德国德累斯顿的可逆固体氧化物燃料电池系统。对太阳能电池板和风力涡轮机发电的生产商来说，一个主要的挑战就像是给瓶子里的闪电加上盖子。当市场价格太低而无法支付成本时，太阳能和风能在需求很少的情况下越来越多地产生电力。例如，在阳光明媚的中午，太阳能和风能资源丰富地区的批发电价偶尔会降到零度以下。一些可再生能源生产商将多余的电力储存为绿色氢气，利用这些电力从水中生产氢气——之所以被标为“绿色”,是因为这个过程不排放二氧化碳。用于制造燃料、肥料和其他化学品的全球氢市场约为1250亿美元，并且正在快速增长，部分原因是人们对氢作为公共汽车、卡车甚至轮船燃料的兴趣增加。问题是用电生产氢气仍然相当昂贵，所以只有以低销量客户支付的较高价格出售才有利润。
但是现在，斯坦福大学和德国曼海姆大学的研究人员找到了一个可能的解决方案:集成的可逆电力-气体系统，当电价飙升时，可以很容易地将氢气转换成电力。
在《自然通讯》发表的一项新研究中，研究人员报告说，在价格飙升期间，可逆燃料电池可以成为经济上可行的备用电力来源，例如德克萨斯州在2021年经历的冬季风暴摧毁了以天然气为燃料的电厂。研究发现，通过转换方向，整个系统可以接近满负荷运转。这降低了生产无碳氢和无碳电的成本。
“可再生能源的全球运动导致电力市场变得越来越不稳定，”斯坦福大学商学院教授兼Precourt能源研究所高级研究员Stefan Reichelstein说。“我们的工作表明，可逆的电力-天然气系统正在成为一种经济高效的技术，用于平滑电力供应和连接电力和氢气市场。”
固体氧化物燃料电池
集成可逆燃料电池已经上市，但很少用于将氢转化为电。传统观点认为，这一过程在成本上没有竞争力，因为传统的天然气发电系统使用昂贵的涡轮机，除非电力需求激增，否则这些涡轮机都处于闲置状态。
研究人员发现，对于新型集成系统来说，这是一个小得多的问题，这种系统使用固体氧化物燃料电池，可以更容易地转换方向。研究人员计算，即使系统大部分时间都在生产氢气，即使在短暂的高峰需求期间提供备用电力的能力也有助于整体盈利。
曼海姆大学的助理教授Gunther Glenk与Reichelstein合作，他说:“当你考虑经济因素时，根本的优势是可以在两个方向上灵活运作，从而提高产能利用率。”。
研究人员基于德克萨斯州和德国的实际市场条件开发了一个分析模型，这两个国家都有天然气发电项目多年了。在之前的工作中，Reichelstein和Glenk证明了以每公斤3美元的价格从电力中生产氢气是可能的。这与小批量购买者支付的价格大致一致，不过对于大批量客户来说价格太高了。
这项新研究着眼于这一过程的另一面，即将氢转化为电。Reichelstein说，实际上，集成的可逆系统可以同时帮助解决两个问题:当可再生电力卖不出好价钱时，如何从可再生电力中获得经济价值；以及如何消除电力市场的波动。这两种解决方案都有助于减少碳排放。
“在向可再生能源过渡的背景下，人们有时会担心间歇性可再生能源的比例会更高，”格兰克说。"如果这些可逆的能源转换为气体的系统被大规模部署，情况就不会如此."
一些公司已经生产出集成的、可逆的电力转天然气系统。这比早期研究中的系统有所进步，早期研究中的系统有独立的机器从电力生产氢气和从氢气生产电力。这些模块化系统经济地生产氢气，但逆向转化在经济上没有意义。
Reichelstein和Glenk认为，随着技术的成熟，这种系统的成本效益将会提高，就像风力涡轮机和太阳能电池板一样。他们补充说，可逆系统几乎可以建造到任何规模，因此它们可以被个体公司或小型社区以及大型城市电网使用。
格伦克说，在未来几年，可逆的电力转天然气系统可以降低无碳氢的成本，并刺激其作为燃料的更广泛应用。例如，钢铁生产商正在积极寻找氢气作为煤或天然气的替代品。
“与此同时，较低的氢价格将允许集成的、可逆的电力-天然气系统更经常地转换为发电，”格兰克说。"这种系统固有的灵活性可能会改变游戏规则."
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