电解制氢：用途广泛的燃料在发电和输配电领域，氢的重要性必将不断提升。它不仅能用来储存过剩的风电和太阳能电能，而且可作为汽车燃料。此外，它还能结合可再生二氧化碳，用来制造用于塑料生产的原料。

这多么浪费！在德国北部，大风呼啸而过，而附近风电场的许多风力发电机却静止不动。西门子电解业务部的产品Erik Wolf指出：“北海沿岸的风电场在长达20%的时间里必须停机，否则就会产能过剩。这是可再生能源面临的主要挑战——因天气条件变化而带来生产波动。换句话说，供应并非像传统发电厂一样基于需求。”德国联邦网络管理局发布的监测称，风电以每年增加数百万千瓦的速度发展，已令德国电网不堪重负。2009年，德国风力发电量为7,400万度；2010年，这个数字增至12,700万度，2011年为42,000万度，2012年为38,500万度。

这就是风力发电机经常在大风天停转，二氧化碳排放量大的传统燃煤电厂在无风天重新并网的原因所在。随着德国越来越多地利用风能和太阳能，这种情况越来越显著。德国联邦政府表示，该国的目标是到2030年利用可再生能源满足其50%的电力需求，到2050年满足其80%的电力需求。这些目标如果没有大规模的储能系统将无法实现。这些储能系统能储存风能产生的过剩电力并在需求高峰时将其重新馈送至电网。德国联邦环境部议会国务秘书Katherina Reiche表示：“为了迎接可再生能源系统的未来挑战，我们需要不同的储能技术，以满足从几秒钟、几小时到数天或数周的储能需求。”当然，并非只有德国存在这种情况。许多其他正在扩大利用可再生能源的国家也需要为其电网配备储能系统。Wolf补充道：“我们在丹麦、美国等许多地方就此参与详细的探讨。”

对于储存过剩电能，电解技术必将扮演一个关键角色。水在电流的作用下分解成氧和氢。在200巴压力下，氢气的能量密度堪比锂离子电池。大量的氢气可储存在天然气储气盐穴中，或者可储存在现有的天然气管道中，天然气管道可轻松地容纳5%的氢气。从纯粹数学意义上而言，单就后者就可储存以氢气形式存在的1,300亿度电能，这差不多相当于德国年耗电量的四分之一。

地下储存

在无风天或阴天，氢气可从盐穴中抽出，比如输送给联合循环电厂进行发电。当然，目前还没有轮机能燃烧纯氢——但从2018年起，这项技术将成为现实。西门子正在研发能利用纯氢作为燃料的燃气轮机。尽管有大约一半的电能会在电解和燃气轮机发电过程中损失，但是风电场不会再因为产能过剩而停机。

此外，发电波动问题也可得以解决。Wolf说：“在德国，取决于未来耗电情况，我们将需要多400个氢气储气穴，每个储气穴的容量为50万立方米。目前，我们已经有了200个可以使用的天然气储气穴。这400个洞穴多可储能600亿度，大约相当于德国年度电力需求的10%。这足以应对较长时间的风能或太阳能发电波动。英国和美国的两个小型氢气储气穴已经运行多年，充分表明这种储能形式是安全的。预计一套典型氢气储能设施的成本在1,000万欧元至3,000万欧元之间。电力公司还需要投资通常成本在5,000万欧元至7亿欧元之间的燃气发电以及电解设施。

电力公司看到了氢气技术的巨大潜力。德国RWE电力公司研究部的Sebastian Bohnes博士表示：“我们希望实现大幅度的二氧化碳减排。因此，我们正在开发全新的高效电厂技术，并运营越来越多的风电场。如今，风力发电机由于电网瓶颈而被迫时常停机。随着可再生能源利用规模的扩大，产能过剩问题必将日益突出。电解技术提供了一种有趣的以氢气形式储存过剩电能的方式。”这就要求利用电能来生产富能气体的电解槽能够迅速响应波动的电能。迄今为止，响应时间长达数分钟的现有系统都太慢。

灵活的氢气工厂

为此，多年来，西门子中央研究院的研究人员一直在研究一种更为灵活的替代性电解技术。在这种电解槽中，质子交换膜（PEM）将两个分别分解产生氧和氢的电极隔离开来——这与传统的碱性电解技术正好相反。“我们的PEM电解槽可在几毫秒内作出响应，并可短时运行于三倍于其额定功率的功率水平下。换句话说，即使发电量突然大增，它都可轻松储存过剩的电能。”

现在，西门子的PEM技术已经足够成熟，能走出实验室投入实际应用。在额定功率为10千瓦（kW）的实验性电解槽和峰值功率在300 kW左右的初步试验设施成功基础上，电解技术团队目前正在研制第二代产品——额定功率为1,250千瓦、峰值功率为2,100千瓦的压力电解槽。2015年7月，三个总输出功率高达6,000千瓦的电解系统将在德国美因茨开展的研究项目中投入使用。它们利用可再生能源发电而生产出的氢气，将作为蓄能介质成为电网的组成部分。这些氢气还可用于工业生产，以及供应给燃料电池汽车的加氢站。这样一来，便不必用液罐车将氢气运送至加氢站，直接在现场生产即可。

得益于这种新一代电解槽，每千瓦装机负载的氢气生产成本将从过去10,000欧元以上，降至大大低于每千瓦2,000欧元。迟至2018年，通过在设计上的进一步优化，每千瓦成本可降至大大低于900欧元。到那时，第三代西门子电解槽有望能够容纳10万千瓦电能，将大量的风能剩余电力转换成储能氢气。一套6-9万千瓦的电解槽就足以转化一家大型风电场的过剩电能。

这凸显了氢的一大优势：多用途。它可重新转化为电能，可用于驱动汽车，或者进行“甲烷化”——氢与二氧化碳作用形成天然气主要成分甲烷。氢气中的能量因此可储存在现有的天然气分配基础设施中。但它还可用于采暖或驱动天然气汽车。西门子Wolf指出：“甲烷化从原则上而言是个好主意。但是即使氢和二氧化碳来自可再生能源，比如生物质工厂，该过程也仅仅实现了碳中和。不要忘了将氢气转化成甲烷也需要能量，因此，就能量角度而言，直接利用氢气更有意义。”

气体梦之队

氢不仅是很好的能量载体，而且是化工行业重要的原材料——目前主要来自天然气。一方面，必须使利用可再生能源剩余电力生产氢气的成本接近于利用天然气生产氢气。另一方面，希望有朝一日氢气能与温室气体二氧化碳组成一个真正的“梦之队”。二氧化碳如何结合可再生能源用于化工生产是西门子、RWE、拜耳科技服务、拜耳材料科技和其他10个合作伙伴自2010年来共同开展的一个研究项目的主题。这个被称之为CO2RRECT（利用可再生能源和催化技术实现二氧化碳反应）的项目总投资1800万欧元，其中1100万来自德国联邦教育研究部。

CO2RRECT项目的基本理念是，作为化工行业重要中间产品的一氧化碳（CO）过去取自矿物能源，现在可取而代之利用二氧化碳和氢气制备。这个过程只产生废水。CO2RRECT项目经理、来自拜耳公司的Daniel Wichmann说：“这种反应需要利用拜耳正与科技界合作伙伴联手开发的特殊催化剂。利用不同的催化剂，还可生产甲酸，这也是一种重要的基本有机化工原料。”

所有这一切的关键在于必须提供足量的二氧化碳和氢气——这是项目合作伙伴西门子和RWE的职责所在。在德国北莱茵-威斯特法伦州的Niederaußem，RWE公司运营着一家褐煤电厂，该电厂装备了一套从工厂排放中抽取二氧化碳的系统。这些二氧化碳提供给研究人员以供研究之用。

作为这项工作的一部分，西门子已于2012年底在Niederaußem安装一套电解槽，并在实际条件下完成试验。对电网负荷状况和风电场的馈电特点进行了模拟，并转换为电解性能曲线。模拟大获成功。项目期间，电解槽满足动态要求，生产出6吨氢气供用作原料。

从二氧化碳到塑料

在勒沃库森，拜耳及其合作伙伴Invite正在建造一套在2014年投入使用的测试设备。该测试设备将利用二氧化碳和氢气制备一氧化碳。如果制备过程被证明有效，通过这种方式制备的一氧化碳将终投入工业应用——比如生产异氰酸脂。这些有机化合物可作为生产聚亚安酯的原材料，而聚亚安酯广泛用于从汽车、家具到隔音等各种用途。Wichmann指出：“我们想通过测试设备表明波动性的氢气生产可与化工行业所需的恒定过程结合在一起。” CO2RRECT项目已于2013年底圆满结束。到目前为止，化工公司和能源生产商已经从项目成果中获益。电厂运营商可充分利用抽取的二氧化碳，而不是仅仅在地下封存。他们还可省去排放许可费。而塑料生产商可减少对石油的依赖。终，气候得到了更好的保护。Bohnes说：“通过CO2RRECT项目和对该技术进行的不断改进，有可能使德国每年减排数百万吨的二氧化碳气体。这相当于德国二氧化碳排放总量的1%到2%。”