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    新型儲能技術尚未成熟,實驗室到產業化面臨哪些難關
    2022/5/26

    最近一兩年,長沙理工大學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、投資機構的人,大家都為了他手里的技術“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業應用方“待見”。但現在,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?大規模儲能技術雖是“碳達峰碳中和”目標下的“剛需”,但仍無法規避技術從實驗室到產業化道路上的“成長的煩惱”。

    新型儲能技術成最受“婆婆”待見的“媳婦”

    “碳達峰碳中和”目標要求下,以新能源為主體的新型電力系統,將是未來我國能源安全和能源保障的重要形態。到2030年,我國風電、太陽能發電總裝機容量將達12億千瓦以上。

    但此前的實踐證明,風能、光能等清潔能源產生的電能,既“隨機”又“波動”,直接并入電網易威脅現有電網安全。因此,它們產生的電成了“食之無味棄之可惜”的“垃圾電”,進而出現了“棄風棄光”的現象。要讓它們順利并網,須借助“中間商”。

    這個不可或缺的“中間商”,便是大規模儲能技術。事實上,大規模儲能技術不僅能助力風能、光能產生的“垃圾電”并網,也能解決電網調峰調頻的需求。這樣的大規模儲能,無疑是個好“媳婦”,頗受電力系統用戶側、電網側、新能源電源側、火電電源側等各類“婆婆”的待見。

    電網側“婆婆”儲能體量最大,其儲能主要執行電網調峰,緩解季節性“電荒”和不同時段用電負荷不平衡的任務。發展最迅速的是新能源電源側儲能。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中,燃煤發電依然不能完全“退位”,它要承擔平抑大比例新能源發電并網帶來的波動的“使命”,因此火電發電側儲能也是前景廣闊的“業主”。

    面對這些“婆婆”們,最傳統且安全可靠的儲能技術有“抽水蓄能”。但抽水儲能建設地域空間限制大,并不具廣適性。新型儲能技術目前以鋰電技術為主。不過,出于降本、提高安全性等因素的考慮,鈉離子電池、固態鋰離子電池、液流電池等新型儲能技術,逐漸成為業內研究熱點。賈傳坤等專家,正是液流電池技術的“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,也都在積極探索中。

    盡管新型儲能技術的研究很熱,但能快速進入產業化應用的技術并不算多。進入產業化和有望快速進入產業化的技術,也都“各有各的難處”。

    鋰電儲能技術“安全”之困亟待“固態”解圍

    對于風能、光能產生的不穩定電能,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。這一應用場景,極大促進了鋰電儲能技術的快速發展,鋰離子電池在全球范圍內的商業化、規?;瘧醚杆贁U大。

    不過這種消納“垃圾電”的方式,無法解決新能源并網和電網調頻調峰儲能的問題。同時,與資源廣闊的風能、光能產生的電能相較,新能源汽車的消納體量也較小。

    “傳統電網儲能技術中最常見的抽水蓄能,受地理和空間限制的局限大,抽水蓄能系統建成耗時多、花費大。鋰離子電池用于大規模儲能,則具有成本低、建設時間短、地理依賴性低、時效性高、兼容性好等顯著優點?!敝心洗髮W材料科學與工程學院特聘副教授陳根說。正因具有這些優點,鋰電池技術逐漸進入大規模儲能領域。

    這一應用場景,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?!皬哪壳笆袌鲒厔菘?,報廢電池量在逐年增加,將廢舊鋰離子電池用于大規模儲能,成本上占絕對優勢。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,根據大規模儲能的使用環境和特點,退役鋰離子電池的剩余容量足以維持大規模儲能需求?!标惛f。

    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生起火爆炸。正式發布的事故調查報告顯示,爆炸的直接原因為“單體磷酸鐵鋰電池發生內短路故障,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、響應速度快、產業鏈完整等優點,是近幾年發展最快的電化學儲能技術,也形成了完整的產業鏈,但安全問題不容忽視。一個大規模儲能電站,電池數量可高達幾十甚至數百萬只,其中任何一個電池出現問題,都可能引起整個電池組爆炸?!蹦戏娇萍即髮W材料科學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”,因此現下著力發展不容易熱失控的固態鋰離子電池技術?!肮虘B電池有望顯著提升現有動力和儲能電池的安全性以及部分電化學性能??傮w來說,固態電池在世界范圍內處于研發和中試階段,中國、日本、韓國、美國、德國、英國、法國等在固態電池開發領域都很活躍?!崩钽f。

    他也表示,從目前的研究來看,不同類型的全固態鋰電池都還沒有達到大規模量產的階段,全固態電池量產面臨著諸多挑戰。例如,無機固態電解質及原料尚未量產形成供應鏈,應用技術不成熟;電極和電芯沒有成熟的規模量產設備;電池BMS與系統集成方案不成熟,電池應用方案不成熟,電池標準體系尚未建立,電池性價比不清晰等。

    “我國液態鋰離子電池產業鏈和技術鏈較為成熟,目前初創企業和龍頭電池企業更傾向于選擇混合固態電解質與液態電解質的電池路線,有望在今明兩年規模量產?!崩钽f。

    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解決方案。

    液流電池新技術須破解“首臺套”難題

    除鋰離子電池外,還有一類儲能技術雖未正式產業化“上線”,卻也到了產業化“臨門一腳”的階段,那便是液流電池技術。

    液流電池因安全性高、壽命長、規模大等優點,在大規模儲能領域有著良好的應用前景。據美國能源部預計,在儲能時長為4到10小時的電網規模儲能方面,液流電池儲能技術具有極好的比較優勢。探索開發低成本、高能量密度的長壽命液流電池新體系,成為業界熱點。

    我國在這一領域的研究,也走在世界前沿。以大連融科儲能技術發展有限公司、北京普能公司為代表的單位,在釩液流電池關鍵材料、電堆技術及系統集成等方面取得了重要進展,推動了釩液流電池技術的快速發展。截至目前,國內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峰電站一期工程完成主體工程建設,已進入單體模塊調試階段。

    長沙理工大學教授賈傳坤的團隊,也是我國液流電池技術領域研究最為全面的團隊之一,其在釩液流電池領域研究達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,不利于商業化?!辟Z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計了石墨烯電極小試線,成功制備了石墨烯復合電極材料,功率提到了1.5倍以上。電極中試線也正在設計中。

    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實現隔膜材料、電解液材料、電極材料及電堆技術的全自主設計,目前正處于產品小試和中試階段。正因這些突出的成果,諸多來自政府、企業和投資機構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。

    “大規模儲能電站建設資金量大,民營企業單獨作為投資主體很難。國企和央企要建設這樣的大型項目,立項也并不容易。畢竟我們的技術還缺一個‘首臺套’,大家都不想率先嘗試建立這個‘首臺套’?!辟Z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,是新型儲能技術從實驗室到產業化的關鍵?!按笠幠δ茈娬静捎眯滦图夹g的前期階段,希望國家能包容虧損,給予補貼類政策鼓勵。因為只有推動技術產業化應用,才能不斷驗證技術可行性,進一步迭代更新技術,最終快速推動全產業的商業化發展?!辟Z傳坤說。

    正因為“首臺套”資金投入并非“毛毛菜”,民企考慮風控投不起,國企擔心失敗不愿投,高??蒲袌F隊則苦于無足夠專項資金啟動“首臺套”搭建。賈傳坤認為,可在實施嚴格追責制度的前提下,以技術指標為考核標準,在國家及省層面增設大規模儲能技術研究揭榜掛帥項目,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。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)鋰電池儲能調頻技術、基于跨臨界二氧化碳循環的大規模電熱儲能技術、大容量高參數熔鹽儲能技術、退役機組改造“卡諾電池”等新型儲能技術攻關并取得階段性研究成果。但相關技術在推動首臺套示范應用過程中,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首臺超級電容器耦合替代鋰電池儲能調頻示范項目。該項目示范效應顯著,為儲能新技術應用帶來希望。但同時,重大科技示范工程項目技術風險大、投資費用高。面對技術和投資決策風險,更多新技術在推動科技示范時,落地企業仍顧慮重重。

    “大部分新型儲能技術尚處于起步和發展階段,技術成熟度低,嚴重影響技術的推廣應用。迫切需要全社會推動培育孵化,完善儲能相關的電價政策和市場機制,加大科技示范項目成本疏導,提高社會主動投資意愿,通過政策引導鼓勵利益相關方積極推動新型儲能技術科技示范?!蔽靼矡峁ぱ芯吭河邢薰究骗h部副主任于在松說。

    他強調,加快示范有一定技術積累但工藝路線尚不定型、經濟性和市場可接受性有待檢驗,尚不具備大規模產業化的技術,對構建以新能源為主體的新型電力系統意義重大。

    高校專業人才培養應單獨設院“自立門戶”

    2020年前后,西安交通大學率先建立了儲能科學與工程專業。隨后的第二年,我國有20多所高校開展了相關專業的人才培養。一定程度上看,儲能人才培養獲得了高度的重視。但同時,隨之又出現了一個新問題。

    據調研,學校開設大型儲能人才培養專業,多數都是根據自己的優勢領域展開。換言之,這一專業依舊是“掛靠”在學校原有優勢專業下的傳統人才培養。

    儲能專業人才究竟需要具備哪些技能?賈傳坤告訴記者,這是個多學科交叉的專業。學生需要掌握化學材料、電氣、風能太陽能、通信工程、計算機軟件云平臺,甚至經濟管理等方面的知識?!拔覀兘ㄗh多學科交叉,成立單獨的儲能研究院進行教學和培育?!辟Z傳坤說。

    此外,他呼吁,儲能人才培養不能“紙上談兵”。學生必須結合實踐學習,要有足夠的實踐經驗,要到工廠或者示范工程中學習。而這樣的學習,絕不能停留在通常大三大四才有的實習期,而應貫穿學習的全周期。



    來源:科技日報 深瞳工作室出品記者 俞慧友 策 劃:趙英淑 滕繼濮 林莉君

    來源:賢集網

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