氫氣，作為一種多功能的清潔能源載體和化學(xué)原料，可以幫助我們實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和最終使用的創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)中運(yùn)輸、發(fā)電、制造等能源密集且難以脫碳的部門(mén)脫碳。此外，當(dāng)它被用作燃料時(shí)，它唯一的輸出就是水，因此被視為目前正在探索的最有前途的清潔燃料來(lái)源之一。

全面的氫經(jīng)濟(jì)需要大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)來(lái)儲(chǔ)存多余的能量作為緩沖并不斷滿足需求。然而，由于氫在許多材料中的高擴(kuò)散性、高成本和低儲(chǔ)存效率，如何儲(chǔ)存氫成為了氫氣應(yīng)用時(shí)仍然存在的一個(gè)懸而未決的難題。

目前，包括鹽穴、含鹽蓄水層、枯竭的天然氣或石油儲(chǔ)層、枯竭的煤層氣（CBM）儲(chǔ)層和工程硬巖儲(chǔ)層等在內(nèi)的大規(guī)模地質(zhì)儲(chǔ)存為長(zhǎng)期能源儲(chǔ)存應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。

科學(xué)家們認(rèn)為，地質(zhì)構(gòu)造是一個(gè)有趣的選擇，因?yàn)樗鼈兛梢詢(xún)?chǔ)存大量的氫氣，以滿足每日或季節(jié)性變化時(shí)高峰和低谷的能源需求。世界各地已有一些已實(shí)施的地下儲(chǔ)氫案例，包括克萊門(mén)斯（美國(guó)）的鹽穹頂、蒂賽德（英國(guó)）和基爾（德國(guó)）的鹽穴儲(chǔ)存項(xiàng)目、貝恩（法國(guó)）和洛博迪采（捷克共和國(guó)）的含水層；以及迪亞德馬（阿根廷）的枯竭氣體儲(chǔ)層。

近期，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)把儲(chǔ)氫的關(guān)注點(diǎn)投向了一個(gè)意想不到的地方——煤炭。他們發(fā)現(xiàn)，煤炭可能是一種潛在的儲(chǔ)氫方式，就像電池儲(chǔ)存能源供未來(lái)使用一樣，解決了發(fā)展清潔能源供應(yīng)鏈的一個(gè)主要障礙。

賓夕法尼亞州立大學(xué)能源與礦物工程副教授劉世民說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)煤炭可以成為一種‘地質(zhì)氫電池’。你可以注入并儲(chǔ)存氫能，并在你需要的時(shí)候就可以使用它?！毕嚓P(guān)研究成果已于近期發(fā)表在了《應(yīng)用能源》上。

圖說(shuō)：煤炭的氫吸附和擴(kuò)散：對(duì)氫地質(zhì)儲(chǔ)存的影響

來(lái)源：Applied Energy

1煤炭如何成為“地質(zhì)氫電池”

眾所周知，煤可以很好地儲(chǔ)存甲烷氣體，因?yàn)樗ㄟ^(guò)稱(chēng)為吸附的過(guò)程粘附在材料上。煤層含有的甲烷等非常規(guī)天然氣，在過(guò)去幾十年里已成為化石燃料能源的重要來(lái)源。

同樣，向煤中注入氫氣會(huì)導(dǎo)致氫氣被煤吸收或粘在煤上。研究人員表示，這些地層的頂部通常有一層頁(yè)巖或泥巖，起到密封的作用。人們可以在需要的時(shí)候，再將甲烷或氫氣抽出來(lái)。

“很多人把煤定義為巖石，但它實(shí)際上是一種聚合物，”劉世民說(shuō)?！八奶己亢芨撸泻芏嘈】?，可以?xún)?chǔ)存更多的氣體。因此，與其他非碳材料相比，煤就像一塊海綿，可以容納更多的氫分子?！?/p>

為了檢驗(yàn)這一理論，研究小組建造了特殊的壓力產(chǎn)生設(shè)備，將氫氣壓入煤中。

圖說(shuō)：用于氫吸附測(cè)量的裝置設(shè)計(jì)和設(shè)置。(a) 改進(jìn)體積法的示意圖，(b) 在實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)裝置

劉世民表示：“我們做了一個(gè)非常新穎且非常具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)。人們對(duì)煤炭已經(jīng)進(jìn)行了充分的研究，近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我們一直在從煤炭中商業(yè)生產(chǎn)天然氣。我們根據(jù)以前在煤和頁(yè)巖方面的經(jīng)驗(yàn)，正確設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)?！?/p>

為了驗(yàn)證有效性，科學(xué)家們對(duì)來(lái)自美國(guó)各地的八種不同類(lèi)型的煤進(jìn)行分析，以更好地了解它們的吸附和抽離氫氣的潛力。研究人員發(fā)現(xiàn)煤炭這種材料表現(xiàn)出了相當(dāng)大的吸附性能并且確實(shí)非常擅長(zhǎng)儲(chǔ)存氫氣，其中來(lái)自弗吉尼亞州東部的低揮發(fā)性煙煤和賓夕法尼亞州東部的無(wú)煙煤在測(cè)試中表現(xiàn)最好。

圖說(shuō)：研究人員選取了美國(guó)各地的八種不同類(lèi)型的煤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

2未來(lái)發(fā)展

劉世民指出，從科學(xué)的角度來(lái)看，煤炭極有可能成為氫氣地質(zhì)封存的最佳選擇，我們發(fā)現(xiàn)煤炭?jī)?yōu)于其他地層，因?yàn)樗梢匀菁{更多，它擁有現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，并且在全國(guó)和人口稠密地區(qū)附近廣泛使用。

圖說(shuō)：研究人員手持煤炭樣品

來(lái)源：賓夕法尼亞州立大學(xué)

根據(jù)目前的研究結(jié)果，科學(xué)家們確定無(wú)煙煤和半無(wú)煙煤是枯竭煤層儲(chǔ)氫的良好候選者，而低揮發(fā)性煙煤更適合瓦斯煤層。

在煤礦社區(qū)開(kāi)發(fā)儲(chǔ)氫可以為這些地區(qū)帶來(lái)新的經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)，同時(shí)也有助于建立國(guó)家的氫基礎(chǔ)設(shè)施。

圖說(shuō)：地質(zhì)構(gòu)造中的氫儲(chǔ)存

“在能源轉(zhuǎn)型中，煤炭社區(qū)在經(jīng)濟(jì)上受到的影響最大，”劉世民說(shuō)?！斑@無(wú)疑是重新利用煤炭地區(qū)的機(jī)會(huì)。他們已經(jīng)擁有專(zhuān)業(yè)知識(shí)——能源工程師和技能，如果我們能夠建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施并改變他們的經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)，這是我們應(yīng)該考慮的事情。”

研究人員表示，未來(lái)的工作將集中在煤的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散率和動(dòng)態(tài)滲透率上，這將幫助他們了解氫能以多快的速度泵入和泵出不同種類(lèi)的煤，并找到更加高效的煤基氫“電池”。