氢气，作为一种多功能的清洁能源载体和化学原料，可以帮助我们实现能源生产和最终使用的创新，从而实现经济中运输、发电、制造等能源密集且难以脱碳的部门脱碳。此外，当它被用作燃料时，它唯一的输出就是水，因此被视为目前正在探索的最有前途的清洁燃料来源之一。
全面的氢经济需要大容量储能系统来储存多余的能量作为缓冲并不断满足需求。然而，由于氢在许多材料中的高扩散性、高成本和低储存效率，如何储存氢成为了氢气应用时仍然存在的一个悬而未决的难题。
目前，包括盐穴、含盐蓄水层、枯竭的天然气或石油储层、枯竭的煤层气（CBM）储层和工程硬岩储层等在内的大规模地质储存为长期能源储存应用提供了机会。
科学家们认为，地质构造是一个有趣的选择，因为它们可以储存大量的氢气，以满足每日或季节性变化时高峰和低谷的能源需求。世界各地已有一些已实施的地下储氢案例，包括克莱门斯（美国）的盐穹顶、蒂赛德（英国）和基尔（德国）的盐穴储存项目、贝恩（法国）和洛博迪采（捷克共和国）的含水层；以及迪亚德马（阿根廷）的枯竭气体储层。
近期，美国宾夕法尼亚州立大学的研究团队把储氢的关注点投向了一个意想不到的地方——煤炭。他们发现，煤炭可能是一种潜在的储氢方式，就像电池储存能源供未来使用一样，解决了发展清洁能源供应链的一个主要障碍。
宾夕法尼亚州立大学能源与矿物工程副教授刘世民说：“我们发现煤炭可以成为一种‘地质氢电池’。你可以注入并储存氢能，并在你需要的时候就可以使用它。”相关研究成果已于近期发表在了《应用能源》上。
图说：煤炭的氢吸附和扩散：对氢地质储存的影响
来源：Applied Energy
1煤炭如何成为“地质氢电池”
众所周知，煤可以很好地储存甲烷气体，因为它通过称为吸附的过程粘附在材料上。煤层含有的甲烷等非常规天然气，在过去几十年里已成为化石燃料能源的重要来源。
同样，向煤中注入氢气会导致氢气被煤吸收或粘在煤上。研究人员表示，这些地层的顶部通常有一层页岩或泥岩，起到密封的作用。人们可以在需要的时候，再将甲烷或氢气抽出来。
“很多人把煤定义为岩石，但它实际上是一种聚合物，”刘世民说。“它的碳含量很高，有很多小孔，可以储存更多的气体。因此，与其他非碳材料相比，煤就像一块海绵，可以容纳更多的氢分子。”
为了检验这一理论，研究小组建造了特殊的压力产生设备，将氢气压入煤中。
图说：用于氢吸附测量的装置设计和设置。(a) 改进体积法的示意图，(b) 在实验室中的实验装置
刘世民表示：“我们做了一个非常新颖且非常具有挑战性的设计。人们对煤炭已经进行了充分的研究，近半个世纪以来，我们一直在从煤炭中商业生产天然气。我们根据以前在煤和页岩方面的经验，正确设计了一个实验系统并进行了反复试验。”
为了验证有效性，科学家们对来自美国各地的八种不同类型的煤进行分析，以更好地了解它们的吸附和抽离氢气的潜力。研究人员发现煤炭这种材料表现出了相当大的吸附性能并且确实非常擅长储存氢气，其中来自弗吉尼亚州东部的低挥发性烟煤和宾夕法尼亚州东部的无烟煤在测试中表现最好。
图说：研究人员选取了美国各地的八种不同类型的煤进行实验
2未来发展
刘世民指出，从科学的角度来看，煤炭极有可能成为氢气地质封存的最佳选择，我们发现煤炭优于其他地层，因为它可以容纳更多，它拥有现有的基础设施，并且在全国和人口稠密地区附近广泛使用。
图说：研究人员手持煤炭样品
来源：宾夕法尼亚州立大学
根据目前的研究结果，科学家们确定无烟煤和半无烟煤是枯竭煤层储氢的良好候选者，而低挥发性烟煤更适合瓦斯煤层。
在煤矿社区开发储氢可以为这些地区带来新的经济机会，同时也有助于建立国家的氢基础设施。
图说：地质构造中的氢储存
“在能源转型中，煤炭社区在经济上受到的影响最大，”刘世民说。“这无疑是重新利用煤炭地区的机会。他们已经拥有专业知识——能源工程师和技能，如果我们能够建设基础设施并改变他们的经济机会，这是我们应该考虑的事情。”
研究人员表示，未来的工作将集中在煤的动态扩散率和动态渗透率上，这将帮助他们了解氢能以多快的速度泵入和泵出不同种类的煤，并找到更加高效的煤基氢“电池”。
