編者按：2023年9月12-14日，以“綠色 持續(xù) 共生 向新”為主題的“第五屆未來(lái)能源大會(huì)”在江蘇常州武進(jìn)召開，本次大會(huì)由中國(guó)能源研究會(huì)與中國(guó)能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)碳中和能源研究院院長(zhǎng)趙天壽發(fā)表了《面向碳中和的儲(chǔ)能技術(shù)》的主旨演講。
以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。
尊敬的各位院士、各位領(lǐng)導(dǎo)、各位嘉賓，女士們、先生們：早上好！
我是南方科技大學(xué)碳中和能源研究院趙天壽，今天非常榮幸給大家匯報(bào)一下儲(chǔ)能技術(shù)，剛才三位院士的發(fā)言信息量非常大，學(xué)習(xí)了很多。我主要想分享儲(chǔ)能技術(shù)，我主要想?yún)R報(bào)四點(diǎn)：首先我個(gè)人認(rèn)為儲(chǔ)能將成為國(guó)家保障能源安全的核心技術(shù)之一，在碳中和時(shí)代。第二條是新型電力系統(tǒng)需要不同的時(shí)長(zhǎng)的規(guī)模化、高安全的儲(chǔ)能技術(shù)。第三現(xiàn)在的儲(chǔ)能技術(shù)仍然各有各的局限性，尚無(wú)法滿足領(lǐng)域的需求。第四特別是我要分享電化學(xué)流體電池易模塊化、時(shí)長(zhǎng)靈活、安全、無(wú)地域的限制，所以它比較適合于長(zhǎng)時(shí)、大規(guī)模的儲(chǔ)能。
首先我們大家都知道近年來(lái)光伏和風(fēng)電技術(shù)發(fā)展非常快，光伏和風(fēng)電的成本持續(xù)下降，最近的光電最新的報(bào)價(jià)達(dá)到0.12元一度，風(fēng)電也可以平價(jià)上網(wǎng)，但是太陽(yáng)能和風(fēng)能的特征，就是分散、間歇和不穩(wěn)定，所以為了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，不得不棄風(fēng)、棄光，限制了風(fēng)光的實(shí)際利用水平。所以我們必須發(fā)展儲(chǔ)能，因?yàn)閮?chǔ)能能夠平移能量的波動(dòng)，提升風(fēng)光實(shí)際利用率，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。
要實(shí)現(xiàn)碳中和這樣一個(gè)目標(biāo)，據(jù)預(yù)測(cè)太陽(yáng)能和風(fēng)能的占比，從現(xiàn)在的4%到碳中和時(shí)代的60%，這意味著按照這個(gè)比例的話，這個(gè)風(fēng)光裝機(jī)會(huì)達(dá)到50億可持續(xù)發(fā)展，所以按照20%和50%配能的策略來(lái)說的話儲(chǔ)能裝機(jī)的容量會(huì)達(dá)到10到25億千瓦，這個(gè)量大大超過了我們目前煤電的裝機(jī)總量。所以對(duì)于碳中和時(shí)代，對(duì)于儲(chǔ)能的需求是非常巨大的，儲(chǔ)能將成為保障我們國(guó)家能源安全的核心技術(shù)之一。
儲(chǔ)能會(huì)在各個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮它的作用，從發(fā)電側(cè)到電網(wǎng)側(cè)到用戶側(cè)，都會(huì)發(fā)揮它的作用，從并網(wǎng)到電網(wǎng)側(cè)的輸配，以及降低用電成本各個(gè)方面發(fā)揮儲(chǔ)能的作用。
那么新型電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)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(guī)模化，效率要高，長(zhǎng)壽命，沒有資源和地域的限制。我特別要強(qiáng)調(diào)的是，新型電力系統(tǒng)尤其需要長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，因?yàn)槲覀儠?huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的在新型電力系統(tǒng)中，如果說你可再生能源光電和風(fēng)電主導(dǎo)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的間歇，為了避免供電的間斷，所以長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能非常非常的重要。
我們現(xiàn)在現(xiàn)有的技術(shù)包括抽水蓄能，抽水蓄能它的規(guī)模可以很大，儲(chǔ)能的時(shí)間可以比較靈活，而且它的壽命很長(zhǎng)，有各種應(yīng)用場(chǎng)景。但是最大的技術(shù)挑戰(zhàn)是地域的限制，因?yàn)樵陲L(fēng)光資源豐富的地方不一定能夠具有這樣的水和勢(shì)差的這樣的地理環(huán)境。而且抽水蓄能需要一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)周期的建設(shè)，同時(shí)還會(huì)受到當(dāng)?shù)丨h(huán)評(píng)的審批。所以過去十幾年來(lái)，我們國(guó)家的抽水蓄能發(fā)展非常的快，但是目前來(lái)講有一種飽和的狀態(tài)，關(guān)鍵是從選址來(lái)說這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
另一種機(jī)械的物理儲(chǔ)能的方式是壓縮空氣儲(chǔ)能，壓縮空氣的話類似于抽水蓄能，它的規(guī)模可以很大，儲(chǔ)能時(shí)間可以很長(zhǎng)，壽命也比較長(zhǎng)。應(yīng)用場(chǎng)景類似于抽水蓄能，但是技術(shù)上和抽水蓄能相比效率有待于進(jìn)一步的提高。特別是需要特別的空間來(lái)儲(chǔ)存能量密度比較低的高壓的一個(gè)空氣。
我們國(guó)家過去十幾年來(lái)也是壓縮空氣蓄能的發(fā)展比較快，所以未來(lái)的發(fā)展也是降低成本，提高效率，特別是效率方面各個(gè)環(huán)節(jié)需要進(jìn)一步的提高。目前所謂的電化學(xué)儲(chǔ)能主要是鋰離子電池儲(chǔ)能，鋰離子電池主要的優(yōu)勢(shì)是能量密度高，響應(yīng)快，它的應(yīng)用場(chǎng)景比較多。但是技術(shù)上主要是一個(gè)安全的隱患問題，另外的話在成本上作為大型的儲(chǔ)能場(chǎng)景還需要進(jìn)一步降低。壽命的話作為儲(chǔ)能電站來(lái)說，要進(jìn)一步的提高。
受益于過去我們國(guó)家電動(dòng)汽車的發(fā)展，鋰離子電池在電化學(xué)儲(chǔ)能中占著主導(dǎo)，鋰離子電池只是其中一種電化學(xué)儲(chǔ)能的方式。它的進(jìn)一步的發(fā)展，我們必須關(guān)注的問題，一個(gè)是鋰資源的限制和鋰的利用率，同時(shí)要突破安全的挑戰(zhàn)，這是進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問題。
目前來(lái)說，我們?cè)谛滦碗娏ο到y(tǒng)中最需要的是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，目前我們?cè)诙虝r(shí)的儲(chǔ)能中有不同的技術(shù)，但是我們最缺的是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)急需進(jìn)一步的發(fā)展。我們比較一下剛才我們提到的儲(chǔ)能，分別是抽水蓄能、壓縮空氣蓄能和鋰電電化學(xué)蓄能。
抽水蓄能的能量載體是水，水可以流動(dòng)，這樣一個(gè)特點(diǎn)是儲(chǔ)能裝置的容量和功率可以解耦，這是非常重要的一個(gè)特點(diǎn)，就是因?yàn)樗强梢粤鲃?dòng)的，能量是可以流動(dòng)的，所以他具有這樣一個(gè)能量和功率解耦。這樣的話就可以時(shí)抽水的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)靈活，當(dāng)然水作為儲(chǔ)能介質(zhì)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(chǔ)能的話，它的能量載體是空氣，空氣也是可以流動(dòng)的，能流動(dòng)的能量載體，就使得這個(gè)儲(chǔ)能裝置的容量和功率解耦，所以它的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)靈活，適合長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。但是壓縮空氣也受到地域的限制，因?yàn)樾枰蟮目臻g來(lái)儲(chǔ)存空氣。
對(duì)于鋰離子電池來(lái)說，一般不受任何地域的限制，而且電化學(xué)儲(chǔ)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(dòng)的，它是固態(tài)的活性材料。這樣的話就使鋰離子電池的容量和功率是強(qiáng)關(guān)聯(lián)的，所以在儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)上不夠靈活，這是一個(gè)最大的問題。
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能三個(gè)技術(shù)相比的話，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能要求的能量載體是可以流動(dòng)的，能量和功率解耦。所以我們的電化學(xué)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的兩個(gè)主要因素，一是可流動(dòng)的能量載體，二是相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換裝置。現(xiàn)有的可流動(dòng)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(dòng)的能量載體。相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換裝置有電解池、燃料電池、液流電池，這些電池從結(jié)構(gòu)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(gè)體系，比如說燃料儲(chǔ)能、液體儲(chǔ)能，它的容量和功率是解耦的，所以它在儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)上非常靈活，具備適合長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能、易規(guī)模化、無(wú)地域限制等優(yōu)勢(shì)。所以這是一種比較理想的儲(chǔ)能技術(shù)，有望滿足新型電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的所有的要求。
比如說剛才郭院士提到的氫燃料儲(chǔ)能，他是一種燃料儲(chǔ)能的方式，我們通過電解水產(chǎn)生氫氣，氫氣通過燃料電池去發(fā)電，整個(gè)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(lái)說最大的問題是儲(chǔ)氫、運(yùn)氫的技術(shù)難題需要解決，因?yàn)槭菤湟裁媾R著一些安全的風(fēng)險(xiǎn)。目前來(lái)說，其他的國(guó)家對(duì)氫能都非常重視，因?yàn)樗且环N具有非常大的潛力的產(chǎn)業(yè)。但是突破儲(chǔ)運(yùn)安全成本，是這個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)非常非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。
還有一種燃料流體電池叫液流電池儲(chǔ)能，液流電池是一種流體電池，它不同于傳統(tǒng)的電池，像鋰離子電池，它的能量是儲(chǔ)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(duì)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(kuò)展性很高，易于規(guī)模化。而且它的整個(gè)充電和放電過程，電化學(xué)反應(yīng)過程沒有相變，所以它的壽命是鋰離子電池的三倍，這一點(diǎn)是非常重要的，對(duì)大型的儲(chǔ)能電站來(lái)說，安全和壽命都是非常重要的。目前來(lái)說，最大的問題是成本，能量密度需要進(jìn)一步的提高，功率密度也需要提高。當(dāng)然我們談液流電池的時(shí)候，我們有不同的材料，有無(wú)機(jī)材料，還有有機(jī)的。
目前來(lái)說全釩液流電池發(fā)展最快，因?yàn)樗畲蟮奶攸c(diǎn)就是正負(fù)極都用釩材料，他具有優(yōu)勢(shì)。目前來(lái)說它在這個(gè)商業(yè)的初級(jí)階段，我們國(guó)家非常重視全釩電池發(fā)展，最近李總理專門去視察，這個(gè)產(chǎn)業(yè)的空間非常大，當(dāng)然，進(jìn)一步的推廣應(yīng)用關(guān)鍵是成本，成本要降低。我個(gè)人在過去十幾年來(lái)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(yīng)用關(guān)鍵是成本，因?yàn)樗旧砭哂蟹浅：玫囊恍﹥?yōu)勢(shì)，來(lái)作為大型儲(chǔ)能技術(shù)。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(huì)降低，因?yàn)殡娏髅芏忍岣叩氖枪β拭芏龋β拭芏忍岣呔涂梢噪姸训某杀尽Ｍ瑫r(shí)電流密度提高能夠提高電解液的利用率，現(xiàn)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(xué)的關(guān)鍵問題，通常來(lái)說流體電池的構(gòu)成包括三個(gè)關(guān)鍵材料，活性材料、離子導(dǎo)體和電子導(dǎo)體，這種材料的性質(zhì)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(jié)構(gòu)和宏觀分布是非常重要的。他們會(huì)不僅僅影響到電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)會(huì)影響到離子、電子和質(zhì)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(xué)和材料方面的知識(shí)，也需要我本人原來(lái)的領(lǐng)域工程熱物理的知識(shí)，這個(gè)里面是傳輸?shù)臇|西。我過去做了一個(gè)小小的憧憬，就是把電化學(xué)和熱物理兩個(gè)領(lǐng)域的結(jié)合，形成一套理論的框架，這樣會(huì)指引電池從關(guān)鍵材料到部件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。所以我們一直在用學(xué)科交叉的理念和方法來(lái)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(gè)關(guān)鍵的部件就是電極，具有高的活性，同時(shí)也具有穩(wěn)定性，防止其他的副反應(yīng)。我們發(fā)明了一種新的表面材料，具有非常高的活性，同時(shí)比較穩(wěn)定，工藝也非常簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模的生產(chǎn)。同時(shí)對(duì)電極來(lái)說，不光具有很高的活性的表面，同時(shí)它的結(jié)構(gòu)非常重要，結(jié)構(gòu)上的話一般來(lái)說是碳纖維組成的多孔的電極，傳統(tǒng)的電極是單孔的，所以它會(huì)造成的問題是流阻和表面積的矛盾。我們?nèi)绻岣唠娀瘜W(xué)的反應(yīng)速度，這樣的話就會(huì)增加它的流動(dòng)的阻力，所以我們研發(fā)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(zhuǎn)換效率得到了一個(gè)變革性的提高，電流密度也得到了一個(gè)非常大的提高。
另外一個(gè)關(guān)鍵部件是流道的設(shè)計(jì)，流道的設(shè)計(jì)非常重要，我們用了非常先進(jìn)的手段，包括機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，這樣的話使電流密度得到了一個(gè)非常大的提高。
而且我們的電池壽命從循環(huán)壽命來(lái)說，讓它運(yùn)轉(zhuǎn)了20000萬(wàn)圈以后，沒有任何的衰減吉祥。同時(shí)我們現(xiàn)在電堆的電流密度可以從原來(lái)的120，現(xiàn)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(huì)降低，所以成本就會(huì)降低。2002年我們發(fā)明了一種容量和效率在線恢復(fù)的方法。
總的來(lái)說，我們?cè)谧龃蟮碾姸眩呒?jí)的電堆，這種電堆的最大的特色就是它是安全的，因?yàn)樗撬档模宜哪芰亢凸β适墙怦畹模运前踩摹Ｍ瑫r(shí)他是綠色的，綠色的話是因?yàn)樗旧韮?chǔ)的電是綠電，同時(shí)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?yàn)樗梢灾貜?fù)使用，它的回收是非常非常簡(jiǎn)單的，它可以永遠(yuǎn)用下去。另外它是比較經(jīng)濟(jì)的，特別是我們現(xiàn)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(gè)提高。所以它是一種安全、綠色、經(jīng)濟(jì)的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。
好的，下面我總結(jié)一下今天我講的內(nèi)容，主要有幾個(gè)點(diǎn)：首先我們?nèi)绻獙?shí)現(xiàn)碳中和的話，我們新型的電力系統(tǒng)需要大規(guī)模、高安全和不同時(shí)長(zhǎng)的儲(chǔ)能技術(shù)。目前來(lái)說最缺的是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，這是最需要發(fā)展的，所以長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)是儲(chǔ)能發(fā)展的一個(gè)重要的方向。電化學(xué)流體電池還有很多優(yōu)勢(shì)，模塊化、時(shí)長(zhǎng)靈活、安全、無(wú)限制適合于長(zhǎng)時(shí)、大規(guī)模儲(chǔ)能，突破技術(shù)瓶頸是搶抓儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)的關(guān)鍵。
我在這里強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，電化學(xué)流體電池，包括液流電池、電解質(zhì)、燃料電池，他是一類電池。
最后我想我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)碳中和這個(gè)目標(biāo)，我們面臨著很多的挑戰(zhàn)，但是我們也是一個(gè)發(fā)展的機(jī)遇，特別是過去十幾年來(lái)光伏技術(shù)的發(fā)展，確實(shí)讓我們充滿信心。所以我們儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展也一定會(huì)發(fā)展的非常快。如果我們真正保持戰(zhàn)略定力，保持信心的話，我們一定能夠擁抱新的未來(lái)。
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