運(yùn)用太陽(yáng)能和風(fēng)能是解決能源問(wèn)題的根本和長(zhǎng)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(yáng)能和風(fēng)能是間歇性的而且不能隨需要來(lái)控制。 要有效地運(yùn)用太陽(yáng)能和風(fēng)能，能量?jī)?chǔ)存是必須的，大規(guī)模長(zhǎng)期儲(chǔ)存能量是非常昂貴的。 解決這個(gè)問(wèn)題的一種方案是太陽(yáng)能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存。所謂短期，是指十幾小時(shí)至幾天，相當(dāng)于太陽(yáng)能和風(fēng)能的變化周期。 所謂分散，是指以單個(gè)建筑為單位，并且以多種不同的方式儲(chǔ)存能量。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度看，太陽(yáng)能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存的設(shè)備會(huì)形成一個(gè)新的大規(guī)模的工業(yè)部門。

1、引言

　　世界上越來(lái)越多的人認(rèn)為，運(yùn)用太陽(yáng)能和風(fēng)能是解決能源問(wèn)題的根本和長(zhǎng)期的途徑，例如，2007年諾貝爾和平獎(jiǎng)獲得者，前美國(guó)副總統(tǒng)高爾在2008年7月17日提出了“ 新登月計(jì)劃”，要求美國(guó)在十年之內(nèi)，即到2018年，全部電力都用太陽(yáng)能，風(fēng)能和地?zé)岙a(chǎn)生。甚至富裕而盛產(chǎn)石油的阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)，都展示了發(fā)展“ 石油以后”世界經(jīng)濟(jì)遠(yuǎn)見(jiàn)，出資180億美元為初始基金，建立一個(gè)可再生能源研究示范城市Masdar，以無(wú)碳排放為目標(biāo)，著重發(fā)展太陽(yáng)能和風(fēng)能。以下的統(tǒng)計(jì)數(shù)字對(duì)此作了生動(dòng)的說(shuō)明：

　　每年流向地球的太陽(yáng)能：5.46×10²⁴J
　　每年全球的可利用風(fēng)能：2.5×10²¹J
　　全世界石油總儲(chǔ)量：1.89×10²²J
　　全世界天然氣總儲(chǔ)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(yáng)能的0.01%或風(fēng)能的20%就足夠全世界的能量消耗。

　　根據(jù)德國(guó)太陽(yáng)能工業(yè)協(xié)會(huì)Bundseverband Solarwirtschaft的預(yù)測(cè)，在本世紀(jì)中葉以后，太陽(yáng)能和風(fēng)能，特別是太陽(yáng)電池發(fā)電（photovolatics，簡(jiǎn)稱PV），將成為主要的能源。見(jiàn)圖1。

　　但是，與傳統(tǒng)的能源（包括化石燃料和水電）相比，太陽(yáng)能和風(fēng)能有一個(gè)重大的缺點(diǎn)：傳統(tǒng)的能源可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)供應(yīng)，而太陽(yáng)能和風(fēng)能是間歇性的而且不能隨需要來(lái)控制$ 太陽(yáng)能只有白天和晴天才有。風(fēng)力的大小則經(jīng)常發(fā)生無(wú)法控制的劇烈變化。如所周知，風(fēng)力的能流密度P 與風(fēng)速V的三次方成正比：P=1/2ρV³，其中ρ是空氣的密度，在標(biāo)準(zhǔn)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(jī)場(chǎng)2007年1月的風(fēng)能密度的變化情況。圖3是同一地方2007年7月的風(fēng)能密度的變化情況。如果說(shuō)，太陽(yáng)能的變化還是比較有規(guī)律的，風(fēng)能就沒(méi)有規(guī)律可循了。

　　從季節(jié)上來(lái)看，太陽(yáng)能和風(fēng)能是互補(bǔ)的。冬天風(fēng)大而陽(yáng)光弱，夏天風(fēng)小而陽(yáng)光強(qiáng)。但是，從短期來(lái)看，在幾個(gè)小時(shí)到幾天內(nèi)，太陽(yáng)能和風(fēng)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是互補(bǔ)的。從目前世界各國(guó)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，如果只依賴大范圍的電網(wǎng)，太陽(yáng)能和風(fēng)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(lái)按時(shí)滿足能量的實(shí)際需要。例如，丹麥目前風(fēng)力發(fā)電的比例已經(jīng)超過(guò)了20%， 但是，沒(méi)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(lái)自水電站。如果電力超過(guò)了需要，多余的電力就用來(lái)把水從海拔低的水庫(kù)泵到海拔高的水庫(kù)。當(dāng)?shù)�麥人需要更多的電力時(shí)，只要挪威把閑置的水力發(fā)電站開(kāi)動(dòng)起來(lái)，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(lái)說(shuō)，大規(guī)模長(zhǎng)期儲(chǔ)存能量是非常昂貴的。

　　解決這個(gè)問(wèn)題的一種方案是太陽(yáng)能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存。從歷史上看，這并不是一個(gè)全新的概念。在1970-1980年代的第一次能源危機(jī)期間，已經(jīng)出現(xiàn)的許多零星的實(shí)例。所謂短期，是指十幾小時(shí)至幾天，相當(dāng)于太陽(yáng)能和風(fēng)能的變化周期。所謂分散，是指以單個(gè)建筑為單位，并且以多種不同的方式儲(chǔ)存能量。如果太陽(yáng)能和風(fēng)能變成了總能量供應(yīng)的主流，能量的短期分散和儲(chǔ)存勢(shì)在必行。在這里，我把太陽(yáng)能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存作為和大電網(wǎng)能量傳輸供應(yīng)方案平行的一個(gè)能量供應(yīng)方案來(lái)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(fèi)，減少了能量變換和傳輸過(guò)程中的損耗，在經(jīng)濟(jì)上是合理的。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度看，太陽(yáng)能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存的設(shè)備會(huì)形成一個(gè)新的大規(guī)模的工業(yè)部門。由于人力、資源和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，中國(guó)將在這一新興的工業(yè)中占主導(dǎo)地位。

2、氫氣

　　氫氣曾經(jīng)被認(rèn)為是儲(chǔ)存能量的最有希望的載體，而燃料電池曾經(jīng)被認(rèn)為是把氫氣轉(zhuǎn)化成為電能的最佳方式。如果用氫氣來(lái)代替汽油和柴油作為汽車的動(dòng)力，污染問(wèn)題就可以徹底解決了，因?yàn)榕欧懦鰜?lái)的是完全無(wú)害的水蒸氣.Jeremy Rifkin在2002年發(fā)表的暢銷一時(shí)的題為《（The Hype about Hydrogen(氫騙局）》的書(shū)中，以自己親身的經(jīng)驗(yàn)，令人信服地闡明了，氫氣-燃料電池技術(shù)是不經(jīng)濟(jì)的；因此在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，不可能成為有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力的工業(yè)技術(shù)。

　　首先，Joseph J.Romm糾正了一種常見(jiàn)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(guò)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(guò)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(huì)引起二氧化碳污染。

　　其次，Josenh J.Romm分析了氫氣儲(chǔ)存的經(jīng)濟(jì)性和安全性問(wèn)題。目前唯一經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的儲(chǔ)存氫氣的方法，是高壓儲(chǔ)氣罐。但是，即使壓縮到350個(gè)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(guò)程會(huì)消耗大量的能量，而且這種高壓儲(chǔ)氣罐十分昂貴。安全性也令人擔(dān)憂。

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