在發(fā)電和輸配電領(lǐng)域，氫的重要性必將不斷提升。它不僅能用來(lái)儲(chǔ)存過(guò)剩的風(fēng)電和太陽(yáng)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(lái)制造用于塑料生產(chǎn)的原料。

這多么浪費(fèi)！在德國(guó)北部，大風(fēng)呼嘯而過(guò)，而附近風(fēng)電場(chǎng)的許多風(fēng)力發(fā)電機(jī)卻靜止不動(dòng)。西門子電解業(yè)務(wù)部的產(chǎn)品專家Erik Wolf指出：“北海沿岸的風(fēng)電場(chǎng)在長(zhǎng)達(dá)20%的時(shí)間里必須停機(jī)，否則就會(huì)產(chǎn)能過(guò)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(lái)生產(chǎn)波動(dòng)。換句話說(shuō)，供應(yīng)并非像傳統(tǒng)發(fā)電廠一樣基于需求。”德國(guó)聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)管理局發(fā)布的監(jiān)測(cè)報(bào)告稱，風(fēng)電以每年增加數(shù)百萬(wàn)千瓦的速度發(fā)展，已令德國(guó)電網(wǎng)不堪重負(fù)。2009年，德國(guó)風(fēng)力發(fā)電量為7,400萬(wàn)度；2010年，這個(gè)數(shù)字增至12,700萬(wàn)度，2011年為42,000萬(wàn)度，2012年為38,500萬(wàn)度。

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(wú)風(fēng)天重新并網(wǎng)的原因所在。隨著德國(guó)越來(lái)越多地利用風(fēng)能和太陽(yáng)能，這種情況越來(lái)越顯著。德國(guó)聯(lián)邦政府表示，該國(guó)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(méi)有大規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)將無(wú)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(guò)剩電力并在需求高峰時(shí)將其重新饋送至電網(wǎng)。德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境部議會(huì)國(guó)務(wù)秘書Katherina Reiche表示：“為了迎接可再生能源系統(tǒng)的未來(lái)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。”當(dāng)然，并非只有德國(guó)存在這種情況。許多其他正在擴(kuò)大利用可再生能源的國(guó)家也需要為其電網(wǎng)配備儲(chǔ)能系統(tǒng)。Wolf補(bǔ)充道：“我們?cè)诘湣⒚绹?guó)等許多地方就此參與詳細(xì)的探討。”

對(duì)于儲(chǔ)存過(guò)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1,300億度電能，這差不多相當(dāng)于德國(guó)年耗電量的四分之一。

地下儲(chǔ)存

在無(wú)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(méi)有輪機(jī)能燃燒純氫——但從2018年起，這項(xiàng)技術(shù)將成為現(xiàn)實(shí)。西門子正在研發(fā)能利用純氫作為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)。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(guò)程中損失，但是風(fēng)電場(chǎng)不會(huì)再因?yàn)楫a(chǎn)能過(guò)剩而停機(jī)。

此外，發(fā)電波動(dòng)問(wèn)題也可得以解決。Wolf說(shuō)：“在德國(guó)，取決于未來(lái)耗電情況，我們將需要多400個(gè)氫氣儲(chǔ)氣穴，每個(gè)儲(chǔ)氣穴的容量為50萬(wàn)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)洞穴多可儲(chǔ)能600億度，大約相當(dāng)于德國(guó)年度電力需求的10%。這足以應(yīng)對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)能或太陽(yáng)能發(fā)電波動(dòng)。英國(guó)和美國(guó)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1,000萬(wàn)歐元至3,000萬(wàn)歐元之間。電力公司還需要投資通常成本在5,000萬(wàn)歐元至7億歐元之間的燃?xì)獍l(fā)電以及電解設(shè)施。

電力公司看到了氫氣技術(shù)的巨大潛力。德國(guó)RWE電力公司研究部的Sebastian Bohnes博士表示：“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(kāi)發(fā)全新的電廠技術(shù)，并運(yùn)營(yíng)越來(lái)越多的風(fēng)電場(chǎng)。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(guò)剩問(wèn)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(guò)剩電能的方式。”這就要求利用電能來(lái)生產(chǎn)富能氣體的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(zhǎng)達(dá)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(lái)，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(kāi)來(lái)——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(shuō)，即使發(fā)電量突然大增，它都可輕松儲(chǔ)存過(guò)剩的電能。”

現(xiàn)在，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（kW）的實(shí)驗(yàn)性電解槽和峰值功率在300 kW左右的初步試驗(yàn)設(shè)施成功基礎(chǔ)上，電解技術(shù)團(tuán)隊(duì)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(gè)總輸出功率高達(dá)6,000千瓦的電解系統(tǒng)將在德國(guó)美因茨開(kāi)展的研究項(xiàng)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(yīng)給燃料電池汽車的加氫站。這樣一來(lái)，便不*液罐車將氫氣運(yùn)送至加氫站，直接在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)即可。

得益于這種新一代電解槽，每千瓦裝機(jī)負(fù)載的氫氣生產(chǎn)成本將從過(guò)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(guò)在設(shè)計(jì)上的進(jìn)一步優(yōu)化，每千瓦成本可降至大大低于900歐元。到那時(shí)，第三代西門子電解槽有望能夠容納10萬(wàn)千瓦電能，將大量的風(fēng)能剩余電力轉(zhuǎn)換成儲(chǔ)能氫氣。一套6-9萬(wàn)千瓦的電解槽就足以轉(zhuǎn)化一家大型風(fēng)電場(chǎng)的過(guò)剩電能。

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。但它還可用于采暖或驅(qū)動(dòng)天然氣汽車。西門子專家Wolf指出：“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(lái)自可再生能源，比如生物質(zhì)工廠，該過(guò)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(lái)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(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(lái)共同開(kāi)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(wàn)歐元，其中1100萬(wàn)來(lái)自德國(guó)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(guò)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(guò)程只產(chǎn)生廢水。CO2RRECT項(xiàng)目經(jīng)理、來(lái)自拜耳公司的Daniel Wichmann說(shuō)：“這種反應(yīng)需要利用拜耳正與科技界合作伙伴聯(lián)手開(kāi)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(jī)化工原料。”

所有這一切的關(guān)鍵在于必須提供足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(guó)北萊茵-威斯特州的Niederaußem，RWE公司運(yùn)營(yíng)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(xiàng)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(shí)際條件下完成試驗(yàn)。對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷狀況和風(fēng)電場(chǎng)的饋電特點(diǎn)進(jìn)行了模擬，并轉(zhuǎn)換為電解性能曲線。模擬大獲成功。項(xiàng)目期間，電解槽滿足動(dòng)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(kù)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(cè)試設(shè)備。該測(cè)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(guò)程被證明有效，通過(guò)這種方式制備的一氧化碳將終投入工業(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。Wichmann指出：“我們想通過(guò)測(cè)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(guò)程結(jié)合在一起。” CO2RRECT項(xiàng)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(xiàng)目成果中獲益。電廠運(yùn)營(yíng)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。終，氣候得到了更好的保護(hù)。Bohnes說(shuō)：“通過(guò)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(guó)每年減排數(shù)百萬(wàn)噸的二氧化碳?xì)怏w。這相當(dāng)于德國(guó)二氧化碳排放總量的1%到2%。”