深瞳工作室出品
科技日報記者 俞慧友 策劃?趙英淑 滕繼濮 林莉君
大部分新型儲能技術(shù)尚處于起步和發(fā)展階段，技術(shù)成熟度低，嚴重影響技術(shù)的推廣應(yīng)用。迫切需要全社會推動培育孵化，完善儲能相關(guān)的電價政策和市場機制，加大科技示范項目成本疏導(dǎo)，提高社會主動投資意愿，通過政策引導(dǎo)鼓勵利益相關(guān)方積極推動新型儲能技術(shù)科技示范。
視覺中國供圖
最近一兩年，長沙理工大學(xué)教授賈傳坤忙得有點“腳不著地”。作為搞大型儲能研究的專家，他接待了一波又一波來自政府、企業(yè)、投資機構(gòu)的人，大家都為了他手里的技術(shù)“硬通貨”而來……
剛回國那會兒，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，或者說沒實力“咬”下第一口。
為什么？大規(guī)模儲能技術(shù)雖是“碳達峰碳中和”目標(biāo)下的“剛需”，但仍無法規(guī)避技術(shù)從實驗室到產(chǎn)業(yè)化道路上的“成長的煩惱”。
新型儲能技術(shù)成最受“婆婆”待見的“媳婦”
“碳達峰碳中和”目標(biāo)要求下，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，將是未來我國能源安全和能源保障的重要形態(tài)。到2030年，我國風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達12億千瓦以上。
但此前的實踐證明，風(fēng)能、光能等清潔能源產(chǎn)生的電能，既“隨機”又“波動”，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”。
這個不可或缺的“中間商”，便是大規(guī)模儲能技術(shù)。事實上，大規(guī)模儲能技術(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)模儲能，無疑是個好“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”儲能體量最大，其儲能主要執(zhí)行電網(wǎng)調(diào)峰，緩解季節(jié)性“電荒”和不同時段用電負荷不平衡的任務(wù)。發(fā)展最迅速的是新能源電源側(cè)儲能。截至目前，我國有超20個省份出臺新能源配置儲能的地方性文件，明確提出“配置儲能容量比例不低于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)帶來的波動的“使命”，因此火電發(fā)電側(cè)儲能也是前景廣闊的“業(yè)主”。
面對這些“婆婆”們，最傳統(tǒng)且安全可靠的儲能技術(shù)有“抽水蓄能”。但抽水儲能建設(shè)地域空間限制大，并不具廣適性。新型儲能技術(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、液流電池等新型儲能技術(shù)，逐漸成為業(yè)內(nèi)研究熱點。賈傳坤等專家，正是液流電池技術(shù)的“探路者”之一。此外，超級電容、壓縮空氣、熔鹽儲熱等新型儲能技術(shù)，也都在積極探索中。
盡管新型儲能技術(shù)的研究很熱，但能快速進入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)并不算多。進入產(chǎn)業(yè)化和有望快速進入產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)，也都“各有各的難處”。
鋰電儲能技術(shù)“安全”之困亟待“固態(tài)”解圍
對于風(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式電源，受體主體為新能源汽車。這一應(yīng)用場景，極大促進了鋰電儲能技術(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)模化應(yīng)用迅速擴大。
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)峰儲能的問題。同時，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)建成耗時多、花費大。鋰離子電池用于大規(guī)模儲能，則具有成本低、建設(shè)時間短、地理依賴性低、時效性高、兼容性好等顯著優(yōu)點。”中南大學(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，鋰電池技術(shù)逐漸進入大規(guī)模儲能領(lǐng)域。
這一應(yīng)用場景，也為退役的新能源汽車動力電池資源的回收利用提供了重要渠道。通常，電動汽車動力電池容量低于80%，就被視為到了使用期限。“從目前市場趨勢看，報廢電池量在逐年增加，將廢舊鋰離子電池用于大規(guī)模儲能，成本上占絕對優(yōu)勢。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，根據(jù)大規(guī)模儲能的使用環(huán)境和特點，退役鋰離子電池的剩余容量足以維持大規(guī)模儲能需求。”陳根說。
不過，無論全新鋰離子電池還是二次利用的鋰離子電池，都存在一個明顯的安全隱患。去年4月16日，北京大紅門儲能電站發(fā)生起火爆炸。正式發(fā)布的事故調(diào)查報告顯示，爆炸的直接原因為“單體磷酸鐵鋰電池發(fā)生內(nèi)短路故障，引起電池及電池模組熱失控擴散”。
“鋰離子電池具有儲能密度高、充放電效率高、響應(yīng)速度快、產(chǎn)業(yè)鏈完整等優(yōu)點，是近幾年發(fā)展最快的電化學(xué)儲能技術(shù)，也形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，但安全問題不容忽視。一個大規(guī)模儲能電站，電池數(shù)量可高達幾十甚至數(shù)百萬只，其中任何一個電池出現(xiàn)問題，都可能引起整個電池組爆炸。”南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授盧周廣對科技日報記者說。
科技日報記者與中國科學(xué)院物理研究所研究員李泓交流獲悉，因為液體鋰離子電池存在“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)有動力和儲能電池的安全性以及部分電化學(xué)性能。總體來說，固態(tài)電池在世界范圍內(nèi)處于研發(fā)和中試階段，中國、日本、韓國、美國、德國、英國、法國等在固態(tài)電池開發(fā)領(lǐng)域都很活躍。”李泓說。
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，電池性價比不清晰等。
“我國液態(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)。”李泓說。
同時，隨著鋰離子電池材料成本快速上漲，人們也在尋求原料儲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“首臺套”難題
除鋰離子電池外，還有一類儲能技術(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、規(guī)模大等優(yōu)點，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。據(jù)美國能源部預(yù)計，在儲能時長為4到10小時的電網(wǎng)規(guī)模儲能方面，液流電池儲能技術(shù)具有極好的比較優(yōu)勢。探索開發(fā)低成本、高能量密度的長壽命液流電池新體系，成為業(yè)界熱點。
我國在這一領(lǐng)域的研究，也走在世界前沿。以大連融科儲能技術(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展，推動了釩液流電池技術(shù)的快速發(fā)展。截至目前，國內(nèi)也完成了多個釩液流電池儲能電站示范項目，如大連融科200兆瓦/800兆瓦·時釩液流電池儲能調(diào)峰電站一期工程完成主體工程建設(shè)，已進入單體模塊調(diào)試階段。
長沙理工大學(xué)教授賈傳坤的團隊，也是我國液流電池技術(shù)領(lǐng)域研究最為全面的團隊之一，其在釩液流電池領(lǐng)域研究達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)域取得突出的進展。
“相對鋰離子電池，釩液流電池存在電池能量密度低，溫度范圍較窄的問題，同時成本也偏高，不利于商業(yè)化。”賈傳坤說。
通過在釩電解液中添加低成本高能量密度固體，該團隊實現(xiàn)了釩電解液密度兩倍以上的提升，溫度適用范圍達到60攝氏度以上，成本降低了50%。此外，他們在世界上首次設(shè)計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)計中。
為進一步降低液流電池成本，該團隊還開始研究以鐵、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，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)和投資機構(gòu)的人前來與賈傳坤對接與問詢。但問的人多，愿意第一個“吃螃蟹”的人卻很少。
“大規(guī)模儲能電站建設(shè)資金量大，民營企業(yè)單獨作為投資主體很難。國企和央企要建設(shè)這樣的大型項目，立項也并不容易。畢竟我們的技術(shù)還缺一個‘首臺套’，大家都不想率先嘗試建立這個‘首臺套’。”賈傳坤說。
該如何破解這一難題？出臺靈活支持或補貼政策，鼓勵有大體量儲能需求的公司嘗試新技術(shù)，是新型儲能技術(shù)從實驗室到產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。“大規(guī)模儲能電站采用新型技術(shù)的前期階段，希望國家能包容虧損，給予補貼類政策鼓勵。因為只有推動技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，才能不斷驗證技術(shù)可行性，進一步迭代更新技術(shù)，最終快速推動全產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化發(fā)展。”賈傳坤說。
正因為“首臺套”資金投入并非“毛毛菜”，民企考慮風(fēng)控投不起，國企擔(dān)心失敗不愿投，高校科研團隊則苦于無足夠?qū)ｍ椯Y金啟動“首臺套”搭建。賈傳坤認為，可在實施嚴格追責(zé)制度的前提下，以技術(shù)指標(biāo)為考核標(biāo)準(zhǔn)，在國家及省層面增設(shè)大規(guī)模儲能技術(shù)研究揭榜掛帥項目，助力解決“首臺套”無法誕生的尷尬。
事實上，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電容器耦合（替代）鋰電池儲能調(diào)頻技術(shù)、基于跨臨界二氧化碳循環(huán)的大規(guī)模電熱儲能技術(shù)、大容量高參數(shù)熔鹽儲能技術(shù)、退役機組改造“卡諾電池”等新型儲能技術(shù)攻關(guān)并取得階段性研究成果。但相關(guān)技術(shù)在推動首臺套示范應(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國內(nèi)首臺超級電容器耦合替代鋰電池儲能調(diào)頻示范項目。該項目示范效應(yīng)顯著，為儲能新技術(shù)應(yīng)用帶來希望。但同時，重大科技示范工程項目技術(shù)風(fēng)險大、投資費用高。面對技術(shù)和投資決策風(fēng)險，更多新技術(shù)在推動科技示范時，落地企業(yè)仍顧慮重重。
“大部分新型儲能技術(shù)尚處于起步和發(fā)展階段，技術(shù)成熟度低，嚴重影響技術(shù)的推廣應(yīng)用。迫切需要全社會推動培育孵化，完善儲能相關(guān)的電價政策和市場機制，加大科技示范項目成本疏導(dǎo)，提高社會主動投資意愿，通過政策引導(dǎo)鼓勵利益相關(guān)方積極推動新型儲能技術(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)濟性和市場可接受性有待檢驗，尚不具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)，對構(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)單獨設(shè)院“自立門戶”
2020年前后，西安交通大學(xué)率先建立了儲能科學(xué)與工程專業(yè)。隨后的第二年，我國有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，儲能人才培養(yǎng)獲得了高度的重視。但同時，隨之又出現(xiàn)了一個新問題。
據(jù)調(diào)研，學(xué)校開設(shè)大型儲能人才培養(yǎng)專業(yè)，多數(shù)都是根據(jù)自己的優(yōu)勢領(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)勢專業(yè)下的傳統(tǒng)人才培養(yǎng)。
儲能專業(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)能太陽能、通信工程、計算機軟件云平臺，甚至經(jīng)濟管理等方面的知識。“我們建議多學(xué)科交叉，成立單獨的儲能研究院進行教學(xué)和培育。”賈傳坤說。
此外，他呼吁，儲能人才培養(yǎng)不能“紙上談兵”。學(xué)生必須結(jié)合實踐學(xué)習(xí)，要有足夠的實踐經(jīng)驗，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習(xí)期，而應(yīng)貫穿學(xué)習(xí)的全周期。
