Redox Cube項目計劃利用天然氣產(chǎn)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(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，對太陽能光伏和風力渦輪機的投資正在猛增。然而，來自風和太陽的波動電量威脅著電網(wǎng)的穩(wěn)定性。當更多的間歇性能源被連接起來，電力便會激增并且崩潰。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。電壓故障會摧毀關(guān)鍵組件并破壞工廠和發(fā)電廠設(shè)備，從而導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制負荷；增加或減少天然氣發(fā)電廠，以對這種波動供電進行補償；儲存能量。每種都有一些缺點。反復要求減少用電需求會激怒用戶，并且可能受到唯利是圖的第三方操控。燃氣輪機和電池無法提供快速（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)。
針對這些情況，美國能源部先進能源研究規(guī)劃署（ARPA-E）項目負責人John P. 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，它們能通過改進用于儲存能源，并且由于材料和設(shè)計上的突破，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所指導項目的一個重點。
Lemmon領(lǐng)導了13個橫跨學術(shù)界、工業(yè)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(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)電正在迅速擴張。到2040年，美國的太陽能光伏發(fā)電量預計將是目前的3倍。然而，傳統(tǒng)電網(wǎng)并未被設(shè)計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，輸出可能時時隨機波動。例如，云層會對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，而這是可以預測的。根據(jù)加州獨立系統(tǒng)運營商的預估，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(nèi)將增至13吉瓦。這相當于開啟20余座具備600兆瓦發(fā)電量的電廠。
當電網(wǎng)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(yīng)”能使峰值負荷削減9%。然而，政策上的不確定性讓電網(wǎng)系統(tǒng)操作人員在處理需求響應(yīng)時非常棘手。
最新的天然氣渦輪機被設(shè)計帶有緩沖能力，以幫助平衡來自可再生能源的電量輸出。它們能快速進入運行狀態(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)動的渦輪機能在幾秒內(nèi)投入運行，但效率較低、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(wǎng)能量正受到更多關(guān)注。能源公司越來越堅信，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吉瓦的存儲容量，而其公用事業(yè)公司已開始購買儲存設(shè)備。
諸如改進后的風力預測模型等現(xiàn)有技術(shù)以及輸電基礎(chǔ)設(shè)施的擴建和其他舉措，在并入的可再生能源增加時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。現(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，因為燃料電池比燃燒式發(fā)電機成本更高（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(zhì)產(chǎn)生電和熱。目前使用的燃料電池有兩種類型：在80℃左右運行的聚合物燃料電池，主要服務(wù)于車輛；在650℃以上運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℃以上運行）必須避免對其組分材料施壓，而燃料處理器要花費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，電池還會退化。
在燃料電池的電極內(nèi)部或者附近儲存電荷，將提高設(shè)備的響應(yīng)能力，并能在不用停止運行和比傳統(tǒng)燃料電池使用更久的情況下補給電能。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驗室中得以展示。盡管報告的能量密度較低，但這些電池能連續(xù)幾分鐘或數(shù)小時儲存電壓。當前還需要開展更多的材料研究，以增加電量輸出，同時減少和燃料相互作用并儲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）電化學轉(zhuǎn)化為諸如甲醇等液體燃料。現(xiàn)有天然氣制油（GTL）技術(shù)只有被大規(guī)模運用時才具有經(jīng)濟性。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。
和在不需要時關(guān)閉太陽能電池板或者風力渦輪機不同，當供電量超過需求時，產(chǎn)生的多余電荷能被引導生成液體運輸燃料或化學物質(zhì)。在天然氣井中，此類燃料電池可轉(zhuǎn)化為能被點燃或排放出去的天然氣。過去5年間，這種設(shè)備已在實驗室中得以展示，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，研究人員需要創(chuàng)建具有高傳導率的固體電解質(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，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)有了一個好的開頭。2014年6月，Lemmon在ARPA-E發(fā)起“基于電化學系統(tǒng)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(yīng)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(jié)約必須通過嚴謹?shù)募夹g(shù)—經(jīng)濟建模得以證實。隨后，研究進展將需要被升級，從單個電池變?yōu)榍呒壪到y(tǒng)，而這需要5～10年。
