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中科院院士赵天寿:储能是构建新型电力系统的必要环节

日期:2023-01-25    来源:中国能源报  作者:朱妍

能源资讯中心

2023
01/25
11:36
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关键词: 储能系统 新型电力系统 碳达峰 碳中和

目前,新能源大规模利用仍面临间歇性、波动性、不稳定的挑战。储能可以平抑波动,支撑光电风电大规模并网,被视为新型电力系统的必要环节。

实现“双碳”目标,传统能源逐步退出必须建立在新能源安全可靠的替代基础之上,但是目前,新能源大规模利用仍面临间歇性、波动性、不稳定的挑战。作为破题之道,储能可以平抑波动,支撑光电风电大规模并网,被视为新型电力系统的必要环节。在中国科学院院士、南方科技大学碳中和能源研究院院长、中国碳中和50人论坛成员赵天寿看来,储能技术必须满足规模化、高安全、低成本、长寿命、无地域限制等要求,这也是未来储能产业发展的重要方向所在。

实现碳中和需要规模化、

高安全储能技术

问:在碳中和进程中,能源结构将发生颠覆性、革命性调整,储能在其中占据什么地位?

赵天寿:我国碳排放主要来源于化石能源的大规模使用。碳减排的关键,在于不断提高太阳能、风能等可再生能源在能源结构中的占比,化石能源比重相应降低。而目前,风、光实际比重约为4%,化石能源占比高达84%。为实现碳中和目标,前者占比需达到60%,后者要降低到10%左右。

近十年来,我国的光电、风电成本快速下降,为装机规模快速提升奠定了基础。但光电、风电存在间歇、不稳定特点,无法直接满足电网及用户的需求,成为制约其进一步扩大规模的主要障碍。储能就是利用专门装置与系统将能量储存,在需要时将能量释放,实现能量在时间和(或)空间上的转移,这是推动可再生能源大规模接入电网的必须环节。基于此,储能被认为是构建以新能源为主体的新型电力系统的必须环节。

问:这对储能产业提出了哪些要求?

赵天寿:据预测估算,为实现碳中和目标,光电、风电装机量将达到50亿千瓦,年发电量10万亿度,按10%-50%配备储能,储能容量就将在1万亿-5万亿度。面对如此大容量的需求,储能技术必须满足规模化、高安全、低成本、长寿命、无地域限制等要求。

在以新能源为主体的新型电力系统中,光电、风电在不同时间尺度下均存在不稳定性。在毫秒至分钟的时间范围内,光电风电受天气因素影响会出现功率的剧烈波动,易对电网短时间功率平衡与频率稳定造成冲击;在数十分钟至数小时范围内,光电风电的发电量不可控,无法跟踪电网的发电计划,无法响应电网调度;在数小时至数天甚至跨季节范围内,光电风电的发电量受气候变化影响,能量输出存在长周期波动性,与社会能量需求不匹配,难以确保全年能量稳定、可靠供应。例如,北方地区光伏发电的电量,冬夏两季可能相差一倍,若夏季恰好满足能量需求,冬季就会有较大能量缺口。

因此,储能系统还需满足不同时长能量储存的要求:针对毫秒至分钟范围的能量储存需求,需重点满足平滑风光出力、电网调频的要求;针对数十分钟至数小时范围的能量储存需求,需重点满足提高光电、风电消纳量、电网调峰的要求;针对数小时至数天甚至跨季节能量储存需求,则要重点满足长周期、大规模能量时移的要求,确保能源安全。

储能面临技术不成熟、

使用成本高等挑战

问:对照上述要求,储能产业发展面临着哪些挑战?

赵天寿:按照储能时长的不同,介绍主要储能技术存在的挑战——

毫秒至分钟级的储能技术,主要包括超导磁储能、超级电容器储能与飞轮储能,三者分别面临超导技术难度大、成本高的挑战,成本高、自放电严重的挑战,以及能量密度低、成本高的挑战。

数十分钟至数小时的储能技术,主要包括锂离子电池储能、抽水蓄能、压缩空气储能、液流电池储能。挑战分别包括:安全风险高、锂资源限制,地域及生态限制,储气成本高、储能效率低,功率密度低、成本高等。

对于更长时间的储能技术,目前受关注最多的是燃料储能。比如,氢燃料储能主要面临储运难、成本高等挑战,甲醇燃料储能的效率低、碳排放和成本高,氨燃料储能则面临效率低、毒性较大等。

此外,抽水蓄能、压缩空气储能、液流电池储能均已实现储能容量与功率的解耦。理论上说,通过增大蓄水空间、储气空间、电解液储量,储能时长可不断延长,但蓄水空间、储气空间与电解液储量的增加,将进一步带来技术挑战。

问:以您从事的电池储能技术研究为例,该领域取得了哪些突破?

赵天寿:我从事电池储能技术研究20余年,研究领域主要包括燃料电池、液流电池、金属空气电池、与锂离子电池等。我们通过探究反应机理构建电化学储能理论,指引电池关键材料与部件的研发,研制了高性能电极、隔膜与流道,大幅提升了液流电池、醇类燃料电池及全固态锂空气电池的效率及稳定性,取得了一些技术突破。比如,我们研制的液流电池最高功率密度可以达到2.75W/cm2,在600 mA/cm2的高电流密度下可以保持80%以上的能量效率并稳定循环超过20000圈,是公开文献中最高功率密度与最长循环寿命。目前,我们正在推进这些新技术的产业化应用。

建设新型研发平台

加速储能技术研发、转化

问:下一步还需要从哪些方面入手,推动电池储能的技术突破?

赵天寿:电池,尤其是以可流动物质作为能量载体的流体电池,是一个从微观到宏观的电化学反应,和物质传输、离子传输、电子传输相耦合的多尺度、多相复杂体系,其性能由热物理领域的空间能质传递特性,以及电化学领域的界面电化学反应特性共同决定。

一方面,界面活性面积、界面电荷转移和界面温度浓度,共同决定了电化学反应速率的快慢;另一方面,空间传输机理、空间尺度效应、空间结构特征,影响着物质、离子、电子的耦合传输速率和反应界面的构建。在电池中,仅当某一区域同时拥有物质、离子、电子三种传输通道时,才可以作为电化学反应场所,而且反应速率受到其中最低传输速率的限制。

考虑到种种因素,高性能电池的开发需要协调好物质、离子、电子的空间传输与电化学反应速率之间的关系。然而,空间传输属于工程热物理学科,电化学反应属于电化学学科,两个学科间的基础理论与研究方法相差较大。为实现进一步突破,必须注重从交叉学科角度,建立热物理-电化学耦合理论与协同优化方法,实现传输性能和电化学性能的同时提高。

问:对照低碳、零碳与负碳技术的迫切需求,您建议如何加速研发及转化?

赵天寿:为推动实现“双碳”目标,我国出台了一系列政策,涵盖新能源技术领域人才培养、科学研究、技术示范与工程应用等多方面支持。随着投入持续加大,我们看到了新能源技术的快速迭代发展,例如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等技术不断涌现,一系列成果值得肯定。

▲图1 技术研发-集中示范-产业转化全链条贯通的科研组织新模式

▲图2 碳中和技术样板示范

要想加速技术发展,我认为还需要大幅度缩短技术研发到产业应用的时间,探索技术研发-集中示范-产业转化全链条贯通的新型研发组织模式。比如,可以联合政府、企业与科研单位各方力量建立新型科研组织(图1示),通过碳中和能源研究院组织跨学科的科研队伍攻关碳中和新技术,通过技术集中示范基地(图2)促进新技术间的协调融合发展,通过技术产业转化平台支撑成熟技术规模化应用。最终,我们依托新型研发组织,贯通技术研发-集中示范-产业转化的全链条,加速新技术的研发迭代。



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