運用太陽能和風能是解決能源問題的根本和長期的途徑。 但是，傳統(tǒng)的能源可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)供應(yīng)，而太陽能和風能是間歇性的而且不能隨需要來控制。 要有效地運用太陽能和風能，能量儲存是必須的，大規(guī)模長期儲存能量是非常昂貴的。 解決這個問題的一種方案是太陽能和風能的短期分散儲存。所謂短期，是指十幾小時至幾天，相當于太陽能和風能的變化周期。 所謂分散，是指以單個建筑為單位，并且以多種不同的方式儲存能量。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度看，太陽能和風能的短期分散儲存的設(shè)備會形成一個新的大規(guī)模的工業(yè)部門。

1、引言

　　世界上越來越多的人認為，運用太陽能和風能是解決能源問題的根本和長期的途徑，例如，2007年諾貝爾和平獎獲得者，前美國副總統(tǒng)高爾在2008年7月17日提出了“ 新登月計劃”，要求美國在十年之內(nèi)，即到2018年，全部電力都用太陽能，風能和地熱產(chǎn)生。甚至富裕而盛產(chǎn)石油的阿拉伯聯(lián)合酋長國，都展示了發(fā)展“ 石油以后”世界經(jīng)濟遠見，出資180億美元為初始基金，建立一個可再生能源研究示范城市Masdar，以無碳排放為目標，著重發(fā)展太陽能和風能。以下的統(tǒng)計數(shù)字對此作了生動的說明：

　　每年流向地球的太陽能：5.46×10²⁴J
　　每年全球的可利用風能：2.5×10²¹J
　　全世界石油總儲量：1.89×10²²J
　　全世界天然氣總儲量：1.57×10²² J
　　全世界每年能量消耗量（2007年）：5.0×10²⁰ J
　　每年流向地球的太陽能的0.01%或風能的20%就足夠全世界的能量消耗。

　　根據(jù)德國太陽能工業(yè)協(xié)會Bundseverband Solarwirtschaft的預(yù)測，在本世紀中葉以后，太陽能和風能，特別是太陽電池發(fā)電（photovolatics，簡稱PV），將成為主要的能源。見圖1。

　　但是，與傳統(tǒng)的能源（包括化石燃料和水電）相比，太陽能和風能有一個重大的缺點：傳統(tǒng)的能源可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)供應(yīng)，而太陽能和風能是間歇性的而且不能隨需要來控制$ 太陽能只有白天和晴天才有。風力的大小則經(jīng)常發(fā)生無法控制的劇烈變化。如所周知，風力的能流密度P 與風速V的三次方成正比：P=1/2ρV³，其中ρ是空氣的密度，在標準狀況下（1大氣壓，溫度18℃），ρ=1.225kg/m³速度V可以從0變化到每秒幾十米，圖2是紐約市郊區(qū)White Plains 飛機場2007年1月的風能密度的變化情況。圖3是同一地方2007年7月的風能密度的變化情況。如果說，太陽能的變化還是比較有規(guī)律的，風能就沒有規(guī)律可循了。

　　從季節(jié)上來看，太陽能和風能是互補的。冬天風大而陽光弱，夏天風小而陽光強。但是，從短期來看，在幾個小時到幾天內(nèi)，太陽能和風能遠遠不是互補的。從目前世界各國的經(jīng)驗來看，如果只依賴大范圍的電網(wǎng)，太陽能和風能在總電力之中的份額只能是一小部分，例如20%大部分的電力仍然需要從化石能源提供，或者用可逆的水電站調(diào)節(jié)，來按時滿足能量的實際需要。例如，丹麥目前風力發(fā)電的比例已經(jīng)超過了20%， 但是，沒有好鄰居挪威，這是很難做到的。丹麥和挪威的電網(wǎng)是連著的，挪威絕大部分的電力來自水電站。如果電力超過了需要，多余的電力就用來把水從海拔低的水庫泵到海拔高的水庫。當?shù)�麥人需要更多的電力時，只要挪威把閑置的水力發(fā)電站開動起來，就可以滿足需要， 但是這種方法只有在特殊的地理環(huán)境下才能夠?qū)崿F(xiàn)。一般來說，大規(guī)模長期儲存能量是非常昂貴的。

　　解決這個問題的一種方案是太陽能和風能的短期分散儲存。從歷史上看，這并不是一個全新的概念。在1970-1980年代的第一次能源危機期間，已經(jīng)出現(xiàn)的許多零星的實例。所謂短期，是指十幾小時至幾天，相當于太陽能和風能的變化周期。所謂分散，是指以單個建筑為單位，并且以多種不同的方式儲存能量。如果太陽能和風能變成了總能量供應(yīng)的主流，能量的短期分散和儲存勢在必行。在這里，我把太陽能和風能的短期分散儲存作為和大電網(wǎng)能量傳輸供應(yīng)方案平行的一個能量供應(yīng)方案來討論。這一方案由于避免了昂貴的直流-交流變流器和電網(wǎng)的建設(shè)費，減少了能量變換和傳輸過程中的損耗，在經(jīng)濟上是合理的。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度看，太陽能和風能的短期分散儲存的設(shè)備會形成一個新的大規(guī)模的工業(yè)部門。由于人力、資源和國內(nèi)市場的優(yōu)勢，中國將在這一新興的工業(yè)中占主導地位。

2、氫氣

　　氫氣曾經(jīng)被認為是儲存能量的最有希望的載體，而燃料電池曾經(jīng)被認為是把氫氣轉(zhuǎn)化成為電能的最佳方式。如果用氫氣來代替汽油和柴油作為汽車的動力，污染問題就可以徹底解決了，因為排放出來的是完全無害的水蒸氣.Jeremy Rifkin在2002年發(fā)表的暢銷一時的題為《（The Hype about Hydrogen(氫騙局）》的書中，以自己親身的經(jīng)驗，令人信服地闡明了，氫氣-燃料電池技術(shù)是不經(jīng)濟的；因此在可預(yù)見的將來，不可能成為有商業(yè)競爭能力的工業(yè)技術(shù)。

　　首先，Joseph J.Romm糾正了一種常見的“氫氣是能源”的誤解。在地球上，氫只是以化合物的形式存在，例如水，要得到游離的氫氣，必須消耗能源。目前，世界上絕大部分氫氣是由天然氣產(chǎn)生的，這種過程叫做“蒸汽重組(steam reform)”：在很高的溫度和壓力下，把天然氣和水蒸氣通過觸媒，轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳：

CH₄+2H₂O->4H₂+CO₂

　　用電解水產(chǎn)生氫氣，能量效率最多只有70%，而且比蒸汽重組要昂貴許多倍，所以很少使用。因此，氫氣并不是可再生的能源，而且會引起二氧化碳污染。

　　其次，Josenh J.Romm分析了氫氣儲存的經(jīng)濟性和安全性問題。目前唯一經(jīng)過實踐檢驗的儲存氫氣的方法，是高壓儲氣罐。但是，即使壓縮到350個大氣壓，同樣體積的壓縮氫氣，所含的能量只是同樣體積的柴油的十分之一。但是，壓縮過程會消耗大量的能量，而且這種高壓儲氣罐十分昂貴。安全性也令人擔憂。

　　最后，Josenh J.Romm分析了燃料電池的經(jīng)濟性和可靠性問題。雖然在理論上，燃料電池的效率可能達到70%，目前實際上達到的效率是40% 左右，并不比柴油機高多少。而且需要用貴金屬，成本太高，可靠性問題也遠未解決。