氫能是儲存太陽能和風(fēng)能最佳方案嗎？

在過去 20 年中，在使用凈零技術(shù)減少碳排放和替代化石燃料的競賽中，世界各地采取了許多舉措來部署更環(huán)保的解決方案。盡管令人印象深刻，但可再生能源的加速發(fā)展不足以完全補(bǔ)償我們不斷發(fā)展的社會所需的水平。能源轉(zhuǎn)型非常復(fù)雜，2021年聯(lián)合國氣候變化大會(COP26)凸顯各國發(fā)展、碳減排難結(jié)合，暴露“政治決策”不顧全大局——不提及新冠疫情后能源需求的增長石油和天然氣價(jià)格上漲迫使以煤為動力的中央空調(diào)重新啟動以滿足需求。許多電力設(shè)計(jì)師對有前途的核聚變技術(shù)寄予厚望，但在該技術(shù)兌現(xiàn)承諾之前，傳統(tǒng)的可再生能源——主要是太陽能和風(fēng)能——將繼續(xù)擴(kuò)大，這意味著需要和發(fā)展長期儲能 (LDES) ) 以優(yōu)化隨時(shí)產(chǎn)生的能量以平衡的方式供應(yīng)電網(wǎng)。LDES 是一個(gè)非常有趣的領(lǐng)域，如果我們都有電池來儲存能量，那么在考慮儲存數(shù)兆瓦時(shí)，必須探索其他解決方案，而在這方面，氫正在獲得很多關(guān)注。

從完全控制到可變能源供應(yīng)

幾個(gè)世紀(jì)以來，傳統(tǒng)發(fā)電站、煤炭、石油、天然氣、核能和水力發(fā)電向電網(wǎng)輸送穩(wěn)定且控制良好的能源。電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商 (ENO) 能夠以良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性平衡生產(chǎn)以滿足需求。引入依賴于氣象條件的能源改變了能源管理的格局及其可預(yù)測性，要求 ENO 在方程式中添加一個(gè)變量，使“簡單”變得更加“復(fù)雜”。當(dāng)可再生能源的數(shù)量超過需求時(shí)，或者當(dāng)預(yù)測的供應(yīng)因天氣條件而沒有達(dá)到預(yù)期時(shí)，復(fù)雜性就會增加。那么今天是什么情況，為什么要考慮LDES呢?

風(fēng)神的力量和跟腱

根據(jù)國際能源署 (IEA) 的最新報(bào)告，風(fēng)力發(fā)電量在 2020 年增長了近 11% (170 TWh)，達(dá)到 1,592 TWh。這一增長依賴于中國和美國的大規(guī)模部署，盡管歐洲也有許多大功率風(fēng)電場正在開展重大項(xiàng)目，例如瑞典陸上 Markbygden 1101 風(fēng)電場，建成后預(yù)計(jì)將產(chǎn)生高達(dá) 3.4 吉瓦的電力，供應(yīng)瑞典 8% 的電力，并成為綠色氫能的參與者。

對可再生能源的高需求促使風(fēng)力渦輪機(jī)制造商開發(fā)用于海上風(fēng)電場的巨型渦輪機(jī)。領(lǐng)先的風(fēng)力渦輪機(jī)制造商開發(fā)出功率超過 14 兆瓦的巨型發(fā)電機(jī)，高度為 280 米，葉片跨度為 115.5 米，總高度大約與埃菲爾鐵塔一樣高。預(yù)計(jì)單個(gè)渦輪機(jī)的能量輸出可提供足夠的電力供應(yīng) 20,000 戶家庭，并在一年內(nèi)減少相當(dāng)于 9,000 輛汽車的排放量。許多使用巨型風(fēng)力渦輪機(jī)的項(xiàng)目已獲批準(zhǔn)，例如，距離英格蘭東北海岸 130 公里的多格河岸風(fēng)電場，建成后將提供 3.6 GW 的電力，能夠?yàn)槎噙_(dá) 600 萬戶家庭供電。類似的離岸項(xiàng)目正在丹麥、荷蘭和波羅的海進(jìn)行。

如前所述，管理可再生能源以滿足需求非常復(fù)雜，除了天氣條件外，ENO 在競爭激烈的市場中還面臨價(jià)格挑戰(zhàn)。我們都注意到，當(dāng)風(fēng)力條件非常好時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，并問自己為什么會這樣。這種情況通常發(fā)生在供大于求、價(jià)格低于盈虧平衡水平或電網(wǎng)無法容納供應(yīng)過剩時(shí)。另外，在夜間需求低、風(fēng)力好的時(shí)候，傳統(tǒng)風(fēng)電場的運(yùn)行效率很低，這當(dāng)然是一個(gè)遺憾。在這種情況下，儲存多余的可用能量或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為氫氣會更好。

人們理所當(dāng)然地認(rèn)為風(fēng)總是會吹來并足以產(chǎn)生千兆瓦的電力，但情況可能不再如此。從 2021 年 4 月到 9 月，歐洲經(jīng)歷了長時(shí)間的干燥天氣和低風(fēng)速。一家英國電力公司表示，他們的可再生資產(chǎn)產(chǎn)生的電力比預(yù)期少 32%，德國被迫啟動幾個(gè)燃煤發(fā)電站?，F(xiàn)在確定這是否是氣候變化的影響還為時(shí)過早，但 HC Bloomfield 在 2018 年進(jìn)行的研究引發(fā)了人們對風(fēng)能對可再生能源可能產(chǎn)生的影響的擔(dān)憂。這是考慮 LDES 的另一個(gè)原因，但在這里，我們談?wù)摰氖情L期到很長一段時(shí)間內(nèi)的許多千兆瓦，傳統(tǒng)電池不適合或太昂貴。

用于 LDES 的氫氣

所有 27 個(gè)歐盟成員國都承諾到 2050 年將歐盟變成第一個(gè)氣候中和的大陸。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們承諾到 2030 年將排放量與 1990 年的水平相比至少減少 55%。所謂的歐洲綠色協(xié)議肯定旨在減少碳排放，同時(shí)也減少對外部能源的依賴。這意味著電氣化的加速，歐洲在向氣候中和過渡的過程中將看到電力需求激增。在歐盟，到 2050 年，電力需求將增加一倍以上，從目前的 3,000 TWh 增加到 6,800 TWh。可再生能源將非常重要，而風(fēng)能將是這一轉(zhuǎn)變的核心。如今，風(fēng)能占?xì)W洲電力結(jié)構(gòu)的 16%，預(yù)計(jì)到 2050 年將達(dá)到 50%。

要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，光靠發(fā)電是不夠的，還必須考慮LDES。正如歐盟報(bào)告“對歐洲電力供應(yīng)安全的貢獻(xiàn)”中所述，儲能對于搭建可再生能源與用戶之間的橋梁非常重要。歐盟開發(fā)氫谷的大型項(xiàng)目正在進(jìn)行中;例如，NorthH2 展示了從可再生能源中產(chǎn)生綠色氫氣的可能性，將大量氫氣儲存在從鹽礦床中挖出的洞穴中，然后作為原材料分發(fā)給用戶，包括通過燃料電池發(fā)電。

如果將電能轉(zhuǎn)化為氫氣，然后再轉(zhuǎn)化為電能，似乎是一個(gè)低效的解決方案，我們應(yīng)該考慮整體生態(tài)系統(tǒng)和整體成本。因?yàn)橥瑯?，擁有千兆瓦級風(fēng)電場處于待機(jī)狀態(tài)效率低下，而且在“風(fēng)旱”期間無法輸送能源的成本非常高，而且還需要長期保持燃煤發(fā)電的風(fēng)險(xiǎn)。燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)是被考慮使用氫氣發(fā)電的解決方案，毫無疑問，這將成為歐盟向氣候中和過渡的主要貢獻(xiàn)者。我們才剛剛開始?xì)淠茉疵半U(xiǎn)，它將成為實(shí)現(xiàn)凈零排放的主要障礙。