西门子的新设计的制氢电解槽非常灵活,可采用风力涡轮机的间歇性电源运行。
如果德国要实现它雄心勃勃的目标,就是2020年,三分之一的电力来自可再生能源,2050年达到80%,那就必须找到一种方法来存储大量的电力,以弥补可再生能源的间歇性。

德国每年损失20%的风力发电,因为不具备足够的传输容量。来源:麻省理工科技创业
西门子公司(Siemens)说,它正好有这样的技术:就是电解器设备,每个设备尺寸就像一所大仓库,可以分解水,制备氢气。在没有风发电的时候,这些氢可用于燃气电厂,也可用于驱动汽车。 生产氢气是一种低效的储能方式,在制氢和用氢发电的过程中,大约会损失三分之二的电力。但是,西门子公司说,在德国,它是唯一的储能选择,可以达到未来所需的规模。 不像传统的工业电解槽那样需要相当稳定的电源,以有效地分解水,西门子的新设计非常灵活,运行时可以采用风力涡轮机的间歇性电源。它依靠的是质子交换膜技术,类似于汽车燃料电池使用的技术,它可以运行在差别很大的功率水平。这些电解槽也可以暂时运行在两到三倍的额定功率水平,这很有用,可适应大风天的电涌。
德国有领先世界的太阳能安装容量,它不只是关注气候变化。他们领导人认为,从长远来看,可再生能源会比化石燃料便宜,因此,会给国家带来经济优势,柏林自由大学(Freie Universität Berlin)环境政策研究中心主任米兰达•西罗斯(Miranda Schreurs)说。德国会作为一个测试案例,以说明工业化国家的竞争是否可依赖可再生能源。
德国转向可再生能源的另一个原因,是为了实现它的减排目标,温室气体到2020年减少40%,这是相对于1990年的水平而言,到2050年减少80%。其他一些国家也有同样雄心勃勃的二氧化碳减排目标,但是,德国脱颖而出,因为德国是一个庞大的经济体,依赖廉价的电力,生产工业品。它已决定,不再使用核电作为稳定的无碳电力来源。它也不会在很大程度上依赖天然气,天然气排放的二氧化碳约是煤炭的一半。天然气在欧洲比在美国更昂贵,而且是来自俄罗斯这样的国家,并不能提供可靠的供应。
保持低成本电力,同时又要转向可再生能源,这是很难的。太阳能发电昂贵的多,远远超过化石燃料发电,特别是在德国,在那里,天空常常是阴天。风力发电与化石燃料发电几乎一样便宜,这就是为什么德国开始转变政策,有利于风电,但是,就像太阳能一样,风电也是间歇性的:即使是位置最好的风力涡轮机,也只有三分之一的时间可发电。
因此,要确保可靠的电力供应,就需要安装高压电线,获取日照多风大的地方的可再生能源,传输到需要能源的地方。德国一直在努力奋战,因为它只有有限的能力,传输现有的可再生能源,这约占它电力的20%:它会损失20%的风力发电,因为不具备足够的传输容量。
可再生能源需要规模非常大的储能。最经济实惠的电力存储方式,就是用电把水抽到山上,然后,在需要用电时,让水再流下来,驱动涡轮机和发电机旋转。但是,这适用的地方必须有山和水坝,而德国大部分地区是平坦的。
现在,德国的抽水蓄水总量约40千兆瓦小时,还不到晴天或大风天一个小时产生的可再生能源,迈克尔•维侯尔德(Michael Weinhold)说,他是西门子能源公司的首席技术官。“它们也不是为了缓冲数小时或几天甚至几周的波动。” 眼下,电池过于昂贵,而且生产得不够多,不能适应所需的规模。需要百万计的电动车电池容量,才能相当于现有的抽水蓄水容量。
但是,德国确实可以存储大量的氢,因为有可能把少量的氢混入现有的天然气管道和贮存容器。这就提供了足够的容量,可存储约两个星期生产的可再生能源,这就是目前德国的情况。盐穴可以提供更多的存储,其中有一些现在就用来存储德国的战略石油储备。
西门子估计,使用可再生能源产生85%的德国电力,就需要30000千兆瓦小时的存储。要适应这么多的电力,所需的氢可储存在现有地下洞室中,占用四分之一的空间。氢的传输最初可使用现有的天然气管道,最终采用专用管道。
西门子表示,其电解槽效率是60%左右;风力发电机产生的能量会损失40%,因为要制备氢气。然后,氢至少会失去40%的能量,用于发电,这要采用燃气电厂或燃料电池。因此,只能保留约三分之一的原始能量。但是,维侯尔德说,这一系统是用电制氢,否则,这些电也不能用于电网,因此,没有这样的存储系统,这些电就会被浪费。
除了低效之外,这种系统也会比较昂贵。燃料电池成本高是一个关键因素,使它们没有广泛用于汽车。但是,维侯尔德说,西门子公司正在努力降低成本。今年,西门子在进行技术试点示范,计划到2015年销售两兆瓦的系统,而且在2018年之前,要建立250兆瓦的大型系统。最大的工厂可以利用大约100个风力涡轮机产生的电力。