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小的时候啊，我们就听到新闻说，日本为了节能减排，为了全球人民未来发展在大力开发氢能。但是长大之后，我们就发现似乎，日本的氢能并没有改变世界。反而是中美欧走的新能源路线成为了世界主流，正在改变全球人民的观念。
这时候就有一个问题了，氢能路线是骗局吗？2023年6月25日，在遥远的大漠深处，我国首次9.45MPa全尺寸非金属管道纯氢爆破试验在国家管网集团管道断裂控制试验场成功实施，标志着国内首次高压力多管材氢气输送管道中间过程应用试验圆满完成。本次试验分为充氢测试和纯氢爆破测试两个阶段。在充氢测试过程中管道内需要保持6.3MPa运行压力，经过30天测试，验证管道设备的氢气相容性、阻隔性以及连接处的密封性。之后在爆破测试中，将高阻隔柔性复合管升压至9.45MPa，实施全尺寸纯氢气爆破，这一步主要是为了验证非金属管道在纯氢高压条件下的承压性能及燃爆形态。这时候就有两个问题需要回答了：1、什么是非金属管道纯氢爆破试验？2、做这个的意义是什么？前一个问题很好回答，这次实验用的管道材质不是用的不锈钢之类的金属，而是采用阻隔柔性复合管（RTP管）和高阻隔玻璃钢复合管两种新型输氢非金属管材产品。而爆破实验是衡量管道抗内压性能的重要试验之一。可以说随着这个实验的通过，我国离氢能作为一种新能源，低成本大规模地应用又进了一步。这就可以和后一个问题连起来了。很久以前我记得一个段子，是燃油车编排电车的，我在这用LOL选手showmaker的“圣经”改造一下。这就是燃油车，加油只要5分钟，续航可以700km，中间忘了，一上高速就啊啊啊啊啊啊啊。开个玩笑。但是新能源车，尤其是电动车所存在的续航焦虑，依旧是很多燃油车主换车的最大的心理障碍之一。但是这里面燃油车编排电动车的桥段，氢燃料电池动力车完全可以补上。氢气热值高达142kJ/g，目前是常见燃料中热值最高的，是汽油的3倍，酒精的3.9倍，天然气的5倍，焦炭的4.5倍。而且氢气的安全性其实也很好，它的扩散系数是汽油的12倍，按照体积比爆炸下限为4%，高于汽油的1%。可以说，只要能保证通风良好，想让氢气爆炸的难度比较高。所以，氢燃料电池汽车的续航之类的性能是十分强悍的。早在2014年的时候大众公司就推出过氢动力汽车，就是高尔夫Variant HyMotion，当时大众宣传口号就是加氢3分钟，续航500km。很多人甚至认为，随着包括离子交换膜等的普及和燃料电池的电能转化效率的提高，未来氢燃料汽车可以实现充氢5分钟，狂飙2000km。但是氢动力汽车为什么还没成为主流呢？除了70%的氢相关专利在日本手里让中美不约而同地选择了电动车之外，还有一个更重要的事情就是氢气的存储和运输依旧存在不小的挑战。对于中国来说，氢气的产量就不是问题。2022年全球氢气产量约为9813万吨，而我国一家的产量就达到了3300万吨，并且设计产能是4000万吨。但是相比于磅礴的生产能力，我国的运输尤其是管道运输氢气的能力就很小。全球范围内氢气输送管道总里程已超过4600km，其中，美国最多达到 2720km。相比之下，我国氢气管道网络的建设较为滞后，现有氢气输送管道总里程仅约400km，其中自主建设的有2条，而规划中的最长输氢管道是河北定州至高碑店145公里管道可行性研究项目，运输量十万吨每年。小学二年级，我们就学过氢气储运方式分为高压气态储运、低温液态储运和固体储运。根据国信证券发布的研报“氢能重点产业链介绍”，由于国内缺少管道，国内气态储运主要是以200倍大气压的钢制氢瓶储存，并通过长管拖车运输，适用于短距离、小规模输运。这种运输方式对于距离相当敏感，当运输距离为50km时，运输成本为3.6元/kg，当运输距离为500km时，氢气的运输成本达到29.4元/kg。因此，长管拖车只适合小于200km的短距离运输。而液态储氢和固态储氢各有各的缺点。液态储氢相对来说价格没有太敏感，根据测算当加氢站距离氢源50-500km时，运输价格在10.4-11.0元/kg范围内。但是液态氢运输需要将氢气冷却至零下252.72摄氏度液化储存在特制的高度真空的绝热容器中，但装置投资较大。液态氢气所需要的能耗比气态储氢高多了，达到了15KWh/kg，是长管运输的近15倍，管道运输的75倍。而且有数据显示，低温液化储氢的总成本为132元/KG，远高于20MPa高压气态储氢的74元/KG，所以并不经济划算。固态储运主要是通过化学吸附和物理吸附的方式实现氢的存储，虽然这种方法储氢密度高、安全性好、氢气纯度高，但技术复杂，成本高，全球都没有规模化使用。而管道运输氢气，就和管道运输天然气和石油那样，不但没那么麻烦，成本还比其他方式低一到两个数量级，当输送距离为100km时，运氢成本甚至可以达到仅为0.5元/kg。这就很明显了，没有管道，就没有氢气的廉价运输，也就没有氢能作为新能源建设的未来。当时最典型的例子就是，央视21年1月对于加氢站的调查，当时投运的70多座加氢站，几乎都处于亏损状态。接受采访的时任上海舜华新能源系统有限公司总工程师阮伟民表示，加氢站每年的运营费用可能要到200多万元，如果车辆少根本无法承受运营费用，就会亏损。主要原因是运输成本很高以至于每公斤氢只有十几块钱毛利。但是对于氢能源来说，一旦铺开了，氢气给汽车当能源其实还是小头，真正的大头是需要稳定整个新能源电网的波动，也就是储能。这个有多重要呢？他直接决定了整个新能源电网在未来能源结构中的上限。众所周知，新能源的弊端除了成本贵之外，最大的问题当属发电调峰能力弱、发电能力和用电不匹配进而导致电网不稳定。而电网不稳定会导致包括：电压的变化范围过大、电压短时间中断、电网频率不稳定甚至发电机变电站等硬件毁坏等严重后果。所以新能源发电就有一个储能匹配发电能力的需求。根据国金证券测算，到2060年，为实现碳中和目标，若在风光装机量达到50亿千瓦、年发电量10万亿度的时候，按照行业内10%-30%的配储比例，与新能源对接的储能容量将在1万亿-3万亿度。这时候有个问题就自然出现了，这和氢气有什么关系？说实话我之前也是一头雾水，直到我看了一些券商研报以后，我才大概理出了几根头绪。氢储能就是利用电力系统如光伏和风电中的富余电能，通过制氢设备将其转化为氢气，而制造出来的氢气不光可以通过把氢变成电的方式来供应电力，而且氢气作为一种重要的工业和能源原料可以直接运输给终端用户，让终端用户决定其最终使用方式。比如我们前面说的氢动力汽车就是一种对于氢储能这种广义储能的直接应用。氢气储能的核心优势落到实处其实很简单：损耗低、能量密度高、便宜。氢的储藏方式就意味着只要不泄露，它的能量就会在几个月甚至几年范围内保留。根据测算，氢储气的月度损耗不到万分之一。而其他的三种方式除了压缩空气储能，在这方面表现都不是很好。抽水蓄能对地点要求高，而且长期的蒸发或者冬季的结冰都会影响其功能；而蓄电池储能更是自不必说，哪怕是车动力电池这种高规格蓄电池也会需要定期的对电池进行充电维护，根据实验锂离子电池自放电率每月为2%-5%。氢能这种长时间储能稳定的特性让季节性大规模调整用电负荷成为可能。因为由于包括风力、光照、雨水等多种因素，新能源发电会出现严重的季节不平均。而氢能储能可以低损耗地实现在不同地区跨季度的电能供求峰值调节。如果说低损耗只是给了氢气储能季度调峰一个理论可行，那么能量密度高和边际成本便宜则是为氢能储能创造了巨大的市场钱景。前面提到过，氢能的能量密度是汽油的3倍，酒精的3.9倍，天然气的5 倍，焦炭的4.5倍。这意味着氢能项目的储能的水平未来是很可能达到TWh（10^6M）级别乃至以上。而这方面压缩空气储能就有原理性的差距，因为它本质上只是压缩气体，需要能量密度自然就比不上又要压缩还能燃烧的氢气。考虑到压缩气体储能很多都需要在地下或者水下的地理特点来制造压缩储能区域，这意味着造大点的压缩储能项目，地点还不能随便挑。而更重要的是，氢储能的边际成本很便宜。根据华创证券的氢能行业研报测算，我国正在建设的采用碱性电解水制氢的全球最大的氢储能发电项目——张家口200MW/800MWh氢储能发电工程项目的度电成本预计仅在0.75元/KWh左右。而根据国金证券估算1MWh度电存储成本只需1300元，低于锂/液流电池1500/1400元。同时氢储能扩容仅需增加储氢罐而非使用资源矿，这使得其扩容的边际成本会低于所有蓄电池类储存方式，经过测算其扩容成本仅为120元/KWh。而且氢气在工业化制备的成本还会进一步降低。近期美国莱斯大学工程师将卤化物钙钛矿半导体与电催化剂相结合制作出了，一款全新光电化学电池。这款破纪录的电池可以做到以20.8%效率将太阳能转化为氢气。这意味着绿氢规模化制取可以绕过光伏发电然后电解的过程，通过光化学反应一步完成制取氢气，从而进一步减少多个步骤制氢带来的能量损耗和生产、制取设备投入。将绿氢制造综合成本进一步下探。所以作为一种泛用性极强的储能介质和工业原料，氢气储能将会作为风光氢储一体化项目核心储能项目逐步落地。而且随着新能源的发电量快速上升，配套的氢能储能功率也会很快达到TW级。
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