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随着可再生能源（如风能和太阳能）的广泛应用，电力网的去碳化成为关键任务。然而，可再生能源的时空不确定性和间歇性带来了电力供应和需求平衡的巨大挑战。为了应对这一挑战，研究人员开发了一种基于高倍率失配的模块化电化学合成（ModES）策略，该策略能够在不同时间尺度参与多个电力市场，并通过灵活调整生产速率来降低化学品生产的电力成本。
成果简介
本研究提出了一种利用铜铁氰化物（CuHCF）作为快速质子导体的红氧材料，成功实现了在不同时域进行氢气（H₂）和过硫酸盐（S₂O₈²⁻）的模块化生产。通过分离具有不同动力学的半反应，这种模块化电化学合成能够在快速的氢气生成反应（HER）和缓慢的过硫酸盐生成反应（PSR）之间灵活切换，使得该系统能够在日间市场、实时市场和频率调节市场中高效运行。
研究亮点
模块化电化学合成的设计：通过使用固态红氧材料，分离具有不同内在动力学的电化学半反应，实现了不同反应速率和时间尺度的灵活匹配。
快速质子导体的开发：CuHCF作为红氧电极材料，展现出优异的速率能力和循环稳定性，能够在极端失配的充放电条件下保持高库仑效率和容量保持率。
经济效益分析：通过开发计算模型框架，研究表明该模块化电化学合成系统在灵活电力负载下能够将化学品生产的电力成本降低30-40%，并通过参与频率调节市场实现收益。
市场参与策略：该系统能够同时参与日间市场、实时市场和频率调节市场，通过灵活的市场参与策略，进一步降低了电力成本，并揭示了新的收益机会。
配图精析
图1: 不同技术在动态电力市场中的参与
图1展示了独立系统运营商如何通过不同的电力市场来平衡电力网，并减轻风能和太阳能发电带来的变动性风险。图中还对比了传统存储/转换技术与新型分离电解合成在应对电力波动方面的能力。
图2: CuHCF的结构与电化学性能表征
图2展示了CuHCF的结构示意图及其在2M H₂SO₄溶液中的电化学行为，包括循环伏安图、速率能力测试、库仑效率和容量保持率评估。这些结果表明CuHCF具有快速的质子传导能力和优异的电化学稳定性。
图3: 高倍率失配的模块化电化学合成过程
图3通过示意图和实验数据展示了使用CuHCF作为红氧材料的模块化电化学合成过程，展示了在不同反应速率（1:1到100:1）下的H₂和S₂O₈²⁻生产，并评估了系统的效率和产物浓度。
图4: 电力市场参与策略及电力成本的降低
图4展示了耦合和分离电解系统在不同市场（如PJM和ERCOT）中的市场参与策略，通过比较灵活和非灵活电力负载下的化学品生产计划，揭示了分离电解系统在频率调节市场中的显著成本优势。
展望
本研究展示了一种能够参与动态电力市场并降低化学品生产电力成本的模块化电化学合成策略。通过灵活调整反应速率，该系统不仅提高了能源效率，还为电网的去碳化提供了新的思路。未来的研究将进一步优化该系统的经济性，并探索其在不同市场条件下的应用潜力。
文献信息
标题: Exploiting different electricity markets via highly rate-mismatched modular electrochemical synthesis
期刊: Nature Energy
DOI: 10.1038/s41560-024-01578-8
原文链接: https://doi.org/10.1038/s41560-024-01578-8
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