专家建议能源生产和储存结合确保电网安全

氧化还原立方体计划使用天然气生产25兆瓦的燃料电池。照片来源:氧化还原动力系统

即将推出的新燃料电池可以消除权衡利弊的需要，使可再生能源更容易融入电网。

随着成本下降，*和企业试图减少温室气体排放，太阳能光伏和风力涡轮机的投资正在飙升。然而，来自风和太阳的波动电力威胁着电网的稳定。当更多的间歇性能源被接通时，电力会激增并崩溃。这增加了电压、功率和交流频率的可变性。

德国25%以上的能源来自可再生能源，但也遇到了困难。电压故障会破坏关键部件，损坏工厂和发电厂设备，造成数万欧元的损失。使用燃煤电厂来维持稳定也增加了温室气体排放。

生产和负载必须平衡。正在实施三种方法:使用实时需求和定价激励来控制负载；增加或减少天然气发电厂，以补偿这种波动的电力供应；储存能量。每个都有一些缺点。反复要求减少电力需求会激怒用户，并可能被追求利润的第三方操纵。燃气轮机和电池不能提供快速(少于1秒)的高功率响应，也不能长时间提供能量。电池容易退化，更换成本高。组合电池需要多套电子设备和控制系统。

为了应对这些情况，美国能源部高级能源研究计划(ARPA-E)的项目主任约翰·莱蒙(John P. Lemmon)最近在《自然》杂志上写道，即将推出的新燃料电池可以消除权衡利弊的需要，使可再生能源更容易融入电网。目前，燃料电池仅用于发电和发热。事实上，由于材料和设计上的突破，它们可以通过改进来储存能量，也可以生产液体燃料，如甲醇。开发电池模式的燃料电池是莱蒙指导的项目的一个关键点。

莱蒙领导着13个项目，涵盖学术界、工业界和国家实验室。他认为，目前的研究人员必须证明燃料电池能够执行多种功能，并且仍然能够高效发电。

分布式能源带来的挑战

分布式能源发电正在迅速发展。到2040年，美国太阳能光伏发电量预计将是目前水平的三倍。然而，传统电网的设计并不能处理成千上万的小规模和可变能源。

可再生能源有两个间歇。首先，产出可能不时随机波动。例如，云可以在太阳能电池板上投射阴影。其次，产量随着白天和黑夜而变化，这是可以预测的。根据加州独立系统运营商的估计，2020年3月的一个晚上，当太阳落山，人们回家时，加州的电力需求将在3小时内增加到13千兆瓦。这相当于开放20多个发电量为600兆瓦的发电厂。

当电网被推到极限时，比如在一个大城市炎热的夏天，通常会首先采取措施减少电力需求。在美国，这种“需求响应”可以将峰值负载降低9%。然而，政策的不确定性使得电网运营商很难应对需求响应。

最新的天然气涡轮机设计具有缓冲能力，有助于平衡可再生能源的功率输出。它们可以迅速进入运行状态，每分钟可以增加几十兆瓦的电力。然而，从零开始，发电仍然需要几分钟而不是几秒钟。已经在旋转的涡轮机可以在几秒钟内投入运行，但是它们效率较低并且排放较高。此外，在美国，运营成本要高出13% ~ 24%。

使用电池储存电网能量正受到越来越多的关注。能源公司越来越相信这种设备在这个领域是可行的。相关法律法规也变得更加有利。到2020年，加州需要1.32千兆瓦的存储容量，其公用事业公司已经开始购买存储设备。

现有技术，如改进的风力预测模型，以及输电基础设施的扩展和其他举措，可能有助于随着纳入的可再生能源数量的增加而保持电网稳定。然而，分布式发电超过50%的更大电网(几十兆瓦或更多)是前所未有的。现有技术是否足以支持这样的电网还不清楚。

混合燃料电池

莱蒙支持一种不同的方法:内置电荷存储能力的燃料电池。由于其高发电效率，燃料电池几十年来一直被吹捧为能源生产。然而，它们没有被广泛使用，因为燃料电池比燃烧发电机更贵(前者每千瓦成本3000美元，后者1000美元)。过去15年来，美国*资助的研究项目一直试图降低这些成本。增强燃料电池的功能将使它们更有价值。

燃料电池是类似于电池的电化学装置，它依靠氢或甲烷等物质来发电和发热。目前使用的燃料电池有两种:在80℃左右工作的聚合物燃料电池，主要用于汽车；工作温度高于650℃的固体氧化物燃料电池主要用于固定发电设备。前者需要昂贵的铂催化剂，而后者需要昂贵的密封件和使用寿命有限的连接器。在两个温度极限下都很难增加功能。

现有的燃料电池对电流和电压的变化反应缓慢，通常超过1秒。高温燃料电池(工作温度高于650℃)必须避免对其组成材料施加压力，而燃料处理器需要1分钟来改变甲烷转化为氢气、一氧化碳和二氧化碳的速率。如果缺少燃料，电池会变坏。

将电荷存储在燃料电池的电极中或附近将提高设备的响应能力，并且可以在不停止操作的情况下提供电能，并且比传统的燃料电池持续更长的时间。电池模式的概念已经在实验室中通过具有金属氢化物阳极的碱性燃料电池和具有钒氧化物电极的固体氧化物燃料电池进行了演示。尽管报道的能量密度很低，但这些电池可以储存几分钟或几小时的电压。目前，需要更多的材料研究来增加电的输出，减少阳极与燃料相互作用并储存电荷的能量损失。

增加功能

可以集成到燃料电池中的另一个功能是将天然气(甲烷)电化学转化为液体燃料，例如甲醇。现有的天然气制石油(GTL)技术只有在大规模应用时才是经济的。壳牌在卡塔尔建造的GTL发电厂每天可以处理4500立方米的天然气。

与不需要时关闭太阳能电池板或风力涡轮机不同，当电力供应超过需求时，产生的多余电荷可以直接用于生产液体运输燃料或化学品。在天然气井中，这种燃料电池可以转化成天然气，然后被点燃或排放。在过去的五年里，这种设备已经在实验室得到了验证，但目前还不具备商业可行性。

关于中温混合燃料电池的实现，研究人员需要创造具有高导电性的固体电解质，并寻找具有高活性和稳定性且在与甲烷反应时不形成焦炭的电极材料。与低温聚合物电池相比，这些装置必须使用更少的铂催化剂和更多的掺杂燃料。与此同时，它可以应对更便宜的密封和连接器，并且比高温固体氧化物燃料电池持续时间更长。

美国研究人员已经有了一个良好的开端。2014年6月，莱蒙在阿帕奇电子公司启动了“基于电化学系统的可靠电力”项目，资金为3300万美元。目前，该项目正开始取得成果。

同时，研究人员应证明高能量密度和长达10年的使用寿命，以证明具有附加功能的中温燃料电池的可行性。成本节约必须通过严格的技术经济模型来确认。随后，研究进展将需要从单一电池升级到千瓦级系统，这将需要5-10年的时间。(宗华)

中国科学新闻(2015-10-22第三版国际版)

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