智能化设计的“海绵”：一种安全高效的固态氢存储系统

撰文 | 朱玉茹

编辑 | 郭郭

→这是《环球零碳》的第205篇原创

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

氢能目前主要应用于化工和农业领域，但因为氢能具有灵活高效、清洁低碳、应用广泛的突出优势，目前也被很多国家作为未来化石燃料的替代品。一旦未来氢能被当作清洁能源利用，其应用场景和规模将远超现在，以可再生能源为基础的大规模绿氢生产、运输和应用将迎来大爆发。

但氢气是比较轻的气体，它的能量密度，如果是按照质量算，确实很高，氢气每公斤的发电量是化石燃料的3倍；但按照体积算，能量密度又偏低，标准状态下（0°C和1个大气压），其体积能量密度仅为约3kWh/m³。

所以为了运输方便，一般是把氢气液化或压缩，在约70MPa的压缩氢气可使能量密度增加到约1200kWh/m³的低热值能量，比锂离子电池还高，锂离子电池约500kWh/m³。

但不管是压缩氢还是液化氢，都需要消耗大量能量，效率不高。为了寻求氢能储存和运输效率更高、更方便的方式，很多科学家和初创公司都在探索，希望寻求技术突破。

氢能储存作为氢能产业的中间环节，极为关键。现有的储氢方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢三种典型的储氢技术。

随着高密度储氢材料及其可逆吸放氢技术的成熟，固态储氢技术以其在安全性和经济性方面的优势或成为一种更具前景的技术路线选择。

一家来自英国、衍生自剑桥大学的初创公司H2GO Power，正是一家开发固态氢能储存技术的能源公司。

这家公司成立于2014年，据该公司称，其研发了一种多孔纳米颗粒材料用为催化剂，可加速水的电解，并储存和释放氢气，这种技术安全且成本很低。

此外，公司研发的整个系统由各种算法控制，以确保设备和系统运行的效率最大化。

公司创始人兼首席执行官是Enass Abo-Hamed博士。她在剑桥大学攻读博士学位时，提出了一种革命性的结构，该结构可以将氢作为稳定的固体存储而无需压缩。

她说：“这种存储方式所涉及的压力，类似于您在使用咖啡机中所承受的压力。”

图说：Enass Abo-Hamed博士毕业于剑桥大学

今年5月，由 H2GO Power 牵头的一个项目已从英国政府获得 430 万英镑的资助，用于在奥克尼群岛推出智能储氢系统。这个系统每年可以在苏格兰海岸附近的岛屿上置换多达 7,500 加仑的柴油，减排 90吨的二氧化碳。

H2Go Power还打算进军无人机市场，为其提供氢动力。

这到底是一项什么样的储氢技术？效率如何？有什么应用场景？《环球零碳》带你一探究竟。

01

安全高效的氢存储系统

储氢模块是H2GOPower公司的主要产品之一，可以在小空间内安全储存大量氢气。储氢模块的工作原理是以固态储存氢气，并根据需要释放氢气。

图说：储氢模块[2]

H2GO的储氢模块采用了他们的专利设计：基于高度多孔纳米颗粒的智能材料，经过制造、测试和认证，可在1-10 Pa和低于100摄氏度以下运行，并符合当前的压力容器标准。

每个模块可以储存1公斤氢气，相当于12,000升氢气。此外，每个模块消耗16千瓦时的电能，能够为大功率设备快速进行氢气输送。

图说：氢的吸附形式：分子式吸附和原子式吸附

来源：[4]

H2GO另一个主要的创新是其“智能化设计的海绵”：一种安全高效的氢存储系统，由多个智能反应器组成。这些反应器具有特殊的响应式内部结构，可储存氢气并按需释放氢气。

氢可以液体或固体形式储存在化合物中。氢气分子一旦进入H2GO的存储系统时，即被“海绵”的智能构架通过化学键捕获。当外部系统需要氢气时，只要在规定的温度下加热，就能触发释放所需的氢气量。

图说：H2GO安全高效的系统可储存氢气并按需释放氢气

来源：[2]

此外，H2GO还开发了一套人工智能系统，可优化其氢动力装置的能源使用量。降低成本的一种方法是提高硬件的性能，另一种方法则是利用软件来优化成本结构。而要想取代市场上的产品，降低成本可是很重要的。

02

固态储氢优势及发展

H2Go Power的存储技术可以在固态材料中存储和分配氢，实现比液态和气态氢更高的体积存储密度。因此，它需要更少的占地面积。具有在环境温度和压力下储存氢气的优势，适合长期季节性储存，并提高了储氢的安全性同时降低了成本。总的来说，H2GO电源重新利用燃料电池的热量，提供超过95%的H2存储效率，为现行储氢行业的高压存储解决方案提供更高效的替代方案。

固态储氢技术相对于其他储氢方式较为前沿，投资总成本在三种储氢方式中处于中间水平，储运成本适中，对于中长距离的运输，其优势更为明显。而且，随着高密度储氢材料等技术的成熟，固态储氢技术以其在安全性和经济性方面的优势或将成为一种更具前景的技术路线选择。

未来应进一步开发性能更优、造价更低的储氢媒介，同时，随着氢能源汽车产量的提升，对加氢站和氢气的需求将显著增加，使得氢气的应用市场规模扩大，如能平衡好储氢放热和放氢吸热，进一步降低放氢成本，固态储氢技术在氢能领域将会有更加广阔的应用前景。

在运用了H2GO Power产品的SHyLO（低压固态，建造模块化低压储氢解决方案）项目上，对于直接解决能源贫困、气候变化和空气污染具有积极影响，获得能源是改善全球数十亿贫困人口在健康、教育和繁荣方面生活条件的关键。

通过零排放能源供应缓解气候变化可以减少全球的人道主义危机，包括因极端天气、干旱以及对稳定和生计的威胁而造成的气候难民。通过在存储资产的整个生命周期内成本比典型锂离子电池低3倍、存储容量是其2倍以上的技术，显著节约成本。

H2GO Power的CEO埃纳斯·阿布·哈迈德说:“这个项目将降低氢气的平准化成本，使这种能源能够与天然气竞争。无论是应对全球能源危机的短期举措，还是应对气候变化的长期举措，摆脱化石燃料都是每个人的当务之急。”

H2GO电源产品开发总监表示，“我们的产品能够展示的专有硬件和软件如何通过显著降低储存压力来降低储存氢气的成本，同时提高性能——这是一个双赢的局面！”

H2GO还与加拿大氢燃料电池制造商巴拉德（Ballard）建立了合作伙伴关系，制造了一种无人机，该无人机使用其反应堆安全地储存氢气以供飞行。

当前，大多数国家/地区对在人口稠密地区上空飞行的无人机有严格的安全规定。碰撞或技术故障可能导致无人机坠落。锂离子电池高度易燃，因此坠落着陆可能引发爆炸。但是，Abo-Hamed博士指出，即使他们的无人机从天上掉下来，氢也会以固体形式保持稳定。

参考资料：

[1]https://www.offshore-energy.biz/shylo-to-trial-hydrogen-storage-solution-at-emecs-h2-platform/

[2]https://www.h2gopower.com/

[3]刘翠伟，裴业斌，韩辉，周慧，张睿，李玉星，朱建鲁，王财林，孔莹莹．氢能产业链及储运技术研究现状及发展趋势[J/OL]．油气储运.

[4]卢金炼.高密度储氢材料设计与储氢机制研究[O469].湘潭大学博士学位论文

[5]https://redshift.autodesk.com.cn/h2go-hydrogen-storage/

[6]无人机网：H2Go Power试图为“无人机”提供氢动力

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