來自分布式能源的挑戰(zhàn)：能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存結(jié)合確保電網(wǎng)安全

即將到來的新型燃料電池能消除這種權(quán)衡利弊的需要，并且使可再生能源并入電網(wǎng)變得更加容易。

隨著成本下降以及各國政府和公司力圖減少溫室氣體排放，對(duì)太陽能光伏和風(fēng)力渦輪機(jī)的投資正在猛增。然而，來自風(fēng)和太陽的波動(dòng)電量威脅著電網(wǎng)的穩(wěn)定性。當(dāng)更多的間歇性能源被連接起來，電力便會(huì)激增并且崩潰。這增加了電壓、電量和交流電頻率的變化性。

超過25%的能源產(chǎn)生自可再生能源的德國已經(jīng)遇到了困難。電壓故障會(huì)摧毀關(guān)鍵組件并破壞工廠和發(fā)電廠設(shè)備，從而導(dǎo)致成千上萬歐元的損失。利用燃煤電廠維持穩(wěn)定，又增加了溫室氣體的排放。

生產(chǎn)和負(fù)荷必須得到平衡。3種方法正在實(shí)施中：利用實(shí)時(shí)需求和定價(jià)激勵(lì)舉措控制負(fù)荷;增加或減少天然氣發(fā)電廠，以對(duì)這種波動(dòng)供電進(jìn)行補(bǔ)償;儲(chǔ)存能量。每種都有一些缺點(diǎn)。反復(fù)要求減少用電需求會(huì)激怒用戶，并且可能受到唯利是圖的第三方操控。燃?xì)廨啓C(jī)和電池?zé)o法提供快速(低于1秒)的大功率響應(yīng)，也不能長期提供能源。電池容易退化，而且更換費(fèi)用較高。組合電池則要求很多套電子設(shè)備和控制系統(tǒng)。

針對(duì)這些情況，美國能源部先進(jìn)能源研究規(guī)劃署(ARPA-E)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人JohnP.Lemmon日前在《自然》雜志上撰文指出，即將到來的新型燃料電池能消除這種權(quán)衡利弊的需要，并且使可再生能源并入電網(wǎng)變得更加容易。目前，燃料電池僅被用于產(chǎn)生電和熱。其實(shí)，它們能通過改進(jìn)用于儲(chǔ)存能源，并且由于材料和設(shè)計(jì)上的突破，還可產(chǎn)生諸如甲醇等液體燃料。開發(fā)擁有一種蓄電池模式的燃料電池是Lemmon所指導(dǎo)項(xiàng)目的一個(gè)重點(diǎn)。

Lemmon領(lǐng)導(dǎo)了13個(gè)橫跨學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和國家實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目。他認(rèn)為，當(dāng)下研究人員必須證明，燃料電池能執(zhí)行多種功能，并且仍能高效發(fā)電。

來自分布式能源的挑戰(zhàn)

來自分布式來源的發(fā)電正在迅速擴(kuò)張。到2040年，美國的太陽能光伏發(fā)電量預(yù)計(jì)將是目前的3倍。然而，傳統(tǒng)電網(wǎng)并未被設(shè)計(jì)用于處理成千上萬的小規(guī)模多變能源。

可再生能源具有兩種間歇性。首先，輸出可能時(shí)時(shí)隨機(jī)波動(dòng)。例如，云層會(huì)對(duì)太陽能電池板投下陰影。其次，輸出隨著白天和夜晚發(fā)生變動(dòng)，而這是可以預(yù)測的。根據(jù)加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商的預(yù)估，2020年3月一個(gè)傍晚，當(dāng)太陽正在落山而人們紛紛回家時(shí)，加州的用電需求在3個(gè)小時(shí)內(nèi)將增至13吉瓦。這相當(dāng)于開啟20余座具備600兆瓦發(fā)電量的電廠。

當(dāng)電網(wǎng)被逼到極限時(shí)，比如在一座大城市中某個(gè)悶熱的夏日，減少用電需求的舉措通常會(huì)被最先部署。在美國，此類“需求響應(yīng)”能使峰值負(fù)荷削減9%。然而，政策上的不確定性讓電網(wǎng)系統(tǒng)操作人員在處理電力需求響應(yīng)時(shí)非常棘手。

最新的天然氣渦輪機(jī)被設(shè)計(jì)帶有緩沖能力，以幫助平衡來自可再生能源的電量輸出。它們能快速進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，而且每分鐘能增加數(shù)十兆瓦電量。不過，從零開始的話，這仍需要幾分鐘而不是數(shù)秒產(chǎn)生電量。已在轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪機(jī)能在幾秒內(nèi)投入運(yùn)行，但效率較低、排放量更高，而且在美國，運(yùn)行成本要高出13%～24%。

利用電池儲(chǔ)存電網(wǎng)能量正受到更多關(guān)注。能源公司越來越堅(jiān)信，此類設(shè)備在該領(lǐng)域是可行的。相關(guān)法規(guī)也變得更加有利。加州要求到2020年擁有1.32吉瓦的存儲(chǔ)容量，而其公用事業(yè)公司已開始購買儲(chǔ)存設(shè)備。

諸如改進(jìn)后的風(fēng)力預(yù)測模型等現(xiàn)有技術(shù)以及輸電基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)建和其他舉措，在并入的可再生能源增加時(shí)可能有助于維持電網(wǎng)穩(wěn)定。不過，擁有超過50%分布式發(fā)電的更大電網(wǎng)(數(shù)十兆瓦或者更多)是史無前例的?，F(xiàn)有技術(shù)是否足以支撐此類電網(wǎng)仍然未知。

混合燃料電池

Lemmon支持一種不同的方法：具有內(nèi)置電荷存儲(chǔ)能力的燃料電池。由于較高的發(fā)電效率，幾十年來燃料電池一直被吹捧用于能源生產(chǎn)。然而，它們并未得到廣泛采用，因?yàn)槿剂想姵乇热紵桨l(fā)電機(jī)成本更高(前者每千瓦的成本為3000美元，后者為1000美元)。過去15年，美國政府資助的研究項(xiàng)目一直在試圖降低這些成本。增強(qiáng)燃料電池的功能性將使其更有價(jià)值。

燃料電池是和電池類似的電化學(xué)器件，依靠諸如氫或甲烷等物質(zhì)產(chǎn)生電和熱。目前使用的燃料電池有兩種類型：在80℃左右運(yùn)行的聚合物燃料電池，主要服務(wù)于車輛;在650℃以上運(yùn)行的固體氧化物燃料電池，主要服務(wù)于固定發(fā)電設(shè)備。前者需要昂貴的鉑催化劑，后者則需要成本很高的密封件和連接器，并且使用壽命有限。在兩種溫度極限下增加功能性都很困難。

現(xiàn)有燃料電池對(duì)電流和電壓變化的響應(yīng)很慢，通常超過1秒鐘。高溫燃料電池(在650℃以上運(yùn)行)必須避免對(duì)其組分材料施壓，而燃料處理器要花費(fèi)1分鐘，才能改變甲烷被轉(zhuǎn)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(huì)退化。

在燃料電池的電極內(nèi)部或者附近儲(chǔ)存電荷，將提高設(shè)備的響應(yīng)能力，并能在不用停止運(yùn)行和比傳統(tǒng)燃料電池使用更久的情況下補(bǔ)給電能。電池模式概念通過擁有金屬氫化物陽極的堿性燃料電池和釩氧化物電極的固體氧化物燃料電池已在實(shí)驗(yàn)室中得以展示。盡管報(bào)告的能量密度較低，但這些電池能連續(xù)幾分鐘或數(shù)小時(shí)儲(chǔ)存電壓。當(dāng)前還需要開展更多的材料研究，以增加電量輸出，同時(shí)減少和燃料相互作用并儲(chǔ)存電荷的陽極處的能量損失。

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(xué)轉(zhuǎn)化為諸如甲醇等液體燃料?，F(xiàn)有天然氣制油(GTL)技術(shù)只有被大規(guī)模運(yùn)用時(shí)才具有經(jīng)濟(jì)性。殼牌公司在卡塔爾建設(shè)的GTL發(fā)電廠每天能處理4500立方米天然氣。

和在不需要時(shí)關(guān)閉太陽能電池板或者風(fēng)力渦輪機(jī)不同，當(dāng)供電量超過需求時(shí)，產(chǎn)生的多余電荷能被引導(dǎo)生成液體運(yùn)輸燃料或化學(xué)物質(zhì)。在天然氣井中，此類燃料電池可轉(zhuǎn)化為能被點(diǎn)燃或排放出去的天然氣。過去5年間，這種設(shè)備已在實(shí)驗(yàn)室中得以展示，但目前還不具備商業(yè)可行性。

關(guān)于使中溫混合燃料電池變成現(xiàn)實(shí)，研究人員需要?jiǎng)?chuàng)建具有高傳導(dǎo)率的固體電解質(zhì)，并且發(fā)現(xiàn)擁有高活性和穩(wěn)定性且和甲烷反應(yīng)不會(huì)形成焦炭的電極材料。相較于低溫聚合物電池，這些設(shè)備必須利用較少的鉑催化劑和更多的摻雜燃料。同時(shí)，能應(yīng)付更便宜的密封件和連接器，并且比高溫固體氧化物燃料電池用的更加長久。

美國研究人員已經(jīng)有了一個(gè)好的開頭。2014年6月，Lemmon在ARPA-E發(fā)起“基于電化學(xué)系統(tǒng)的可靠電力”項(xiàng)目，資助金額為3300萬美元。目前，項(xiàng)目正開始取得成果。

同時(shí)，研究人員應(yīng)當(dāng)通過展示高能量密度和長達(dá)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(jié)約必須通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)—經(jīng)濟(jì)建模得以證實(shí)。隨后，研究進(jìn)展將需要被升級(jí)，從單個(gè)電池變?yōu)榍呒?jí)系統(tǒng)，而這需要5～10年。

中國非常規(guī)油氣產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟與中國能源網(wǎng)研究中心將于2015年12月10日在北京舉辦“2015非常規(guī)油氣合作伙伴峰會(huì)暨非常規(guī)油氣產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟年會(huì)”，詳情請(qǐng)點(diǎn)擊
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