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時間：2018-12-17作者：湖南迪碩自動化設(shè)備有限公司瀏覽：64

電解制氫：用途較廣泛的燃料

在發(fā)電和輸配電領(lǐng)域，氫的重要性必將不斷提升。它不僅能用來儲存過剩的風(fēng)電和太陽能電能，而且可作為汽車燃料。此外，它還能結(jié)合可再生二氧化碳，用來制造用于塑料生產(chǎn)的原料。

這多么浪費！在德國北部，大風(fēng)呼嘯而過，而附近風(fēng)電場的許多風(fēng)力發(fā)電機卻靜止不動。西門子電解業(yè)務(wù)部的產(chǎn)品*Erik Wolf指出：“北海沿岸的風(fēng)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(yīng)并非像傳統(tǒng)發(fā)電廠一樣基于需求?！钡聡?lián)邦網(wǎng)絡(luò)管理局發(fā)布的監(jiān)測報告稱，風(fēng)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電機經(jīng)常在大風(fēng)天停轉(zhuǎn)，二氧化碳排放量大的傳統(tǒng)燃煤電廠在無風(fēng)天重新并網(wǎng)的原因所在。隨著德國越來越多地利用風(fēng)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(fēng)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(wù)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(shù)，以滿足從幾秒鐘、幾小時到數(shù)天或數(shù)周的儲能需求?！碑?dāng)然，并非只有德國存在這種情況。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(shù)必將扮演一個關(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(xué)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(dāng)于德國年耗電量的四分之一。

地下儲存

在無風(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)電廠進行發(fā)電。當(dāng)然，目前還沒有輪機能燃燒純氫——但從2018年起，這項技術(shù)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(fēng)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(dāng)于德國年度電力需求的10%。這足以應(yīng)對較長時間的風(fēng)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(yù)計一套典型氫氣儲能設(shè)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(shè)施。

電力公司看到了氫氣技術(shù)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(shù)，并運營越來越多的風(fēng)電場。如今，風(fēng)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(shù)提供了一種有趣的以氫氣形式儲存過剩電能的方式?！边@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(yīng)波動的電能。迄今為止，響應(yīng)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(shù)。在這種電解槽中，質(zhì)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(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(shù)已經(jīng)足夠成熟，能走出實驗室投入實際應(yīng)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(shè)施成功基礎(chǔ)上，電解技術(shù)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(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，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(shè)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(fēng)能剩余電力轉(zhuǎn)換成儲能氫氣。一套6-9萬千瓦的電解槽就足以轉(zhuǎn)化一家大型風(fēng)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(zhuǎn)化為電能，可用于驅(qū)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(chǔ)設(shè)施中。但它還可用于采暖或驅(qū)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(zhì)工廠，該過程也僅僅實現(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(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(shù)實現(xiàn)二氧化碳反應(yīng)）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(yīng)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(guān)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(zé)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(fēng)電場的饋電特點進行了模擬，并轉(zhuǎn)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(shè)備。該測試設(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(yīng)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(shè)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(jié)合在一起?！?CO2RRECT項目已于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(shù)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(dāng)于德國二氧化碳排放總量的1%到2%?！?


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