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到 2050 年，光伏发电将满足瑞士 40% 以上的电力需求。但太阳能并非总能在需要时提供：夏季太阳能过多，冬季太阳能过少，因为冬季日照时间较少，热泵全速运转。根据瑞士联邦政府的能源战略，瑞士希望通过进口、风能和水力发电以及高山太阳能发电厂和燃气发电厂相结合的方式弥补冬季电力缺口。
减少冬季对进口和燃气发电厂的需求的方法之一是利用夏季廉价太阳能生产氢气，然后在冬季将其转化为电能。然而，氢气极易燃烧，极易挥发，会使许多材料变脆。
从夏季到冬季储存氢气需要特殊的加压容器和冷却技术。这需要大量能源，而必须遵循的许多安全预防措施使得建造这样的储存设施非常昂贵。此外，氢气罐从来都不是完全防漏的，这会损害环境并增加成本。
现在，苏黎世联邦理工学院化学与应用生物科学系功能材料教授温德林·斯塔克 (Wendelin Stark) 领导的研究人员开发出一种季节性储氢新技术，该技术比现有解决方案更安全、更便宜。研究人员使用了一种众所周知的技术和地球上第四大丰富元素：铁。
该研究结果发表在《可持续能源与燃料》杂志上。
化学品储存
为了更好地储存氢气，斯塔克和他的团队依靠蒸汽铁工艺，该工艺自 19 世纪以来就已被人们所了解。如果夏季太阳能过剩，可以用来分解水以产生氢气。然后将氢气送入装有天然铁矿石的不锈钢反应器中，温度为400 摄氏度。在那里，氢气从铁矿石中提取氧气（化学上就是氧化铁），产生元素铁和水。
“这一化学过程类似于给电池充电。这意味着氢中的能量可以以铁和水的形式长期储存，几乎没有损失，”斯塔克说。
当冬季再次需要能源时，研究人员将这一过程逆转：他们将热蒸汽送入反应堆，将铁和水重新转化为氧化铁和氢气。然后氢气可以在燃气轮机或燃料电池中转化为电能或热能。为了将放电过程所需的能量保持在最低限度，蒸汽是利用放电反应产生的废热产生的。
(a) 2017 年瑞士年度光伏发电量与电力需求不匹配。发电量和需求量均已标准化为其年平均值，对应于未来发电量和需求量相等的情况（b 中横轴为 100%）。 (b) 冬季自给自足率（定义为太阳能光伏发电和储能从 12 月到 2 月满足电力需求的时间长度）与光伏装机容量的关系。介绍了三种情况：无储能；有昼夜储能（例如家庭中的电池）；有昼夜储能和季节性储能（详细计算见 ESI 注释 2-3†）。 (c 和 d) 铁基季节性储能示意图。来源：可持续能源与燃料(2023)。DOI：10.1039/D3SE01228J
廉价铁矿石遇上昂贵氢气
斯塔克说：“这项技术的一大优势在于，原材料铁矿石很容易大量采购。而且，在将其放入反应堆之前甚至不需要加工。”此外，研究人员认为，可以在全球范围内建造大型铁矿石储存设施，而不会对全球铁市场价格产生重大影响。
发生反应的反应器也无需满足任何特殊的安全要求。反应器壁厚仅为 6 毫米，由不锈钢制成。反应在常压下进行，存储容量随每次循环而增加。
一旦装满氧化铁，反应堆就可以重复使用任意数量的存储周期，而无需更换其内容物。该技术的另一个优点是研究人员可以轻松扩大存储容量。这只需建造更大的反应堆并在其中填充更多铁矿石即可。所有这些优势使得这种存储技术比现有方法便宜十倍。
然而，使用氢气也有缺点：与其他能源相比，氢气的生产和转化效率较低，因为在此过程中损失了高达 60% 的能量。这意味着，当风能或太阳能充足且没有其他选择时，氢气作为储存介质最具吸引力。对于无法电气化的工业过程尤其如此。
位于 Hönggerberg 园区的试验工厂
研究人员利用位于 Hönggerberg 校区的试验工厂证明了其储存技术的技术可行性。该工厂由三个容量为 1.4 立方米的不锈钢反应器组成，每个反应器中都装有 2-3 公吨市场上可买到的未经处理的铁矿石。
“该试验工厂可以长期储存约 10 兆瓦时的氢气。根据将氢气转化为电能的方式，这将产生 4 到 6 兆瓦时的电力，”斯塔克研究小组的博士生 Samuel Heiniger 解释说。这相当于冬季三到五个瑞士独户住宅的电力需求。目前，该系统仍使用电网电力运行，而不是使用 Hönggerberg 校区产生的太阳能。
储能技术的充电和放电过程。图片来源：Fabio Bergamin / 苏黎世联邦理工学院
这种情况很快就会改变：研究人员希望扩大该系统，以便到 2026 年，ETH Hönggerberg 校区可以利用夏季的太阳能满足其冬季电力需求的五分之一。这将需要容量为 2,000 立方米的反应堆，可以储存约 4 千兆瓦时 (GWh) 的绿色氢气。
一旦转化为电能，储存的氢气将提供约 2 千兆瓦时的电力。“这座工厂可以取代阿尔卑斯山的一座小型水库，成为季节性能源储存设施。从这个角度来看，它相当于 Nate de Drance 抽水蓄能电站容量的十分之一左右，”斯塔克说。此外，放电过程将产生 2 千兆瓦时的热量，研究人员希望将其整合到校园的供暖系统中。
良好的可扩展性
但这项技术能否用于为整个瑞士提供季节性储能？研究人员做了一些初步计算：未来每年通过季节性储氢系统为瑞士提供约 10 太瓦时 (TWh) 的电力（这无疑会很多），需要约 15-20 TWh 的绿色氢气和大约 10,000,000 立方米的铁矿石。
斯塔克说：“这大约是澳大利亚每年开采量的 2%，而澳大利亚是最大的铁矿石生产国。”相比之下，瑞士联邦能源局在其《2050+ 能源展望》中预测，2050 年的总电力消耗量约为 84 TWh。
如果建造的反应堆每座可以储存约 1 千兆瓦时的电力，那么其体积将约为 1,000 立方米。这需要约 100 平方米的建筑用地。瑞士必须建造约 10,000 个这样的储存系统才能在冬季获得 10 千兆瓦时的电力，这相当于每位居民约 1 平方米的面积。
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发表于 2024-9-2 16:26:43