近日，美国发布的氢能源经济路线图，概述了在能源转型过程中氢可以发挥作用的五个主要经济领域：交通、发电和电网平衡、工业燃料、原料、以及住宅和商业建筑燃料，强调了氢能作为可再生能源系统推动力的多功能性。随着可再生能源开发利用规模不断扩大，储能技术在电网应用中扮演越来越重要的角色，如频率调节、提供容量、推迟电力线路升级改造、提高电网弹性、解决可再生能源间歇性等。氢因能提供数周甚至数月的存储能力，且更具规模效应而迅速成为研究热点。一些专家认为，氢储能实现的路径如下：获取廉价或过多的可再生能源，使其通过电解槽产生氢并存储起来，然后采用燃料电池将其转换回电能加以应用。据加州大学洛杉矶分校拉斯金创新中心2019年末的报告，大约1/3的美国人生活在一个致力于或实现100%清洁电力目标的州或社区。此外，至少有32家公用事业公司的目标是到2050年实现无碳排放或实现净零排放。而要实现一个主要依靠间歇式可再生能源运行的电网，就需要大量的存储，以便在没有太阳、没有风的情况下也能平稳供应。近年来，抽水蓄能虽然占据了美国大规模蓄水的绝大部分，但电池存储（主要是锂离子电池）主导了新的大规模部署。据Wood Mackenzie预测，锂离子电池仍将是2030年新部署的主导技术，但“机遇时代”下该行业可能会迎来另一个拐点，即成本已经下降到存储开始与其他现有技术竞争，而且有可能超过其他现有技术。作为氢能经济的倡导者，美国已经在氢能源领域崭露头角。目前，美国拥有超过全球一半数量的燃料电池汽车，25000辆燃料电池物料搬运车辆，遍布40个州的8000多个小型燃料电池系统，以及已安装或计划中的550MW大型燃料电池发电系统。美国能源部2020年将为18个项目提供约6400万美元的资金，支持电解槽、碳纤维等关键技术研发以及重型运输、钢铁、海事以及数据中心等领域的示范，旨在推动下一轮研究、开发和示范活动。但正如美国氢能源经济路线图所示，氢储能的商业化运用还有很长的路要走，如果现在采取正确的行动，到2050年一个有竞争力的氢工业可以满足美国14%的能源需求。自2005年以来，天然气和可再生能源的结合的方式取代了退役的燃煤发电厂，直接影响美国电力系统的碳排放量下降了30%。2016年，加州大学尔湾分校机械与航空工程学教授Brouwer建立了一个示范项目，利用电解槽从太阳能发电中制造可再生氢气，然后将可再生氢气注入天然气电网，通过天然气电网将其输送至天然气联合循环发电厂以从中获得部分脱碳的电能。该项目运行4年后，最终对新技术的愿景已然明确，即将天然气输送系统转变为可再生氢输送系统，并将其用作引入大量存储的经济有效方式。Brouwer表示，如果需要储存兆瓦时的能源（如果电网100%可再生，这将是电网所需的能源），那么将其以氢的形式储存会更加经济。有些专家们认为，要实现这一技术将存在较大挑战，包括升级现有的基础设施使之能够运载氢气。以天然气与氢为混合燃料的第一个推动力将是低成本电力，如果没有低成本的电力（每千瓦时不到5美分），无论你身在何处，燃气发电可能都没有意义；第二个促成因素是低成本的电解槽系统，这是该技术运营成本的一个重要部分。据了解，天然气加氢的混合物既可以提高天然气燃烧速率，扩展天然气的稳定稀燃极限，又充分利用了氢气和天然气两种燃料的优点，在大幅降低二氧化碳和氮氧化物等污染物排放的同时，还为规模化氢能利用提供了技术储备。瓦锡兰曾发表了一份白皮书，概述了两种以天然气和氢混合物为燃料的方法。第一种方法是从大气中捕获二氧化碳，通过电解水产生氢气，然后将氢气和碳结合生成甲烷，然后将甲烷投入现有的天然气基础设施中；第二种是直接用氢制氢，即在剩余的可再生能源上运行电解槽以产生氢。2020年8月，南加州煤气公司的母公司Sempra Energy公司“相当看好”这项技术，并试图将自己定位为该领域的领导者。与此同时，洛杉矶水电局正在对即将到来的氢气设施采取分阶段的方法，其目标是到2045年100%供应可再生能源。为了进一步降低碳排放量，洛杉矶水电局计划能够以30%的氢燃料混合气运行该工厂，最终扩大到接近100％，而存储组件在“接近80%或90%的可再生能源时”开始运行。在美国西部很多地区，电力需求可能低于可再生能源所生产的电力，导致可再生能源发电量浪费和电价削减。为满足整个美国西部的用电需求、将多余的电力需要储存以供日后使用，这就需要GW级别的储能容量。业内人士指出，整个美国西海岸在氢气方面有很大的潜力，到2025年氢将更多地用于运输业。到2030年氢在电力行业的影响力将不断扩大，部分原因是已经宣布的一些“大型项目”。业内人士指出，大型项目将大大降低建设氢设施的资本成本。一旦发生，它将开始过渡到氢成本确实由电力成本来驱动，而不是更多的建造设施成本。特别是在像加利福尼亚这样的地方，多余的太阳能必须免费或以负价格输送到邻国，因为它超过了需求。多余的电力可以用来运行电解槽，从水里产生氢气并把它藏在地下，超出了季节性的限制。据了解，锂离子电池往往在4小时的范围内徘徊，有些电池的续航时间长达8小时和12小时，而抽水蓄能也能提供约12小时的储能，这使得这些技术成为将能量从1天中的一部分转移到另一部分的好方法。但高可再生能源电网将需要季节性储存，以应对太阳能、风能和水力发电量的季节性趋势。氢可以提供了长期的能量储存，意味着可以储存数周甚至数月的能量。据称，世界上最大规模清洁能源储存项目（ACES）项目重点关注四种存储技术：氢气、压缩空气储能、流动电池和固体氧化物燃料电池。考虑到长期储能技术获得了前所未有的关注和支持，人们的注意力主要集中在氢气上。据称，ACES项目能将可再生能源储存好几个季节甚至1年，而现场的一个洞穴可以储存15万兆瓦时的可再生能源，这意味着大约需要40GW的锂电池，才能在ACES项目的一个洞穴中拥有同样的存储容量。与此同时，能源转化为氢气的技术也面临着挑战。行业专家指出，储氢罐可以建在任何地方，但在地下储存氢气更便宜，这就是为什么很多人特别希望地下储存，包括在盐穴里。还有一个更大的问题是关于基础设施，当前美国大多数用于储存和运输天然气的设施都是围绕着甲烷建造的，但氢是一种完全不同的分子，现有系统的冶金技术可能无法与之协同工作。因此，为了利用现有的存储系统和传输和分配系统，需要对很多基础设施进行一些更广泛全面的升级。业内人士指出，这可能是下一个10年才能实现的技术，因为该项技术需要经历多个创新步骤才能达到100%脱碳的效果。首先是建立电解槽的规模，并确保它们能够处理更大的能量；其次是瞄准那些可以以具有竞争力的价格从绿色氢中获益的行业，比如水泥行业，这反过来又会刺激电解槽行业，创造一个积极的循环。同时，在航运、航空和重型运输等难以实现电气化的行业，也有可能创造新的需求。
