氢能是储存太阳能和风能最佳方案吗？

在过去 20 年中，在使用净零技术减少碳排放和替代化石燃料的竞赛中，世界各地采取了许多举措来部署更环保的解决方案。尽管令人印象深刻，但可再生能源的加速发展不足以完全补偿我们不断发展的社会所需的水平。能源转型非常复杂，2021年联合国气候变化大会(COP26)凸显各国发展、碳减排难结合，暴露“政治决策”不顾全大局——不提及新冠疫情后能源需求的增长石油和天然气价格上涨迫使以煤为动力的中央空调重新启动以满足需求。许多电力设计师对有前途的核聚变技术寄予厚望，但在该技术兑现承诺之前，传统的可再生能源——主要是太阳能和风能——将继续扩大，这意味着需要和发展长期储能 (LDES) ) 以优化随时产生的能量以平衡的方式供应电网。LDES 是一个非常有趣的领域，如果我们都有电池来储存能量，那么在考虑储存数兆瓦时，必须探索其他解决方案，而在这方面，氢正在获得很多关注。

从完全控制到可变能源供应

几个世纪以来，传统发电站、煤炭、石油、天然气、核能和水力发电向电网输送稳定且控制良好的能源。电力网络运营商 (ENO) 能够以良好的准确性和稳定性平衡生产以满足需求。引入依赖于气象条件的能源改变了能源管理的格局及其可预测性，要求 ENO 在方程式中添加一个变量，使“简单”变得更加“复杂”。当可再生能源的数量超过需求时，或者当预测的供应因天气条件而没有达到预期时，复杂性就会增加。那么今天是什么情况，为什么要考虑LDES呢?

风神的力量和跟腱

根据国际能源署 (IEA) 的最新报告，风力发电量在 2020 年增长了近 11% (170 TWh)，达到 1,592 TWh。这一增长依赖于中国和美国的大规模部署，尽管欧洲也有许多大功率风电场正在开展重大项目，例如瑞典陆上 Markbygden 1101 风电场，建成后预计将产生高达 3.4 吉瓦的电力，供应瑞典 8% 的电力，并成为绿色氢能的参与者。

对可再生能源的高需求促使风力涡轮机制造商开发用于海上风电场的巨型涡轮机。领先的风力涡轮机制造商开发出功率超过 14 兆瓦的巨型发电机，高度为 280 米，叶片跨度为 115.5 米，总高度大约与埃菲尔铁塔一样高。预计单个涡轮机的能量输出可提供足够的电力供应 20,000 户家庭，并在一年内减少相当于 9,000 辆汽车的排放量。许多使用巨型风力涡轮机的项目已获批准，例如，距离英格兰东北海岸 130 公里的多格河岸风电场，建成后将提供 3.6 GW 的电力，能够为多达 600 万户家庭供电。类似的离岸项目正在丹麦、荷兰和波罗的海进行。

如前所述，管理可再生能源以满足需求非常复杂，除了天气条件外，ENO 在竞争激烈的市场中还面临价格挑战。我们都注意到，当风力条件非常好时，风力涡轮机处于待机状态，并问自己为什么会这样。这种情况通常发生在供大于求、价格低于盈亏平衡水平或电网无法容纳供应过剩时。另外，在夜间需求低、风力好的时候，传统风电场的运行效率很低，这当然是一个遗憾。在这种情况下，储存多余的可用能量或将其转化为氢气会更好。

人们理所当然地认为风总是会吹来并足以产生千兆瓦的电力，但情况可能不再如此。从 2021 年 4 月到 9 月，欧洲经历了长时间的干燥天气和低风速。一家英国电力公司表示，他们的可再生资产产生的电力比预期少 32%，德国被迫启动几个燃煤发电站。现在确定这是否是气候变化的影响还为时过早，但 HC Bloomfield 在 2018 年进行的研究引发了人们对风能对可再生能源可能产生的影响的担忧。这是考虑 LDES 的另一个原因，但在这里，我们谈论的是长期到很长一段时间内的许多千兆瓦，传统电池不适合或太昂贵。

用于 LDES 的氢气

所有 27 个欧盟成员国都承诺到 2050 年将欧盟变成第一个气候中和的大陆。为实现这一目标，他们承诺到 2030 年将排放量与 1990 年的水平相比至少减少 55%。所谓的欧洲绿色协议肯定旨在减少碳排放，同时也减少对外部能源的依赖。这意味着电气化的加速，欧洲在向气候中和过渡的过程中将看到电力需求激增。在欧盟，到 2050 年，电力需求将增加一倍以上，从目前的 3,000 TWh 增加到 6,800 TWh。可再生能源将非常重要，而风能将是这一转变的核心。如今，风能占欧洲电力结构的 16%，预计到 2050 年将达到 50%。

要达到这个目标，光靠发电是不够的，还必须考虑LDES。正如欧盟报告“对欧洲电力供应安全的贡献”中所述，储能对于搭建可再生能源与用户之间的桥梁非常重要。欧盟开发氢谷的大型项目正在进行中;例如，NorthH2 展示了从可再生能源中产生绿色氢气的可能性，将大量氢气储存在从盐矿床中挖出的洞穴中，然后作为原材料分发给用户，包括通过燃料电池发电。

如果将电能转化为氢气，然后再转化为电能，似乎是一个低效的解决方案，我们应该考虑整体生态系统和整体成本。因为同样，拥有千兆瓦级风电场处于待机状态效率低下，而且在“风旱”期间无法输送能源的成本非常高，而且还需要长期保持燃煤发电的风险。燃料电池和燃气轮机是被考虑使用氢气发电的解决方案，毫无疑问，这将成为欧盟向气候中和过渡的主要贡献者。我们才刚刚开始氢能源冒险，它将成为实现净零排放的主要障碍。