太阳能和风能的短期分散储存

　　运用太阳能和风能是解决能源问题的根本和长期的途径。 但是，传统的能源可以根据需要调节供应，而太阳能和风能是间歇性的而且不能随需要来控制。 要有效地运用太阳能和风能，能量储存是必须的，大规模长期储存能量是非常昂贵的。 解决这个问题的一种方案是太阳能和风能的短期分散储存。所谓短期，是指十几小时至几天，相当于太阳能和风能的变化周期。 所谓分散，是指以单个建筑为单位，并且以多种不同的方式储存能量。从产业发展的角度看，太阳能和风能的短期分散储存的设备会形成一个新的大规模的工业部门。

1、引言

　　世界上越来越多的人认为，运用太阳能和风能是解决能源问题的根本和长期的途径，例如，2007年诺贝尔和平奖获得者，前美国副总统高尔在2008年7月17日提出了“ 新登月计划”，要求美国在十年之内，即到2018年，全部电力都用太阳能，风能和地热产生。甚至富裕而盛产石油的阿拉伯联合酋长国，都展示了发展“ 石油以后”世界经济远见，出资180亿美元为初始基金，建立一个可再生能源研究示范城市Masdar，以无碳排放为目标，着重发展太阳能和风能。以下的统计数字对此作了生动的说明：

　　每年流向地球的太阳能：5.46×10²⁴J
　　每年全球的可利用风能：2.5×10²¹J
　　全世界石油总储量：1.89×10²²J
　　全世界天然气总储量：1.57×10²² J
　　全世界每年能量消耗量（2007年）：5.0×10²⁰ J
　　每年流向地球的太阳能的0.01%或风能的20%就足够全世界的能量消耗。

　　根据德国太阳能工业协会Bundseverband Solarwirtschaft的预测，在本世纪中叶以后，太阳能和风能，特别是太阳电池发电（photovolatics，简称PV），将成为主要的能源。见图1。

　　但是，与传统的能源（包括化石燃料和水电）相比，太阳能和风能有一个重大的缺点：传统的能源可以根据需要调节供应，而太阳能和风能是间歇性的而且不能随需要来控制$ 太阳能只有白天和晴天才有。风力的大小则经常发生无法控制的剧烈变化。如所周知，风力的能流密度P 与风速V的三次方成正比：P=1/2ρV³，其中ρ是空气的密度，在标准状况下（1大气压，温度18℃），ρ=1.225kg/m³速度V可以从0变化到每秒几十米，图2是纽约市郊区White Plains 飞机场2007年1月的风能密度的变化情况。图3是同一地方2007年7月的风能密度的变化情况。如果说，太阳能的变化还是比较有规律的，风能就没有规律可循了。

　　从季节上来看，太阳能和风能是互补的。冬天风大而阳光弱，夏天风小而阳光强。但是，从短期来看，在几个小时到几天内，太阳能和风能远远不是互补的。从目前世界各国的经验来看，如果只依赖大范围的电网，太阳能和风能在总电力之中的份额只能是一小部分，例如20%大部分的电力仍然需要从化石能源提供，或者用可逆的水电站调节，来按时满足能量的实际需要。例如，丹麦目前风力发电的比例已经超过了20%， 但是，没有好邻居挪威，这是很难做到的。丹麦和挪威的电网是连着的，挪威绝大部分的电力来自水电站。如果电力超过了需要，多余的电力就用来把水从海拔低的水库泵到海拔高的水库。当丹麦人需要更多的电力时，只要挪威把闲置的水力发电站开动起来，就可以满足需要， 但是这种方法只有在特殊的地理环境下才能够实现。一般来说，大规模长期储存能量是非常昂贵的。

　　解决这个问题的一种方案是太阳能和风能的短期分散储存。从历史上看，这并不是一个全新的概念。在1970-1980年代的第一次能源危机期间，已经出现的许多零星的实例。所谓短期，是指十几小时至几天，相当于太阳能和风能的变化周期。所谓分散，是指以单个建筑为单位，并且以多种不同的方式储存能量。如果太阳能和风能变成了总能量供应的主流，能量的短期分散和储存势在必行。在这里，我把太阳能和风能的短期分散储存作为和大电网能量传输供应方案平行的一个能量供应方案来讨论。这一方案由于避免了昂贵的直流-交流变流器和电网的建设费，减少了能量变换和传输过程中的损耗，在经济上是合理的。从产业发展的角度看，太阳能和风能的短期分散储存的设备会形成一个新的大规模的工业部门。由于人力、资源和国内市场的优势，中国将在这一新兴的工业中占主导地位。

2、氢气

　　氢气曾经被认为是储存能量的最有希望的载体，而燃料电池曾经被认为是把氢气转化成为电能的最佳方式。如果用氢气来代替汽油和柴油作为汽车的动力，污染问题就可以彻底解决了，因为排放出来的是完全无害的水蒸气.Jeremy Rifkin在2002年发表的畅销一时的题为《（The Hype about Hydrogen(氢骗局）》的书中，以自己亲身的经验，令人信服地阐明了，氢气-燃料电池技术是不经济的；因此在可预见的将来，不可能成为有商业竞争能力的工业技术。

　　首先，Joseph J.Romm纠正了一种常见的“氢气是能源”的误解。在地球上，氢只是以化合物的形式存在，例如水，要得到游离的氢气，必须消耗能源。目前，世界上绝大部分氢气是由天然气产生的，这种过程叫做“蒸汽重组(steam reform)”：在很高的温度和压力下，把天然气和水蒸气通过触媒，转化为氢气和二氧化碳：

CH₄+2H₂O->4H₂+CO₂

　　用电解水产生氢气，能量效率最多只有70%，而且比蒸汽重组要昂贵许多倍，所以很少使用。因此，氢气并不是可再生的能源，而且会引起二氧化碳污染。

　　其次，Josenh J.Romm分析了氢气储存的经济性和安全性问题。目前唯一经过实践检验的储存氢气的方法，是高压储气罐。但是，即使压缩到350个大气压，同样体积的压缩氢气，所含的能量只是同样体积的柴油的十分之一。但是，压缩过程会消耗大量的能量，而且这种高压储气罐十分昂贵。安全性也令人担忧。

　　最后，Josenh J.Romm分析了燃料电池的经济性和可靠性问题。虽然在理论上，燃料电池的效率可能达到70%，目前实际上达到的效率是40% 左右，并不比柴油机高多少。而且需要用贵金属，成本太高，可靠性问题也远未解决。