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 作者：邢學(xué)韜1，林今1，宋永華1,2，戚若玫1 ，池映天1，吳劍3，周友4，牟樹君4

單位：1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系；2. 澳門大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系；3. 浙江臻泰能源科技有限公司；4. 北京低碳清潔能源研究所

引言

電轉(zhuǎn)氣技術(shù)（power to gas，P2G）通過以電解池為核心的電轉(zhuǎn)氣硬件系統(tǒng)，可以將電能轉(zhuǎn)化為氫氣（H2）或甲烷（CH4）中的化學(xué)能，二者都是重要的氣體燃料和工業(yè)原料，可以進(jìn)入到后續(xù)的化工、交通、發(fā)電、供熱、儲(chǔ)氣等豐富多樣的終端應(yīng)用中。此外，P2G的負(fù)荷功率相對(duì)靈活，可以快速跟蹤特定的功率調(diào)節(jié)指令，作為靈活負(fù)荷資源參與到電網(wǎng)調(diào)度中，從而改善電網(wǎng)靈活性，促進(jìn)可再生能源消納。整個(gè)電轉(zhuǎn)氣環(huán)節(jié)是綠色環(huán)保的，主要原料是水，生成燃燒清潔的H2，幾乎沒有碳排放；或者在碳捕集而來的CO2參與下制取CH4，雖然CH4將來燃燒會(huì)排出CO2，但整個(gè)循環(huán)仍然是碳中性的。因此，可再生能源與電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的整合是未來低碳化能源供給的美好愿景。

電轉(zhuǎn)氣是實(shí)現(xiàn)可再生能源規(guī)?；{的重要技術(shù)手段之一，其核心是電解技術(shù)。根據(jù)反應(yīng)溫度，電解技術(shù)可以分為相對(duì)成熟的低溫電解技術(shù)和相對(duì)前沿的高溫電解技術(shù)。

本文主要從工作原理、電池結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換模式、系統(tǒng)接入等方面介紹高溫電解的技術(shù)特點(diǎn)及其在電力儲(chǔ)能中的潛在應(yīng)用。

1.高溫電解的工作原理

高溫電解采用固體氧化物電解質(zhì)在高溫下直接對(duì)氣態(tài)水進(jìn)行電解（如圖1所示），借助高溫對(duì)電解反應(yīng)在動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方面的提升，顯著降低電解電壓、提高電解效率，并具有高度可逆、可還原CO2等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，且更便于參與高品位熱量的多級(jí)利用。高溫電解技術(shù)的實(shí)用化仍受制于高溫下的材料退化問題和可靠密封工藝，但其應(yīng)用潛力巨大。


? 圖1 高溫電解電池的原理示意圖

2.高溫電解池的技術(shù)分類

高溫電解池可以根據(jù)結(jié)構(gòu)分為板式、管式、扁管式3種。板式電池采用平面電解質(zhì)、電極堆疊而成，具有面電阻低、功率密度大、易于成堆等優(yōu)點(diǎn)，但高溫下難以密封；管式電池為圓管式電解質(zhì)構(gòu)造，電極分別位于內(nèi)、外壁，實(shí)現(xiàn)了低溫端密封、可靠性高，但成堆要求圓管之間良好接觸，因此組堆難度較高、電阻較大，功率密度較低。扁管式電池兼具了以上兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)（如圖2所示），是極具潛力的新型高溫電池結(jié)構(gòu)。


? 圖2 扁管式電池實(shí)物圖

3.高溫電解系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換模式

在高溫電解實(shí)際運(yùn)行需要必要的外圍輔助系統(tǒng)，如圖3所示。

完整的高溫電解系統(tǒng)可工作在以下三種主要轉(zhuǎn)換模式：

1、H2O電解制H2：高溫電解基本轉(zhuǎn)換模式，電解池效率可達(dá)85%~95%，良好的熱管理設(shè)計(jì)下可達(dá)75%~83%的系統(tǒng)效率。

2、CO2電解制CO：高溫電解技術(shù)的獨(dú)特轉(zhuǎn)換模式，需控制組分比例防止電池積碳，可用于航天等場(chǎng)景。

3、H2O+CO2共電解制合成氣：高溫電解通過共電解制取CO、H2合成氣，也可在電池內(nèi)部加壓直接甲烷化，降低了反應(yīng)器成本。


? 圖3 一種外圍輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

4.高溫電解系統(tǒng)的系統(tǒng)接入模式

電力系統(tǒng)中，高溫電解系統(tǒng)可通過以下方式接入：

1、純電電解接入：用電為輔機(jī)及電解供能，轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存，同時(shí)產(chǎn)生高溫余熱。

2、余熱輔助電解接入：與核電、火電等相結(jié)合，利用外部熱源維持高溫環(huán)境，提升系統(tǒng)產(chǎn)氫效率和經(jīng)濟(jì)效益。

3、加壓可逆儲(chǔ)氣發(fā)電：利用高溫電解的可逆性儲(chǔ)能，加壓下循環(huán)效率可達(dá)80%，放電時(shí)間可達(dá)1000h，儲(chǔ)能成本約3美分/kWh，如圖4所示。


? 圖4 儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比

5.總結(jié)與展望

因其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，高溫電解能夠在高效消納可再生能源的同時(shí)提供豐富的靈活性資源，其大規(guī)模儲(chǔ)能方面的應(yīng)用指日可待。