PART/1
介绍
▼氢的能源背景
氢是一种多功能的清洁能源载体，作为应对全球能源挑战的潜在解决方案，已受到广泛关注。它可以从各种来源生产，包括水、化石燃料和生物质，并作为能源或燃料的来源。氢的主要好处之一是它能够储存和运输从其他资源产生的能量，如化石燃料、水和生物质。这一特性使氢成为储能的绝佳选择，因为它可以用来平衡风能和太阳能等可再生能源的短缺。
此外，氢具有使各个部门脱碳的潜力，特别是运输和工业。它可以用作燃料电池汽车的燃料，在燃料电池汽车中与氧气反应产生电力，只释放水蒸气作为副产物。在工业领域，氢可以替代化石燃料，减少温室气体排放，为减缓气候变化的全球努力做出贡献。
尽管氢具有很好的优势，但它的生产、储存和利用也面临着挑战。氢的生产需要能源投入，这些能源可以来自可再生能源或化石燃料，这引起了人们对氢生产碳足迹的担忧。此外，氢气是一种高度易燃的气体，需要小心处理和储存，以确保安全。近年来，人们在推进氢技术的开发和部署方面做出了重大努力。一些国家和组织已经启动了研究和开发项目，以探索氢作为可持续能源的潜力。随着不断的进步和合作，氢有可能在全球能源转型中发挥关键作用。
▼储氢需求
氢储存的需求对于氢和燃料电池技术的进步至关重要。氢在所有燃料中每单位质量的能量含量最高，具有更高能量密度的潜力。然而，氢在环境条件下以气态存在，这使得它难以有效地储存和运输[1]。
储存氢的方法有几种[3][5]，最常见的方法包括压缩气体储存、液态氢储存和基于材料的储存[3]。
压缩气体储存包括在高压下储存氢气，通常在350-700bar之间。液氢储存需要低温和专门的容器来保持氢的液态[5]。基于材料的存储包括使用可以吸收氢或与氢反应的材料，如金属氢化物、碳纳米管或化合物。每种存储方法都有自己的优势和挑战，包括能量密度、安全问题和成本效益[3][5]。
压缩气体储存是一种简单可靠的方法，但由于所需的体积大，在能量密度方面存在限制[7]。液氢储存会提供更高的能量密度，但由于其沸点低，处理起来更具挑战性，需要专门的设备[4]。基于材料的存储可以提供高存储容量，但需要进一步研究和开发以提高效率和成本效益[6][8]。
氢储存是各种应用的关键组成部分，包括运输、发电和工业生产[2]。它在发挥氢作为能源载体的全部潜力，和实现净零排放目标方面发挥着至关重要的作用[9]。持续的研究和开发对于提高储氢技术的性能、可扩展性和成本效益是十分必要的[10]。
PART/2
储氢方法
▼压缩气体
压缩气体储存是用于储氢的方法之一[1]，例如将氢气储存在高压储罐或钢瓶中[11]。这种方法通常用于储存各种设施的少量氢气[11]，气体会被压缩到高压，通常在700bar左右，以增加可以储存的氢的数量[12]。
压缩气体储存的一个优点是简单易用。它不需要复杂的基础设施，可以很容易地集成到现有系统中[12]。此外，压缩气体存储允许快速有效的补充燃料，使其适用于需要频繁补充燃料的设施[13]。
然而，压缩气体储存也有一些缺点，主要是储存足够的氢所需的高压。这种高压存储需要坚固而沉重的储罐，可以增加存储系统的整体重量和体积[12]。另一个问题在于安全方面，因为高压气体储存如果处理不当可能会造成风险。因此，压缩储存需要采取适当的安全措施，以确保存储系统的完整性，防止任何潜在的泄漏或事故[11]。
▼液氢储存
液氢是用于储氢的方法之一。在储氢方法的比较研究中，它也展现出了一些可供探讨的优点和缺点[14]。
液氢储存的优点包括:
1. 高能量密度:按重量计算，液态氢的能量含量很高，使其成为一种高效的储存选择。
2. 长期储存:液态氢可以长时间储存而不会有重大损耗，在需要时也可以稳定供应。
3. 多功能性:液态氢可以作为燃料用于各种应用，包括运输和发电。
4. 清洁能源:氢燃烧不产生温室气体排放，是传统化石燃料的清洁替代品。
尽管有这些优点，液氢储存也有一些局限性:
1. 低温储存要求:液氢必须储存在极低的温度下(-253摄氏度)，这需要专门的和昂贵的基础设施。
2. 蒸发损失:随着时间的推移，液态氢会慢慢蒸发，导致出现蒸发损失，需要不断补充。
3. 安全问题:由于液氢的极低温和易燃性，处理和储存液氢需要严格的安全保障。
4. 基础设施方面的挑战:与其他形式的能源储存(如压缩或固态氢储存)相比，运输和补充液氢的基础设施可能没有那么发达。
▼化学氢化物
化学氢化物是用于储氢的方法之一[23]，主要是使用氢化化合物作为储氢库，经过可逆反应，用化合物来储存和释放氢。
化学氢化物能提供很高的能量密度，并且具有易于使用的可能性[24]。
化学氢化物用于储氢的优点之一是，某些类型的氢化物，如金属氢化物（例如MgH2, NaAlH4, LiAlH4, LiH和LaNi5H6[25]），是可再生和可重复使用的[24]，它们能以一种安全高效的方式有效地储存着大量的氢，效率相对较高。另一个优点是化学氢化物可以以可流动的粉末或液体-泥浆混合物状态存在[26]。
然而，化学氢化物用于储氢也存在挑战。例如一些反应的不可逆性，这使得回收储存的氢变得困难。此外，化学氢化物的集中生产可能会带来物流和基础设施方面的挑战。环境问题也是一个考虑因素，因为一些化学氢化物可能会产生有毒物质，或需要能源密集的再生过程[24]。
因此，化学氢化物用于储氢需要进一步的研究和开发来进行优化，这需要多学科的方法，包括材料研究、化学、动力学和反应工程[24]。
▼金属氢化物
金属氢化物是一类广泛用于储氢的材料[15]。由于其在各种应用中的通用性，它们被认为是技术上最相关的一类储氢材料[16]。与液氢相比，金属氢化物存储系统的内部体积更小，提供了一种高效的方式来储存氢，密度更高，使它们适用于高效的氢存储解决方案[17]。
氢在金属氢化物中的吸附和解吸热力学可以用范霍夫方程来描述。金属氢化物的焓变通常为负，表明氢的释放是一个吸热过程[18]。在特定应用中使用特定金属氢化物的可行性，可以通过考虑所需的工作温度和压力范围以及范霍夫方程[19]来评估。
人们的研究工作，一直集中于提高氢在金属氢化物中的吸附和解吸能力，以及动力学和热力学上，旨在提高潜在储氢候选材料的性能[20]。此外，人们也正在研究复杂氢化物作为储氢材料的前景，例如络合氢化物则由碱或碱土元素与络合阴离子结合而成，以提高复合氢化物中氢吸附和解吸的能力、促进动力和热力循环[21]。
另外，在络合氢化物丙酸钠(NaAlH4)中，人们发现钛介导的脱氢作用可以实现[21]。然而，由于这些材料中键的复杂性和离子特性，理解复杂氢化物脱氢反应中的扩散机制和反应途径可能也是具有挑战性的[22]。因此，正在进行的研究则聚焦于提高复杂氢化物作为储氢材料的性能和能力。
▼复合化合物
复合化合物是储氢方法之一[27]。这些化合物是由氢与其他元素或分子结合形成的，形成稳定的复合物，可以储存和释放氢。它们具有潜在的优势，如高氢密度、在中等温度下释放氢的能力[27][28]。复合氢化物、金属胺配合物和碳链配合物都是一些用于储氢的复合化合物[27][29][30]。
复合氢化物，如金属硼氢化物和金属丙酸盐，由于其高氢含量而引起了人们的注意[27]。它们可以通过一种可逆的反应来储存氢，这种反应包括化学键的断裂和形成[27]。金属胺配合物，如硼氢化镁胺，也显示出储氢的潜力[29]。这些配合物由氨分子包围的金属离子组成，在加热时可以可逆地释放氢[29]。
丙烯配合物，特别是丙酸钠，已被广泛研究用于储氢。铝烷是铝和氢形成的络合物，它可以储存大量的氢。然而，从烷烃中释放氢常常受到高温或需要催化剂的阻碍[30]。
总的来说，复合化合物为氢储存提供了又一种的解决方案，具有高密度储存氢并在特定条件下释放氢的能力。不过，复合化合物储氢还需要进一步的研究和开发，以优化这些化合物的性能和实际应用。
▼碳纳米管和其他纳米材料
碳纳米管(CNTs)和其他纳米材料已经显示出作为储氢材料的潜力，其主要优点之一是宽裕的表面积，这允许大量的氢被吸附到材料上[31]。
此外，碳纳米管具有优异的机械性能，包括高强度和高柔韧性，使其适合存储应用[31]。
研究表明，氢可以通过物理吸附过程储存在碳纳米管中，其中氢分子会被弱范德华力吸引到纳米管表面[32]。氢和碳纳米管之间的相互作用可以通过功能化或掺杂纳米管来增强，可以提高氢的吸附能力、释放动力[33]。
除碳纳米管外，其他纳米材料如金属有机框架(mof)和石墨烯也被用于储氢应用。mof是由有机配体连接的金属离子或簇组成的多孔材料，已经显示出高储氢能力和可调特性，有希望成为储氢的候选者[31]。
石墨烯，一种排列在二维晶格中的单层碳原子，也显示出储氢的潜力。它的表面积和高机械强度使其适合于吸附氢分子。然而，在实现高氢摄取和释放动力方面仍然存在问题[31]。
总的来说，碳纳米管和其他纳米材料由于其高表面积、强吸附能力和可调特性，为储氢提供了可能性[31]，不过需要进一步的研究和开发来优化这些材料的实际应用。
▼地下和管道储存
地下和管道储存方法已成为氢储存可以考虑的解决方案。可再生能源的发展强调了对高效存储解决方案的需求，氢因其高能量密度和多功能性而被认为是一个很有前途的候选项[34]。
氢储存的一个技术解决方案是电解水，从而产生氢气。将这种氢储存在地下有几个好处：氢气的地质储存可以确保稳定的能源供应，特别是在可再生资源有限的地区或需求高峰期；此外，地下储存可以为开发中断的可再生能源提供缓冲，有助于稳定电网。
然而，地下储氢也带来了挑战。氢是高度流动和反应性的，这需要仔细考虑储存材料及其与周围环境的相互作用。因此，欧洲进行的研究项目也集中于了解氢气在地下储存设施中的动向，并确定安全有效储存的合适地质构造。
PART/3
比较分析
▼安全方面
能源应用的储氢方法由于其可持续性和清洁能源的未来潜力而获得了极大的关注。然而，为了确保它们的实用性和广泛采用，评估与这些储存方法相关的安全方面是至关重要的。
一个重要的方面是考虑氢气泄漏的风险。氢气具有高扩散率，可以从储存系统中逸出，造成潜在的火灾或爆炸危险。因此，设计能够有效检测泄漏、预防泄露的存储系统，最大限度地降低氢气泄漏的风险至关重要。
另一个需要考虑的方面是储存材料与氢的兼容性。一些储氢方法，如金属氢化物和化学氢化物，需要能够安全地储存和释放氢的材料。全面评估这些材料的耐久性和稳定性，才能确保其在存储系统中的长期安全性和可靠性。
此外，氢储存系统的处理和运输也应仔细处理，以降低安全风险。在储氢材料的装卸和运输过程中，应执行专门的安全规程和指南，防止事故发生，确保人员和周围环境的安全。
为了加强安全措施，研究和开发工作的重点是提高对氢的活性及其与储存材料相互作用的关注与探索。这包括研究温度、压力和机械应力等外部因素对储氢系统安全性的影响。
总的来说，确保储氢方法的安全性对其成功实施是至关重要的。通过解决氢气泄漏的风险、评估储存材料的兼容性，并实施适当的处理和运输机制，可以有效地减轻与氢储存相关的潜在安全问题。
▼效率方面
储氢的一个关键方面是利用氢作为能量载体。各种各样的储氢方法已经被开发出来，每种方法都有自己的优缺点[35][3]。在考虑这些储存方法的效率时，重要的是要评估储存的能量需求和储存过程中的能量释放。
一种常用的储氢方法是物理储氢，包括压缩氢气或在低温下将其液化。虽然物理存储提供了高能量密度，但它需要大量的能量输入用于压缩或液化，从而导致能量损失[35]。因此，物理储存方法的效率取决于压缩或液化过程的效率。
另一种方法是利用化学储存方法，如碳氢化合物形成或金属氢化物反应。这些方法依靠氢与其他元素或化合物的化学键来储存和释放氢[3]。金属氢化物储存以其高重力容量和良好的可逆性而闻名，但由于氢的吸收和解吸需要额外的能量，所以它的能量效率可能较低[36]。
此外，固态存储方法，如在多孔材料上吸附或在碳纳米材料中存储也正在被人类探索。这些方法可以提供较高的氢吸附表面积，但效率受到选择性、容量和再生要求等因素的影响[3]。提高吸附和解吸过程的效率是提高固态储氢整体效率的关键。
除了储存方法本身，储氢系统的整体能源效率还取决于其他因素，如制氢和净化过程的效率。例如，如果氢是通过电解从可再生能源中产生的，那么存储系统的效率将受到电解槽效率的影响[5]。
值得注意的是，储氢方法的效率可能因具体应用和系统设计而异。在选择合适的储氢方法时，除了效率之外，还需要考虑安全性、成本和可扩展性等因素。
▼经济可行性
在氢作为替代能源的广泛应用中，储氢起着至关重要的作用。不同储氢方法的经济可行性是考虑其实际实施的关键因素[37]。
一项研究对氢储存进行了技术经济分析，发现不同储存方法的成本差异很大。压缩储氢的投资成本相对较低，但运行成本较高，而低温储氢的投资成本较高，但运行成本较低[37]。另一项技术经济研究侧重关注于氢储存系统，并根据不同的场景评估了其经济可行性。该研究考虑了氢需求、储存容量和储存技术成本等因素[38]。
地下储氢在经济可行性方面颇有看点。一项技术经济可行性研究评估了地下储氢，并得出结论，考虑到地质、基础设施和成本等因素，这是一个可行的选择[39]。
此外，在氢经济的背景下，考虑储氢的整体可行性是至关重要的。一项研究强调了能源转型中储氢的必要性和可行性，指出需要对经济、环境和社会因素进行综合分析[40]。
值得一提的是，未来可再生电力制氢的成本有望下降。国际能源署(IEA)预测，由于可再生能源成本下降和技术进步，到2030年，成本可能会降低30%。
