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時間：2018-12-26

電解制氫：用途較廣泛的燃料

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*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較主要挑戰(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?！钡聡?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，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**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?！碑斎唬⒎侵挥械聡嬖谶@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，我們將需要較多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個洞穴較多可儲能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。*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)全新的高效電廠技術，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**。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*研究院的研究人員一直在研究一種較為靈活的替代性電解技術。在這種電解槽中，質子交換膜（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?！拔覀兊腜EM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*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，便不必用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**每千瓦2,000歐元。較遲至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**900歐元。到那時，*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換成儲能氫氣。一套6-9萬千瓦的電解槽就足以轉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。它可重新轉化為電能，可用于驅動汽車，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動天然氣汽車。西門子*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，比如生物質工廠，該過程也僅僅實現(xiàn)了碳中和。不要忘了將氫氣轉化成甲烷也需要能量，因此，就能量角度而言，直接利用氫氣較有意義?！?

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**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-威斯特法倫州的Niederau?em，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Niederau?em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較終投入工業(yè)應用——比如生產(chǎn)異氰酸脂。這些**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)所需的恒定過程結合在一起?！?CO2RRECT項目已于2013年底圓滿結束。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。較終，氣候得到了較好的保護。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%?！?

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