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 作者：邢學韜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. 清華大學電機工程與應用電子技術系；2. 澳門大學電子與計算機工程系；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

電轉氣技術（power to gas，P2G）通過以電解池為核心的電轉氣硬件系統(tǒng)，可以將電能轉化為氫氣（H2）或甲烷（CH4）中的化學能，二者都是重要的氣體燃料和工業(yè)原料，可以進入到后續(xù)的化工、交通、發(fā)電、供熱、儲氣等豐富多樣的終端應用中。此外，P2G的負荷功率相對靈活，可以快速跟蹤特定的功率調節(jié)指令，作為靈活負荷資源參與到電網調度中，從而改善電網靈活性，促進可再生能源消納。整個電轉氣環(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將來燃燒會排出CO2，但整個循環(huán)仍然是碳中性的。因此，可再生能源與電轉氣技術的整合是未來低碳化能源供給的美好愿景。

電轉氣是實現(xiàn)可再生能源規(guī)?；{的重要技術手段之一，其核心是電解技術。根據反應溫度，電解技術可以分為相對成熟的低溫電解技術和相對前沿的高溫電解技術。

本文主要從工作原理、電池結構、轉換模式、系統(tǒng)接入等方面介紹高溫電解的技術特點及其在電力儲能中的潛在應用。

1.高溫電解的工作原理

高溫電解采用固體氧化物電解質在高溫下直接對氣態(tài)水進行電解（如圖1所示），借助高溫對電解反應在動力學和熱力學方面的提升，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等獨特優(yōu)勢，且更便于參與高品位熱量的多級利用。高溫電解技術的實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.高溫電解池的技術分類

高溫電解池可以根據結構分為板式、管式、扁管式3種。板式電池采用平面電解質、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，但高溫下難以密封；管式電池為圓管式電解質構造，電極分別位于內、外壁，實現(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構的優(yōu)點（如圖2所示），是極具潛力的新型高溫電池結構。


? 圖2 扁管式電池實物圖

3.高溫電解系統(tǒng)的轉換模式

在高溫電解實際運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換模式：

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

2、CO2電解制CO：高溫電解技術的獨特轉換模式，需控制組分比例防止電池積碳，可用于航天等場景。

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，也可在電池內部加壓直接甲烷化，降低了反應器成本。


? 圖3 一種外圍輔助系統(tǒng)設計示意圖

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：用電為輔機及電解供能，轉換為化學能儲存，同時產生高溫余熱。

2、余熱輔助電解接入：與核電、火電等相結合，利用外部熱源維持高溫環(huán)境，提升系統(tǒng)產氫效率和經濟效益。

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


? 圖4 儲能技術對比

5.總結與展望

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