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產品時間：2023-12-24
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依靠自然風和陽光等可再生能源發(fā)電，存在發(fā)電量不穩(wěn)定的問題。因此，專家正在探索儲蓄富裕能量的方式，以便在需要時再將其轉換為電能。方案之一是地下儲氫，這種方式經濟高效，能夠快速為電網(wǎng)輸送電力。
刮風是一種自然現(xiàn)象，*不以人的意志為轉移。但當今時代，隨著風力發(fā)電的作用日益重要，這個自然現(xiàn)象對人類的電力供應產生了巨大的影響。2007年，風力發(fā)電占德國用電總量的6.4%，達到397億度，而且，據(jù)德國可再生能源聯(lián)合會（BEE）的預測，到2020年，這一數(shù)字有望上升至25%（即1,490億度）。到那時，德國風電機組的總裝機容量將達到550億瓦，是2007年的220億瓦的兩倍以上。
地下蓄能系統(tǒng)（上圖）也是一種解決方案。
目前，德國風電機組的裝機容量已占全球風電機組總裝機容量的20%。不久前，德國還是全球風電機組裝機容量最大的國家，但如今已被美國趕超，屈居第二。雖然就遏止全球變暖而言這是一個好消息，但卻也為電力行業(yè)帶來了一個問題。風力發(fā)電和用電的時間規(guī)律并不總是*，一般而言，夜間風電機組可以生產更多的電能，而這個時候正是用電低谷時段。常規(guī)發(fā)電廠可以通過調峰來順應用電時間規(guī)律，簡而言之就是在不同的時段投入不同數(shù)量的燃料。但就產量波動不定的發(fā)電方式而言，調峰的作用非常有限。
理想的辦法是暫時存儲多余的電能，在需要的時候再將其饋回電網(wǎng)。電網(wǎng)本身不具備這種功能，因為它是一套*均衡式系統(tǒng)，也就是說，供電量和用電量剛好匹配。如果不匹配的話，交流電的輸電頻率將偏離規(guī)定的50赫茲，即在用電量超過供電量時低于50赫茲，在供電量超過用電量時高于50赫茲。
這兩種情況都必須避免，否則將危及連接至電網(wǎng)的設備，譬如電機、電器、計算機和發(fā)電機等。一旦由于電網(wǎng)負荷過高導致電網(wǎng)頻率下降至47.5赫茲，電廠必須立即脫離電網(wǎng)。
供大于求同樣會產生諸多問題。德國《可再生能源法案》規(guī)定，電網(wǎng)公司必須給予可再生能源上網(wǎng)優(yōu)先權。但是，大量的風電上網(wǎng)意味著常規(guī)電廠不得不經常關機，特別是燃煤和燃氣發(fā)電廠。這些電廠肩負著滿足當前用電需求的重任，換言之，就是迎合周期性波動的用電需求。對那些滿足基本用電需求的電廠——主要是核電站和燃煤發(fā)電廠——而言，不斷開機關機相對而言比較復雜，而且成本很高。
在風力很大的日子，我們會看到一些奇怪的現(xiàn)象。譬如，在這樣的日子里，發(fā)電廠可能需要在位于德國萊比錫的歐洲能源交易所出售多余的電能，價格之低幾乎相當于白送。事實上，有的時候電廠甚至要倒貼。2009年5月3日就發(fā)生了這種倒貼現(xiàn)象，當日每千度電以-152歐元的價格成交。換句話說，常規(guī)發(fā)電廠寧愿倒貼費用讓別人拿走自己生產的多余電能，也不愿暫時降低自身的發(fā)電量。
抽水蓄能。迄今為止的解決辦法是暫時存儲多余的電能，在風力較小的時候或陰天再將儲蓄的電能饋回電網(wǎng)。一種成熟的方法是使用抽水蓄能電站。在用電量降低的時候，多余的電能用于將水抽入蓄水壩。一旦電力需求量上升，再讓壩中的蓄水流入位置較低的另一個蓄水壩，中間安裝水力發(fā)電機發(fā)電。這是一個簡單、高效的方法。抽水蓄能電站的實際效率（即發(fā)電量與抽水用電的比率）可達80%左右，如今，還沒有任何其他一種蓄能裝置可以在幾個小時內供應數(shù)千兆瓦的電能。事實上，目前全球各地在用的蓄能系統(tǒng)中，99%是抽水蓄能電站。
每單位體積的可比蓄電量
德國最大的抽水蓄能電站位于柏林西南大約350公里的Goldisthal，其裝機容量為1,060兆瓦，可滿足圖林根全州8個小時的用電需求。德國目前共有33座抽水蓄能電站，總裝機容量為6,700兆瓦，發(fā)電總量高達4,000萬度。每年，它們可生產大約75億度所謂的“調節(jié)電能”，滿足用電高峰期的需求，譬如在人們紛紛打開電器和燈具的晚間。抽水蓄能電站所儲存的能量可以在短短幾分鐘內得以利用。
但是，在德國，增加抽水蓄能電站的數(shù)量并不像聽上去那么簡單。一方面，德國缺乏建造這種電站的適當位置，另一方面，這種建設項目往往會遭到抵制。因此，德國發(fā)電廠選擇與鄰國的同行合作。例如，巴頓符滕堡州能源公司（EnBW）不僅在德國建設了自己的抽水蓄能電站，還在奧地利福拉爾貝格州建立了同樣的設施。再比如，擁有很長水電歷史的挪威，目前正在試圖本國的蓄電潛力。但是，這種在鄰國建設抽水蓄能電站的做法，往往需要很高的固定資產投資。建設這樣的項目，并不是簡單地敷設一條到挪威的輸電線路。兩國電網(wǎng)入口處的容量必須提高，從而避免輸電容量瓶頸。“這是必須的，因為電力總是沿著電阻最小的通道流動，在遇到阻力時，它會選擇另一條路線。”EnBW的Dirk Ommeln解釋道。
電池和壓縮空氣。諸如美國等其他工業(yè)化國家以及中國也建設了眾多抽水蓄能電站，此外，全球各地都在大力探索其他蓄能方式。較知名的蓄電裝置是充電電池，所有的手機都裝配了這種電池。雖然相比而言充電電池儲存的電量很小，但這并沒有阻止部分國家利用蓄電池作為電網(wǎng)的蓄能裝置。“例如，日本全國都使用這種方法，”西門子研究院的Manfred Waidhas博士指出，“像集裝箱那么大的電池可以儲蓄大約5,000度的電能，它們被安裝在靠近用戶的電網(wǎng)一側。”這些電池被用于緊急供電、電高峰期的備用電源，或者作為臨時蓄電裝置，調節(jié)采用可再生能源發(fā)電所引起的供電波動。鈉/硫蓄電池的效率為70～80%，被廣泛用于上述目的。
同樣地，采用一種稱之為V2G（車輛到電網(wǎng)）的方法，電動汽車也可在今后用作蓄能裝置，僅需采用電纜將汽車連接至電網(wǎng)。盡管與電網(wǎng)所需電量相比，一臺電動車輛的蓄電量微乎其微，但此類車輛的龐大保有量及其相對較高的功率——以40千瓦/輛為例——*可以彌補這一缺憾。“即便僅僅將20萬輛電動汽車連接至電網(wǎng)，也可提供高達8,000兆瓦的調節(jié)電力，足以保障電網(wǎng)的供電穩(wěn)定。”西門子研究院的Gernot Spiegelberg教授解釋說。
“但另一方面，我們還必須注意一點，那就是：由于這類蓄電池體積小、安全要求高且重量輕，因此成本也會相對較高。”德國奧伯豪森弗勞恩霍夫環(huán)境、安全以及能源技術研究所的Christian D??tsch提醒道，“而除此之外，蓄電池的充電次數(shù)也是極為有限的。就目前來看，出于保證負荷平衡的目的對蓄電池進行額外的充電與放電會大大地縮短蓄電池的使用壽命。”
而另外一種行之有效的途徑是，利用壓縮空氣蓄能技術（CAES）將產生的動能存儲于地下。這就意味著將100巴的高壓空氣注入體積為10萬至100萬立方米的地下洞室中，如廢棄的鹽丘等。“此類壓縮空氣可用于燃氣輪機”，Waidhas解釋說，“當然，在這個過程中，天然氣等礦物燃料依然必不可少，但因為用于燃燒的壓縮空氣已經具備，所以也就達到了節(jié)能的目的。”
在全球范圍內，目前已啟動了兩個CAES試點項目，分別于1978年與1991年在德國亨托夫以及阿拉巴馬州的麥金托什正式投產。CAES的基本原理非常簡單，但同時也存在一些不盡人意之處。“在這兩個試點項目中，燃氣輪機都是專門定制的，所需費用甚高。”Waidhas進一步指出，“而且，CAES的蓄電容量僅為300萬度左右。”
氫——理想的蓄能介質？除前面提到的蓄能方法之外，儲氫也是非常有效的一種選擇。通過電解方式，可將富余的電力制成氫，并儲存于壓強保持在100至350巴之間的地下洞室中?？偛课挥诘聡鴲蹱柼m根的西門子能源的Erik Wolf表示，在這種條件的地下洞室中，可以有效地避免氫泄露問題。“一般而言，每年的氫流失率僅為0.01%。這是因為，此類洞室的巖鹽墻作用機理與液體無異，當出現(xiàn)泄露時可自動進行密封。”Wolf還指出，正因為如此，所有曾被用于短期儲存天然氣的洞室同樣適用于儲氫。
今后，電動汽車能夠暫時存儲富余的電能，并在需要的時候再將其饋回電網(wǎng)，從而進一步提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
目前，德國約有60個這樣的洞室正在建設之中。Wolf表示，“即便我們僅僅將其中的30個洞室用于儲氫，就能夠存儲約42億度電。”氫的儲能密度*，每立方米存儲空間可容納多達350度電力，遠遠超過了CAES的儲能密度（2.7度/立方米）。事實上，氫在儲能密度方式的優(yōu)勢只有鋰離子電池才能與之媲美。
利用儲氫技術，當用電量上升時，就可將氫用于驅動燃氣輪機或燃料電池。“目前，地下儲氫的優(yōu)勢是其他任何儲能系統(tǒng)都無法比擬的。”Wolf解釋說，“在基礎負荷運行條件下，一個洞室即可滿足長達一周的500兆瓦以上的用電負荷，相當于1.4億度。而相比之下，德國所有抽水蓄能電站的總產能僅為4,000萬度。”與此同時，地下儲氫設施還能夠實現(xiàn)快速供電，其靈活性直逼聯(lián)合循環(huán)電廠。而且，儲氫技術還具備其他優(yōu)勢：除能夠蓄能以供發(fā)電或供熱之外，氫還能與生物質電廠等的合成氣相混合，為生物質液化流程提供燃料。事實上，這在德國勃蘭登堡州的一個試點項目中已經得到了應用。2009年4月，Enertrag為落戶普倫茨勞的新建測試中心舉行了奠基儀式。該中心也將成為全球氫-風-生物質混合電廠，能夠利用富余的風電制氫。而制成的氫將用于驅動氫燃料汽車，或是與生物氣混合，在總裝機容量為700千瓦的兩處組裝式熱電廠實現(xiàn)發(fā)電與供熱。該中心預計將于2010年中期正式投入運行。