在發(fā)電和輸配電領域，氫的重要性必將不斷提升。它不僅能用來儲存過剩的風電和太陽能電能，而且可作為汽車燃料。此外，它還能結(jié)合可再生二氧化碳，用來制造用于塑料生產(chǎn)的原料。

這多么浪費！在德國北部，大風呼嘯而過，而附近風電場的許多風力發(fā)電機卻靜止不動。西門子電解業(yè)務部的產(chǎn)品專家Erik Wolf指出：“北海沿岸的風電場在長達20%的時間里必須停機，否則就會產(chǎn)能過剩。這是可再生能源面臨的主要挑戰(zhàn)——因天氣條件變化而帶來生產(chǎn)波動。換句話說，供應并非像傳統(tǒng)發(fā)電廠一樣基于需求。”德國聯(lián)邦網(wǎng)絡管理局發(fā)布的監(jiān)測報告稱，風電以每年增加數(shù)百萬千瓦的速度發(fā)展，已令德國電網(wǎng)不堪重負。2009年，德國風力發(fā)電量為7,400萬度；2010年，這個數(shù)字增至12,700萬度，2011年為42,000萬度，2012年為38,500萬度。

這就是風力發(fā)電機經(jīng)常在大風天停轉(zhuǎn)，二氧化碳排放量大的傳統(tǒng)燃煤電廠在無風天重新并網(wǎng)的原因所在。隨著德國越來越多地利用風能和太陽能，這種情況越來越顯著。德國聯(lián)邦政府表示，該國的目標是到2030年利用可再生能源滿足其50%的電力需求，到2050年滿足其80%的電力需求。這些目標如果沒有大規(guī)模的儲能系統(tǒng)將無法實現(xiàn)。這些儲能系統(tǒng)能儲存風能產(chǎn)生的過剩電力并在需求高峰時將其重新饋送至電網(wǎng)。德國聯(lián)邦環(huán)境部議會國務秘書Katherina Reiche表示：“為了迎接可再生能源系統(tǒng)的未來挑戰(zhàn)，我們需要不同的儲能技術，以滿足從幾秒鐘、幾小時到數(shù)天或數(shù)周的儲能需求。”當然，并非只有德國存在這種情況。許多其他正在擴大利用可再生能源的國家也需要為其電網(wǎng)配備儲能系統(tǒng)。Wolf補充道：“我們在丹麥、美國等許多地方就此參與詳細的探討。”

對于儲存過剩電能，電解技術必將扮演一個關鍵角色。水在電流的作用下分解成氧和氫。在200巴壓力下，氫氣的能量密度堪比鋰離子電池。大量的氫氣可儲存在天然氣儲氣鹽穴中，或者可儲存在現(xiàn)有的天然氣管道中，天然氣管道可輕松地容納5%的氫氣。從純粹數(shù)學意義上而言，單就后者就可儲存以氫氣形式存在的1,300億度電能，這差不多相當于德國年耗電量的四分之一。

地下儲存

在無風天或陰天，氫氣可從鹽穴中抽出，比如輸送給聯(lián)合循環(huán)電廠進行發(fā)電。當然，目前還沒有輪機能燃燒純氫——但從2018年起，這項技術將成為現(xiàn)實。西門子正在研發(fā)能利用純氫作為燃料的燃氣輪機。盡管有大約一半的電能會在電解和燃氣輪機發(fā)電過程中損失，但是風電場不會再因為產(chǎn)能過剩而停機。

此外，發(fā)電波動問題也可得以解決。Wolf說：“在德國，取決于未來耗電情況，我們將需要多400個氫氣儲氣穴，每個儲氣穴的容量為50萬立方米。目前，我們已經(jīng)有了200個可以使用的天然氣儲氣穴。這400個洞穴多可儲能600億度，大約相當于德國年度電力需求的10%。這足以應對較長時間的風能或太陽能發(fā)電波動。英國和美國的兩個小型氫氣儲氣穴已經(jīng)運行多年，充分表明這種儲能形式是安全的。專家預計一套典型氫氣儲能設施的成本在1,000萬歐元至3,000萬歐元之間。電力公司還需要投資通常成本在5,000萬歐元至7億歐元之間的燃氣發(fā)電以及電解設施。

電力公司看到了氫氣技術的巨大潛力。德國RWE電力公司研究部的Sebastian Bohnes博士表示：“我們希望實現(xiàn)大幅度的二氧化碳減排。因此，我們正在開發(fā)全新的電廠技術，并運營越來越多的風電場。如今，風力發(fā)電機由于電網(wǎng)瓶頸而被迫時常停機。隨著可再生能源利用規(guī)模的擴大，產(chǎn)能過剩問題必將日益突出。電解技術提供了一種有趣的以氫氣形式儲存過剩電能的方式。”這就要求利用電能來生產(chǎn)富能氣體的電解槽能夠迅速響應波動的電能。迄今為止，響應時間長達數(shù)分鐘的現(xiàn)有系統(tǒng)都太慢。

靈活的氫氣工廠

為此，多年來，西門子中央研究院的研究人員一直在研究一種更為靈活的替代性電解技術。在這種電解槽中，質(zhì)子交換膜（PEM）將兩個分別分解產(chǎn)生氧和氫的電極隔離開來——這與傳統(tǒng)的堿性電解技術正好相反。“我們的PEM電解槽可在幾毫秒內(nèi)作出響應，并可短時運行于三倍于其額定功率的功率水平下。換句話說，即使發(fā)電量突然大增，它都可輕松儲存過剩的電能。”

現(xiàn)在，西門子的PEM技術已經(jīng)足夠成熟，能走出實驗室投入實際應用。在額定功率為10千瓦（kW）的實驗性電解槽和峰值功率在300 kW左右的初步試驗設施成功基礎上，電解技術團隊目前正在研制第二代產(chǎn)品——額定功率為1,250千瓦、峰值功率為2,100千瓦的壓力電解槽。2015年7月，三個總輸出功率高達6,000千瓦的電解系統(tǒng)將在德國美因茨開展的研究項目中投入使用。它們利用可再生能源發(fā)電而生產(chǎn)出的氫氣，將作為蓄能介質(zhì)成為電網(wǎng)的組成部分。這些氫氣還可用于工業(yè)生產(chǎn)，以及供應給燃料電池汽車的加氫站。這樣一來，便不*液罐車將氫氣運送至加氫站，直接在現(xiàn)場生產(chǎn)即可。

得益于這種新一代電解槽，每千瓦裝機負載的氫氣生產(chǎn)成本將從過去10,000歐元以上，降至大大低于每千瓦2,000歐元。遲至2018年，通過在設計上的進一步優(yōu)化，每千瓦成本可降至大大低于900歐元。到那時，第三代西門子電解槽有望能夠容納10萬千瓦電能，將大量的風能剩余電力轉(zhuǎn)換成儲能氫氣。一套6-9萬千瓦的電解槽就足以轉(zhuǎn)化一家大型風電場的過剩電能。

這凸顯了氫的一大優(yōu)勢：多用途。它可重新轉(zhuǎn)化為電能，可用于驅(qū)動汽車，或者進行“甲烷化”——氫與二氧化碳作用形成天然氣主要成分甲烷。氫氣中的能量因此可儲存在現(xiàn)有的天然氣分配基礎設施中。但它還可用于采暖或驅(qū)動天然氣汽車。西門子專家Wolf指出：“甲烷化從原則上而言是個好主意。但是即使氫和二氧化碳來自可再生能源，比如生物質(zhì)工廠，該過程也僅僅實現(xiàn)了碳中和。不要忘了將氫氣轉(zhuǎn)化成甲烷也需要能量，因此，就能量角度而言，直接利用氫氣更有意義。”

氣體夢之隊

氫不僅是很好的能量載體，而且是化工行業(yè)重要的原材料——目前主要來自天然氣。一方面，必須使利用可再生能源剩余電力生產(chǎn)氫氣的成本接近于利用天然氣生產(chǎn)氫氣。另一方面，希望有朝一日氫氣能與溫室氣體二氧化碳組成一個真正的“夢之隊”。二氧化碳如何結(jié)合可再生能源用于化工生產(chǎn)是西門子、RWE、拜耳科技服務、拜耳材料科技和其他10個合作伙伴自2010年來共同開展的一個研究項目的主題。這個被稱之為CO2RRECT（利用可再生能源和催化技術實現(xiàn)二氧化碳反應）的項目總投資1800萬歐元，其中1100萬來自德國聯(lián)邦教育研究部。

CO2RRECT項目的基本理念是，作為化工行業(yè)重要中間產(chǎn)品的一氧化碳（CO）過去取自礦物能源，現(xiàn)在可取而代之利用二氧化碳和氫氣制備。這個過程只產(chǎn)生廢水。CO2RRECT項目經(jīng)理、來自拜耳公司的Daniel Wichmann說：“這種反應需要利用拜耳正與科技界合作伙伴聯(lián)手開發(fā)的特殊催化劑。利用不同的催化劑，還可生產(chǎn)甲酸，這也是一種重要的基本有機化工原料。”

所有這一切的關鍵在于必須提供足量的二氧化碳和氫氣——這是項目合作伙伴西門子和RWE的職責所在。在德國北萊茵-威斯特州的Niederaußem，RWE公司運營著一家褐煤電廠，該電廠裝備了一套從工廠排放中抽取二氧化碳的系統(tǒng)。這些二氧化碳提供給研究人員以供研究之用。

作為這項工作的一部分，西門子已于2012年底在Niederaußem安裝一套電解槽，并在實際條件下完成試驗。對電網(wǎng)負荷狀況和風電場的饋電特點進行了模擬，并轉(zhuǎn)換為電解性能曲線。模擬大獲成功。項目期間，電解槽滿足動態(tài)要求，生產(chǎn)出6噸氫氣供用作原料。

從二氧化碳到塑料

在勒沃庫森，拜耳及其合作伙伴Invite正在建造一套在2014年投入使用的測試設備。該測試設備將利用二氧化碳和氫氣制備一氧化碳。如果制備過程被證明有效，通過這種方式制備的一氧化碳將終投入工業(yè)應用——比如生產(chǎn)異氰酸脂。這些有機化合物可作為生產(chǎn)聚亞安酯的原材料，而聚亞安酯廣泛用于從汽車、家具到隔音等各種用途。Wichmann指出：“我們想通過測試設備表明波動性的氫氣生產(chǎn)可與化工行業(yè)所需的恒定過程結(jié)合在一起。” CO2RRECT項目已于2013年底圓滿結(jié)束。到目前為止，化工公司和能源生產(chǎn)商已經(jīng)從項目成果中獲益。電廠運營商可充分利用抽取的二氧化碳，而不是僅僅在地下封存。他們還可省去排放許可費。而塑料生產(chǎn)商可減少對石油的依賴。終，氣候得到了更好的保護。Bohnes說：“通過CO2RRECT項目和對該技術進行的不斷改進，有可能使德國每年減排數(shù)百萬噸的二氧化碳氣體。這相當于德國二氧化碳排放總量的1%到2%。”