苏黎世联邦理工学院的研究人员正在使用铁安全地长期储存氢。在未来，这项技术可以用于季节性能源储存。

　　苏黎世联邦理工学院H?nggerberg校园里，研究人员塞缪尔·海尼格(左，拿着一罐铁矿石)和温德林·斯塔克教授站在三个铁反应堆前。(图片来源:苏黎世联邦理工学院)

　　储存氢既昂贵又低效。在苏黎世联邦理工学院H?nggerberg校园的一个试验工厂里，联邦理工学院的研究人员正在展示这种情况将如何很快改变。

　　研究人员在三个反应器中将氢与氧化铁反应。由此产生的铁易于储存和使用转化回氢和氧化铁。

　　试点工厂将扩大规模，到2026年，太阳能将满足H?nggerberg园区冬季电力需求的五分之一。

　　到2050年，光伏发电将满足瑞士40%以上的电力需求。但是，在需要的时候，太阳能并不总是可用的:夏天太阳能太多，冬天太少，因为冬天日照较少，热泵也在全速运转。根据瑞士联邦政府的能源战略，瑞士希望通过进口、风能和水力发电以及高山太阳能发电厂和燃气发电厂的结合来弥补冬季电力缺口。

　　减少冬季对进口和燃气发电厂需求的一种方法是，在夏季利用廉价的太阳能生产氢气，然后在冬季将其转化为电能。然而，氢是高度易燃的，极易挥发，使许多材料变脆。将天然气从夏天储存到冬天需要特殊的加压容器和冷却技术。这需要大量的能源，而必须遵循的许多安全预防措施使得建造这样的储存设施非常昂贵。更重要的是，氢气罐从来都不是完全防漏的，这会损害环境，增加成本。

　　现在，由化学与应用生物科学系功能材料教授Wendelin Stark领导的苏黎世联邦理工学院的研究人员已经开发出一种比现有解决方案更安全、更便宜的季节性氢储存新技术。研究人员使用了一种著名的技术和地球上第四丰富的元素:铁。

　　为了更好地储存氢，斯塔克和他的团队依赖于蒸汽熨斗过程，这一过程自19世纪以来就被人们所了解。如果在夏季有多余的太阳能可用，它可以用来分解水来产生氢气。然后，这些氢气被送入一个充满天然铁矿石的不锈钢反应器，温度为400摄氏度。在那里，氢从铁矿石中提取氧气——从化学角度来说，铁矿石就是氧化铁——产生铁元素和水。

　　“这个化学过程类似于给电池充电。这意味着氢中的能量可以以铁和水的形式长期储存，几乎没有损失，”斯塔克说。当冬天再次需要能量时，研究人员将这个过程颠倒过来:他们将热蒸汽注入反应堆，将铁和水重新转化为氧化铁和氢。氢气可以在燃气轮机或燃料电池中转化为电能或热能。为了使排出过程所需的能量保持在最低限度，蒸汽是利用排出反应的余热产生的。

　　充电和放电过程为存储技术。(图片来源:Fabio Bergamin /苏黎世联邦理工学院)

　　“这项技术的一大优势是，铁矿石这种原材料很容易大量采购。此外，在我们把它放入反应堆之前，它甚至不需要处理，”斯塔克说。此外，研究人员假设可以在全球范围内建造大型铁矿石储存设施，而不会对全球市场铁的价格产生实质性影响。

　　发生反应的反应堆也不需要满足任何特殊的安全要求。它由6毫米厚的不锈钢墙组成。反应在常压下进行，储存量随着循环的增加而增加。一旦填满氧化铁，反应器可以重复使用任何次数的储存循环，而不必更换其内容物。该技术的另一个优点是，研究人员可以很容易地扩大存储容量。这只是建造更大的反应堆，并在其中填充更多的铁矿石。所有这些优势使这种存储技术比现有方法便宜大约十倍。

　　然而，使用氢也有一个缺点:与其他能源相比，它的生产和转换效率低下，因为高达60%的能量在这个过程中损失了。这意味着，当有足够的风能或太阳能可用，而其他选择不在考虑范围内时，作为一种存储介质，氢是最有吸引力的。对于不能电气化的工业过程来说尤其如此。

　　研究人员已经在H?nggerberg校园的一个试验工厂展示了他们的存储技术的技术可行性。它由三个容量为1.4立方米的不锈钢反应器组成，每个反应器中都装满了2-3吨市场上可以买到的未经处理的铁矿石。

　　这个1.4立方米的不锈钢反应器位于H?nggerberg校园，可容纳2-3至6人

　　(图片来源:苏黎世联邦理工学院)

　　“试点工厂可以长期储存大约10兆瓦时的氢气。斯塔克研究小组的博士生塞缪尔·海尼格(Samuel Heiniger)解释说:“这取决于你如何将氢转化为电，这将为你提供大约4到6兆瓦时的电力。”这相当于三到五个瑞士独户家庭在冬季的用电量。目前，该系统仍然依靠电网供电，而不是利用H?nggerberg校园产生的太阳能。

　　这种情况很快就会改变:研究人员希望扩展该系统，这样到2026年，ETH H?nggerberg校园可以使用自己的夏季太阳能满足其冬季电力需求的五分之一。这将需要容量为2000立方米的反应堆，可以储存大约4千兆瓦时(GWh)的绿色氢。一旦转化为电能，储存的氢气将提供约2千兆瓦时的电力。“这个工厂可以取代阿尔卑斯山的一个小水库，作为季节性的能源储存设施。从这个角度来看，它相当于内特德德朗斯抽水蓄能电站容量的十分之一左右，”斯塔克说。此外，放电过程将产生2千兆瓦时的热量，研究人员希望将其整合到校园的供暖系统中。

　　瑞士的目标是到2050年将其温室气体排放量减少到零。这需要一种基于可再生和可持续能源的无化石能源供应——这对该国来说是一个巨大的挑战。苏黎世联邦理工学院通过其能源科学中心，在研究、教学和知识转移领域提供具体解决方案，支持瑞士的能源转型。

　　已经发表的:

　　用柔性热泵为工业供电

　　用科学加强瑞士水电

　　苏黎世联邦理工学院的分支机构开发高性能电池

　　浅绿色的氢就可以了