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(lái)能源大會(huì )”在江蘇常州武進(jìn)召開(kāi)，本次大會(huì )由中國能源研究會(huì )與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會(huì )上，中國科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)碳中和能源研究院院長(cháng)趙天壽發(fā)表了《面向碳中和的儲能技術(shù)》的主旨演講。
以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。
尊敬的各位院士、各位領(lǐng)導、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一下儲能技術(shù)，剛才三位院士的發(fā)言信息量非常大，學(xué)習了很多。我主要想分享儲能技術(shù)，我主要想匯報四點(diǎn)：首先我個(gè)人認為儲能將成為國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需要不同的時(shí)長(cháng)的規?；?、高安全的儲能技術(shù)。第三現在的儲能技術(shù)仍然各有各的局限性，尚無(wú)法滿(mǎn)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(cháng)靈活、安全、無(wú)地域的限制，所以它比較適合于長(cháng)時(shí)、大規模的儲能。
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?？?，光伏和風(fēng)電的成本持續下降，最近的光電最新的報價(jià)達到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、間歇和不穩定，所以為了電力系統的穩定運行，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)展儲能，因為儲能能夠平移能量的波動(dòng)，提升風(fēng)光實(shí)際利用率，保障電力系統穩定可靠的運行。
要實(shí)現碳中和這樣一個(gè)目標，據預測太陽(yáng)能和風(fēng)能的占比，從現在的4%到碳中和時(shí)代的60%，這意味著(zhù)按照這個(gè)比例的話(huà)，這個(gè)風(fēng)光裝機會(huì )達到50億可持續發(fā)展，所以按照20%和50%配能的策略來(lái)說(shuō)的話(huà)儲能裝機的容量會(huì )達到10到25億千瓦，這個(gè)量大大超過(guò)了我們目前煤電的裝機總量。所以對于碳中和時(shí)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(shù)之一。
儲能會(huì )在各個(gè)環(huán)節發(fā)揮它的作用，從發(fā)電側到電網(wǎng)側到用戶(hù)側，都會(huì )發(fā)揮它的作用，從并網(wǎng)到電網(wǎng)側的輸配，以及降低用電成本各個(gè)方面發(fā)揮儲能的作用。
那么新型電力系統對儲能的要求非?？量?，有多方面的要求。首先是要安全，成本要低，要規?；?，效率要高，長(cháng)壽命，沒(méi)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(cháng)時(shí)儲能，因為我們會(huì )出現長(cháng)時(shí)間的在新型電力系統中，如果說(shuō)你可再生能源光電和風(fēng)電主導的時(shí)候會(huì )出現長(cháng)時(shí)間的間歇，為了避免供電的間斷，所以長(cháng)時(shí)儲能非常非常的重要。
我們現在現有的技術(shù)包括抽水蓄能，抽水蓄能它的規?？梢院艽?，儲能的時(shí)間可以比較靈活，而且它的壽命很長(cháng)，有各種應用場(chǎng)景。但是最大的技術(shù)挑戰是地域的限制，因為在風(fēng)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(huán)境。而且抽水蓄能需要一個(gè)長(cháng)時(shí)間、長(cháng)周期的建設，同時(shí)還會(huì )受到當地環(huán)評的審批。所以過(guò)去十幾年來(lái)，我們國家的抽水蓄能發(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(shuō)這是一個(gè)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(huà)類(lèi)似于抽水蓄能，它的規?？梢院艽?，儲能時(shí)間可以很長(cháng)，壽命也比較長(cháng)。應用場(chǎng)景類(lèi)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)儲存能量密度比較低的高壓的一個(gè)空氣。
我們國家過(guò)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)節需要進(jìn)一步的提高。目前所謂的電化學(xué)儲能主要是鋰離子電池儲能，鋰離子電池主要的優(yōu)勢是能量密度高，響應快，它的應用場(chǎng)景比較多。但是技術(shù)上主要是一個(gè)安全的隱患問(wèn)題，另外的話(huà)在成本上作為大型的儲能場(chǎng)景還需要進(jìn)一步降低。壽命的話(huà)作為儲能電站來(lái)說(shuō)，要進(jìn)一步的提高。
受益于過(guò)去我們國家電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，鋰離子電池在電化學(xué)儲能中占著(zhù)主導，鋰離子電池只是其中一種電化學(xué)儲能的方式。它的進(jìn)一步的發(fā)展，我們必須關(guān)注的問(wèn)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，這是進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。
目前來(lái)說(shuō)，我們在新型電力系統中最需要的是長(cháng)時(shí)儲能，目前我們在短時(shí)的儲能中有不同的技術(shù)，但是我們最缺的是長(cháng)時(shí)儲能，長(cháng)時(shí)儲能技術(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)，就是因為水是可以流動(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(huà)就可以時(shí)抽水的儲能時(shí)長(cháng)靈活，當然水作為儲能介質(zhì)還有其他的一些好處，但是它最大的問(wèn)題是受到地域的影響。
那么壓縮空氣儲能的話(huà)，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)儲能裝置的容量和功率解耦，所以它的儲能時(shí)長(cháng)靈活，適合長(cháng)時(shí)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(lái)儲存空氣。
對于鋰離子電池來(lái)說(shuō)，一般不受任何地域的限制，而且電化學(xué)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(dòng)的，它是固態(tài)的活性材料。這樣的話(huà)就使鋰離子電池的容量和功率是強關(guān)聯(lián)的，所以在儲能時(shí)長(cháng)上不夠靈活，這是一個(gè)最大的問(wèn)題。
長(cháng)時(shí)儲能三個(gè)技術(shù)相比的話(huà)，長(cháng)時(shí)儲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(cháng)時(shí)儲能的兩個(gè)主要因素，一是可流動(dòng)的能量載體，二是相應的能量轉換裝置?，F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(gè)體系，比如說(shuō)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(shí)長(cháng)上非常靈活，具備適合長(cháng)時(shí)儲能、易規?；?、無(wú)地域限制等優(yōu)勢。所以這是一種比較理想的儲能技術(shù)，有望滿(mǎn)足新型電力系統對儲能的所有的要求。
比如說(shuō)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(guò)電解水產(chǎn)生氫氣，氫氣通過(guò)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(méi)有地域的限制。但是目前來(lái)說(shuō)最大的問(wèn)題是儲氫、運氫的技術(shù)難題需要解決，因為是氫也面臨著(zhù)一些安全的風(fēng)險。目前來(lái)說(shuō)，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(chǎn)業(yè)。但是突破儲運安全成本，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。
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(shuō)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(méi)有任何安全的問(wèn)題。另外的話(huà)由于能量和功率是解耦的，所以它的擴展性很高，易于規?；?。而且它的整個(gè)充電和放電過(guò)程，電化學(xué)反應過(guò)程沒(méi)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，對大型的儲能電站來(lái)說(shuō)，安全和壽命都是非常重要的。目前來(lái)說(shuō)，最大的問(wèn)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。當然我們談液流電池的時(shí)候，我們有不同的材料，有無(wú)機材料，還有有機的。
目前來(lái)說(shuō)全釩液流電池發(fā)展最快，因為它最大的特點(diǎn)就是正負極都用釩材料，他具有優(yōu)勢。目前來(lái)說(shuō)它在這個(gè)商業(yè)的初級階段，我們國家非常重視全釩電池發(fā)展，最近李總理專(zhuān)門(mén)去視察，這個(gè)產(chǎn)業(yè)的空間非常大，當然，進(jìn)一步的推廣應用關(guān)鍵是成本，成本要降低。我個(gè)人在過(guò)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用關(guān)鍵是成本，因為它本身具有非常好的一些優(yōu)勢，來(lái)作為大型儲能技術(shù)。成本上的話(huà)，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(shí)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(méi)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(wèn)題，通常來(lái)說(shuō)流體電池的構成包括三個(gè)關(guān)鍵材料，活性材料、離子導體和電子導體，這種材料的性質(zhì)非常重要。但是如果說(shuō)材料就緒的情況下如何形成電池，它的微觀(guān)結構和宏觀(guān)分布是非常重要的。他們會(huì )不僅僅影響到電化學(xué)反應，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，也需要我本人原來(lái)的領(lǐng)域工程熱物理的知識，這個(gè)里面是傳輸的東西。我過(guò)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設計。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)也具有穩定性，防止其他的副反應。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)比較穩定，工藝也非常簡(jiǎn)單，適合大規模的生產(chǎn)。同時(shí)對電極來(lái)說(shuō)，不光具有很高的活性的表面，同時(shí)它的結構非常重要，結構上的話(huà)一般來(lái)說(shuō)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(huì )造成的問(wèn)題是流阻和表面積的矛盾。我們如果提高電化學(xué)的反應速度，這樣的話(huà)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)鍵部件是流道的設計，流道的設計非常重要，我們用了非常先進(jìn)的手段，包括機器學(xué)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(huà)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(shuō)，讓它運轉了20000萬(wàn)圈以后，沒(méi)有任何的衰減吉祥。同時(shí)我們現在電堆的電流密度可以從原來(lái)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(zhù)電解液的利用率高，也意味著(zhù)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(xiàn)恢復的方法。
總的來(lái)說(shuō)，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(shí)他是綠色的，綠色的話(huà)是因為它本身儲的電是綠電，同時(shí)它的材料比如說(shuō)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(jiǎn)單的，它可以永遠用下去。另外它是比較經(jīng)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(gè)提高。所以它是一種安全、綠色、經(jīng)濟的電化學(xué)儲能技術(shù)。
好的，下面我總結一下今天我講的內容，主要有幾個(gè)點(diǎn)：首先我們如果要實(shí)現碳中和的話(huà)，我們新型的電力系統需要大規模、高安全和不同時(shí)長(cháng)的儲能技術(shù)。目前來(lái)說(shuō)最缺的是長(cháng)時(shí)儲能技術(shù)，這是最需要發(fā)展的，所以長(cháng)時(shí)儲能技術(shù)是儲能發(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，模塊化、時(shí)長(cháng)靈活、安全、無(wú)限制適合于長(cháng)時(shí)、大規模儲能，突破技術(shù)瓶頸是搶抓儲能產(chǎn)業(yè)機會(huì )的關(guān)鍵。
我在這里強調一點(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(lèi)電池。
最后我想我們?yōu)榱藢?shí)現碳中和這個(gè)目標，我們面臨著(zhù)很多的挑戰，但是我們也是一個(gè)發(fā)展的機遇，特別是過(guò)去十幾年來(lái)光伏技術(shù)的發(fā)展，確實(shí)讓我們充滿(mǎn)信心。所以我們儲能技術(shù)的發(fā)展也一定會(huì )發(fā)展的非?？?。如果我們真正保持戰略定力，保持信心的話(huà)，我們一定能夠擁抱新的未來(lái)。
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