫還可以轉(zhuǎn)化為分子能量載體，例如氨氣、甲醇和較重的液態(tài)有機(jī)物，從而可以在較低的壓力和較高的溫度的條件下儲(chǔ)存和輸送。
圖46. 氫氣在各種條件下的儲(chǔ)存
圖46總結(jié)了加壓儲(chǔ)存氫氣的典型條件。如圖中所示，洞穴可儲(chǔ)存最大量的氫氣。因此，鹽穴被用作長(zhǎng)期儲(chǔ)存大量氫氣的選擇。
鹽穴是一種用于存儲(chǔ)大量氫氣的低成本方法，這使它們對(duì)于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能具有吸引力。在以下1000米深度的氫室的典型技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)為：
?容積50萬(wàn)立方米。
?工作壓力范圍：60～180bar。
?儲(chǔ)能容量：140GWh熱儲(chǔ)能或85GWh的電能。
鹽穴儲(chǔ)能的裝機(jī)容量取決于熱力學(xué)極限和井口配置，但平均為為700MW。氫氣通過(guò)鹽的泄漏率可以忽略不計(jì)，并且處于檢測(cè)極限。
圖47.全球各地的主要鹽穴分布
圖47顯示了全球各地可能適合儲(chǔ)氫的主要鹽穴的位置。當(dāng)前的大型儲(chǔ)氫項(xiàng)目包括：
英國(guó)蒂賽德（3個(gè)鹽穴，每個(gè)70,000立方米，地下370米）
德克薩斯州克萊門斯（1個(gè)鹽穴，580,000立方米，地下1,000～1,300米）
德克薩斯州莫斯布拉夫（1個(gè)鹽穴，566,000立方米，地下335～400米）。
歐洲（尤其是德國(guó)）擁有大量的鹽穴和洞穴資源，其中許多用于天然氣或氫氣的存儲(chǔ)。德國(guó)目前在大約200個(gè)鹽穴中存儲(chǔ)24％的天然氣。他們計(jì)劃開發(fā)更多用于儲(chǔ)氫的鹽穴。圖48和49分別顯示了德國(guó)和歐洲用于氣體儲(chǔ)存的鹽穴的資源和開發(fā)。
圖48.德國(guó)的鹽洞穴分布
圖49.歐洲各地的鹽穴分布
美國(guó)、日本和韓國(guó)是燃料電池（FCEV）部署的領(lǐng)導(dǎo)者。部署的大多數(shù)燃料電池（FCEV）都用于輕型車輛，但最近（尤其是在中國(guó)），燃料電池公共汽車的重要性開始增強(qiáng)。使用燃料電池汽車銷售量和每種車輛類別的代表性的車載儲(chǔ)氫量，以及氫的熱值（LHV），并估算了燃料電池汽車中作為儲(chǔ)氫的累積能量，如圖50和圖51所示。
圖50.按車輛類型估算的全球累計(jì)儲(chǔ)氫量
圖51.按地區(qū)劃分的全球累計(jì)儲(chǔ)氫量
根據(jù)彭博社新能源財(cái)經(jīng)公司對(duì)于燃料電池電動(dòng)汽車的預(yù)測(cè)，圖52和53顯示了到2030年的預(yù)計(jì)部署量。到2030年，每年可以部署超過(guò)35GWh車載儲(chǔ)氫量。預(yù)計(jì)中國(guó)和亞洲其他國(guó)家將部署最多的車載儲(chǔ)氫量，而歐洲緊隨其后。燃料電池客車和輕型客車燃料電池電動(dòng)汽車預(yù)計(jì)對(duì)車載儲(chǔ)氫有著更大需求。
圖52.按全球區(qū)域劃分的儲(chǔ)氫部署計(jì)劃
圖53.按車型劃分的車載儲(chǔ)氫部署量
在全球范圍內(nèi)，目前只有400多個(gè)加氫站，計(jì)劃再增加170個(gè)。歐洲和亞洲（不包括中國(guó)）擁有最多的加氫站（300個(gè)以上），并且計(jì)劃建設(shè)約150個(gè)。盡管尚不了解大多數(shù)公共/私有基礎(chǔ)設(shè)施，但很大一部分是公共加氫站點(diǎn)。圖54和55匯總了全球加氫站的數(shù)量。
圖54.按地區(qū)劃分的運(yùn)營(yíng)和計(jì)劃建設(shè)的加氫站
圖55.按地區(qū)劃分正在運(yùn)營(yíng)的公共和私有加氫站
八．熱儲(chǔ)能（TES）技術(shù)
熱儲(chǔ)能（TES）是一項(xiàng)成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，可以將供熱或制冷能量從電力價(jià)格較高的峰值需求期間轉(zhuǎn)移到電力價(jià)格較低的非峰值期間。冰基或冷凍水這兩種類型的熱儲(chǔ)能系統(tǒng)可以按需求改變夜間供應(yīng)。本報(bào)告只考慮了冰基熱儲(chǔ)能系統(tǒng)。圖56提供了一個(gè)典型的熱儲(chǔ)能周期。圖57顯示了亞利桑那大學(xué)的商業(yè)熱儲(chǔ)能系統(tǒng)。
圖56.典型的熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能時(shí)間（小時(shí)）
圖57.熱儲(chǔ)能設(shè)施
熱儲(chǔ)能（TES）市場(chǎng)
2017年，美國(guó)目前部署的熱儲(chǔ)能（TES）設(shè)施的裝機(jī)容量接近100MW。除了2014年的部署大幅躍升之外，但之后的增長(zhǎng)很緩慢。美國(guó)部署的熱儲(chǔ)能（TES）設(shè)施最多的地區(qū)是紐約州和賓夕法尼亞州。
圖58.美國(guó)各州累計(jì)部署的熱儲(chǔ)能設(shè)施
全球熱儲(chǔ)能（TES）年度供應(yīng)商收入預(yù)測(cè)是從兩家分析機(jī)構(gòu)提供的：Navigant公司（現(xiàn)為Guidehouse公司）和Grand View公司，并在圖59和圖60中進(jìn)行了總結(jié)。
圖59.全球住宅和工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的熱儲(chǔ)能系統(tǒng)市場(chǎng)分析和預(yù)測(cè)
圖60全球熱儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模、份額和趨勢(shì)
這兩個(gè)市場(chǎng)研究之間的差異與供應(yīng)商收入基礎(chǔ)的差異以及對(duì)增長(zhǎng)領(lǐng)域的不同假設(shè)有關(guān)。圖60在其收入預(yù)測(cè)中包括了維護(hù)費(fèi)用，并假設(shè)所有地區(qū)的增長(zhǎng)率都非常相似。圖61預(yù)測(cè)了亞太地區(qū)（尤其是日本、澳大利亞、韓國(guó)、中國(guó)和印度）的高速增長(zhǎng)，并且只包括供應(yīng)商收入的新部署。
圖61按地區(qū)劃分的能源容量部署
在炎熱氣候下對(duì)冷卻的需求不斷增加（過(guò)去十年來(lái)中國(guó)的空調(diào)需求顯著增長(zhǎng)，2017年達(dá)到全球空調(diào)市場(chǎng)問(wèn)題的三分之一左右）。各國(guó)政府減少能源消耗的政策正在不斷發(fā)展，包括綠色建筑證書計(jì)劃和節(jié)能解決方案的部署。
人們通常認(rèn)為，采用冰基熱儲(chǔ)能取決于使用時(shí)限電價(jià)方案，但熱儲(chǔ)能系統(tǒng)只會(huì)影響熱電負(fù)載，并且通常比鋰離子電池占用更大的占地面積。
九．新興應(yīng)用——長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能（LDES）
美國(guó)儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)計(jì)劃（ESGC）不僅加快采用成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，而且還積極采用新興的儲(chǔ)能技術(shù)。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能（LDES）是這份報(bào)告中包含的新興市場(chǎng)的一個(gè)例子。以下是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能（LDES）的描述，描述了其不斷發(fā)展的概況以及滿足重要儲(chǔ)能需求的機(jī)會(huì)。
隨著電網(wǎng)上可再生能源發(fā)電的增加，提供電網(wǎng)可靠性所需的持續(xù)放電時(shí)間也增加了。電網(wǎng)中的可再生能源發(fā)電量與儲(chǔ)能時(shí)間之間的關(guān)系很復(fù)雜，并且取決于可再生能源發(fā)電的詳細(xì)信息。
圖62說(shuō)明了這種關(guān)系，并顯示了估計(jì)的所需儲(chǔ)能時(shí)間與電網(wǎng)可再生能源滲透率之間的關(guān)系。隨著電網(wǎng)的電力從化石燃料過(guò)渡到可再生能源，將需要大量的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能（LDES）（儲(chǔ)能時(shí)間超過(guò)10小時(shí)）。對(duì)于滲透率非常高（即高于80％）的可再生能源電力，需要120小時(shí)以上的儲(chǔ)能時(shí)間（通常稱為季節(jié)性儲(chǔ)能）。
圖62 長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的成本目標(biāo)
隨著儲(chǔ)能時(shí)間的增加，儲(chǔ)能系統(tǒng)的邊際價(jià)值下降，因此可負(fù)擔(dān)的總成本也將下降。因此，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力將取決于所需的持續(xù)放電時(shí)間。其總資本在此定義為安裝的成本，其中包括設(shè)備和工廠的全部成本。
目前有幾種長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)正在開發(fā)中，以解決新興的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能需求，其中包括抽水蓄能、液流電池、熱儲(chǔ)能以及鋰離子電池。抽水蓄能是可用于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的現(xiàn)有成本最低的儲(chǔ)能技術(shù)，抽水蓄能設(shè)施可以在12小時(shí)內(nèi)提供最低的儲(chǔ)能成本。如今的抽水蓄能設(shè)施部署在適合其選址要求的地點(diǎn)，并且很多組織正在評(píng)估未來(lái)的建設(shè)站點(diǎn)。
預(yù)計(jì)液流電池在6～8小時(shí)以上的持續(xù)時(shí)間內(nèi)具有成本效益，具體取決于特定的化學(xué)反應(yīng)。釩液流電池的成本很大程度上取決于釩的成本，而釩的價(jià)格往往很高。其他使用儲(chǔ)量豐富材料的電池可能對(duì)于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能可能更具競(jìng)爭(zhēng)力。例如，如上所述，一家生產(chǎn)持續(xù)放電時(shí)間為10小時(shí)的全鐵液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的廠商現(xiàn)在正在將裝機(jī)容量擴(kuò)展到5MW，并擴(kuò)大了生產(chǎn)能力。
用于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的儲(chǔ)能技術(shù)（例如氫氣、氨氣和某些碳?xì)浠衔铮┩ǔＰ枰囱ù鎯?chǔ)才能降低成本。因此，很多開發(fā)商正在探索合適的地層和地形。由于氨氣在商品化學(xué)工業(yè)中已有龐大的工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于季節(jié)性儲(chǔ)能（120小時(shí)）來(lái)說(shuō)，具有地質(zhì)存儲(chǔ)功能的氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)和具有碳捕獲功能的天然氣發(fā)電系統(tǒng)可提供當(dāng)前和未來(lái)的最低成本。
熱儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于工業(yè)過(guò)程和電網(wǎng)的長(zhǎng)期需求都是可行的。由于增加的成本和熱電轉(zhuǎn)換的效率問(wèn)題，它可能仍將重點(diǎn)放在熱-熱循環(huán)上，而不是熱-電循環(huán)上。
如今，行業(yè)廠商仍在致力開發(fā)新型電池技術(shù)（例如鈉硫電池和全鐵液流電池）。對(duì)于這些電池技術(shù)來(lái)說(shuō)，其能量密度應(yīng)該大于100Wh/L。一家初創(chuàng)公司最近表示，該公司開發(fā)和生產(chǎn)的一種“水性空氣”電池可以滿足超過(guò)50小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能目標(biāo)。
