在過去 20 年中，在使用凈零技術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)展不足以完全補償我們不斷發(fā)展的社會所需的水平。能源轉(zhuǎn)型非常復雜，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。許多電力設計師對有前途的核聚變技術寄予厚望，但在該技術兌現(xiàn)承諾之前，傳統(tǒng)的可再生能源——主要是太陽能和風能——將繼續(xù)擴大，這意味著需要和發(fā)展長期儲能 (LDES) ) 以優(yōu)化隨時產(chǎn)生的能量以平衡的方式供應電網(wǎng)。LDES 是一個非常有趣的領域，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，必須探索其他解決方案，而在這方面，氫正在獲得很多關注。

從完全控制到可變能源供應

幾個世紀以來，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)絡運營商 (ENO) 能夠以良好的準確性和穩(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測性，要求 ENO 在方程式中添加一個變量，使“簡單”變得更加“復雜”。當可再生能源的數(shù)量超過需求時，或者當預測的供應因天氣條件而沒有達到預期時，復雜性就會增加。那么今天是什么情況，為什么要考慮LDES呢?

風神的力量和跟腱

根據(jù)國際能源署 (IEA) 的最新報告，風力發(fā)電量在 2020 年增長了近 11% (170 TWh)，達到 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電場正在開展重大項目，例如瑞典陸上 Markbygden 1101 風電場，建成后預計將產(chǎn)生高達 3.4 吉瓦的電力，供應瑞典 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力渦輪機制造商開發(fā)用于海上風電場的巨型渦輪機。領先的風力渦輪機制造商開發(fā)出功率超過 14 兆瓦的巨型發(fā)電機，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。預計單個渦輪機的能量輸出可提供足夠的電力供應 20,000 戶家庭，并在一年內(nèi)減少相當于 9,000 輛汽車的排放量。許多使用巨型風力渦輪機的項目已獲批準，例如，距離英格蘭東北海岸 130 公里的多格河岸風電場，建成后將提供 3.6 GW 的電力，能夠為多達 600 萬戶家庭供電。類似的離岸項目正在丹麥、荷蘭和波羅的海進行。

如前所述，管理可再生能源以滿足需求非常復雜，除了天氣條件外，ENO 在競爭激烈的市場中還面臨價格挑戰(zhàn)。我們都注意到，當風力條件非常好時，風力渦輪機處于待機狀態(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、價格低于盈虧平衡水平或電網(wǎng)無法容納供應過剩時。另外，在夜間需求低、風力好的時候，傳統(tǒng)風電場的運行效率很低，這當然是一個遺憾。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。

人們理所當然地認為風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)歷了長時間的干燥天氣和低風速。一家英國電力公司表示，他們的可再生資產(chǎn)產(chǎn)生的電力比預期少 32%，德國被迫啟動幾個燃煤發(fā)電站?，F(xiàn)在確定這是否是氣候變化的影響還為時過早，但 HC Bloomfield 在 2018 年進行的研究引發(fā)了人們對風能對可再生能源可能產(chǎn)生的影響的擔憂。這是考慮 LDES 的另一個原因，但在這里，我們談論的是長期到很長一段時間內(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 個歐盟成員國都承諾到 2050 年將歐盟變成第一個氣候中和的大陸。為實現(xiàn)這一目標，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?？稍偕茉磳⒎浅Ｖ匾L能將是這一轉(zhuǎn)變的核心。如今，風能占歐洲電力結(jié)構的 16%，預計到 2050 年將達到 50%。

要達到這個目標，光靠發(fā)電是不夠的，還必須考慮LDES。正如歐盟報告“對歐洲電力供應安全的貢獻”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)氫谷的大型項目正在進行中;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，似乎是一個低效的解決方案，我們應該考慮整體生態(tài)系統(tǒng)和整體成本。因為同樣，擁有千兆瓦級風電場處于待機狀態(tài)效率低下，而且在“風旱”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)電的風險。燃料電池和燃氣輪機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者。我們才剛剛開始氫能源冒險，它將成為實現(xiàn)凈零排放的主要障礙。