編者按：2023年9月12-14日，以“綠色 持續 共生 向新”為主題的“第五屆未來能源大會”在江蘇常州武進召開，本次大會由中國能源研究會與中國能源網聯合主辦。會上，中國科學院院士、南方科技大學碳中和能源研究院院長趙天壽發表了《面向碳中和的儲能技術》的主旨演講。
尊敬的各位院士、各位領導、各位嘉賓，女士們、先生們：早上好！
我是南方科技大學碳中和能源研究院趙天壽，今天非常榮幸給大家匯報一下儲能技術，剛才三位院士的發言信息量非常大，學習了很多。我主要想分享儲能技術，我主要想匯報四點：首先我個人認為儲能將成為國家保障能源安全的核心技術之一，在碳中和時代。第二條是新型電力系統需要不同的時長的規模化、高安全的儲能技術。第三現在的儲能技術仍然各有各的局限性，尚無法滿足領域的需求。第四特別是我要分享電化學流體電池易模塊化、時長靈活、安全、無地域的限制，所以它比較適合于長時、大規模的儲能。
首先我們大家都知道近年來光伏和風電技術發展非常快，光伏和風電的成本持續下降，最近的光電最新的報價達到0.12元一度，風電也可以平價上網，但是太陽能和風能的特征，就是分散、間歇和不穩定，所以為了電力系統的穩定運行，不得不棄風、棄光，限制了風光的實際利用水平。所以我們必須發展儲能，因為儲能能夠平移能量的波動，提升風光實際利用率，保障電力系統穩定可靠的運行。
要實現碳中和這樣一個目標，據預測太陽能和風能的占比，從現在的4%到碳中和時代的60%，這意味著按照這個比例的話，這個風光裝機會達到50億可持續發展，所以按照20%和50%配能的策略來說的話儲能裝機的容量會達到10到25億千瓦，這個量大大超過了我們目前煤電的裝機總量。所以對于碳中和時代，對于儲能的需求是非常巨大的，儲能將成為保障我們國家能源安全的核心技術之一。
儲能會在各個環節發揮它的作用，從發電側到電網側到用戶側，都會發揮它的作用，從并網到電網側的輸配，以及降低用電成本各個方面發揮儲能的作用。
那么新型電力系統對儲能的要求非常苛刻，有多方面的要求。首先是要安全，成本要低，要規模化，效率要高，長壽命，沒有資源和地域的限制。我特別要強調的是，新型電力系統尤其需要長時儲能，因為我們會出現長時間的在新型電力系統中，如果說你可再生能源光電和風電主導的時候會出現長時間的間歇，為了避免供電的間斷，所以長時儲能非常非常的重要。
我們現在現有的技術包括抽水蓄能，抽水蓄能它的規模可以很大，儲能的時間可以比較靈活，而且它的壽命很長，有各種應用場景。但是最大的技術挑戰是地域的限制，因為在風光資源豐富的地方不一定能夠具有這樣的水和勢差的這樣的地理環境。而且抽水蓄能需要一個長時間、長周期的建設，同時還會受到當地環評的審批。所以過去十幾年來，我們國家的抽水蓄能發展非常的快，但是目前來講有一種飽和的狀態，關鍵是從選址來說這是一個很大的挑戰。
另一種機械的物理儲能的方式是壓縮空氣儲能，壓縮空氣的話類似于抽水蓄能，它的規模可以很大，儲能時間可以很長，壽命也比較長。應用場景類似于抽水蓄能，但是技術上和抽水蓄能相比效率有待于進一步的提高。特別是需要特別的空間來儲存能量密度比較低的高壓的一個空氣。
我們國家過去十幾年來也是壓縮空氣蓄能的發展比較快，所以未來的發展也是降低成本，提高效率，特別是效率方面各個環節需要進一步的提高。目前所謂的電化學儲能主要是鋰離子電池儲能，鋰離子電池主要的優勢是能量密度高，響應快，它的應用場景比較多。但是技術上主要是一個安全的隱患問題，另外的話在成本上作為大型的儲能場景還需要進一步降低。壽命的話作為儲能電站來說，要進一步的提高。
受益于過去我們國家電動汽車的發展，鋰離子電池在電化學儲能中占著主導，鋰離子電池只是其中一種電化學儲能的方式。它的進一步的發展，我們必須關注的問題，一個是鋰資源的限制和鋰的利用率，同時要突破安全的挑戰，這是進一步發展的關鍵問題。
目前來說，我們在新型電力系統中最需要的是長時儲能，目前我們在短時的儲能中有不同的技術，但是我們最缺的是長時儲能，長時儲能技術急需進一步的發展。我們比較一下剛才我們提到的儲能，分別是抽水蓄能、壓縮空氣蓄能和鋰電電化學蓄能。
抽水蓄能的能量載體是水，水可以流動，這樣一個特點是儲能裝置的容量和功率可以解耦，這是非常重要的一個特點，就是因為水是可以流動的，能量是可以流動的，所以他具有這樣一個能量和功率解耦。這樣的話就可以時抽水的儲能時長靈活，當然水作為儲能介質還有其他的一些好處，但是它最大的問題是受到地域的影響。
那么壓縮空氣儲能的話，它的能量載體是空氣，空氣也是可以流動的，能流動的能量載體，就使得這個儲能裝置的容量和功率解耦，所以它的儲能時長靈活，適合長時儲能。但是壓縮空氣也受到地域的限制，因為需要大的空間來儲存空氣。
對于鋰離子電池來說，一般不受任何地域的限制，而且電化學儲能，鋰離子電池的能量密度高，而且它的效率也非常高。但是鋰離子電池的能量載體不像水和空氣，它是不可以流動的，它是固態的活性材料。這樣的話就使鋰離子電池的容量和功率是強關聯的，所以在儲能時長上不夠靈活，這是一個最大的問題。
長時儲能三個技術相比的話，長時儲能要求的能量載體是可以流動的，能量和功率解耦。所以我們的電化學長時儲能的兩個主要因素，一是可流動的能量載體，二是相應的能量轉換裝置。現有的可流動的能量載體包括氫氣、甲醇、氨等燃料以及電解液，這都是可流動的能量載體。相應的能量轉換裝置有電解池、燃料電池、液流電池，這些電池從結構上和原理上有共同的特征，所以這些電池都是流體電池。流體燃料電池有一個體系，比如說燃料儲能、液體儲能，它的容量和功率是解耦的，所以它在儲能時長上非常靈活，具備適合長時儲能、易規模化、無地域限制等優勢。所以這是一種比較理想的儲能技術，有望滿足新型電力系統對儲能的所有的要求。
比如說剛才郭院士提到的氫燃料儲能，他是一種燃料儲能的方式，我們通過電解水產生氫氣，氫氣通過燃料電池去發電，整個電池是零排放，而且能量密度很高，沒有地域的限制。但是目前來說最大的問題是儲氫、運氫的技術難題需要解決，因為是氫也面臨著一些安全的風險。目前來說，其他的國家對氫能都非常重視，因為他是一種具有非常大的潛力的產業。但是突破儲運安全成本，是這個產業發展的一個非常非常關鍵的環節。
還有一種燃料流體電池叫液流電池儲能，液流電池是一種流體電池，它不同于傳統的電池，像鋰離子電池，它的能量是儲存在電池外面的電解液罐中，也就是說它的能量和功率是解耦的，特別是對于水系的液流電池，它的整體由于水系，由于是能量和功率解耦，所以它本身是安全的，沒有任何安全的問題。另外的話由于能量和功率是解耦的，所以它的擴展性很高，易于規模化。而且它的整個充電和放電過程，電化學反應過程沒有相變，所以它的壽命是鋰離子電池的三倍，這一點是非常重要的，對大型的儲能電站來說，安全和壽命都是非常重要的。目前來說，最大的問題是成本，能量密度需要進一步的提高，功率密度也需要提高。當然我們談液流電池的時候，我們有不同的材料，有無機材料，還有有機的。
目前來說全釩液流電池發展最快，因為它最大的特點就是正負極都用釩材料，他具有優勢。目前來說它在這個商業的初級階段，我們國家非常重視全釩電池發展，最近李總理專門去視察，這個產業的空間非常大，當然，進一步的推廣應用關鍵是成本，成本要降低。我個人在過去十幾年來一直在做流體電池，包括燃料電池、液流電池等等。下面我主要講一下全釩液流電池。
我剛才提到全釩液流電池的推廣和應用關鍵是成本，因為它本身具有非常好的一些優勢，來作為大型儲能技術。成本上的話，主要我們一直在提高電池的電堆密度，電離密度的提高，使電堆所需要的材料的量會降低，因為電流密度提高的是功率密度，功率密度提高就可以電堆的成本。同時電流密度提高能夠提高電解液的利用率，現在電解液的利用率只有60%，就是有40%的釩沒有作用，所以我們要提高電流密度。
那么要提升電流密度，我們必須要提升它的一些科學的關鍵問題，通常來說流體電池的構成包括三個關鍵材料，活性材料、離子導體和電子導體，這種材料的性質非常重要。但是如果說材料就緒的情況下如何形成電池，它的微觀結構和宏觀分布是非常重要的。他們會不僅僅影響到電化學反應，同時會影響到離子、電子和質量的傳輸，特別是溫度的分布。整體的電池性能的提高既需要電化學和材料方面的知識，也需要我本人原來的領域工程熱物理的知識，這個里面是傳輸的東西。我過去做了一個小小的憧憬，就是把電化學和熱物理兩個領域的結合，形成一套理論的框架，這樣會指引電池從關鍵材料到部件的系統設計。所以我們一直在用學科交叉的理念和方法來研究流體電池，形成理論，指引電池性能的提高。
那么在液流電池中，其中一個關鍵的部件就是電極，具有高的活性，同時也具有穩定性，防止其他的副反應。我們發明了一種新的表面材料，具有非常高的活性，同時比較穩定，工藝也非常簡單，適合大規模的生產。同時對電極來說，不光具有很高的活性的表面，同時它的結構非常重要，結構上的話一般來說是碳纖維組成的多孔的電極，傳統的電極是單孔的，所以它會造成的問題是流阻和表面積的矛盾。我們如果提高電化學的反應速度，這樣的話就會增加它的流動的阻力，所以我們研發了多尺度電極，這樣就可以解決它的矛盾了，這樣就使能量轉換效率得到了一個變革性的提高，電流密度也得到了一個非常大的提高。
另外一個關鍵部件是流道的設計，流道的設計非常重要，我們用了非常先進的手段，包括機器學習、大數據以及理論的模擬方法，所以我們得到了低流阻、高均勻性的流道結構，這樣的話使電流密度得到了一個非常大的提高。
而且我們的電池壽命從循環壽命來說，讓它運轉了20000萬圈以后，沒有任何的衰減吉祥。同時我們現在電堆的電流密度可以從原來的120，現在一般做示范的都是120，我們可以做到400mA/cm2。高的電流密度意味著電解液的利用率高，也意味著功率密度高，所以電堆所需要的材料的量會降低，所以成本就會降低。2002年我們發明了一種容量和效率在線恢復的方法。
總的來說，我們在做大的電堆，千瓦級的電堆，這種電堆的最大的特色就是它是安全的，因為它是水系的，而且它的能量和功率是解耦的，所以它是安全的。同時他是綠色的，綠色的話是因為它本身儲的電是綠電，同時它的材料比如說全釩液流電池，它的材料能量載體也是綠色的，因為它可以重復使用，它的回收是非常非常簡單的，它可以永遠用下去。另外它是比較經濟的，特別是我們現在電流密度很高的情況下，它的成本，它的壽命等等都得到了一個提高。所以它是一種安全、綠色、經濟的電化學儲能技術。
好的，下面我總結一下今天我講的內容，主要有幾個點：首先我們如果要實現碳中和的話，我們新型的電力系統需要大規模、高安全和不同時長的儲能技術。目前來說最缺的是長時儲能技術，這是最需要發展的，所以長時儲能技術是儲能發展的一個重要的方向。電化學流體電池還有很多優勢，模塊化、時長靈活、安全、無限制適合于長時、大規模儲能，突破技術瓶頸是搶抓儲能產業機會的關鍵。
我在這里強調一點，電化學流體電池，包括液流電池、電解質、燃料電池，他是一類電池。
最后我想我們為了實現碳中和這個目標，我們面臨著很多的挑戰，但是我們也是一個發展的機遇，特別是過去十幾年來光伏技術的發展，確實讓我們充滿信心。所以我們儲能技術的發展也一定會發展的非常快。如果我們真正保持戰略定力，保持信心的話，我們一定能夠擁抱新的未來。
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