用途最广泛的燃料对于发电和输电而言，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，制备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。“北海沿岸的风能场在长达20%的时间里必须停机，否则就会产能过剩。”西门子太阳能及水能部技术战略师Erik Wolf表示，“这是可再生能源面临的最主要挑战——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。”德国风能协会估计2010年德国电网无法承受150吉瓦时的风电，因为电网已经全负荷运行。

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要时将其重新馈送至电网。“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。”德国环境部议会国务秘书Katherina Reiche指出。

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。“我们在丹麦、美国等许多地方就此进行了详细的探讨。”Wolf补充道。

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130太瓦时电能，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——但是西门子希望能在2014年推出这种轮机原型。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。“在德国，根据能源结构以及到2050年的电力需求，我们将需要最多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个洞穴最多可储能60太瓦时，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。”Wolf说道。

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1000万欧元至3000万欧元之间。电力公司还需要投资通常成本在5000万欧元至7亿欧元之间的燃气发电设施。

电力公司看到了氢气技术的巨大潜力。“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。”德国RWE电力公司研究部的Sebastian Bohnes博士表示，“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。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。”西门子工业业务领域氢气解决方案业务负责人Roland Käppner指出。

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10千瓦的实验性电解槽成功基础之上，Käppner的团队正在研究额定功率为0.1兆瓦（峰值功率为0.3兆瓦）的新电解槽。它将能每小时产生2到6千克氢气，计划在2012年底投入运行。“我们优化了设计以及所有外围设备，比如控制系统和电源。我们还努力利用创新材料和结构特征大幅降低成本。” Käppner在描述将该系统投入实际应用过程所作的努力时这样说道。

通过电解工艺生产氢气的成本依然高达每千瓦1万欧元。通过在设计上的进一步优化，Käppner希望最晚到2018年将每千瓦成本降到1000欧元以下。到那时，第三代西门子电解槽有望能够容纳100兆瓦电能，将大量的风能剩余电力转换成储能氢气。一套60-90兆瓦的电解槽就足以转化一家大型风电场的过剩电能。

上图：西门子预计在2018年前推出能应对100兆瓦的电解槽。

在0.1兆瓦和100兆瓦系统之间，Käppner打算开发一款中间产品。这将是一款额定功率为2兆瓦的电解槽，计划在2015年投入运行。除了储能和稳定电网外，该系统还适合用于未来的汽车加氢站。这还可避免氢气的运输过程，因为氢燃料就在加氢站生产——利用电网的剩余电能和自来水。“汽车厂商正在紧锣密鼓地筹划投产氢燃料电池汽车。这种汽车上市后，就可利用由可再生能源生产的氢气。”

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。但它还可用于驱动天然气汽车。“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，希望有一天氢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。“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，”CO2RRECT项目经理来自拜耳公司的Daniel Wichmann说道，“利用不同的催化剂，还可生产甲酸，这是一种基本有机化工原料。”

所有这一切的关键在于必须提供足够数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烟气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，西门子将在2012年底在这里安装一套电解槽，并在真实条件下进行测试。“我们将模拟电网负荷状况和风电场的馈电特点。这样我们就能弄清电解槽是否能应对电力生产的波动。”RWEBohnes表示。

从二氧化碳到塑料。在勒沃库森，拜耳及其合作伙伴Invite正在建造一套测试设备，预计于2013年底投入使用。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最终投入工业应用——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。“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。”Wichmann指出。

CO2RRECT项目将持续到2013年底。目前，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。最终，气候得到了更好的保护。“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二氧化碳数百万吨。这相当于德国二氧化碳排放总量的1%到2%。”Bohnes说道。