氢储存材料的应用可以降低可再生能源的成本

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This article is part of our exclusive IEEE Journal Watch series（https://spectrum.ieee.org/collections/journal-watch/） in partnership with IEEE Xplore.

能源是社会发展的基石，然而过度依赖传统化石燃料带来了严重的环境问题。可再生能源因其清洁、可持续的特点受到越来越多的关注。可再生能源的间歇性和不稳定性限制了其大规模应用，因此能源存储技术变得至关重要。氢作为一种高能密度、清洁且可储存的能源媒介，在可再生能源领域具有巨大的潜力。

随着世界各国越来越多地利用可再生能源，科学家们正在探索在昼夜任何时候有效管理过剩能源的最佳方法，包括在使用高峰期、阴天或无风时。在最近的一项研究中，一组土耳其研究人员计算出的模型表明，储氢可以大规模且相对较低的成本储存可再生能源。

例如，他们的模型表明，如果德国在全国范围内扩大可再生能源工厂的储氢使用，这将使成本比该国目前的能源系统低约60%。这一结果发表在今年早些时候的《IEEE工程管理汇刊》上（https://ieeexplore.ieee.org/document/10440045）。

风能和太阳能等可再生能源是可持续未来的关键，但这些能源的供应可能会根据环境条件而波动。可再生能源如太阳能和风能在其自然资源分布和产生上存在不稳定性，例如夜晚或风不吹时太阳能和风能的产生减少。这就需要有效的能源储存来平衡供需之间的差异。氢储存材料能够将多余的可再生能源转化为氢气，通过吸附或化学反应将能量储存起来。

当能源需求增加时，这些储存的氢气可以被释放出来并转化为电能，供应电网或其他能源系统。这种能源储存方式可以缓解电网负荷波动，实现能源的平衡和稳定供应。

一个可行的选择是通过氢气储存（https://spectrum.ieee.org/tag/green-hydrogen），包括将元素压缩到罐中，冷却形成液体，将其与金属结合，将其储存在化合物中，或将其吸附到活性炭等材料上。

土耳其卡迪尔哈斯大学助理教授Zeynep Bektas解释道：“每种方法都有其优缺点，安全性、效率和实用性等因素会影响它们在各种应用中的使用。”

Bektas和她的同事们有兴趣探索各种形式的能量存储在大范围内相互比较的效果。他们让一个专家小组对六种不同的储能方法进行了评分，包括储氢、压缩空气和四种不同的电池类型（锂离子、钠硫、钒氧化还原和铅酸），发现储氢最适合电网规模的运行。

氢对可再生能源的储存能力如何？

然后，研究人员创建了模型来评估大规模集成储氢的影响。在第一个案例研究中，他们使用了德国可再生能源生产商之一Enertrag于2011年在德国建立的首批将可再生能源和现场储氢相结合的发电厂的数据。研究人员的模拟显示，在德国各地推广氢能技术可以将该国的能源成本降低近三分之二。

SOVANA QUDAIH/BAHCESEHIR UNIVERSITY

Bektas和她的同事还利用荷兰能源网络运营商Gasunie的数据对荷兰的储氢进行了建模，该运营商的网络包括可再生能源、天然气和储氢。Bektas集团的模型表明，储氢将使该国的能源成本降低58%。

该研究的合著者之一、伊斯坦布尔技术大学的研究助理Denijan Guven表示，氢气使用对环境的影响也很显著。他说，绿色氢气的生命周期总排放量约为每公斤氢气1公斤二氧化碳，而一公斤石油产生约10.16公斤二氧化碳。

他说：“这些数字表明，绿色氢和汽油的碳排放量有很大差异，绿色氢明显更清洁，”他补充道，“我们坚信，一旦实现最佳规模，绿色氢可以改变游戏规则。”

另一方面，研究人员指出，氢气当然是高度易燃的，必须在高压条件下储存。这些限制使得今天安全管理和储存氢气具有挑战性且成本高昂。

然而，Bektas表示，随着储氢技术被更广泛地大规模采用，储氢的价格将下降，这也是研究中确定的成本节约的来源。值得注意的是，他们提出的是一个与储氢相结合的可再生能源系统，而不是一个完全依赖氢气的系统。

她说：“因为绿氢是清洁的……用途广泛，与能源转型兼容，它是未来几十年最有前途的储能技术之一。”