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對(duì)于發(fā)電和輸電而言，氫的重要性必將不斷提升。它不僅能用來儲(chǔ)存過剩的風(fēng)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，制備用于塑料生產(chǎn)的原料。
這多么浪費(fèi)！在德國北部，大風(fēng)呼嘯而過，而附近風(fēng)電場的許多風(fēng)力發(fā)電機(jī)卻靜止不動(dòng)。“北海沿岸的風(fēng)能場在長達(dá)20%的時(shí)間里必須停機(jī)，否則就會(huì)產(chǎn)能過剩。”西門子太陽能及水能部技術(shù)戰(zhàn)略師Erik Wolf表示，“這是可再生能源面臨的最主要挑戰(zhàn)——因天氣條件變化而帶來生產(chǎn)波動(dòng)。換句話說，供應(yīng)并非像傳統(tǒng)發(fā)電廠一樣基于需求。”德國風(fēng)能協(xié)會(huì)估計(jì)2010年德國電網(wǎng)無法承受150吉瓦時(shí)的風(fēng)電，因?yàn)殡娋W(wǎng)已經(jīng)全負(fù)荷運(yùn)行。
這就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)常在大風(fēng)天停轉(zhuǎn)，二氧化碳排放量大的傳統(tǒng)燃煤電廠在無風(fēng)天重新并網(wǎng)的原因所在。隨著德國越來越多地利用風(fēng)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(biāo)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(biāo)如果沒有大規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)將無法實(shí)現(xiàn)。這些儲(chǔ)能系統(tǒng)能儲(chǔ)存風(fēng)能產(chǎn)生的過剩電力并在需要時(shí)將其重新饋送至電網(wǎng)。“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(chǔ)能技術(shù)，以滿足從幾秒鐘、幾小時(shí)到數(shù)天或數(shù)周的儲(chǔ)能需求。”德國環(huán)境部議會(huì)國務(wù)秘書Katherina Reiche指出。
當(dāng)然，并非只有德國存在這種情況。許多其他正在擴(kuò)大利用可再生能源的國家也需要為其電網(wǎng)配備儲(chǔ)能系統(tǒng)。“我們?cè)诘?、美國等許多地方就此進(jìn)行了詳細(xì)的探討。”Wolf補(bǔ)充道。
對(duì)于儲(chǔ)存過剩電能，電解技術(shù)必將扮演一個(gè)關(guān)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(chǔ)存在天然氣儲(chǔ)氣鹽穴中，或者可儲(chǔ)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(xué)意義上而言，單就后者就可儲(chǔ)存以氫氣形式存在的130太瓦時(shí)電能，這差不多相當(dāng)于德國年耗電量的四分之一。
地下儲(chǔ)存。在無風(fēng)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(jìn)行發(fā)電。當(dāng)然，目前還沒有輪機(jī)能燃燒純氫——但是西門子希望能在2014年推出這種輪機(jī)原型。盡管有大約一半的電能會(huì)在電解和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電過程中損失，但是風(fēng)電場不會(huì)再因?yàn)楫a(chǎn)能過剩而停機(jī)。
此外，發(fā)電波動(dòng)問題也可得以解決。“在德國，根據(jù)能源結(jié)構(gòu)以及到2050年的電力需求，我們將需要最多400個(gè)氫氣儲(chǔ)氣穴，每個(gè)儲(chǔ)氣穴的容量為50萬立方米。目前，我們已經(jīng)有了200個(gè)可以使用的天然氣儲(chǔ)氣穴。這400個(gè)洞穴最多可儲(chǔ)能60太瓦時(shí)，大約相當(dāng)于德國年度電力需求的10%。這足以應(yīng)對(duì)較長時(shí)間的風(fēng)能或太陽能發(fā)電波動(dòng)。”Wolf說道。
英國和美國的兩個(gè)小型氫氣儲(chǔ)氣穴已經(jīng)運(yùn)行多年，充分表明這種儲(chǔ)能形式是安全的。專家預(yù)計(jì)一套典型氫氣儲(chǔ)能設(shè)施的成本在1000萬歐元至3000萬歐元之間。電力公司還需要投資通常成本在5000萬歐元至7億歐元之間的燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施。
電力公司看到了氫氣技術(shù)的巨大潛力。“我們希望實(shí)現(xiàn)大幅度的二氧化碳減排。因此，我們正在開發(fā)全新的高效電廠技術(shù)，并運(yùn)營越來越多的風(fēng)電場。”德國RWE電力公司研究部的Sebastian Bohnes博士表示，“如今，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于電網(wǎng)瓶頸而被迫時(shí)常停機(jī)。隨著可再生能源利用規(guī)模的擴(kuò)大，產(chǎn)能過剩問題必將日益突出。電解技術(shù)提供了一種有趣的以氫氣形式儲(chǔ)存過剩電能的方式。”這就要求電解槽能夠迅速響應(yīng)波動(dòng)的電能。迄今為止，響應(yīng)時(shí)間長達(dá)數(shù)分鐘的現(xiàn)有系統(tǒng)都太慢。
靈活的氫氣工廠。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(shù)。在這種電解槽中，質(zhì)子交換膜（PEM）將兩個(gè)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(shù)正好相反。“我們的PEM電解槽可在幾毫秒內(nèi)作出響應(yīng)，并可短時(shí)運(yùn)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(chǔ)存過剩的電能。”西門子工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域氫氣解決方案業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Roland Käppner指出。
西門子的PEM技術(shù)已經(jīng)足夠成熟，能走出實(shí)驗(yàn)室投入實(shí)際應(yīng)用。在額定功率為10千瓦的實(shí)驗(yàn)性電解槽成功基礎(chǔ)之上，Käppner的團(tuán)隊(duì)正在研究額定功率為0.1兆瓦（峰值功率為0.3兆瓦）的新電解槽。它將能每小時(shí)產(chǎn)生2到6千克氫氣，計(jì)劃在2012年底投入運(yùn)行。“我們優(yōu)化了設(shè)計(jì)以及所有外圍設(shè)備，比如控制系統(tǒng)和電源。我們還努力利用創(chuàng)新材料和結(jié)構(gòu)特征大幅降低成本。” Käppner在描述將該系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用過程所作的努力時(shí)這樣說道。
通過電解工藝生產(chǎn)氫氣的成本依然高達(dá)每千瓦1萬歐元。通過在設(shè)計(jì)上的進(jìn)一步優(yōu)化，Käppner希望最晚到2018年將每千瓦成本降到1000歐元以下。到那時(shí)，第三代西門子電解槽有望能夠容納100兆瓦電能，將大量的風(fēng)能剩余電力轉(zhuǎn)換成儲(chǔ)能氫氣。一套60-90兆瓦的電解槽就足以轉(zhuǎn)化一家大型風(fēng)電場的過剩電能。
上圖：西門子預(yù)計(jì)在2018年前推出能應(yīng)對(duì)最高100兆瓦的電解槽。
在0.1兆瓦和100兆瓦系統(tǒng)之間，Käppner打算開發(fā)一款中間產(chǎn)品。這將是一款額定功率為2兆瓦的電解槽，計(jì)劃在2015年投入運(yùn)行。除了儲(chǔ)能和穩(wěn)定電網(wǎng)外，該系統(tǒng)還適合用于未來的汽車加氫站。這還可避免氫氣的運(yùn)輸過程，因?yàn)闅淙剂暇驮诩託湔旧a(chǎn)——利用電網(wǎng)的剩余電能和自來水。“知名汽車廠商正在緊鑼密鼓地籌劃投產(chǎn)氫燃料電池汽車。這種汽車上市后，就可利用由可再生能源生產(chǎn)的氫氣。”
這凸顯了氫的一大優(yōu)勢(shì)：多用途。它可重新轉(zhuǎn)化為電能，可用于驅(qū)動(dòng)汽車，或者進(jìn)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(chǔ)存在現(xiàn)有的天然氣分配基礎(chǔ)設(shè)施中。但它還可用于驅(qū)動(dòng)天然氣汽車。“甲烷化從原則上而言是個(gè)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(shí)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(mèng)之隊(duì)。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，希望有一天氫能與溫室氣體二氧化碳組成一個(gè)真正的“夢(mèng)之隊(duì)”。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(wù)、拜耳材料科技和其他10個(gè)合作伙伴自2010年來共同開展的一個(gè)研究項(xiàng)目的主題。這個(gè)被稱之為CO2RRECT（利用可再生能源和催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)二氧化碳反應(yīng)）的項(xiàng)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(xiàng)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(gè)過程只產(chǎn)生廢水。“這種反應(yīng)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，”CO2RRECT項(xiàng)目*經(jīng)理來自拜耳公司的Daniel Wichmann說道，“利用不同的催化劑，還可生產(chǎn)甲酸，這是一種基本有機(jī)化工原料。”
所有這一切的關(guān)鍵在于必須提供足夠數(shù)量的二氧化碳和氫氣——這是項(xiàng)目合作伙伴西門子和RWE的職責(zé)所在。在德國北萊茵-威斯特的Niederaußem，RWE公司運(yùn)營著一家褐煤電廠，該電廠裝備了一套從煙氣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(xiàng)工作的一部分，西門子將在2012年底在這里安裝一套電解槽，并在真實(shí)條件下進(jìn)行測試。“我們將模擬電網(wǎng)負(fù)荷狀況和風(fēng)電場的饋電特點(diǎn)。這樣我們就能弄清電解槽是否能應(yīng)對(duì)電力生產(chǎn)的波動(dòng)。”RWE專家Bohnes表示。
從二氧化碳到塑料。在勒沃庫森，拜耳及其合作伙伴Invite正在建造一套測試設(shè)備，預(yù)計(jì)于2013年底投入使用。該測試設(shè)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最終投入工業(yè)應(yīng)用——比如生產(chǎn)異氰酸脂。這些有機(jī)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。“我們想通過測試設(shè)備表明波動(dòng)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。”Wichmann指出。
CO2RRECT項(xiàng)目將持續(xù)到2013年底。目前，化工公司和能源生產(chǎn)商已經(jīng)從項(xiàng)目成果中獲益。電廠運(yùn)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(fèi)。而塑料生產(chǎn)商可減少對(duì)石油的依賴。最終，氣候得到了更好的保護(hù)。“通過CO2RRECT項(xiàng)目和對(duì)該技術(shù)進(jìn)行的不斷改進(jìn)，有可能使德國每年減排二氧化碳數(shù)百萬噸。這相當(dāng)于德國二氧化碳排放總量的1%到2%。”Bohnes說道。