深瞳工作室出品
科技日?qǐng)?bào)記者 俞慧友 策劃 趙英淑 滕繼濮 林莉君
大部分新型儲(chǔ)能技術(shù)尚處于起步和發(fā)展階段，技術(shù)成熟度低，嚴(yán)重影響技術(shù)的推廣應(yīng)用。迫切需要全社會(huì)推動(dòng)培育孵化，完善儲(chǔ)能相關(guān)的電價(jià)政策和市場(chǎng)機(jī)制，加大科技示范項(xiàng)目成本疏導(dǎo)，提高社會(huì)主動(dòng)投資意愿，通過政策引導(dǎo)鼓勵(lì)利益相關(guān)方積極推動(dòng)新型儲(chǔ)能技術(shù)科技示范。
視覺中國(guó)供圖
最近一兩年，長(zhǎng)沙理工大學(xué)教授賈傳坤忙得有點(diǎn)“腳不著地”。作為搞大型儲(chǔ)能研究的專家，他接待了一波又一波來自政府、企業(yè)、投資機(jī)構(gòu)的人，大家都為了他手里的技術(shù)“硬通貨”而來……
剛回國(guó)那會(huì)兒，賈傳坤的研究成果并不特別被產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方“待見”。但現(xiàn)在，他的成果成了“香餑餑”，誰都想來“咬”一口，但仿佛誰都“咬”不動(dòng)，或者說沒實(shí)力“咬”下第一口。
為什么？大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)雖是“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)下的“剛需”，但仍無法規(guī)避技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化道路上的“成長(zhǎng)的煩惱”。
新型儲(chǔ)能技術(shù)成最受“婆婆”待見的“媳婦”
“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)要求下，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，將是未來我國(guó)能源安全和能源保障的重要形態(tài)。到2030年，我國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)12億千瓦以上。
但此前的實(shí)踐證明，風(fēng)能、光能等清潔能源產(chǎn)生的電能，既“隨機(jī)”又“波動(dòng)”，直接并入電網(wǎng)易威脅現(xiàn)有電網(wǎng)安全。因此，它們產(chǎn)生的電成了“食之無味棄之可惜”的“垃圾電”，進(jìn)而出現(xiàn)了“棄風(fēng)棄光”的現(xiàn)象。要讓它們順利并網(wǎng)，須借助“中間商”。
這個(gè)不可或缺的“中間商”，便是大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。事實(shí)上，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)不僅能助力風(fēng)能、光能產(chǎn)生的“垃圾電”并網(wǎng)，也能解決電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的需求。這樣的大規(guī)模儲(chǔ)能，無疑是個(gè)好“媳婦”，頗受電力系統(tǒng)用戶側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、新能源電源側(cè)、火電電源側(cè)等各類“婆婆”的待見。
電網(wǎng)側(cè)“婆婆”儲(chǔ)能體量最大，其儲(chǔ)能主要執(zhí)行電網(wǎng)調(diào)峰，緩解季節(jié)性“電荒”和不同時(shí)段用電負(fù)荷不平衡的任務(wù)。發(fā)展最迅速的是新能源電源側(cè)儲(chǔ)能。截至目前，我國(guó)有超20個(gè)省份出臺(tái)新能源配置儲(chǔ)能的地方性文件，明確提出“配置儲(chǔ)能容量比例不低于5%—20%”。此外，在未來以新能源為主的新型電力系統(tǒng)中，燃煤發(fā)電依然不能完全“退位”，它要承擔(dān)平抑大比例新能源發(fā)電并網(wǎng)帶來的波動(dòng)的“使命”，因此火電發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能也是前景廣闊的“業(yè)主”。
面對(duì)這些“婆婆”們，最傳統(tǒng)且安全可靠的儲(chǔ)能技術(shù)有“抽水蓄能”。但抽水儲(chǔ)能建設(shè)地域空間限制大，并不具廣適性。新型儲(chǔ)能技術(shù)目前以鋰電技術(shù)為主。不過，出于降本、提高安全性等因素的考慮，鈉離子電池、固態(tài)鋰離子電池、液流電池等新型儲(chǔ)能技術(shù)，逐漸成為業(yè)內(nèi)研究熱點(diǎn)。賈傳坤等專家，正是液流電池技術(shù)的“探路者”之一。此外，超級(jí)電容、壓縮空氣、熔鹽儲(chǔ)熱等新型儲(chǔ)能技術(shù)，也都在積極探索中。
盡管新型儲(chǔ)能技術(shù)的研究很熱，但能快速進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)并不算多。進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化和有望快速進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)，也都“各有各的難處”。
鋰電儲(chǔ)能技術(shù)“安全”之困亟待“固態(tài)”解圍
對(duì)于風(fēng)能、光能產(chǎn)生的不穩(wěn)定電能，最初人們想到的消納方式是移動(dòng)式電源，受體主體為新能源汽車。這一應(yīng)用場(chǎng)景，極大促進(jìn)了鋰電儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，鋰離子電池在全球范圍內(nèi)的商業(yè)化、規(guī)?；瘧?yīng)用迅速擴(kuò)大。
不過這種消納“垃圾電”的方式，無法解決新能源并網(wǎng)和電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰儲(chǔ)能的問題。同時(shí)，與資源廣闊的風(fēng)能、光能產(chǎn)生的電能相較，新能源汽車的消納體量也較小。
“傳統(tǒng)電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)中最常見的抽水蓄能，受地理和空間限制的局限大，抽水蓄能系統(tǒng)建成耗時(shí)多、花費(fèi)大。鋰離子電池用于大規(guī)模儲(chǔ)能，則具有成本低、建設(shè)時(shí)間短、地理依賴性低、時(shí)效性高、兼容性好等顯著優(yōu)點(diǎn)?！敝心洗髮W(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院特聘副教授陳根說。正因具有這些優(yōu)點(diǎn)，鋰電池技術(shù)逐漸進(jìn)入大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域。
這一應(yīng)用場(chǎng)景，也為退役的新能源汽車動(dòng)力電池資源的回收利用提供了重要渠道。通常，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池容量低于80%，就被視為到了使用期限?！皬哪壳笆袌?chǎng)趨勢(shì)看，報(bào)廢電池量在逐年增加，將廢舊鋰離子電池用于大規(guī)模儲(chǔ)能，成本上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。這也是退役鋰離子電池的梯次利用和再生回收利用的好途徑。同時(shí)，根據(jù)大規(guī)模儲(chǔ)能的使用環(huán)境和特點(diǎn)，退役鋰離子電池的剩余容量足以維持大規(guī)模儲(chǔ)能需求?！标惛f。
不過，無論全新鋰離子電池還是二次利用的鋰離子電池，都存在一個(gè)明顯的安全隱患。去年4月16日，北京大紅門儲(chǔ)能電站發(fā)生起火爆炸。正式發(fā)布的事故調(diào)查報(bào)告顯示，爆炸的直接原因?yàn)椤皢误w磷酸鐵鋰電池發(fā)生內(nèi)短路故障，引起電池及電池模組熱失控?cái)U(kuò)散”。
“鋰離子電池具有儲(chǔ)能密度高、充放電效率高、響應(yīng)速度快、產(chǎn)業(yè)鏈完整等優(yōu)點(diǎn)，是近幾年發(fā)展最快的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，也形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，但安全問題不容忽視。一個(gè)大規(guī)模儲(chǔ)能電站，電池?cái)?shù)量可高達(dá)幾十甚至數(shù)百萬只，其中任何一個(gè)電池出現(xiàn)問題，都可能引起整個(gè)電池組爆炸?！蹦戏娇萍即髮W(xué)材料科學(xué)與工程系教授盧周廣對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說。
科技日?qǐng)?bào)記者與中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員李泓交流獲悉，因?yàn)橐后w鋰離子電池存在“熱失控行為”，因此現(xiàn)下著力發(fā)展不容易熱失控的固態(tài)鋰離子電池技術(shù)。“固態(tài)電池有望顯著提升現(xiàn)有動(dòng)力和儲(chǔ)能電池的安全性以及部分電化學(xué)性能?？傮w來說，固態(tài)電池在世界范圍內(nèi)處于研發(fā)和中試階段，中國(guó)、日本、韓國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等在固態(tài)電池開發(fā)領(lǐng)域都很活躍?！崩钽f。
他也表示，從目前的研究來看，不同類型的全固態(tài)鋰電池都還沒有達(dá)到大規(guī)模量產(chǎn)的階段，全固態(tài)電池量產(chǎn)面臨著諸多挑戰(zhàn)。例如，無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)及原料尚未量產(chǎn)形成供應(yīng)鏈，應(yīng)用技術(shù)不成熟；電極和電芯沒有成熟的規(guī)模量產(chǎn)設(shè)備；電池BMS與系統(tǒng)集成方案不成熟，電池應(yīng)用方案不成熟，電池標(biāo)準(zhǔn)體系尚未建立，電池性價(jià)比不清晰等。
“我國(guó)液態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)鏈較為成熟，目前初創(chuàng)企業(yè)和龍頭電池企業(yè)更傾向于選擇混合固態(tài)電解質(zhì)與液態(tài)電解質(zhì)的電池路線，有望在今明兩年規(guī)模量產(chǎn)?！崩钽f。
同時(shí)，隨著鋰離子電池材料成本快速上漲，人們也在尋求原料儲(chǔ)量豐富的納離子電池技術(shù)解決方案。
液流電池新技術(shù)須破解“首臺(tái)套”難題
除鋰離子電池外，還有一類儲(chǔ)能技術(shù)雖未正式產(chǎn)業(yè)化“上線”，卻也到了產(chǎn)業(yè)化“臨門一腳”的階段，那便是液流電池技術(shù)。
液流電池因安全性高、壽命長(zhǎng)、規(guī)模大等優(yōu)點(diǎn)，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。據(jù)美國(guó)能源部預(yù)計(jì)，在儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為4到10小時(shí)的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能方面，液流電池儲(chǔ)能技術(shù)具有極好的比較優(yōu)勢(shì)。探索開發(fā)低成本、高能量密度的長(zhǎng)壽命液流電池新體系，成為業(yè)界熱點(diǎn)。
我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究，也走在世界前沿。以大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司、北京普能公司為代表的單位，在釩液流電池關(guān)鍵材料、電堆技術(shù)及系統(tǒng)集成等方面取得了重要進(jìn)展，推動(dòng)了釩液流電池技術(shù)的快速發(fā)展。截至目前，國(guó)內(nèi)也完成了多個(gè)釩液流電池儲(chǔ)能電站示范項(xiàng)目，如大連融科200兆瓦/800兆瓦·時(shí)釩液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站一期工程完成主體工程建設(shè)，已進(jìn)入單體模塊調(diào)試階段。
長(zhǎng)沙理工大學(xué)教授賈傳坤的團(tuán)隊(duì)，也是我國(guó)液流電池技術(shù)領(lǐng)域研究最為全面的團(tuán)隊(duì)之一，其在釩液流電池領(lǐng)域研究達(dá)15年，在電極材料、隔膜材料、高能量密度低成本寬溫度電解液等領(lǐng)域取得突出的進(jìn)展。
“相對(duì)鋰離子電池，釩液流電池存在電池能量密度低，溫度范圍較窄的問題，同時(shí)成本也偏高，不利于商業(yè)化?！辟Z傳坤說。
通過在釩電解液中添加低成本高能量密度固體，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了釩電解液密度兩倍以上的提升，溫度適用范圍達(dá)到60攝氏度以上，成本降低了50%。此外，他們?cè)谑澜缟鲜状卧O(shè)計(jì)了石墨烯電極小試線，成功制備了石墨烯復(fù)合電極材料，功率提到了1.5倍以上。電極中試線也正在設(shè)計(jì)中。
為進(jìn)一步降低液流電池成本，該團(tuán)隊(duì)還開始研究以鐵、鈦及錳為材料的液流電池低成本電解液。低成本鐵液流電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)隔膜材料、電解液材料、電極材料及電堆技術(shù)的全自主設(shè)計(jì)，目前正處于產(chǎn)品小試和中試階段。正因這些突出的成果，諸多來自政府、企業(yè)和投資機(jī)構(gòu)的人前來與賈傳坤對(duì)接與問詢。但問的人多，愿意第一個(gè)“吃螃蟹”的人卻很少。
“大規(guī)模儲(chǔ)能電站建設(shè)資金量大，民營(yíng)企業(yè)單獨(dú)作為投資主體很難。國(guó)企和央企要建設(shè)這樣的大型項(xiàng)目，立項(xiàng)也并不容易。畢竟我們的技術(shù)還缺一個(gè)‘首臺(tái)套’，大家都不想率先嘗試建立這個(gè)‘首臺(tái)套’?！辟Z傳坤說。
該如何破解這一難題？出臺(tái)靈活支持或補(bǔ)貼政策，鼓勵(lì)有大體量?jī)?chǔ)能需求的公司嘗試新技術(shù)，是新型儲(chǔ)能技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。“大規(guī)模儲(chǔ)能電站采用新型技術(shù)的前期階段，希望國(guó)家能包容虧損，給予補(bǔ)貼類政策鼓勵(lì)。因?yàn)橹挥型苿?dòng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，才能不斷驗(yàn)證技術(shù)可行性，進(jìn)一步迭代更新技術(shù)，最終快速推動(dòng)全產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化發(fā)展?！辟Z傳坤說。
正因?yàn)椤笆着_(tái)套”資金投入并非“毛毛菜”，民企考慮風(fēng)控投不起，國(guó)企擔(dān)心失敗不愿投，高?？蒲袌F(tuán)隊(duì)則苦于無足夠?qū)ｍ?xiàng)資金啟動(dòng)“首臺(tái)套”搭建。賈傳坤認(rèn)為，可在實(shí)施嚴(yán)格追責(zé)制度的前提下，以技術(shù)指標(biāo)為考核標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)家及省層面增設(shè)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)研究揭榜掛帥項(xiàng)目，助力解決“首臺(tái)套”無法誕生的尷尬。
事實(shí)上，尷尬的不止這一技術(shù)。以西安熱工研究院有限公司為例，近年來，該公司相繼開展了超級(jí)電容器耦合（替代）鋰電池儲(chǔ)能調(diào)頻技術(shù)、基于跨臨界二氧化碳循環(huán)的大規(guī)模電熱儲(chǔ)能技術(shù)、大容量高參數(shù)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)、退役機(jī)組改造“卡諾電池”等新型儲(chǔ)能技術(shù)攻關(guān)并取得階段性研究成果。但相關(guān)技術(shù)在推動(dòng)首臺(tái)套示范應(yīng)用過程中，同樣面臨很多困難，也有著同樣的困惑和期待。
今年，西安熱工研究院有限公司立項(xiàng)國(guó)內(nèi)首臺(tái)超級(jí)電容器耦合替代鋰電池儲(chǔ)能調(diào)頻示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目示范效應(yīng)顯著，為儲(chǔ)能新技術(shù)應(yīng)用帶來希望。但同時(shí)，重大科技示范工程項(xiàng)目技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大、投資費(fèi)用高。面對(duì)技術(shù)和投資決策風(fēng)險(xiǎn)，更多新技術(shù)在推動(dòng)科技示范時(shí)，落地企業(yè)仍顧慮重重。
“大部分新型儲(chǔ)能技術(shù)尚處于起步和發(fā)展階段，技術(shù)成熟度低，嚴(yán)重影響技術(shù)的推廣應(yīng)用。迫切需要全社會(huì)推動(dòng)培育孵化，完善儲(chǔ)能相關(guān)的電價(jià)政策和市場(chǎng)機(jī)制，加大科技示范項(xiàng)目成本疏導(dǎo)，提高社會(huì)主動(dòng)投資意愿，通過政策引導(dǎo)鼓勵(lì)利益相關(guān)方積極推動(dòng)新型儲(chǔ)能技術(shù)科技示范。”西安熱工研究院有限公司科環(huán)部副主任于在松說。
他強(qiáng)調(diào)，加快示范有一定技術(shù)積累但工藝路線尚不定型、經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)可接受性有待檢驗(yàn)，尚不具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)，對(duì)構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)意義重大。
高校專業(yè)人才培養(yǎng)應(yīng)單獨(dú)設(shè)院“自立門戶”
2020年前后，西安交通大學(xué)率先建立了儲(chǔ)能科學(xué)與工程專業(yè)。隨后的第二年，我國(guó)有20多所高校開展了相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)。一定程度上看，儲(chǔ)能人才培養(yǎng)獲得了高度的重視。但同時(shí)，隨之又出現(xiàn)了一個(gè)新問題。
據(jù)調(diào)研，學(xué)校開設(shè)大型儲(chǔ)能人才培養(yǎng)專業(yè)，多數(shù)都是根據(jù)自己的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域展開。換言之，這一專業(yè)依舊是“掛靠”在學(xué)校原有優(yōu)勢(shì)專業(yè)下的傳統(tǒng)人才培養(yǎng)。
儲(chǔ)能專業(yè)人才究竟需要具備哪些技能？賈傳坤告訴記者，這是個(gè)多學(xué)科交叉的專業(yè)。學(xué)生需要掌握化學(xué)材料、電氣、風(fēng)能太陽(yáng)能、通信工程、計(jì)算機(jī)軟件云平臺(tái)，甚至經(jīng)濟(jì)管理等方面的知識(shí)?！拔覀兘ㄗh多學(xué)科交叉，成立單獨(dú)的儲(chǔ)能研究院進(jìn)行教學(xué)和培育?！辟Z傳坤說。
此外，他呼吁，儲(chǔ)能人才培養(yǎng)不能“紙上談兵”。學(xué)生必須結(jié)合實(shí)踐學(xué)習(xí)，要有足夠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，要到工廠或者示范工程中學(xué)習(xí)。而這樣的學(xué)習(xí)，絕不能停留在通常大三大四才有的實(shí)習(xí)期，而應(yīng)貫穿學(xué)習(xí)的全周期。
