氢储能的底层逻辑：以氢的灵活性提升能源系统的灵活性,
氢能畅想,东京氢能城市,昆明氢能油 目前，能源系统转型面临的一个重要问题是提高能源系统的灵活性，增强能源调节能力，解决可再生能源的消纳和供需匹配问题。
氢能的“灵活性”和“燃料/原料属性”，与能源系统在供需转型过程中所面临的能源系统灵活性和深度脱碳问题完美契合，这是使氢能成为未来能源系统重要组成部分的根本原因。
电力是一种较难直接储存的“刚性”能源，需要转化为其他能量形式，这就要求发电和用电必须实时保持一致。与电力不同，氢能在制备和使用方面具有时间上的灵活性。由于氢能易于储存，并且制氢和用氢不需要同时进行，因此它可以被视为一种灵活性能源。随着可再生能源的迅速发展，电力系统从过去的“电源侧可调，负荷侧不可控”逐渐转变为“电源负荷均不可控”，增加了电力系统实时平衡供需的难度。因此，氢能作为一种可以由电力制备并且使用过程中不排放废物的灵活性能源，可以很好地融入未来以电力为主的可再生能源体系中，为电力系统提供调节能力。
储能方案主要可以分为热储能、机械储能、电化学储能、电磁储能以及化学储能几大类。其中，抽水蓄能是当前最主要的传统储能方式，在中国的储能装机总量中占到了77%的比例；而在新型储能中，锂离子电池是当前最主要的方案，占到了新型储能装机的比例约为94%。
在目前的储能方案下，未来仍然存在大量的可再生能源功率调节缺口。这些缺口主要来自三个方面。首先，由于碳中和目标的限制，灵活性煤电机组和天然气发电机组作为化石能源发电方式的规模受到限制。其次，由于地理条件等因素的限制，抽水蓄能的发展规模也有一定的上限。第三，虽然电化学储能作为一种快速发展的新型储能方式，在长周期、大规模储能需求的应用上仍然面临着锂资源约束、成本较高和安全性等问题。
根据当前情况，到2030年，可再生能源的功率调节缺口将达到1200GW；到2050年，该缺口将超过2500GW。因此，为了满足能源转型的需求，未来需要引入新的储能方式来发展可再生能源系统。
氢能源可以为电力系统的电源侧、电网侧和负荷侧提供灵活性。在电源侧，通过与风能和太阳能结合，可实现就地制氢，并消纳多余的可再生能源，从而减少发电功率波动。在电网侧，通过将电解制氢+氢能发电结合起来，可以通过氢储能来调整电网峰谷负荷。在负荷侧，电解水制氢加氢一体站等分布式的制氢/用氢场景可以根据电价的高低选择性制氢，以满足需求侧响应。
氢能的灵活性优势主要表现在大规模长周期储能和直接应用于氢能场景方面。目前常见的储能方式主要分为电化学储能、物理储能和氢储能三类。
从储能时长来看，电化学储能适用于储存分钟或小时级别的能量，利用电池的快速充放电能力来实现电力系统的峰谷调节。而物理储能主要指的是抽水蓄能技术，容量一般更大，适合以天为时长的储能，通过抽水和发电来在一天内实现功率平衡。
而氢储能是一种更适合于长周期大规模场景的储能方式，可以实现季节间的储能。首先，氢作为一种稳定的化学品，相比于电池和水的蒸发耗散，具有更长时间的储存能力，因此更适合用于长周期跨季节的储存。另外，在大规模储能场景下，氢储能也更具经济优势。氢储能包括制氢系统和储氢系统两部分，可以实现储能功率和储能容量的解耦，并且通过扩大储氢系统的容量来增加储能容量，从而实现更低的规模化成本。相比之下，电化学储能受到蓄电池原理的限制，功率和容量之间耦合度较高，因此在大规模储能场景下降低成本的潜力较小，所需成本也较高。研究表明，规模化储氢的成本要比规模化储电低一个数量级。
从应用场景上来看，其他储能方式一般是电→X→电的闭环系统，也就是说，最终的能源需要以电能的形式输出。而氢作为一种燃料和化工原料，在后续的应用领域有丰富的场景可供选择，可以实现电→H2→X的开放环储能模式，也就是说，通过电解制取的氢气可以直接应用于不同的场景，具有更高的应用灵活性，同时避免了多余的转换过程以提高储能效率。
由于可再生能源具有电力属性，未来的能源系统将以电力的生产、输送和消费为基础。这为氢能发展提供了基本背景。从能源供给侧来看，以风能、光能和水能等为代表的零碳可再生能源将成为主要的能源供给，并通过电力输送到电网。从能源消费侧来看，由于电力是主要能源形式，因此电力也将成为最主要的能源消费品。在一些难以使用电力的终端能源消费场景中，可以补充使用化石能源和氢能等清洁燃料。
在上述的能源系统框架中，氢能的未来发展空间可以从两个方面来看：首先是作为替代旧能源的新能源的作用。从构建零碳能源系统的最终目标出发，化石能源作为旧能源将逐渐被取代，而电力和氢能作为不产生碳排放的新能源将成为未来发展的重点。这一替代方向是基于我国的双碳战略、能源革命和可持续发展目标确定的，也是氢能未来发展的重要基础。
其次，氢能可以作为电力的配套和补充。从能源的使用端来看，电力和氢能都属于清洁能源。在未来以电力为基础的能源系统中，氢能的发展空间主要在于对于电力无法应用或不方便应用的场景进行补充。
因此，要评估氢能的发展前景，就需要关注它在特定场景下与电力的竞争优势。在未来的能源体系中，以电力为基础，在最终能源使用领域实现相对电力的竞争优势是氢能发展的基本原理。
氢的最终替代对象是电力，所以氢的终端应用潜力将来自于那些难以实现大规模可再生电力替代的领域。氢能的根本优势在于“灵活性”和“燃料/原料属性”。
电力难以应用的场景主要涵盖交通领域和重工业领域。在交通领域中，重型车辆、矿卡、船运、空运等长途或重载运输场景都存在高能耗的特点，从而需要携带大量能源。电力的特殊性使得其存储通常需要转换为其他能量形式（如化学能），并通过特定载体（如锂电池）来实现。因此，电力的能量密度相对较小，无法满足对能量密度有要求的高能耗场景。而氢能作为传统的气体燃料，可以直接储存，氢气储存罐的能量密度也远高于锂电池。因此，与电力相比，氢能更适用于长途重载的交通场景。
在重工业领域，有两个方面的需求需要解决。首先，特定的工业流程如化工、冶金等需要使用相应的化学原料和还原剂。其次，重工业的流程通常需要高达五百度以上，甚至过千度的高温，目前对于非导体的高温电加热技术还不够成熟。在现在的情况下，化石燃料主要负责提供高温和充当原料、还原剂的双重角色。然而，在无法替代电力的情况下，作为清洁燃料的氢能成为了更好的替代方案。
在电力和氢能够同时应用的情况下，由于氢能具有灵活性，可以给其相对于电力的经济优势。一般来说，未来氢能的主要来源是通过电解水制取，因此它被视为一种由电力生成的能源形式。从直观上看，电解制氢或电解水制氢加燃料电池发电的过程效率损失使得使用氢能的经济性很难优于直接使用电力。
随着我国可再生能源的快速发展，不稳定电源在电力系统中所占比例迅速增加，电网供需调节需求急速上升，这正在逐渐推动电力系统价格体系的变革，使得氢能的灵活性优势在经济方面得到体现。目前，电解水制氢的成本中，用电成本约占了75%，用电价格是影响制氢成本最主要的因素。随着电力价格体系的逐渐市场化，氢能的灵活性不仅能在电网侧的储能中展现，也能使得终端使用能源时，在电价较低的时刻选择制氢，从而降低制氢成本。这从本质上来说，也是通过利用氢能的灵活性来参与电网供需调节，以获取收益。
以目前各地区的峰谷电价为例，浙江、山东、江苏和陕西这些地区的谷时电价大约只有平时电价的 1/2左右，峰时电价的 1/3 左右。价差最大的山东，其谷时电价仅为平时电价的 1/3，峰时电价的 1/5。
这表示可以在这些地区选择在谷电时刻制氢，利用氢能的灵活性，从而大幅降低制氢成本，使得使用氢能的经济性能够接近甚至超过平时或峰时使用电能的经济性。
随着不稳定电源比例的增加，未来将进一步展现氢的灵活性优势。自2022年以来，电价机制政策相继出台。从长期来看，电力现货市场不断完善并覆盖面扩大；在短期内，峰谷价差不断扩大，导致谷电价格进一步下降，这已成为一种趋势。上述改变对于提高氢能利用的灵活性以实现成本降低非常有利。
