“雙碳”目標(biāo)下的剛需技術(shù)咋成了無人買單的“香餑餑”

文章來源:科技日報(bào)俞慧友2022-04-20 09:21

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(yán)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(jià)政策和市場機(jī)制,加大科技示范項(xiàng)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。
 
最近一兩年,長沙理工大學(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(shí)力“咬”下第一口。
 
為什么?大規(guī)模儲能技術(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“成長的煩惱”。
 
新型儲能技術(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(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”,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”。
 
這個不可或缺的“中間商”,便是大規(guī)模儲能技術(shù)。事實(shí)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(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(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(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(jìn)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)?;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)。”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(diǎn),鋰電池技術(shù)逐漸進(jìn)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(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(shí),根據(jù)大規(guī)模儲能的使用環(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(bào)告顯示,爆炸的直接原因?yàn)?ldquo;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?cái)U(kuò)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(diǎn),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?cái)?shù)量可高達(dá)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(bào)記者說。
 
科技日報(bào)記者與中國科學(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)有動力和儲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、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(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(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(diǎn),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(jì),在儲能時(shí)長為4到10小時(shí)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(diǎn)。
 
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(jìn)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(xiàng)目,如大連融科200兆瓦/800兆瓦·時(shí)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(jìn)入單體模塊調(diào)試階段。
 
長沙理工大學(xué)教授賈傳坤的團(tuán)隊(duì),也是我國液流電池技術(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。”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(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,他們在世界上首次設(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(dú)作為投資主體很難。國企和央企要建設(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‘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(bǔ)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(shí)驗(yàn)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(bǔ)貼類政策鼓勵。因?yàn)橹挥型苿蛹夹g(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),最終快速推動全產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化發(fā)展。”賈傳坤說。
 
正因?yàn)?ldquo;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(tuán)隊(duì)則苦于無足夠?qū)m?xiàng)資金啟動“首臺套”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),在國家及省層面增設(shè)大規(guī)模儲能技術(shù)研究揭榜掛帥項(xiàng)目,助力解決“首臺套”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(jī)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(xiàng)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(xiàng)目。該項(xiàng)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(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。面對技術(shù)和投資決策風(fēng)險(xiǎn),更多新技術(shù)在推動科技示范時(shí),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(yán)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(jià)政策和市場機(jī)制,加大科技示范項(xiàng)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(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(shí),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(jì)算機(jī)軟件云平臺,甚至經(jīng)濟(jì)管理等方面的知識。“我們建議多學(xué)科交叉,成立單獨(dú)的儲能研究院進(jìn)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(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。
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