利用能量存储技术缓解固体氧化物电解槽中的电压波动

《Materials Science and Engineering: B》：Mitigating power fluctuations in solid oxide electrolysis cells via energy storage assistance

　　

Zhiyao Chen|Beibei He|Xunxun Deng|Zhihuan Xiao|Guang Lin|Yijun Chen|Haiyang Zhan|Qi Chen|Ling Zhao

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  一种动态模型将电化学、热学和气体反应联系起来。
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  储能装置可过滤可再生能源中的高频波动。
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  电池组功率波动和快速变化分别减少了46.4%和97.8%。
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  一氧化碳产量得以保持，无需额外加热。

引言

随着可再生能源，尤其是太阳能和风能的快速发展，能源系统正在发生变革，同时电力生成与需求之间的时间差异也在加剧。随着可再生能源在能源结构中的占比上升，能够将不稳定的电能转化为可储存、可运输的化学能的技术变得愈发重要，这些技术有助于减少能源浪费并提升电网的灵活性[1]、[2]、[3]。相关的固体氧化物电池系统也被用于实现灵活的燃料供电以及建筑规模的联合供热供电应用，这体现了该技术在高效、低碳能源转换方面的巨大潜力[4]、[5]。在固体氧化物电解槽中利用高温二氧化碳进行电解是一种极具吸引力的电能转化学能的方法，因为可以利用可再生能源以较高的热力学效率将二氧化碳转化为一氧化碳[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。生成的一氧化碳可作为合成气生产、费托合成以及后续碳基化学品制造的关键原料。因此，以可再生能源为驱动的固体氧化物电解槽二氧化碳电解技术为将低碳电能转换与可持续的碳循环利用相结合提供了良好的平台[13]。

然而，以可再生能源为驱动的固体氧化物电解槽的实际运行不仅取决于稳态下的转换效率，还取决于其动态稳定性。间歇性的电能供应会导致电流、电压和热量产生的快速变化[14]、[15]。这些扰动会通过改变局部温度、气体成分、反应物利用率以及产物流量等方式在电池组中传播[16]、[17]，从而形成偏离稳态条件的瞬态电化学环境，进而可能加速电池组的退化[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。因此，对于以可再生能源为驱动的固体氧化物电解槽而言，核心挑战不仅仅是实现高稳态效率，还要在间歇性电能输入的情况下保持动态稳定性。这一问题最近已在不同的时间和长度尺度上得到了研究。系统级研究强调了在跟随电能变化的固体氧化物电解槽运行过程中需要进行能量管理和瞬态控制[23]，而基于控制的建模则表明，在光伏驱动的条件下，温度调控至关重要[24]。高分辨率的瞬态模拟进一步显示，在电压变化过程中会出现电流超调或欠调现象，这是因为电荷传输、质量传输和热传递过程所响应的时间尺度不同[25]。这些研究结果表明，以可再生能源为驱动的固体氧化物电解槽运行于一个电化学-热学-气体相互耦合的系统中，其中电流密度、温度、反应物利用率、气体成分以及产物生成速率都需要得到协调控制。

现有的瞬态控制策略大多是在可再生能源带来的干扰进入电池组之后才起作用。尤其是目前大多数针对固体氧化物电解槽动态控制和热管理的方案都集中在电池组层面的调节上，包括温度控制、气体流速调整以及电流或电压的跟踪控制。这样一来，电池组的电化学核心部分仍会面临高频电能波动的影响，而这些波动的强度可能超过热调节和气体流速调节所能应对的范围[26]、[27]。因此，快速的电学扰动可能会在内部反馈回路发挥作用之前就导致电流超调、反应物成分失衡以及温度偏差。尽管电池和能量管理系统被广泛用于平衡可再生能源供应与电力需求之间的不平衡，但它们作为主动的输入端滤波器，在高频扰动到达固体氧化物电解槽之前对其进行抑制的作用机制目前尚不完全清楚。

为此，在本研究中，我们构建了一个用于可再生能源驱动的固体氧化物电解槽二氧化碳电解过程的多物理场动态模型，并提出了一种分层协同控制策略。在监控层，一个由电池辅助的功率分配机制可以将不稳定的可再生能源输入转换为更为平稳的电池组侧功率曲线，而高频成分则通过电池的充放电功能得到缓冲。在调节层，内部反馈回路则负责控制电池组的温度以及二氧化碳的利用效率。通过比较在相同不稳定输入条件下有储能和无储能时的运行情况，我们证明了在输入端进行缓冲可以减轻电池组层面在热调节和反应物控制方面的负担。这一框架为提高固体氧化物电解槽在真实可再生能源条件下的运行适应性提供了一种系统级的解决方案。

章节要点

建模方法

本研究中所建立的二氧化碳电解用固体氧化物电解槽模型由三个相互耦合的模块组成：电化学模型、气体传输模型以及热学模型，如图1所示。由于无需详细分析每个电池层内的空间分布，本研究采用了以控制为导向的集中式建模方法，以便捕捉电源输入、电池组温度以及反应物相关过程之间的主要动态耦合关系[28]、[29]。因此，这种以控制为导向的建模方式

分层控制架构

为在可再生能源输入不稳定的情况下保持固体氧化物电解槽的稳定性，我们采用了分层控制架构（见图3）。在监控层，通过基于SSA/SVD的方法将输入的电能信号分解为低频成分和高频成分。其中保留了可再生能源输入主要趋势的低频成分会被作为电池组侧的参考功率供给固体氧化物电解槽，而高频残留成分则由电池通过充电功能进行缓冲

结果与讨论

图5展示了在电力输入不稳定的情况下电池组侧的功率响应情况。在没有储能装置的情况下，固体氧化物电解槽会直接跟随可再生能源的功率变化，从而导致电池组功率出现明显的波动（见图5a）。而在采用基于SSA/SVD的储能辅助功率分配机制后，高频成分被电池缓冲，使得输送到固体氧化物电解槽的功率变得更加平稳。电池组功率的标准差从0.618千瓦下降到了0.332千瓦（见图5b），这一结果表明

结论

我们建立了一个结合电化学、气体传输和热学过程的多物理场动态模型，用于研究在电力输入不稳定的情况下，以可再生能源为驱动的固体氧化物电解槽二氧化碳电解系统的稳定性。基于该模型，我们提出了一种储能辅助的分层控制策略，即先将可再生能源的功率信号分解为低频的电池组侧参考功率和由电池缓冲的高频残留成分，再通过内部控制回路对电池组进行调控

作者贡献说明

Zhiyao Chen：撰写初稿、开展研究、数据整理。Beibei He：监督工作、争取资金支持。Xunxun Deng：进行正式分析。Zhihuan Xiao：负责方法设计。Guang Lin：负责方法设计。Yijun Chen：开展研究工作。Haiyang Zhan：开展研究工作。Qi Chen：负责监督工作。Ling Zhao：负责文章审阅与编辑、监督工作以及争取资金支持。

利益冲突声明

作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：22469008、22479133、52562027）以及海南省重点研发计划（项目编号：ZDYF2026GXJS019、ZDYF2026SHFZ036、526JCQN0970、ZDYF2026SHFZ086）的支持。