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。

隨sui著zhe成cheng本ben下xia降jiang以yi及ji各ge國guo政zheng府fu和he公gong司si力li圖tu減jian少shao溫wen室shi氣qi體ti排pai放fang，對dui太tai陽yang能neng光guang伏fu和he風feng力li渦wo輪lun機ji的de投tou資zi正zheng在zai猛meng增zeng。然ran而er，來lai自zi風feng和he太tai陽yang的de波bo動dong電dian量liang威wei脅xie著zhe電dian網wang的de穩wen定ding性xing。當dang更geng多duo的de間jian歇xie性xing能neng源yuan被bei連lian接jie起qi來lai，電dian力li便bian會hui激ji增zeng並bing且qie崩beng潰kui。這zhe增zeng加jia了le電dian壓ya、電量和交流電頻率的變化性。

超過25%的de能neng源yuan產chan生sheng自zi可ke再zai生sheng能neng源yuan的de德de國guo已yi經jing遇yu到dao了le困kun難nan。電dian壓ya故gu障zhang會hui摧cui毀hui關guan鍵jian組zu件jian並bing破po壞huai工gong廠chang和he發fa電dian廠chang設she備bei，從cong而er導dao致zhi成cheng千qian上shang萬wan歐ou元yuan的de損sun失shi。利li用yong燃ran煤mei電dian廠chang維wei持chi穩wen定ding，又you增zeng加jia了le溫wen室shi氣qi體ti的de排pai放fang。

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；儲(chu)存(cun)能(neng)量(liang)。每(mei)種(zhong)都(dou)有(you)一(yi)些(xie)缺(que)點(dian)。反(fan)複(fu)要(yao)求(qiu)減(jian)少(shao)用(yong)電(dian)需(xu)求(qiu)會(hui)激(ji)怒(nu)用(yong)戶(hu)，並(bing)且(qie)可(ke)能(neng)受(shou)到(dao)唯(wei)利(li)是(shi)圖(tu)的(de)第(di)三(san)方(fang)操(cao)控(kong)。燃(ran)氣(qi)輪(lun)機(ji)和(he)電(dian)池(chi)無(wu)法(fa)提(ti)供(gong)快(kuai)速(su)（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》zazhishangzhuanwenzhichu，jijiangdaolaidexinxingranliaodianchinengxiaochuzhezhongquanhenglibidexuyao，bingqieshikezaishengnengyuanbingrudianwangbiandegengjiarongyi。muqian，ranliaodianchijinbeiyongyuchanshengdianhere。qishi，tamennengtongguogaijinyongyuchucunnengyuan，bingqieyouyucailiaoheshejishangdetupo，haikechanshengzhurujiachundengyetiranliao。kaifayongyouyizhongxudianchimoshideranliaodianchishiLemmon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。

kezaishengnengyuanjuyouliangzhongjianxiexing。shouxian，shuchukenengshishisuijibodong。liru，yuncenghuiduitaiyangnengdianchibantouxiayinying。qici
，shuchusuizhebaitianheyewanfashengbiandong，erzheshikeyiyucede。genjujiazhoudulixitongyunyingshangdeyugu，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。

諸(zhu)如(ru)改(gai)進(jin)後(hou)的(de)風(feng)力(li)預(yu)測(ce)模(mo)型(xing)等(deng)現(xian)有(you)技(ji)術(shu)以(yi)及(ji)輸(shu)電(dian)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)的(de)擴(kuo)建(jian)和(he)其(qi)他(ta)舉(ju)措(cuo)，在(zai)並(bing)入(ru)的(de)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)增(zeng)加(jia)時(shi)可(ke)能(neng)有(you)助(zhu)於(yu)維(wei)持(chi)電(dian)網(wang)穩(wen)定(ding)。不(bu)過(guo)，擁(yong)有(you)超(chao)過(guo)50%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：juyouneizhidianhecunchunenglideranliaodianchi。youyujiaogaodefadianxiaolv，jishinianlairanliaodianchiyizhibeichuipengyongyunengyuanshengchan。raner
，tamenbingweidedaoguangfancaiyong，yinweiranliaodianchibiranshaoshifadianjichengbengenggao（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℃以(yi)上(shang)運(yun)行(xing)的(de)固(gu)體(ti)氧(yang)化(hua)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)，主(zhu)要(yao)服(fu)務(wu)於(yu)固(gu)定(ding)發(fa)電(dian)設(she)備(bei)。前(qian)者(zhe)需(xu)要(yao)昂(ang)貴(gui)的(de)鉑(bo)催(cui)化(hua)劑(ji)，後(hou)者(zhe)則(ze)需(xu)要(yao)成(cheng)本(ben)很(hen)高(gao)的(de)密(mi)封(feng)件(jian)和(he)連(lian)接(jie)器(qi)，並(bing)且(qie)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)有(you)限(xian)。在(zai)兩(liang)種(zhong)溫(wen)度(du)極(ji)限(xian)下(xia)增(zeng)加(jia)功(gong)能(neng)性(xing)都(dou)很(hen)困(kun)難(nan)。

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。