專家建議能源生產和儲存結合確保電網安全

Redox Cube項目計劃利用天然氣產生25兆瓦的燃料電池。圖片來源：Redox Power Systems

即將到來的新型燃料電池能消除這種權衡利弊的需要
，並且使可再生能源並入電網變得更加容易。

suizhechengbenxiajiangyijigeguozhengfuhegongsilitujianshaowenshiqitipaifang，duitaiyangnengguangfuhefengliwolunjidetouzizhengzaimengzeng。raner，laizifenghetaiyangdebodongdianliangweixiezhedianwangdewendingxing。danggengduodejianxiexingnengyuanbeilianjieqilai，dianlibianhuijizengbingqiebengkui。zhezengjialedianya、電量和交流電頻率的變化性。

超過25%denengyuanchanshengzikezaishengnengyuandedeguoyijingyudaolekunnan。dianyaguzhanghuicuihuiguanjianzujianbingpohuaigongchanghefadianchangshebei，congerdaozhichengqianshangwanouyuandesunshi。liyongranmeidianchangweichiwending，youzengjialewenshiqitidepaifang。

生產和負荷必須得到平衡。3種方法正在實施中：利用實時需求和定價激勵舉措控製負荷
；增加或減少天然氣發電廠，以對這種波動供電進行補償

；chucunnengliang。meizhongdouyouyixiequedian。fanfuyaoqiujianshaoyongdianxuqiuhuijinuyonghu，bingqiekenengshoudaoweilishitudedisanfangcaokong。ranqilunjihedianchiwufatigongkuaisu（低於1秒）的大功率響應，也不能長期提供能源。電池容易退化
，而且更換費用較高。組合電池則要求很多套電子設備和控製係統。

針對這些情況，美國能源部先進能源研究規劃署（ARPA-E）項目負責人John P. Lemmon日前在《自然》雜(za)誌(zhi)上(shang)撰(zhuan)文(wen)指(zhi)出(chu)，即(ji)將(jiang)到(dao)來(lai)的(de)新(xin)型(xing)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)能(neng)消(xiao)除(chu)這(zhe)種(zhong)權(quan)衡(heng)利(li)弊(bi)的(de)需(xu)要(yao)，並(bing)且(qie)使(shi)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)並(bing)入(ru)電(dian)網(wang)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)容(rong)易(yi)。目(mu)前(qian)
，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)僅(jin)被(bei)用(yong)於(yu)產(chan)生(sheng)電(dian)和(he)熱(re)。其(qi)實(shi)，它(ta)們(men)能(neng)通(tong)過(guo)改(gai)進(jin)用(yong)於(yu)儲(chu)存(cun)能(neng)源(yuan)
，並(bing)且(qie)由(you)於(yu)材(cai)料(liao)和(he)設(she)計(ji)上(shang)的(de)突(tu)破(po)
，還(hai)可(ke)產(chan)生(sheng)諸(zhu)如(ru)甲(jia)醇(chun)等(deng)液(ye)體(ti)燃(ran)料(liao)。開(kai)發(fa)擁(yong)有(you)一(yi)種(zhong)蓄(xu)電(dian)池(chi)模(mo)式(shi)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)是(shi)Lemmon所指導項目的一個重點。

Lemmon領導了13個橫跨學術界
、工業界和國家實驗室的項目。他認為，當下研究人員必須證明
，燃料電池能執行多種功能
，並且仍能高效發電。

來自分布式能源的挑戰

來自分布式來源的發電正在迅速擴張。到2040年
，美國的太陽能光伏發電量預計將是目前的3倍。然而，傳統電網並未被設計用於處理成千上萬的小規模多變能源。

可ke再zai生sheng能neng源yuan具ju有you兩liang種zhong間jian歇xie性xing。首shou先xian，輸shu出chu可ke能neng時shi時shi隨sui機ji波bo動dong。例li如ru
，雲yun層ceng會hui對dui太tai陽yang能neng電dian池chi板ban投tou下xia陰yin影ying。其qi次ci，輸shu出chu隨sui著zhe白bai天tian和he夜ye晚wan發fa生sheng變bian動dong，而er這zhe是shi可ke以yi預yu測ce的de。根gen據ju加jia州zhou獨du立li係xi統tong運yun營ying商shang的de預yu估gu，2020年3月一個傍晚，當太陽正在落山而人們紛紛回家時，加州的用電需求在3個小時內將增至13吉瓦。這相當於開啟20餘座具備600兆瓦發電量的電廠。

當電網被逼到極限時

，比如在一座大城市中某個悶熱的夏日
，減少用電需求的舉措通常會被最先部署。在美國
，此類“需求響應”能使峰值負荷削減9%。然而
，政策上的不確定性讓電網係統操作人員在處理需求響應時非常棘手。

zuixindetianranqiwolunjibeishejidaiyouhuanchongnengli
，yibangzhupinghenglaizikezaishengnengyuandedianliangshuchu。tamennengkuaisujinruyunxingzhuangtai
，erqiemeifenzhongnengzengjiashushizhaowadianliang。buguo
，conglingkaishidehua，zherengxuyaojifenzhongerbushishumiaochanshengdianliang。yizaizhuandongdewolunjinengzaijimiaoneitouruyunxing，danxiaolvjiaodi
、排放量更高

，而且在美國，運行成本要高出13%～24%。

利用電池儲存電網能量正受到更多關注。能源公司越來越堅信
，此類設備在該領域是可行的。相關法規也變得更加有利。加州要求到2020年擁有1.32吉瓦的存儲容量，而其公用事業公司已開始購買儲存設備。

zhurugaijinhoudefengliyucemoxingdengxianyoujishuyijishudianjichusheshidekuojianheqitajucuo，zaibingrudekezaishengnengyuanzengjiashikenengyouzhuyuweichidianwangwending。buguo，yongyouchaoguo50%分布式發電的更大電網（數十兆瓦或者更多）是史無前例的。現有技術是否足以支撐此類電網仍然未知。

混合燃料電池

Lemmon支持一種不同的方法：具ju有you內nei置zhi電dian荷he存cun儲chu能neng力li的de燃ran料liao電dian池chi。由you於yu較jiao高gao的de發fa電dian效xiao率lv，幾ji十shi年nian來lai燃ran料liao電dian池chi一yi直zhi被bei吹chui捧peng用yong於yu能neng源yuan生sheng產chan。然ran而er，它ta們men並bing未wei得de到dao廣guang泛fan采cai用yong，因yin為wei燃ran料liao電dian池chi比bi燃ran燒shao式shi發fa電dian機ji成cheng本ben更geng高gao（前者每千瓦的成本為3000美元，後者為1000美元）。過去15年
，美國政府資助的研究項目一直在試圖降低這些成本。增強燃料電池的功能性將使其更有價值。

燃料電池是和電池類似的電化學器件
，依靠諸如氫或甲烷等物質產生電和熱。目前使用的燃料電池有兩種類型：在80℃左右運行的聚合物燃料電池，主要服務於車輛；在650℃yishangyunxingdegutiyanghuawuranliaodianchi，zhuyaofuwuyugudingfadianshebei。qianzhexuyaoangguidebocuihuaji，houzhezexuyaochengbenhengaodemifengjianhelianjieqi
，bingqieshiyongshoumingyouxian。zailiangzhongwendujixianxiazengjiagongnengxingdouhenkunnan。

現有燃料電池對電流和電壓變化的響應很慢

，通常超過1秒鍾。高溫燃料電池（在650℃以上運行）必須避免對其組分材料施壓，而燃料處理器要花費1分鍾，才能改變甲烷被轉變成氫氣、一氧化碳和二氧化碳的速率。如果缺乏燃料，電池還會退化。

zairanliaodianchidedianjineibuhuozhefujinchucundianhe，jiangtigaoshebeidexiangyingnengli，bingnengzaibuyongtingzhiyunxinghebichuantongranliaodianchishiyonggengjiudeqingkuangxiabugeidianneng。dianchimoshigainiantongguoyongyoujinshuqinghuawuyangjidejianxingranliaodianchihefanyanghuawudianjidegutiyanghuawuranliaodianchiyizaishiyanshizhongdeyizhanshi。jinguanbaogaodenengliangmidujiaodi，danzhexiedianchinenglianxujifenzhonghuoshuxiaoshichucundianya。dangqianhaixuyaokaizhangengduodecailiaoyanjiu，yizengjiadianliangshuchu，tongshijianshaoheranliaoxianghuzuoyongbingchucundianhedeyangjichudenengliangsunshi。

增加功能性

另一種可被集成到燃料電池中的功能是將天然氣（甲烷）電化學轉化為諸如甲醇等液體燃料。現有天然氣製油（GTL）技術隻有被大規模運用時才具有經濟性。殼牌公司在卡塔爾建設的GTL發電廠每天能處理4500立方米天然氣。

和(he)在(zai)不(bu)需(xu)要(yao)時(shi)關(guan)閉(bi)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)或(huo)者(zhe)風(feng)力(li)渦(wo)輪(lun)機(ji)不(bu)同(tong)，當(dang)供(gong)電(dian)量(liang)超(chao)過(guo)需(xu)求(qiu)時(shi)

，產(chan)生(sheng)的(de)多(duo)餘(yu)電(dian)荷(he)能(neng)被(bei)引(yin)導(dao)生(sheng)成(cheng)液(ye)體(ti)運(yun)輸(shu)燃(ran)料(liao)或(huo)化(hua)學(xue)物(wu)質(zhi)。在(zai)天(tian)然(ran)氣(qi)井(jing)中(zhong)，此(ci)類(lei)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)可(ke)轉(zhuan)化(hua)為(wei)能(neng)被(bei)點(dian)燃(ran)或(huo)排(pai)放(fang)出(chu)去(qu)的(de)天(tian)然(ran)氣(qi)。過(guo)去(qu)5年間

，這種設備已在實驗室中得以展示，但目前還不具備商業可行性。

關guan於yu使shi中zhong溫wen混hun合he燃ran料liao電dian池chi變bian成cheng現xian實shi
，研yan究jiu人ren員yuan需xu要yao創chuang建jian具ju有you高gao傳chuan導dao率lv的de固gu體ti電dian解jie質zhi，並bing且qie發fa現xian擁yong有you高gao活huo性xing和he穩wen定ding性xing且qie和he甲jia烷wan反fan應ying不bu會hui形xing成cheng焦jiao炭tan的de電dian極ji材cai料liao。相xiang較jiao於yu低di溫wen聚ju合he物wu電dian池chi，這zhe些xie設she備bei必bi須xu利li用yong較jiao少shao的de鉑bo催cui化hua劑ji和he更geng多duo的de摻chan雜za燃ran料liao。同tong時shi，能neng應ying付fu更geng便bian宜yi的de密mi封feng件jian和he連lian接jie器qi，並bing且qie比bi高gao溫wen固gu體ti氧yang化hua物wu燃ran料liao電dian池chi用yong的de更geng加jia長chang久jiu。

美國研究人員已經有了一個好的開頭。2014年6月，Lemmon在ARPA-E發起“基於電化學係統的可靠電力”項目
，資助金額為3300萬美元。目前
，項目正開始取得成果。

同時
，研究人員應當通過展示高能量密度和長達10年的使用壽命，證明具有額外功能的中溫燃料電池具有可行性。成本上的節約必須通過嚴謹的技術—經濟建模得以證實。隨後，研究進展將需要被升級，從單個電池變為千瓦級係統，而這需要5～10年。