風(fēng)力/太陽能–混合發(fā)電/制氫系統(tǒng)方案
在最近幾年，對于可再生能源的開發(fā)利用急劇增長。根據(jù)美國能源信息管理局的報告(EIA)，在2013的上半年，可再生能源占美國總能源消耗的9.81%和總能源生產(chǎn)的11.82%，相比十年前，其比例約高出了60%。然而，隨著可再生能源的增長，其價值的爭論從未停止。人們主要關(guān)注的問題是可再生能源發(fā)電并網(wǎng)后是否能夠產(chǎn)生足夠的實際的經(jīng)濟價值。由于大部分的可再生能源，特別是風(fēng)能和太陽能，坐落在人口較少的地區(qū)，遠(yuǎn)離電網(wǎng)，導(dǎo)致將電力傳給用戶需要巨大的費用。此外，太陽能不連續(xù)性的自然特性和其發(fā)電不易并網(wǎng)的特點導(dǎo)致了嚴(yán)重的電力閑置問題，這進(jìn)一步增加了可再生能源發(fā)電的生產(chǎn)成本。但隨著技術(shù)的發(fā)展和電網(wǎng)的擴展，到2018年，發(fā)電成本預(yù)期將達(dá)到風(fēng)能為0.14美元/kwh、太陽能為0.08美元/kwh，但這仍然比天然氣(0.06美元/kwh)的售價更昂貴。評論家甚至認(rèn)為風(fēng)力/太陽能發(fā)電將產(chǎn)生更多的二氧化碳排放量，因為發(fā)電過程中需要更多的煤來維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性 。
一定程度上他們可能是對的，但這并不意味著發(fā)展可再生能源是沒有意義的，因為在存儲能源的方案得到應(yīng)用后，現(xiàn)存問題都可以有效地解決。在能源存儲系統(tǒng)的幫助下，必要時，過多的可再生能源，可以在電力需求低時保留下來用于用電需求高的時候。據(jù)估計，可再生能源的利用率可以從30%提高到60%，預(yù)計將減少電力生產(chǎn)成本的一半。此外，從能源存儲裝置中產(chǎn)生的再生電力是非常穩(wěn)定、連續(xù)的，所以不需要更多的煤來維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。唯一的問題是：目前存在有效的能源儲存的解決方案嗎?答案是肯定的!
電池系統(tǒng)已被廣泛用于儲存多余的太陽能。到目前為止，由于相關(guān)技術(shù)的成熟和鉛低廉的價格，鉛酸電池系統(tǒng)是最具成本效益的電池系統(tǒng)。其對環(huán)境的負(fù)面影響也是最小的(由于鉛的回收率高——97%鉛可回收用于生產(chǎn)新的電池)。但由于電極硫化引起的相對較短的使用周期，在某種程度上限制了它的應(yīng)用。鋰離子電池近年來吸引了大量的關(guān)注，因為它有更長的循環(huán)使用壽命并且重量明顯減輕。此外，由于鋰離子電池沒有記憶，所以它不需要定期完全放電，節(jié)省了大量的維修費用。然而，由于鋰元素在地球上的儲備較低，這種電池的生產(chǎn)成本非常高。更重要的是，根據(jù)來自斯坦福大學(xué)的研究人員進(jìn)行的一項研究說明大部分的電池解決方案是不適合風(fēng)能儲存的。“由于其低儲存生產(chǎn)投資比值(ESOI)為5-32”，項目負(fù)責(zé)人查爾斯Barnhart 說：“這意味著需要儲存風(fēng)力發(fā)電的能源比實際存儲的能源成本更高。正如查爾斯所說“你不會花100美元來安全存放一塊10美元的手表”。因此，有必要開發(fā)新的解決方案來提高風(fēng)力發(fā)電的儲能效率。
作為地球上最輕的元素，氫具有最高的能源密度，可以通過電將水分解產(chǎn)生。如果水電解槽與風(fēng)力發(fā)電或太陽能電池板集成，氫氣作為能量儲存的媒介可由多余的風(fēng)力、太陽能發(fā)電產(chǎn)生。在電網(wǎng)高峰時段，質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池站發(fā)電來滿足電網(wǎng)要求。由于PEM燃料電池發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換率高;發(fā)電時不產(chǎn)生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時也沒有噪音。所以，質(zhì)子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源。
相比傳統(tǒng)的電池存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有兩個顯著的優(yōu)點：
(1)循環(huán)壽命長。制氫設(shè)備通常設(shè)計為20年的使用壽命，質(zhì)子交換膜燃料電池站通常可以可靠運行40,000小時。最近，Adzic在Brookhaven國家實驗室(BNL)在質(zhì)子交換膜燃料電池穩(wěn)定性上取得突破，將進(jìn)一步增加該系統(tǒng)的壽命。在Charles Barnhart的研究的基礎(chǔ)上，增加電池(PEM燃料電池可以被視為一種類型的電池)ESOI的最可行的方法是提高循環(huán)壽命。因此本系統(tǒng)有效地儲存風(fēng)能是非常有前景的；
(2)產(chǎn)氫所需的原材料只有純水(常見的水電解技術(shù)需要10%--30%的堿性水以增加水的電導(dǎo)率，然而在聚合物電解質(zhì)膜分離技術(shù)中只需要純水)另外質(zhì)子交換膜燃料電池的排放又是純凈的水。因此，該系統(tǒng)是非常符合成本效益和環(huán)境友好的宗旨；
這種方法的問題是，傳統(tǒng)的發(fā)電機電解制氫過程中需要穩(wěn)定的電流和電壓。由于風(fēng)力/太陽能發(fā)電是間歇性的，連接到該電源的制氫設(shè)備很難正常工作，除非安裝額外的變壓器，但是這也提高了運行成本。但最近發(fā)明的Verde制氫設(shè)備克服這個障礙。這項專利技術(shù)使制氫設(shè)備在任何的電流和電壓下得以運行，尤其提高了在間歇性的風(fēng)力/太陽能發(fā)電的下的產(chǎn)氫效率。此外，基于PLC芯片的自動控制系統(tǒng)，Verde制氫設(shè)備也能強制性的保證在這個系統(tǒng)的各個組成部分之間的相互協(xié)作運行。
總之，與風(fēng)能或太陽能一體化的能量存儲系統(tǒng)能顯著提高可再生能源的利用效率，給并網(wǎng)發(fā)電帶來相當(dāng)積極的經(jīng)濟影響。因此，從提高其經(jīng)濟性和環(huán)境保護(hù)的方面來考慮，穩(wěn)步持續(xù)發(fā)展可再生能源和提高可持續(xù)能源并網(wǎng)率是必要的。
