发展储能助力碳中和-膜中心王保国教授接受科协专访

     近日,科协频道、《科研成果与传播》杂志围绕碳中和与可再生能源开发,尤其是电化学储能技术与前景、能源技术发展的总体趋势等,对北京膜学会秘书长、《储能科学与技术》编委会副主任、清华大学王保国教授进行了深入采访。

     可再生能源开发是碳中和发展下的必然趋势,要解决环境、资源、能源等方面相互缠结的问题,需要保持能源的可持续清洁发展。”王保国谈到,像风能和太阳能等可再生能源,本质上具有不连续、不稳定的特点,因此,必须解决可再生能源的转化、储存和调节问题。

     王保国介绍,目前,我国在物理储能、电化学储能、机械储能等方面都有一定的发展,现在大规模使用的仍然是抽水蓄能技术。但是,“抽水储能很难满足电网调频和快速响应需求,未来还是要依靠电化学储能,也就是电池技术来解决快速调频问题,响应时间需达到毫秒甚至微秒级别。”

     电池储能技术路线主要包括全钒液流电池、锂(钠)离子电池、铅酸电池等,各自具有不同的工作原理。王保国带领团队多年深耕全钒液流电池,这种电池是利用电解质水溶液储能,容量由电解液中的钒离子数量决定,其最重要的特征是容量和功率可以分别独立设计,可适用于不同场合的特定需求。

全钒液流电池

     除了适用广泛以外,全钒液流电池的另一个重要特征就是工作机制决定的长寿命。“它是一个简单的无机溶液体系,在电极上只发生电子得失,通常用碳材料制造电极。只要限定电压,避免击穿电极,就可以长期稳定运行。”全钒液流电池的安全性高,“即使你拿火去点,水做的电解液也点不着”,这是它和现有其他有机体系电池较大的区别之一。

     在钒电池中,必不可少的隔膜材料是质子传导膜。质子传导膜用来隔离正极、负极电解液,防止电解液中钒离子渗透导致能量损失。两种电解质溶液平行流过电极表面,并发生电化学反应,从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能,利用可逆的电化学反应,使钒电池具备储存与释放电力的能力。

     “现在90%以上的团队仍在使用全氟磺酸膜,它需要耐受5价钒离子的强氧化性。通常情况,大家希望液流电池寿命至少要达到10~15年。在这么长时间周期内,不光电解液要稳定,所有和电解液接触的材料都要稳定。”王保国深知全氟磺酸膜的高昂成本带来的局限性。 

      2009年,他所带领团队首次研发出纳米孔径的多孔质子传导膜,实现该领域内极具前沿性的技术突破。质子传导膜可以把正极电解液中的五价钒离子,与负极电解液中二价钒离子隔开;同时,使电解液中的质子(氢离子)通过,这样避免充电与放电过程中,不同价态钒离子交叉放电,减少能量损失。“从成本上来讲,它有绝对的优势。现在我们使用的膜不到300元/2与全氟磺酸膜相比,成本显著降低。”多孔质子传导膜不光在实验室里完成了工艺开发,而且在工厂里实现产业化批量制造。


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电动车充电


     王保国继续谈到,目前市场上发展较快的仍然是锂离子电池,基于产业发展和政策推动,锂离子电池驱动的城市电动车,吸引了大量人力、物力的投入,我国现在锂离子电池产能跃居国际第一名的位置。相较于锂离子电池,全钒液流电池更适合于中型,或中大规模储能使用,它的研究开发无论是国家还是社会层面的人、财、物还远远不足。

      液流电池会一直持续发展,但短时间内市场不会爆发式变化。“从技术体系来讲,液流电池更像一个简单的化工系统。和锂电池不一样,锂电池更像一个电子系统,这是技术特征上的不一样。”他表示,总体来讲,储能确实很重要,但储能技术发展明显落后于新能源开发的社会需求。

     电池的本征安全是保证储能系统安全的核心。“为什么我特别主张大力发展以水为电解质溶液的水基电池呢?水是一种绿色溶剂,再者,它本身不可能被点着,水基的电池应该是我们主张进一步去发展的。除了本征安全以外,王保国进一步提出,还要通过技术措施,包括实时监测、提前预警、快速处置、智能化与大数据等方法,把安全事故限制在尽可能小的范围内。

     “在此基础上,只讲储能远远不够。”王保国认为,实现可再生清洁能源为主的能源结构调整,需要向大自然学习。正如雨水落到江河湖海,经过阳光照射又蒸发到大气中,形成大千气象。这是自然界在太阳能的驱动下,完成物质与能源相互转化的过程。自然界的生态系统是绿色友好的,人类建造的能源系统,也应该加以效仿。

     “只讲储能在技术经济性上会有很大困难。王保国谈到,多年以来,国家大力发展风电、光伏等可再生清洁能源,主要在资源丰富的西部地区。由于我国的工业主要集中于东部沿海区域,需要通过超高压直流输电,把西部可再生能源电力送达东部工业发达地区。这种模式虽然对清洁能源发展做了很大贡献,但是,局限性也很明显。只通过一种途径进行能源输送,相当于千军万马过独木桥,再加上电力存储问题没有解决,客观上有一定困难。“实际上可以换一种思路,利用电解水技术,把风电、光伏等不稳定电力变成氢气,加入天然气管网。利用‘加氢天然气’的办法,既能够实现能量储存,也可以进行远距离输送,还能为发展能源互联网奠定基础。”

     能源技术发展总体上有四个方面值得重视,首先要遵循安全和物质可持续利用的规则。能源供给的安全,特别是能源系统运行本身的安全很重要。电池储能毕竟要用到电化学活性物质,需要考虑这些物质在地球上是否能够源源不断得到,并能够可持续循环利用。其次还要考虑绿色环保和经济性。“发展可再生能源就是为了环境和能源协调发展。必须考虑发展什么样的储能技术?不光在使用过程中要讲绿色环保,而且,在研究、开发、生产、制造、报废全生命周期,都要讲绿色环保性。


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光伏发电+储能系统

      储能技术一定要形成新的社会价值,给社会增加更多财富,这样的技术才能成为良性循环。“短期内靠国家产业政策引导,有可能快速发展,但是,终归还要靠技术和产品本身,在市场上形成新的社会价值,实现真正可持续的产业成长。”从这四个方面出发,王保国相信,未来中国储能产业,以及氢能产业会发展得更快更好。

     最后,对于正全力筹备的北京碳中和学会,王保国也谈到,“这是一件好事。目前,行业之间的界限太明显了,碳中和提出来之后,确实使学科交叉、行业融合出现了客观需求。通过这样一个平台把技术、人、财、物等多方面力量联合起来,能使碳中和、碳达峰真正落实到装备制造产业,对现有的工业流程再造,起到积极的推动作用。”