未来社会的绿色能源
发布于2024-02-20
气候变化和人口增长的趋势，将一个紧迫的问题摆在了全世界的面前：如何才能应对温室气体造成的全球变暖——尤其是在人类向往繁荣和发展的当下？或者换一种说法：我们怎样才能在继续消耗能源的同时限制气候变化？从技术角度来看，这两个问题只有一个答案：实现全电气社会。
Phoenix Contact是一家为经济和基础设施各领域提供创新产品和解决方案，助力实现电气化、网络化和自动化的知名制造商，他们已将这一愿景作为当前十年的目标。
图1：在气候变化和资源短缺愈演愈烈的当下，能源变革是全球的必然选择。这正是全电气社会的愿景——解决我们当前时代各种重大问题的愿景。毕竟，碳中和能源将成为我们在应对气候变化的同时实现全球繁荣的关键因素。
全电气社会的愿景
全电气社会勾画的是一个以可持续方式发展的世界。在这个世界中，无论出于个人需求、商业目的，还是造福社会，都可以随时随地获得供应充足、成本合理的能源。
这种能源不是由石油、天然气和煤炭等化石燃料生产的，因为这些燃料的储量有限，而且一定程度上受制于地缘政治。全电气社会的能源，是以不引致气候变化的方式，完全由可再生能源，也就是来自太阳、风和水的能量生产的。根据美国俄勒冈州立大学的一项研究[1]，单就光伏发电的潜力而言，就完全能够做到以今天的太阳能技术来满足全球当下乃至未来的能源需求，并且占用的土地面积不到全球的1%。
然而，实现彻底的能源变革和全电气社会的目标，是一项道阻且长的事业。而首当其冲的一件事情，就是要大规模推广可再生能源，并找到实现行业耦合的技术方法。
行业耦合
实现行业耦合的基础，在于和我们日常生活和经济活动相关的各个领域（包括工业、能源、交通、基础设施等）全面实现电气化、网络化和自动化。长期以来，这些行业一直都各自为政，组织结构上也基本相互独立。在全电气社会中，它们会相互联系，形成一个自我控制系统，使各行业自身实现智能化，自动化和网络化。它们不仅能认识到自身的需求，还能响应邻近地区的需求。它们可以通过优化平衡各种能源负荷、生产者和储能系统，从而提高效率，节约能源。
图2：行业耦合，就是利用合适的基础设施，将工业、交通和建筑智能化地整合在一起，有利于可再生能源的综合利用和向气候中和社会的过渡。
可用的能源可在当前需要的地方动态使用；多余的能源可以储存起来，留待日后需要时再使用。可控负载还有助于平衡电网，有效利用不稳定的可再生能源。这意味着，无论风是大是小、日照强烈还是微弱，都可以借助行业耦合来平滑发电高峰和用电高峰，从而确保电力供应的稳定性和可用性，而无需大量配备冗余容量。储能系统是其中的重要一环，是行业耦合的核心要素。
储能系统在全电气社会中的作用
要确保以太阳能、风能和水能为基础的稳定电力供应，唯一的办法就是通过足够规模、足够可靠的储能系统，来弥补可再生能源的不稳定性。具体到哪些系统和技术最适合这一目的，主要取决于所需的储能容量、功率和持续时间。
图3：对于已知的储能技术而言，最合适的应用领域是由能源供应的可能持续时间以及技术上和经济上可行的储能容量决定的。
如今，有多种技术可以暂时储存电能，并在不同的时间和地点再次使用。这些储能技术之间的主要区别在于它们的基本物理原理。在机械储能系统中，电能转化为机械能，并在需要的时候重新转化为电能。这种机械能可以是势能，也可以是动能。在纯电储能系统中，电能以电荷的形式储存在电容或超级电容中，或者以电流的形式储存在大型线圈或电感器中。电化学储能系统则利用各种材料之间的电化学势，搭配合适的电解质和隔膜，将电能储存在电池中。纯化学储能是指以电能驱动化学反应，产生富含能量的液体或气体，然后通过相关的逆反应再次释放电能。还有一种储能技术是热储能，就是利用电能在合适的储能介质中产生热量，再通过相反的过程利用这些热量来驱动发电机。
储能技术
基于势能的商业化机械储能实例有抽水蓄能电站和重力储能。其他机械储能技术包括压缩空气和飞轮储能，其中前者遵循弹簧机构的物理原理，后者遵循旋转机构的物理原理。
机械储能系统的缺点是单位体积和单位重量的能量密度较低。它们的投资成本相对较高，但运行成本往往较低，通常用作短期储能解决方案。
在纯电储能设备中，最为人熟知的是电容。它们可以组合成大型电容组，实现高达兆瓦时规模的储能容量。电容或超级电容的最大优势，在于它们可以在很短的时间内吸收和释放大量电能，并且循环稳定性非常高。但是，高昂的价格和较低的能量密度，让这项储能技术难以在工业规模上得到应用。
感应储能系统则是另一类纯电储能系统，借助深冷超导线圈来储存电能，也可以实现很高的充放电功率。然而，这项技术的能量密度很低，而且对制冷有高要求，因而运行成本很高，仅用于需要极端功率峰值的特殊应用。
电池是典型的电化学储能装置。电池类型多种多样，主要以所用的电极材料为特征，例如铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池、钠-氯化镍电池（ZEBRA电池），以及锂离子电池和钠离子电池。
图4：公用事业规模储能系统的典型结构。各个电池模块相互连接，形成较大的单元，并布置在防风雨的储能机柜中。它们通过电力电子设备连接到外部电网。中央控制系统负责监控和调节。
近年来，锂离子电池已广泛应用于各种电池领域。在电动汽车和静态储能设施中，锂离子电池的市场占有率超过90%。这得益于其单位体积和单位重量的高能量密度以及高循环稳定性。
除了占主导地位的锂离子电池外，钒液流电池[CZ1] [LX2] 在静态储能设施中依然占有一席之地，这主要归功于其投资成本较低。此类电池将电解液与电极分离并储存在储液罐中。电池运行时，电解液通过泵输送至电极。这样一来，如果要提高电池容量，只需增加储液罐容量就可以了；如果要提高电池功率，也可以通过增大电极表面积来实现。
与锂离子或钠离子电池相比，钒液流电池的能量密度要低得多，而且由于其运行方式的缘故，还面临运行成本高、效率损失大的问题。
应用最广泛的纯化学储能系统是氢能技术，它使用电能将氢从化学键中释放出来产生氢气。如果这个过程使用可再生能源并且不释放二氧化碳，那么它产生的就是绿色氢气。这些氢气既可以直接用作能量载体，也可以进一步加工。将氢气与二氧化碳或氮气进行化学反应，可以产生富含能量的气体或液体，如甲烷、甲醇、煤油和氨。当这种化学过程采用绿色氢气作为反应物时，从电能到上述产物的整个过程也称为“power-to-X”，X就代表这些气体或液体。
图5：利用可再生能源生产氢气是能源革命的支柱之一。
以这种方式生产出来的燃料，其储运和使用方式与化石燃料类似。为此，升级管道等现有基础设施的工作正在紧锣密鼓地进行中。这些燃料可用于汽车等领域。氢气以及由氢气产生的合成气体可用于制热，也可以用作化工和制药行业的原材料，还可以通过燃料电池将储存的能量重新转化为电能。
氢能工艺链中的效率损失
生产绿色氢气需要将水电解，也就是利用电能将水分解成氢气和氧气。在这一化学反应中，两种气体分别在反应器的两个电极上释放出来。将绿色氢气进一步加工成上述燃料的过程还需要消耗额外的能量。其中，只有部分能量可以从最终产品中提取并再次使用。从电解到氢气再到最终能源载体的过程中所需的转换步骤越多，能量损失就越大，这种损失通常以废热的形式出现。如果无法将这些热量用于其他目的，整个过程的效率就会降低。
哪些储能系统适合行业耦合？
因此，一个理所当然的结论，就是我们要尽可能直接地利用源自于太阳能、风能和水能的电能。每次转换都会带来效率损失，也就必然导致要增加发电容量。这就是为什么尽可能实现所有行业的电气化，对于能源变革取得成功，进而限制气候变化而言至关重要。
由于可再生能源无法持续供应，而且只能在有限的范围内加以控制，因此电能的储存是不可避免的。电池储能系统是储存上千兆瓦时电能的首选方式，其储能时限从几毫秒到几天不等。它们可以快速、灵活地吸收电能，并在需要平衡供电或补偿高峰需求时将电能输回电网中。
当需要将多余电能储存数周或数月，以补偿可再生能源发电的季节性波动时，基于氢能的过程是首选方法。
此外，出于技术或经济原因，还有许多应用领域无法或尚不能使用电能，例如工业领域中的钢铁和水泥生产，以及交通领域中的长距离、大容量运输，包括长途航空运输和长途货车或船舶运输。即使在这些应用中，氢能和基于氢气的下游产品也是以先进技术为基础的理想发展方向。
储能应用
蓄电池在汽车行业中的应用是显而易见的。电池中储存的电能可以用来驱动汽车的电机和各种辅助装置。在基于氢能的汽车系统中，作为能量载体的氢气除了可以用作内燃机燃料外，还可以为燃料电池提供动力，后者是实现纯电驱动的又一种途径。燃料电池驱动的场景还需要额外配备一块容量较小的电池，用于应对功率峰值，以及储存回收到系统中的能量。燃料电池在恒定负载下的工作效率非常高。
在汽车行业的充电基础设施中，储能系统可以通过分担大功率的方式来为快速充电提供支持，从而减轻电网的供电负荷。
储能系统的重要应用包括电网黑启动（从完全停电状态恢复）期间稳定公共电网、限制工业运行中的高峰负荷、不间断供电、运行与公共电网脱离的岛屿电网，以及平衡可再生能源发电的波动性。此外，电力交易的商业意义也越来越强。在电力生产成本较低时储存电能，留待需求较高时提供出来，也是一种提高利润的方法。
小结
电能正越来越多地出现在日常生活中。不论是我们日常使用的私家车，还是建筑工地上的工程车辆，都越来越多地通过电力来驱动，不仅噪音更低，排放也更少。电动机械正在进入农业、林业和采矿业。借助热泵或红外辐射器实现的电加热也越来越普及。除此以外，还有更多的例子，由此看来，全电气社会的愿景很快就会成为现实。有了这种方法，我们就能成功阻止气候变化，结束对有限化石能源的依赖。
作者简介
Phoenix Contact储能系统专家Rüdiger Meyer博士
Rüdiger Meyer博士曾在亚琛工业大学（RWTH Aachen）攻读电气工程专业（电子技术专业工学硕士）至1995年，之后在哈梅林太阳能研究所（ISFH）担任研究员。2000年，他完成了高效硅太阳能电池领域的博士论文，并成为汉诺威莱布尼茨大学的工程博士。2002年之前，他在法兰克福[CZ1] [LX2] 的Continental Teves公司未来发展部工作，为线控驱动系统开发储能解决方案。之后，他成为ISFH研究所硅太阳能电池开发组组长，负责开发高效硅太阳能电池。2007年，他来到位于霍尔茨明登的Stiebel Eltron公司，建立了太阳能电池和光伏模块业务。2012年，他加入Phoenix Contact，担任新能源连接技术产品管理组组长。2020年5月，他被任命为Phoenix Contact设备连接器业务领域的储能应用专家。2022年10月，他被任命为储能专家（VDE/DGS）。Meyer博士代表公司参加了多个涉及储能主题的国际标准化委员会和行业协会。
参考文献
[1] Adeh EH, Good SP, Calaf M, Higgins CW. Solar PV Power Potential is Greatest Over Croplands. Sci Rep. 2019年8月7日;9(1):11442. doi: 10.1038/s41598-019-47803-3. PMID: 31391497; PMCID: PMC6685942.