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    专家讲话 | 赵天寿:面向碳中和的储能技术
      发布时间:2022-12-30 09:33   来源:城市怎么办

    2022年11月19日,中国科学院院士、南方科技大学讲席教授、碳中和能源研究院院长、中国碳中和五十人论坛成员赵天寿受邀出席首届“中国低碳城市发展论坛”,并以《面向碳中和的储能技术》为题作主旨报告。为进一步促进学术成果传播,现将赵天寿院士主旨报告录音整理成文,仅供读者学习交流。

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    碳中和目标需要怎样的储能技术

    为应对气候变化挑战,习近平主席在2020年9月的联合国大会一般性辩论中庄重承诺:中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取在2060年前实现碳中和。实现碳中和,是我国可持续发展的重大战略目标。从技术角度来看,“双碳”目标的实现,其本质上意味着革命性的能源转型,尤其是要在能源结构上做出重大调整。现阶段,我国化石能源占比在84%左右,太阳能和风能占比仅4%左右,而要实现碳中和,太阳能和风能在能源结构中的占比需要达到60%以上。尽管过去十几年来的光伏和风机发展非常迅速,光电和风电成本快速下降,但装机容量和上网电量的差别巨大,这是因为光能和风能存在间歇性、分散性和不稳定性等特点,而克服可再生能源的缺陷的最有效办法就是发展储能技术。

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    储能可以平抑能量的波动,实现能量平滑、稳定输出,最终能够提高能量的实际利用水平。储能将是未来以新能源为主体的新型能源体系中最关键的一个环节。需要强调的是,储能并不是类似电动汽车或者手机电池的储能,实现碳中和目标对储能技术的要求更加苛刻。一是要规模化,实现兆瓦级的大型储能。二是要长时间,这对于可再生能源主导下的能源供需调节而言非常重要。三是无地域限制,用以克服光能、风能等可再生能源分散性的弱点。四是安全稳定、低成本、长寿命,这都是碳中和目标下对可持续储能技术的具体要求。

    现有储能技术的优势与局限

    现有的储能技术可大致分为机械储能、电磁储能、电池储能、燃料储能和冷热储能。

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    (一)抽水蓄能技术

    抽水蓄能是一种常见的物理机械储能,主要是利用不稳定的电将水从低处打到高处,然后再利用水力发电。抽水蓄能技术具备规模化、储能时间长、寿命长等优势,目前来看是技术最成熟、运行最可靠的储能技术之一。过去十几年来,我国抽水蓄能电站装机规模快速增长,但是从2020年开始略微下降、趋近饱和,这主要受到地域限制、建设周期长和环评审批等因素的影响。

    (二)压缩空气储能

    压缩空气储能是另一种常见的机械储能方式,主要是利用不稳定的电将空气高压密封,通过汽轮机发电。压缩空气储能的优势包括规模化、储能时间长和寿命长,但最关键的问题是需要空间去储存高压空气,以及储能效率较低。过去,岩洞是常见的储能空间,但同抽水蓄能一样面临地域限制。另外,压缩空气的能源转化效率也低于抽水蓄能。近年来,我国非常重视压缩空气技术,但整体上压缩空气储能技术还处于商业化前期,面临较严格的地理条件限制。

    (三)锂离子电池

    锂离子电池的优势是能量密度较高、没有地域限制,非常适合中短时储能。但若作为大型储能,锂离子电池面临的最大的挑战是安全性,有可燃的危险隐患。如果一个兆瓦级的储能电站发生安全问题,其破坏威力将不可估量,过去几年的储能电站爆炸事故都证明了这一点。尽管锂离子电池近几年发展非常迅猛,但对现在储能市场来说,锂离子电池距离安全稳定的储能技术要求还有一定距离。

    (四)液流电池

    液流电池是一种电化学储能技术,能量被储存在装有液体的罐子中,储电和放电是由电池本身实现,功率和能量相互独立。相较于锂离子电池,液流电池特别适合规模化储能,还非常安全,而且寿命比较长。目前来看,锂离子电池最大的挑战是成本较高、能量和功率密度低,特别是全矾液流电池,已经在产业化应用的窗口期。

    (五)氢燃料储能

    氢燃料储能技术具有无地域限制、能量密度高、可长时储能的优势。通过电解水产生氢气(绿氢),将氢气作为储能的介质,加入到燃料电池里面放电,整个过程是零碳排放,是非常适用于碳中和目标的储能技术。目前来说,氢燃料储能面临的最大问题是“氢”本身相关的问题,氢的储存和运输都面临严峻的技术挑战。另外是技术成本高昂,比如氢的制造、燃料电池所需的贵金属催化剂等,都需要技术上的进一步突破。

    (五)甲醇燃料储能

    甲醇燃料储能,就是将氢气同大气中的二氧化碳进行还原反应,形成液体的甲醇燃料,其具有使用安全、易于储运、高能量密度、可长时储能等优点,但同样面临高成本、低功率密度和低效等问题,储能过程和释能过程的效率都相对低于氢气储能。未来甲醇燃料主要面临的是能效和经济性方面的挑战。

    探寻变革性的储能技术:电燃料

    从实践上来说,建立新型电力系统不仅需要分秒级、小时级的中短时储能,更需要天、月甚至年的长时储能。目前,基本上能够满足对分秒级调频的储能技术的要求,也基本上能满足对移动的储能技术的要求,但在中长时的储能技术上,还面临一些缺口技术及安全性问题。在以可再生能源为主导的新能源体系中,供需调配需要长时的储能装备来实现,目前这个供需缺口还很大。

    探寻变革性的储能技术非常重要,特别是探寻类似于石油等化石能源的储能载体。石油的形成是一个非常缓慢的过程,但是它实际上是储存太阳能的结果,从科学上来说是太阳能的能量载体。石油之所以需求广泛,是国家能源安全的重要保证,一在于它是液态的,二在于它的能量密度很高。但是石油的短板也很明显,首先石油是不可再生的,形成非常缓慢,从时间尺度上来说是不可再生的,其次石油燃烧会产生二氧化碳排放和其他污染物排放,对环境的破坏在一定程度上也是不可逆的。顺着这个思路,储能技术的突破方向即是寻找“清洁、可持续、更高效的液体能量载体”。

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    电燃料,是一种可循环充放电的新型液体能量载体,目前赵天寿院士团队已经研制出了不同的液体电燃料,包括无机、有机电燃料,以及物体悬浮在电解液中的纳米流体电燃料。这些不同的电燃料有不同的密度、用途、成本和挑战。在电燃料的支持下,可以形成全新的储能系统,从电燃料本身,到充电、放电的装置,放电装置就可以是电燃料电池。未来,电燃料电池可以将风电和光电等不稳定的电,通过充电装置充到电燃料中,再将充好的电燃料稳定地储存起来,并突破地域限制,灵活地运输到各个地区。电燃料电池发的电可以并网,也可以离网供电。如果未来电燃料本身的能量密度足够高,那么电燃料可以作为电燃料汽车的引擎。

    电燃料储能系统的优势表现在:(1)相对于传统燃料储能,大幅度扩大了能量载体的选取范围;(2)消除了氧化反应和还原反应对材料、组件和系统设计的制约;(3)能量效率及功率密度得到同步大幅度提升;(4)充、放电彼此独立,不受时间空间限制。

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    未来,可再生能源+储能将搭建一个坚实的能源框架,促进零碳交通、工业和建筑绿色转型等目标的实现,共赴碳中和时代。

    供稿:杨之颖

    审核:蔡峻

      作者:  编辑:陈俊男
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