专家建议能源生产和储存结合确保电网安全

Redox Cube项目计划利用天然气产生25兆瓦的燃料电池。图片来源：Redox Power Systems

即将到来的新型燃料电池能消除这种权衡利弊的需要，并且使可再生能源并入电网变得更加容易。

随着成本下降以及各国政府和公司力图减少温室气体排放，对太阳能光伏和风力涡轮机的投资正在猛增。然而，来自风和太阳的波动电量威胁着电网的稳定性。当更多的间歇性能源被连接起来，电力便会激增并且崩溃。这增加了电压、电量和交流电频率的变化性。

超过25%的能源产生自可再生能源的德国已经遇到了困难。电压故障会摧毁关键组件并破坏工厂和发电厂设备，从而导致成千上万欧元的损失。利用燃煤电厂维持稳定，又增加了温室气体的排放。

生产和负荷必须得到平衡。3种方法正在实施中：利用实时需求和定价激励举措控制负荷；增加或减少天然气发电厂，以对这种波动供电进行补偿；储存能量。每种都有一些缺点。反复要求减少用电需求会激怒用户，并且可能受到唯利是图的第三方操控。燃气轮机和电池无法提供快速（低于1秒）的大功率响应，也不能长期提供能源。电池容易退化，而且更换费用较高。组合电池则要求很多套电子设备和控制系统。

针对这些情况，美国能源部先进能源研究规划署（ARPA-E）项目负责人John P. Lemmon日前在《自然》杂志上撰文指出，即将到来的新型燃料电池能消除这种权衡利弊的需要，并且使可再生能源并入电网变得更加容易。目前，燃料电池仅被用于产生电和热。其实，它们能通过改进用于储存能源，并且由于材料和设计上的突破，还可产生诸如甲醇等液体燃料。开发拥有一种蓄电池模式的燃料电池是Lemmon所指导项目的一个重点。

Lemmon领导了13个横跨学术界、工业界和国家实验室的项目。他认为，当下研究人员必须证明，燃料电池能执行多种功能，并且仍能高效发电。

来自分布式能源的挑战

来自分布式来源的发电正在迅速扩张。到2040年，美国的太阳能光伏发电量预计将是目前的3倍。然而，传统电网并未被设计用于处理成千上万的小规模多变能源。

可再生能源具有两种间歇性。首先，输出可能时时随机波动。例如，云层会对太阳能电池板投下阴影。其次，输出随着白天和夜晚发生变动，而这是可以预测的。根据加州独立系统运营商的预估，2020年3月一个傍晚，当太阳正在落山而人们纷纷回家时，加州的用电需求在3个小时内将增至13吉瓦。这相当于开启20余座具备600兆瓦发电量的电厂。

当电网被逼到极限时，比如在一座大城市中某个闷热的夏日，减少用电需求的举措通常会被最先部署。在美国，此类“需求响应”能使峰值负荷削减9%。然而，政策上的不确定性让电网系统操作人员在处理需求响应时非常棘手。

最新的天然气涡轮机被设计带有缓冲能力，以帮助平衡来自可再生能源的电量输出。它们能快速进入运行状态，而且每分钟能增加数十兆瓦电量。不过，从零开始的话，这仍需要几分钟而不是数秒产生电量。已在转动的涡轮机能在几秒内投入运行，但效率较低、排放量更高，而且在美国，运行成本要高出13%～24%。

利用电池储存电网能量正受到更多关注。能源公司越来越坚信，此类设备在该领域是可行的。相关法规也变得更加有利。加州要求到2020年拥有1.32吉瓦的存储容量，而其公用事业公司已开始购买储存设备。

诸如改进后的风力预测模型等现有技术以及输电基础设施的扩建和其他举措，在并入的可再生能源增加时可能有助于维持电网稳定。不过，拥有超过50%分布式发电的更大电网（数十兆瓦或者更多）是史无前例的。现有技术是否足以支撑此类电网仍然未知。

混合燃料电池

Lemmon支持一种不同的方法：具有内置电荷存储能力的燃料电池。由于较高的发电效率，几十年来燃料电池一直被吹捧用于能源生产。然而，它们并未得到广泛采用，因为燃料电池比燃烧式发电机成本更高（前者每千瓦的成本为3000美元，后者为1000美元）。过去15年，美国政府资助的研究项目一直在试图降低这些成本。增强燃料电池的功能性将使其更有价值。

燃料电池是和电池类似的电化学器件，依靠诸如氢或甲烷等物质产生电和热。目前使用的燃料电池有两种类型：在80℃左右运行的聚合物燃料电池，主要服务于车辆；在650℃以上运行的固体氧化物燃料电池，主要服务于固定发电设备。前者需要昂贵的铂催化剂，后者则需要成本很高的密封件和连接器，并且使用寿命有限。在两种温度极限下增加功能性都很困难。

现有燃料电池对电流和电压变化的响应很慢，通常超过1秒钟。高温燃料电池（在650℃以上运行）必须避免对其组分材料施压，而燃料处理器要花费1分钟，才能改变甲烷被转变成氢气、一氧化碳和二氧化碳的速率。如果缺乏燃料，电池还会退化。

在燃料电池的电极内部或者附近储存电荷，将提高设备的响应能力，并能在不用停止运行和比传统燃料电池使用更久的情况下补给电能。电池模式概念通过拥有金属氢化物阳极的碱性燃料电池和钒氧化物电极的固体氧化物燃料电池已在实验室中得以展示。尽管报告的能量密度较低，但这些电池能连续几分钟或数小时储存电压。当前还需要开展更多的材料研究，以增加电量输出，同时减少和燃料相互作用并储存电荷的阳极处的能量损失。

增加功能性

另一种可被集成到燃料电池中的功能是将天然气（甲烷）电化学转化为诸如甲醇等液体燃料。现有天然气制油（GTL）技术只有被大规模运用时才具有经济性。壳牌公司在卡塔尔建设的GTL发电厂每天能处理4500立方米天然气。

和在不需要时关闭太阳能电池板或者风力涡轮机不同，当供电量超过需求时，产生的多余电荷能被引导生成液体运输燃料或化学物质。在天然气井中，此类燃料电池可转化为能被点燃或排放出去的天然气。过去5年间，这种设备已在实验室中得以展示，但目前还不具备商业可行性。

关于使中温混合燃料电池变成现实，研究人员需要创建具有高传导率的固体电解质，并且发现拥有高活性和稳定性且和甲烷反应不会形成焦炭的电极材料。相较于低温聚合物电池，这些设备必须利用较少的铂催化剂和更多的掺杂燃料。同时，能应付更便宜的密封件和连接器，并且比高温固体氧化物燃料电池用的更加长久。

美国研究人员已经有了一个好的开头。2014年6月，Lemmon在ARPA-E发起“基于电化学系统的可靠电力”项目，资助金额为3300万美元。目前，项目正开始取得成果。

同时，研究人员应当通过展示高能量密度和长达10年的使用寿命，证明具有额外功能的中温燃料电池具有可行性。成本上的节约必须通过严谨的技术—经济建模得以证实。随后，研究进展将需要被升级，从单个电池变为千瓦级系统，而这需要5～10年。