燃料电池-微电网骨干发电资产第2部分

这是Riverview Consulting的好伙伴的另一个很好的转贴：

微电网骨干发电资产，第2部分：燃料电池

注意：这是一个由三部分组成的系列文章的第二部分，该系列文章探讨了微电网中生成主干网的几种选择。这篇文章将重点介绍燃料电池，该技术使用燃料源和氧气通过电化学过程产生电能。该系列的前一篇文章重点介绍了发电机组，这是传统形式的辅助动力，而本系列的第三部分将重点介绍微型涡轮机，这是一个新兴的替代方案。

介绍

在本系列的第一篇文章中，我提到我在剑桥的公寓楼有两台大型柴油发电机组，它们在停电时为大楼供电。我没有提到的是，如果断电持续了一整夜，我以及建筑物中的其他租户（以及邻近建筑物中的租户）将不得不试图在两个大型柴油发动机在整夜搅动。

显然，有一点噪音污染比没有热和电更好，但是在没有发电机组的所有噪音的情况下，难道没有任何可以提供电力的选择吗？答案是肯定的。燃料电池不仅可以安静地发电，而且还可以清洁地发电。此外，燃料电池也不会比同等大小的发电机组占用更多的空间。例如，Bloom Energy的200 kW燃料电池系统（如下图所示）大约等于停车位的大小。

通过Gigaom的Bloom Energy燃料电池的图片

像发电机组一样，燃料电池不仅用于应急备用电源。它们也可以用作微电网的主干发电形式（附带说明，很多研究和开发工作都致力于开发用于交通运输应用的燃料电池）。已经有许多装有燃料电池的微电网。例如，加州大学圣地亚哥分校的微电网是美国最大的微电网之一，容量为42兆瓦，其中包括2.8兆瓦的燃料电池（单击此处以了解有关此微电网的更多信息）。

燃料电池比发电机组要复杂一些，因此在讨论许多不同类型的燃料电池中的一些之前，我将首先概述燃料电池的工作原理。然后，我将探讨如何将燃料电池与微电网集成在一起，然后简要比较燃料电池与发电机组。

什么是燃料电池？

正如美国能源部在其燃料电池网站上所解释的那样，“燃料电池利用氢的化学能以水和热为副产物，清洁高效地发电。”当使用纯氢时，燃料电池的唯一输出是水，热和电。但是，这实际上如何工作？为了回答这个问题，我将转向美国能源部提供的优秀入门手册（本节中的大多数信息均来自该DOE网站）。

典型的燃料电池由电解质和两个涂有催化剂的电极组成。这些电极之一是阴极，这意味着在该电极上发生化学还原或电子增益的化学过程。另一个电极是阳极，这意味着在该电极上发生化学氧化或电子损失的过程。燃料（通常是氢）被送入阳极，在催化剂处催化剂将氢的带负电的电子与带正电的质子分开。氧在阴极与电子结合，有时与质子或水等物质结合，分别产生水或氢氧根离子。来自阳极的电子无法通过电解质到达带正电的阴极。因此，它们必须通过电路行进才能到达电池的另一侧，正是这种电子运动产生了电。下图以简单的方式说明了这一点。

通用燃料电池工作原理的简单示意图。资源：能源部。

有关燃料电池工作原理的直观说明，请查看美国能源部的出色动画：http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcell_animation.html

尽管每个燃料电池仅产生极少量的能量，但是可以将大量燃料电池“堆叠”到燃料电池系统中以产生大量的能量。通过将许多独立的燃料电池堆组合在一起，燃料电池技术可以满足各种电力负荷。另外，燃料电池中反应产生的热量可用于空间加热目的。

有趣的是，自1800年早期德国科学家Christian Friedrich Schonbein首次发现燃料电池背后的电化学概念以来，燃料电池就已经存在了。但是，直到1950年代后期，商业燃料电池才开始出现，以响应NASA早期太空飞行的能源需求。因此，对燃料电池背后的概念的理解几乎与发电机组背后的概念一样长。

不同类型的燃料电池

燃料电池的分类主要基于所用电解质的类型。根据美国能源部的燃料电池网站，“此分类决定了电池中发生的化学反应的种类，所需的催化剂的种类，电池工作的温度范围，所需的燃料以及其他因素。这些特性反过来会影响这些电池最适合的应用。”

能源部确定了相对成熟的五种主要燃料电池：聚合物电解质膜，碱性，磷酸，熔融碳酸盐和固体氧化物。下表提供了每种类型燃料电池的详细信息，包括典型尺寸，效率，优点和缺点。除了这五种主要类型之外，还有许多处于开发初期的实验性燃料电池。如图所示，典型的大小范围从1 kW一直到3+ MW（在微电网中用作主干发电资产的大量电力）。另外，燃料电池的效率在35-60％的范围内，远远超过了发电机组的效率。通过利用燃料电池产生的热量而不是仅仅浪费掉热量，可以实现更高的效率。

能源部的图表比较了不同类型的燃料电池。资料来源：http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/pdfs/fc_comparison_chart.pdf

将燃料电池与微电网整合

与发电机组不同，燃料电池的活动部件最少，几乎不需要维护。因此，只要有燃料源，它们就可以提供高度可靠的功率。尽管大多数燃料电池都使用高度可靠的国家天然气传输和分配系统输送的天然气，但通过使用闭环系统可以实现更高水平的可靠性，在闭环系统中，氢可通过其他可再生能源资产（例如：风或太阳能。这些闭环系统具有产生绝对零温室气体排放的额外好处。

在排放方面，即使是不使用可再生能源生产氢气的系统，其排放也大大低于煤炭或天然气发电厂。例如，Bloom Energy的200 kW燃料电池系统在使用天然气时可产生约0.39吨的CO2 / MWh。相比之下，美国的燃煤电厂车队产生约1.40吨的二氧化碳/兆瓦时，而美国的天然气电厂车队则产生约0.48吨的二氧化碳/兆瓦时（更多信息，请参阅此页）。

尽管您不希望不断打开和关闭发电机组，但是某些类型的燃料电池可以相对快速，频繁地打开和关闭，而不必担心损坏设备。这种特性使燃料电池成为用于微电网的诱人选择，可以在短时间内要求其提供缓解主电网应力的动力。尽管当前安装的大多数燃料电池仅在停电时用作备用电源，但它们可以相对容易地并入微电网中作为主干发电资产。

燃料电池成本

在成本方面，每千瓦装机容量的燃料电池肯定比发电机组贵，但是燃料电池的价格却迅速下降。国家能源技术实验室的下图说明了燃料电池组每千瓦价格的快速下降。包括与燃料电池系统相关的其余成本（设计，安装，系统平衡等），满负荷成本约为700美元/ kW。提醒一下，发电机组的价格通常在$ 300- $ 600 / kW的范围内，但是发电机组是一种相对成熟的技术，安装成本的下降速度不会比燃料电池的成本下降快得多。

随着时间的推移降低燃料电池的成本。资源：国家能源技术实验室。

就燃料成本而言，天然气发电机组每千瓦时产生的能源成本更高，因为它的运行效率（约25％）低于类似规模的天然气动力燃料电池系统（约35-60％）。另外，燃料电池系统的维护成本通常将低于发电机组的维护成本。

尽管我没有找到发电机组的平准化能源成本（LCOE）的可靠估算，但在激励天然气动力燃料电池系统后，我确实发现Bloom Energy的LCOE估算为$ 0.09至$ 0.11 / kWh。考虑到仅以商业天然气价格计算的天然气发电机组的燃料成本约为0.11美元/千瓦时，几乎可以肯定燃料电池系统的LCOE低于发电机组的成本（而柴油发电机组的燃料成本约为0.28美元） / kWh范围）。

结论

鉴于可靠性，与其他分布式能源相比LCOE相对较低，温室气体排放低，占地面积小以及电力容量范围广，燃料电池系统是微电网中骨干发电资产的绝佳选择。随着燃料电池市场的不断成熟，我希望越来越多的组织将使用燃料电池代替发电机组来提供备用电源。同样，随着微电网市场的增长，我预计燃料电池将在未来的微电网中扮演重要角色。

如果在未来几年内进一步的商业化努力和规模经济继续降低燃料电池系统的价格，则燃料电池系统将有可能完全取代可靠获取天然气的地区的发电机组。

更高的可靠性，更清洁的电力和更低的成本。听起来像是双赢。现在如何为我的公寓大楼安装燃料电池系统，这样下次下次停电时就不必听柴油发电机了？

如果您对本博客文章中讨论的主题或Riverview如何帮助您的组织探索微电网选项有任何疑问，请给我们发送电子邮件：[email protected]

-JJ Augenbraun和Riverview咨询团队