德国的光伏发电总量 III. 以恒定的太阳能、储能和网络化供应

Heiner Eckert Grafik Photovoltaik Gleichstromkabel Solar Energie

每种形式的能源在供应、应用和效率上都有其特定的特点。在此以电力为基础的一次能源供应,显现出了原本无法实现的优势。能量本身可以描述为原子 (主要为金属) 和分子中「自由」电子的质量,也可以描述为光子的辐射能量,通过普朗克的作用量子 h [Js=Ws2] 连接。

每种形式的能源在供应、应用和效率上都有其特定的特点。在此以电力为基础的一次能源供应,显现出了原本无法实现的优势。能量本身可以描述为原子 (主要为金属) 和分子中「自由」电子的质量,也可以描述为光子的辐射能量,通过普朗克的作用量子 h [Js=Ws2] 连接

在电动机中,电流到机械能的转换几乎是定量的,>90-99 % (取决于废热) [1]。相比之下,汽油和柴油发动机的系统效率为 25-30%,而基于燃料电池的机动性为45 % [2] ,系统效率大大降低。

电力储存

从 <光伏 →电力 →氢气 → 燃料电池 →电力→ 电动机>的繁琐途径中,以氢气作为电力储存装置的基础;但如果同时有越来越多效能好且更便宜的电池可用,则无须以氢气作为媒介,更遑论说它的效率并不好。但在大型工厂的金属和水泥生产过程中,氢气可以在避免二氧化碳方面发挥重要的作用。固定式的氢气技术可以有效地应用在废弃的核电站。 在无色无味气体的所有移动应用中 ,例如在运输部门,应持怀疑的态度;因为地下停车场和公路隧道等封闭空间中,爆炸风险极高 (爆炸极限为 3-80 %),点火温度低 (纺织品摩擦即可),火焰速度高 (是天然气的八倍),氢气高压容器 (700巴!),而且几乎看不见的火焰缺乏导热性 (紫外线辐射成分高!直接在火灾现场感觉不到热量) 与巨大的爆炸云[3],因此应该保持怀疑的态度。由于氢气上述的特殊性,即使只是发生轻微的车祸,也有可能造成令人意想不到的意外!

光伏在日周期,尤其是季节性周期中的电流收益率变化强烈,因此有必要采取平衡措施来保持供电的稳定性。由于上述「自由」电子的特性,电池本质上对这些系统最好,也是最佳的存储介质。对于移动系统来说,例如在运输领域,基于锂的高性能电池的高功率密度和低重量,实际上是不可替代的。此处的研究仍在如火如荼地进行,重点是「固态玻璃电池」类型,它没有液体电解质,因此能将着火的风险降到最低[4]。 电动汽车中一公斤的锂能生产10千瓦时的电能,因此续航里程约为100公里。将50公斤的锂与50公斤的汽油或柴油放在内燃机中进行比较时,将产生约5000公里的行驶距离。单单这一个比较就是锂的独特卖点。锂电池已经在市场上有了更高的额定功率。特斯拉公司创建了Giga-Power 系统,其能量含量为 130 MWh,输出功率为 100 MW。在澳大利亚,有三万户家庭由一家电厂供电,图 1 [5]。

图 1: 特斯拉Giga-Power 系统的能源含量为 130 MWh ,输出功率为100 MW。

大约十年后,高性能锂电池的弹性 (系数八倍) 会耗尽, 但仍保持了存储容量。该电池完全可以做为家庭(功率约三千瓦) 或其他低功率应用的储电设备。以金属钠、镁和铝为基础的电池,它们是地球上极为常见且容易获得的元素,也适用于无高峰值负载的单纯存储目的。特别是固定式钠硫电池的开发,取得了很大的进展 [6]。 因此,未来根本不会出现资源短缺的情况,除了特殊的解决方案外,其他的电力存储方法一般都会被淘汰。基本上,所有使用热力学过程的储电解决方案都是不利的,因为其效率很难超过 30 %,原因为热力学第二定律。

网络化

由于地球上到处都有太阳照射,但有一个时间差,因此有必要采用一种优雅的方法来使电源保持恒定,并且本身不需要电源存储功能。欧亚大陆从西班牙西海岸延伸到日本东海岸,超过纬度150度,这相当于10个小时的时间跨度和1.2万公里的距离。如果我们从西班牙到日本铺设一条直流电缆,并沿其边缘进行光伏发电,那么这条线路上的每个地点,都可以将其虚拟日照时间延长10个小时!这就厉害了! 3月22日和9月21日的春分点和秋分点,白天和晚上一样长,日照时间对全球光伏而言是22小时 (而不是12小时),总计为100%:24x(24+10)-100 = 光伏日照多了42 %。在欧洲,从中国获得的额外电力将使早上的时间完全提高到中午的水平;而在中国,晚上的时间将由来自欧洲的供电而得到平衡。由于现今的直流电缆已能在数千公里的范围内传输电力,因此12.000 公里长的电缆就技术层面上而言,应该称不上是个大冒险而只是个大挑战。中国目前正在全面重建丝绸之路的公路和铁路,这也是理想的电力路线,即直流电缆的开发已在进行,只有实际的铺设尚待完成。当然,这条路线本身也是光伏的理想区域 (请参阅 Total-PV-D-II) ,也应该具有一带一路与政治上接轨的意义。

参考文献

  1. https://www.pro-physik.de/nachrichten/elektromotoren-specken-ab
  2. https://www.energieagentur.nrw/brennstoffzelle/brennstoffzelle-wasserstoff-elektromobilitaet/wirkungsgrad
  3. https://www.fwvbw.de/fileadmin/Downloads/Einsatz_Wasserstoffleitfaden.pdf
  4. M. A. Kraft et al., „Lithium Superionic All-Solid-State Batteries”. Journal American Chemical Society 2018140, 16330-16339.
  5. https://cleantechnica.com/2017/11/23/tesla-completes-worlds-largest-li-ion-battery-129-mwh-energy-storage-facility-south-australia-notfree/
  6. https://www.energie-experten.org/erneuerbare-energien/photovoltaik/stromspeicher/natrium-schwefel-batterie.html