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；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》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。

最(zui)新(xin)的(de)天(tian)然(ran)氣(qi)渦(wo)輪(lun)機(ji)被(bei)設(she)計(ji)帶(dai)有(you)緩(huan)衝(chong)能(neng)力(li)，以(yi)幫(bang)助(zhu)平(ping)衡(heng)來(lai)自(zi)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)的(de)電(dian)量(liang)輸(shu)出(chu)。它(ta)們(men)能(neng)快(kuai)速(su)進(jin)入(ru)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)，而(er)且(qie)每(mei)分(fen)鍾(zhong)能(neng)增(zeng)加(jia)數(shu)十(shi)兆(zhao)瓦(wa)電(dian)量(liang)。不(bu)過(guo)，從(cong)零(ling)開(kai)始(shi)的(de)話(hua)
，這(zhe)仍(reng)需(xu)要(yao)幾(ji)分(fen)鍾(zhong)而(er)不(bu)是(shi)數(shu)秒(miao)產(chan)生(sheng)電(dian)量(liang)。已(yi)在(zai)轉(zhuan)動(dong)的(de)渦(wo)輪(lun)機(ji)能(neng)在(zai)幾(ji)秒(miao)內(nei)投(tou)入(ru)運(yun)行(xing)，但(dan)效(xiao)率(lv)較(jiao)低(di)、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guo50%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。

在zai燃ran料liao電dian池chi的de電dian極ji內nei部bu或huo者zhe附fu近jin儲chu存cun電dian荷he，將jiang提ti高gao設she備bei的de響xiang應ying能neng力li，並bing能neng在zai不bu用yong停ting止zhi運yun行xing和he比bi傳chuan統tong燃ran料liao電dian池chi使shi用yong更geng久jiu的de情qing況kuang下xia補bu給gei電dian能neng。電dian池chi模mo式shi概gai念nian通tong過guo擁yong有you金jin屬shu氫qing化hua物wu陽yang極ji的de堿jian性xing燃ran料liao電dian池chi和he釩fan氧yang化hua物wu電dian極ji的de固gu體ti氧yang化hua物wu燃ran料liao電dian池chi已yi在zai實shi驗yan室shi中zhong得de以yi展zhan示shi。盡jin管guan報bao告gao的de能neng量liang密mi度du較jiao低di，但dan這zhe些xie電dian池chi能neng連lian續xu幾ji分fen鍾zhong或huo數shu小xiao時shi儲chu存cun電dian壓ya。當dang前qian還hai需xu要yao開kai展zhan更geng多duo的de材cai料liao研yan究jiu，以yi增zeng加jia電dian量liang輸shu出chu，同tong時shi減jian少shao和he燃ran料liao相xiang互hu作zuo用yong並bing儲chu存cun電dian荷he的de陽yang極ji處chu的de能neng量liang損sun失shi。

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qu5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。