目前，新能源大規(guī)模利用仍面臨間歇性、波動(dòng)性、不穩(wěn)定的挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能可以平抑波動(dòng)，支撐光電風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)，被視為新型電力系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié)。
實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，傳統(tǒng)能源逐步退出必須建立在新能源安全可靠的替代基礎(chǔ)之上，但是目前，新能源大規(guī)模利用仍面臨間歇性、波動(dòng)性、不穩(wěn)定的挑戰(zhàn)。作為破題之道，儲(chǔ)能可以平抑波動(dòng)，支撐光電風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)，被視為新型電力系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié)。在中國(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)、中國(guó)碳中和50人論壇成員趙天壽看來，儲(chǔ)能技術(shù)必須滿足規(guī)模化、高安全、低成本、長(zhǎng)壽命、無地域限制等要求，這也是未來儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向所在。
實(shí)現(xiàn)碳中和需要規(guī)?；?、高安全儲(chǔ)能技術(shù)
問：在碳中和進(jìn)程中，能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生顛覆性、革命性調(diào)整，儲(chǔ)能在其中占據(jù)什么地位?
趙天壽：我國(guó)碳排放主要來源于化石能源的大規(guī)模使用。碳減排的關(guān)鍵，在于不斷提高太陽能、風(fēng)能等可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比，化石能源比重相應(yīng)降低。而目前，風(fēng)、光實(shí)際比重約為4%，化石能源占比高達(dá)84%。為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，前者占比需達(dá)到60%，后者要降低到10%左右。
近十年來，我國(guó)的光電、風(fēng)電成本快速下降，為裝機(jī)規(guī)模快速提升奠定了基礎(chǔ)。但光電、風(fēng)電存在間歇、不穩(wěn)定特點(diǎn)，無法直接滿足電網(wǎng)及用戶的需求，成為制約其進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模的主要障礙。儲(chǔ)能就是利用專門裝置與系統(tǒng)將能量?jī)?chǔ)存，在需要時(shí)將能量釋放，實(shí)現(xiàn)能量在時(shí)間和(或)空間上的轉(zhuǎn)移，這是推動(dòng)可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)的必須環(huán)節(jié)?；诖?，儲(chǔ)能被認(rèn)為是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的必須環(huán)節(jié)。
問：這對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)提出了哪些要求?
趙天壽：據(jù)預(yù)測(cè)估算，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，光電、風(fēng)電裝機(jī)量將達(dá)到50億千瓦，年發(fā)電量10萬億度，按10%-50%配備儲(chǔ)能，儲(chǔ)能容量就將在1萬億-5萬億度。面對(duì)如此大容量的需求，儲(chǔ)能技術(shù)必須滿足規(guī)模化、高安全、低成本、長(zhǎng)壽命、無地域限制等要求。
在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，光電、風(fēng)電在不同時(shí)間尺度下均存在不穩(wěn)定性。在毫秒至分鐘的時(shí)間范圍內(nèi)，光電風(fēng)電受天氣因素影響會(huì)出現(xiàn)功率的劇烈波動(dòng)，易對(duì)電網(wǎng)短時(shí)間功率平衡與頻率穩(wěn)定造成沖擊;在數(shù)十分鐘至數(shù)小時(shí)范圍內(nèi)，光電風(fēng)電的發(fā)電量不可控，無法跟蹤電網(wǎng)的發(fā)電計(jì)劃，無法響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度;在數(shù)小時(shí)至數(shù)天甚至跨季節(jié)范圍內(nèi)，光電風(fēng)電的發(fā)電量受氣候變化影響，能量輸出存在長(zhǎng)周期波動(dòng)性，與社會(huì)能量需求不匹配，難以確保全年能量穩(wěn)定、可靠供應(yīng)。例如，北方地區(qū)光伏發(fā)電的電量，冬夏兩季可能相差一倍，若夏季恰好滿足能量需求，冬季就會(huì)有較大能量缺口。
因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)還需滿足不同時(shí)長(zhǎng)能量?jī)?chǔ)存的要求：針對(duì)毫秒至分鐘范圍的能量?jī)?chǔ)存需求，需重點(diǎn)滿足平滑風(fēng)光出力、電網(wǎng)調(diào)頻的要求;針對(duì)數(shù)十分鐘至數(shù)小時(shí)范圍的能量?jī)?chǔ)存需求，需重點(diǎn)滿足提高光電、風(fēng)電消納量、電網(wǎng)調(diào)峰的要求;針對(duì)數(shù)小時(shí)至數(shù)天甚至跨季節(jié)能量?jī)?chǔ)存需求，則要重點(diǎn)滿足長(zhǎng)周期、大規(guī)模能量時(shí)移的要求，確保能源安全。
儲(chǔ)能面臨技術(shù)不成熟、使用成本高等挑戰(zhàn)
問：對(duì)照上述要求，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著哪些挑戰(zhàn)?
趙天壽：按照儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)的不同，介紹主要儲(chǔ)能技術(shù)存在的挑戰(zhàn)——
毫秒至分鐘級(jí)的儲(chǔ)能技術(shù)，主要包括超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能與飛輪儲(chǔ)能，三者分別面臨超導(dǎo)技術(shù)難度大、成本高的挑戰(zhàn)，成本高、自放電嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，以及能量密度低、成本高的挑戰(zhàn)。
數(shù)十分鐘至數(shù)小時(shí)的儲(chǔ)能技術(shù)，主要包括鋰離子電池儲(chǔ)能、抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、液流電池儲(chǔ)能。挑戰(zhàn)分別包括：安全風(fēng)險(xiǎn)高、鋰資源限制，地域及生態(tài)限制，儲(chǔ)氣成本高、儲(chǔ)能效率低，功率密度低、成本高等。
對(duì)于更長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能技術(shù)，目前受關(guān)注最多的是燃料儲(chǔ)能。比如，氫燃料儲(chǔ)能主要面臨儲(chǔ)運(yùn)難、成本高等挑戰(zhàn)，甲醇燃料儲(chǔ)能的效率低、碳排放和成本高，氨燃料儲(chǔ)能則面臨效率低、毒性較大等。
此外，抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、液流電池儲(chǔ)能均已實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能容量與功率的解耦。理論上說，通過增大蓄水空間、儲(chǔ)氣空間、電解液儲(chǔ)量，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)可不斷延長(zhǎng)，但蓄水空間、儲(chǔ)氣空間與電解液儲(chǔ)量的增加，將進(jìn)一步帶來技術(shù)挑戰(zhàn)。
問：以您從事的電池儲(chǔ)能技術(shù)研究為例，該領(lǐng)域取得了哪些突破?
趙天壽：我從事電池儲(chǔ)能技術(shù)研究20余年，研究領(lǐng)域主要包括燃料電池、液流電池、金屬空氣電池、與鋰離子電池等。我們通過探究反應(yīng)機(jī)理構(gòu)建電化學(xué)儲(chǔ)能理論，指引電池關(guān)鍵材料與部件的研發(fā)，研制了高性能電極、隔膜與流道，大幅提升了液流電池、醇類燃料電池及全固態(tài)鋰空氣電池的效率及穩(wěn)定性，取得了一些技術(shù)突破。比如，我們研制的液流電池最高功率密度可以達(dá)到2.75W/cm2，在600 mA/cm2的高電流密度下可以保持80%以上的能量效率并穩(wěn)定循環(huán)超過20000圈，是公開文獻(xiàn)中最高功率密度與最長(zhǎng)循環(huán)壽命。目前，我們正在推進(jìn)這些新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
建設(shè)新型研發(fā)平臺(tái)加速儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)、轉(zhuǎn)化
問：下一步還需要從哪些方面入手，推動(dòng)電池儲(chǔ)能的技術(shù)突破?
趙天壽：電池，尤其是以可流動(dòng)物質(zhì)作為能量載體的流體電池，是一個(gè)從微觀到宏觀的電化學(xué)反應(yīng)，和物質(zhì)傳輸、離子傳輸、電子傳輸相耦合的多尺度、多相復(fù)雜體系，其性能由熱物理領(lǐng)域的空間能質(zhì)傳遞特性，以及電化學(xué)領(lǐng)域的界面電化學(xué)反應(yīng)特性共同決定。
一方面，界面活性面積、界面電荷轉(zhuǎn)移和界面溫度濃度，共同決定了電化學(xué)反應(yīng)速率的快慢;另一方面，空間傳輸機(jī)理、空間尺度效應(yīng)、空間結(jié)構(gòu)特征，影響著物質(zhì)、離子、電子的耦合傳輸速率和反應(yīng)界面的構(gòu)建。在電池中，僅當(dāng)某一區(qū)域同時(shí)擁有物質(zhì)、離子、電子三種傳輸通道時(shí)，才可以作為電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，而且反應(yīng)速率受到其中最低傳輸速率的限制。
考慮到種種因素，高性能電池的開發(fā)需要協(xié)調(diào)好物質(zhì)、離子、電子的空間傳輸與電化學(xué)反應(yīng)速率之間的關(guān)系。然而，空間傳輸屬于工程熱物理學(xué)科，電化學(xué)反應(yīng)屬于電化學(xué)學(xué)科，兩個(gè)學(xué)科間的基礎(chǔ)理論與研究方法相差較大。為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破，必須注重從交叉學(xué)科角度，建立熱物理-電化學(xué)耦合理論與協(xié)同優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)傳輸性能和電化學(xué)性能的同時(shí)提高。
問：對(duì)照低碳、零碳與負(fù)碳技術(shù)的迫切需求，您建議如何加速研發(fā)及轉(zhuǎn)化?
趙天壽：為推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，我國(guó)出臺(tái)了一系列政策，涵蓋新能源技術(shù)領(lǐng)域人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、技術(shù)示范與工程應(yīng)用等多方面支持。隨著投入持續(xù)加大，我們看到了新能源技術(shù)的快速迭代發(fā)展，例如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等技術(shù)不斷涌現(xiàn)，一系列成果值得肯定。
圖1 技術(shù)研發(fā)-集中示范-產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化全鏈條貫通的科研組織新模式
要想加速技術(shù)發(fā)展，我認(rèn)為還需要大幅度縮短技術(shù)研發(fā)到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的時(shí)間，探索技術(shù)研發(fā)-集中示范-產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化全鏈條貫通的新型研發(fā)組織模式。比如，可以聯(lián)合政府、企業(yè)與科研單位各方力量建立新型科研組織(圖1示)，通過碳中和能源研究院組織跨學(xué)科的科研隊(duì)伍攻關(guān)碳中和新技術(shù)，通過技術(shù)集中示范基地(圖2)促進(jìn)新技術(shù)間的協(xié)調(diào)融合發(fā)展，通過技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化平臺(tái)支撐成熟技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用。最終，我們依托新型研發(fā)組織，貫通技術(shù)研發(fā)-集中示范-產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的全鏈條，加速新技術(shù)的研發(fā)迭代。（記者 朱妍）
評(píng)論