作为目前唯一一种可行的大规模跨季节储能技术， Power to X（电转X）一直被欧洲专家给予厚望：消纳可再生能源的利器，能源转型的基石、解决电网波动的关键……这项在中国并不流行的技术何以担此重任？本文为你详细介绍。
技术原理
Power to X（P2X）与其说是一种储能技术，不如说是一种技术理念。它的核心是利用电解水反应生产氢气，并将其与大量甲烷混合进入天然气管道，或是进一步转化成甲烷或其他合成燃气。根据终产物的不同，又可以分为Power to Gas（P2G），Power to Power（P2P），Power to Heat（P2H） 等多种形式。限于篇幅，本文仅详细介绍目前最受重视的Power to Gas，其他的Power to X几乎都是在Power to Gas的基础上与其他技术结合的结果。
Power to Gas储能系统的原理如图：
Power to Gas的第一步，也是最关键的一步，是用电解器将水电解为氢气和氧气。电解反应分为阳极的氧化反应和阴极的还原反应。依照所使用的电解器的不同，载流子可以是OH-，H3O+或O2-：
该反应的平衡电压会受到受温度、压强的影响。温度越高，压强越低，平衡电压越低，能量转化效率越高，氢气产生的速率越低。因此，在工业应用中，电解厂需要平衡转化效率和生产速率，找到最大盈利点。
平衡电压与温度、压强的关系
由于纯水的电离度低，导电性差，因此需要加入电解质以增加导电性。电解槽根据电解液的不同，主要分为碱性电解槽（Alkalineelectrolysis，AE），质子交换膜电解槽（Polymerelectrolyte membrane electrolysis，PEM）和固体氧化物电解槽（Solidoxide electrolysis ，SOEC）。
在上述三种电解槽中，碱性电解槽技术最为成熟，已经进入商用阶段。碱性电解槽的电解液一般为KOH或NaOH溶液，载流子为OH-，可以在常压或加压环境下运行。根据上图，加压环境下电解槽的效率更低，但是，由于氢气在运输过程中往往需要加压，而在高压下制得的氢气也处在高压状态，可以省去运输前的加压环节。对于碱性电解槽来说，减压带来的效率的提升并不足以弥补额外加压所需要的能耗，所以往往加压碱性电解槽的整体效率反而更高。
碱性电解槽的功率调节范围在20%~100%之前，并且可以在过载150%的条件下运行。良好的功率调节特性使其特别适合应用在Power to Gas中，因为由可再生能源发出的电力往往具有波动性和间歇性。碱性电解槽最大的缺点在于所使用的电解液腐蚀性很强，这就导致它需要高昂的维护费用。尽管如此，碱性电解槽的使用寿命约为8-12年，最高可以达到30年。
质子交换膜电解槽的出现相对较晚。它的特点在于利用质子交换膜的选择透过性，在让载流子H3O+通过，保证导电性的同时避免氧气渗透，从而得到更高纯度的氢气。质子交换膜电解槽的优点在于冷启动快，灵活性强，产生的氢气的纯度极高。但是，由于质子交换膜较为昂贵，而且需要铂系贵金属作为催化剂，质子交换膜电解槽的价格居高不下。尽管近年来通过提高催化性活性等方式，大大降低了铂的用量和成本，但是质子交换膜电解槽的价格仍然接近同等产气量的碱性电解槽的两倍。此外，质子交换膜电解槽的使用寿命较短，约为5年左右。
固体氧化物电解槽，或称为高温电解槽，在三种技术中出现的最晚，目前仍在实验阶段。它所使用的电解液为二氧化锆（ZrO2）和8% mol%的氧化钇（Y2O3）。在800-1000°C的高温下，这两种物质能电离出导电性强的氧离子(O2-)作为载流子。由上图可知，高温下平衡电压较低，电解反应的效率较高，理论上可以达到100%。这也是固体氧化物电解槽最重要的优点。但是，高温同时意味着较高的热能耗。虽然这一缺陷可以通过与其他放热反应耦合来弥补，但是，高温带来的系统不稳定性，较长的起停时间，以及昂贵的初投资，都使其难以适应Power to Gas对系统灵活性的要求。
在得到氢气之后，一种简单的做法是将其直接注入天然气管道中，与天然气混用。但是，金属长期暴露在氢气氛围中，材料会由于吸氢导致机械性能严重退化，发生脆断（又称氢脆）。另外，氢气与天然气的燃烧性质也不相同。因此，氢气只能以很低的浓度与天然气混合，否则就需要大规模更换基础设施以适应天然气中的氢气。这就大大限制了天然气管网的储氢能力。另一种做法是将氢气甲烷化，从而让天然气工业能够在照常运转的同时能更加低碳。
甲烷化过程中会发生多种反应：
可以看出，高温下反应不仅可以生甲烷，还有可能生成CO。因此，催化剂的任务不仅进是提高反应速率，还要提高反应的选择性，这也是目前甲烷化催化剂研究的一个关键。根据所使用的催化剂的不同，甲烷化还可以分为生物甲烷化和催化甲烷化两种。生物甲烷化主要利用微生物将氢气转化为甲烷。其优点在于反应在常温下进行，但是缺点在于能量转化效率较低，占地面积过大，目前仅用在小规模的项目中。催化甲烷化使用无机催化剂加速反应，常用的催化剂包括镍、钌、钴、铁等。目前，甲烷化的能量转化效率在75%左右。
技术现状
目前Power to Gas面临的最大的挑战仍然是较低的能源转化效率和居高不下的成本。能源转化效率方面，Power to Gas的整体效率在50%到70%之间，依照所选择的设备类型、所需要的转化次数的不同而不同。Powerto Gas 的成本主要取决于电解器的成本和电力价格，因此会受到当地电力市场环境的影响。
现有案例
目前Power to Gas仍处在开发和实验阶段。截止到2016年1月，全球一共有49个试点项目，其中44个位于欧洲。下面两张图给出了自2004年起新增的Power to Gas项目的数量以及2016截止至2016年在运行的Power to Gas项目在欧洲的分布。
从上图可以看出，欧洲的Power to Gas项目主要分布在德国和丹麦，荷兰和法国也开始重视Power to Gas的发展。这与他们的电价较低，且可再生能源比例较大不无关系。2017年丹麦的可再生能源发电比例达到47%，德国则为36%。下图显示了丹麦、法国、荷兰、德国四个国家的年平均电价走势：
在2018年10月，国家发展改革委和国家能源局联合印发的《清洁能源消纳行动计划（2018-2020 年）》中，明确提到了要“探索可再生能源富余电力转化为热能、冷能、氢能，实现可再生能源多途径就近高效利用。“根据参考资料[5]，Power to Gas在解决新能源消纳问题上有很大的应用前景。在考虑补贴和氧收益的条件下，仅需2~5年即可收回成本。
今年两会，李克强总理提出了一般工商业电价再降10%的发展目标。2019年起，可再生能源实行配额制，保证了一定比例的电力必定来源于可再生能源发电。可以预见，随着我国可再生能源行业的发展，电力价格下降、可再生能源发电比例增加将会是大势所趋。Power to Gas也必将一步步走进我们的视野，为可再生能源的发展增砖添瓦。
