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10條建議!楊裕生院士:電池能夠承擔(dān)規(guī)模儲(chǔ)能重任
日期:2022-12-19   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:yutianyang_tsj 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和是我國今后40年的奮斗任務(wù),人人有責(zé)、代代相傳。實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)必然要用大規(guī)??稍偕茉窗l(fā)電,建立以新型電力系統(tǒng)為主體的新型能源系統(tǒng)??稍偕茉词芗竟?jié)、時(shí)間、天氣等影響,發(fā)電的波動(dòng)性必然造成不穩(wěn)定性;在可再生能源發(fā)電量不能完全消納的時(shí)段,還會(huì)發(fā)生棄風(fēng)、棄光,浪費(fèi)能源。所以,在新型電力系統(tǒng)中,從發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)到用戶側(cè),都必須將規(guī)模儲(chǔ)能作為重要組成部分。本文針對我國發(fā)展規(guī)模儲(chǔ)能電池提出以下十條建議。

電池能夠承擔(dān)規(guī)模儲(chǔ)能重任

1、充分認(rèn)識(shí)規(guī)模儲(chǔ)能電池優(yōu)勢

電池的能量轉(zhuǎn)換效率高(最高可達(dá)95%)、響應(yīng)速度快、選址容易、建設(shè)周期短,各種規(guī)模均適宜,可與物理法儲(chǔ)能(轉(zhuǎn)換效率最高為75%)互相補(bǔ)充,且具有物理法儲(chǔ)能無法替代的優(yōu)勢。在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下,規(guī)模儲(chǔ)能電池的重要性和優(yōu)越性將愈發(fā)突出。

除建立新型電力系統(tǒng)需要規(guī)模儲(chǔ)能電池外,大數(shù)據(jù)中心也要求穩(wěn)定、可靠的備用電源。隨著大型和超大型數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展,其耗電量和備用電源的規(guī)模也不斷擴(kuò)大。為了節(jié)省電費(fèi),數(shù)據(jù)中心呈現(xiàn)出兩大發(fā)展趨勢:一是超大型數(shù)據(jù)中心向水力發(fā)電站靠近,二是不間斷電源轉(zhuǎn)向自建大型光伏發(fā)電站配吉瓦時(shí)級儲(chǔ)能電站,這都意味著必須使用大規(guī)模儲(chǔ)能電池,除此之外,別無他法。

誕生160多年來,電池還從未遇到過像今天這樣如此規(guī)模大、壽命長、成本低的全方位高要求。但是,現(xiàn)有電池經(jīng)過改造適配,在使用中已有較好的表現(xiàn)。近幾年技術(shù)進(jìn)步促使成本大幅下降,再加上政策逐漸完善,儲(chǔ)能已能盈利。當(dāng)然,由于并非“量身定做”,難免各有不足之處,應(yīng)在發(fā)揮優(yōu)勢的同時(shí)抓緊改善、提高。同時(shí),發(fā)展專用的新型規(guī)模儲(chǔ)能電池前途不可限量。

2、規(guī)模儲(chǔ)能電池的性能要求要恰當(dāng)排序

發(fā)展規(guī)模儲(chǔ)能電池應(yīng)該堅(jiān)持“安全第一,效益根本”原則。

“安全第一”的原則本應(yīng)容易理解、接受,因?yàn)閮?chǔ)能電站如果一遭失火則“一切皆空”。但實(shí)際情況卻是,由于主觀因素的干擾,現(xiàn)在還只是承認(rèn)“安全很重要”,而不愿提“安全第一”。思想認(rèn)識(shí)上的差距自然會(huì)反映到實(shí)際行動(dòng)和后果上,迎“危”而上者大有人在,導(dǎo)致儲(chǔ)能電池燃、爆事件頻發(fā)。

規(guī)模儲(chǔ)能是商業(yè)行為,這意味著效益就是生存力,是企業(yè)的根本。電池儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)效益可由YCC指數(shù)算得,儲(chǔ)能電站削峰填谷的毛利率= YCC-1。

為使YCC指數(shù)大于1,初始投資應(yīng)該盡量低,必須使用資源儲(chǔ)量大、價(jià)格低廉、易于生產(chǎn)的物質(zhì)。同時(shí),能量轉(zhuǎn)換效率要高,循環(huán)壽命要長,充放電深度要深,這些都是涉及效益的主要參數(shù)。其中,循環(huán)壽命與充放電深度互相矛盾,運(yùn)行時(shí)工作條件要選兩者乘積的最大值?,F(xiàn)在做電池基礎(chǔ)研究的人看重出文章,較少顧及成本對儲(chǔ)能電池應(yīng)用前途的限制,應(yīng)該引起注意。

至于比能量、比功率、環(huán)境友好、使用方便、地理適應(yīng)性等,因?yàn)閮?chǔ)能在固定場所使用的特點(diǎn)而退居次要位置,不可人為地使其“喧賓奪主”。個(gè)別場合需要電池的比功率較高,可通過對此特定電池的設(shè)計(jì)和制作工藝來解決,而不可違背“安全第一,效益根本”的原則。

3、儲(chǔ)能電池研發(fā)應(yīng)近遠(yuǎn)并重

歷史經(jīng)驗(yàn)表明,一種新電池從原理提出到大量應(yīng)用需要經(jīng)歷20年左右的時(shí)間。如今科技進(jìn)步加速,這一時(shí)間可能縮短,但仍然需要10-15年。因此,規(guī)模儲(chǔ)能電池發(fā)展要近遠(yuǎn)兩條戰(zhàn)線并重,不可偏廢。

當(dāng)前,為應(yīng)對碳達(dá)峰急需,只能從已有的電池中篩選出基本可用的品種加以改造。這些可用的電池是鉛炭電池、液流電池和鋰離子電池,它們各有優(yōu)點(diǎn)和不足,需要邊使用邊完善,找到各自盡量合適的使用場景。

從碳中和長遠(yuǎn)考慮,要立足規(guī)模儲(chǔ)能的特點(diǎn)發(fā)展安全、高效、長壽、廉價(jià)的新型儲(chǔ)能電池。這是一項(xiàng)難度極大的科學(xué)工程,必須整體謀劃,立即開始。即使從現(xiàn)在開始研發(fā),也只能在2040年前后才能真正用上新型的、性能更全面的規(guī)模儲(chǔ)能電池。

改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)促進(jìn)碳達(dá)峰

4、進(jìn)一步延長高安全鉛炭電池壽命

鉛炭電池是在鉛蓄電池的負(fù)極中添加特制的導(dǎo)電性多孔炭,解決了負(fù)極活性物質(zhì)顆粒變大的問題,電池的壽命因此大為延長,同時(shí)保持了鉛蓄電池安全性高、價(jià)格最低廉等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)是當(dāng)前規(guī)模儲(chǔ)能的首選電池。近兩年我國新建大批數(shù)據(jù)中心的備用電源基本都采用這種電池。

工信部督導(dǎo)鉛炭電池行業(yè)消除生產(chǎn)中的污染,推動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備和工藝的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型,對我國鉛炭電池技術(shù)進(jìn)入世界前列起到了很大的推動(dòng)作用。目前,我國已建成中小型鉛炭電池儲(chǔ)能電站幾十座,最大容量達(dá)300兆瓦時(shí),同時(shí),還出口德國75兆瓦時(shí)調(diào)頻電站,多年來均運(yùn)行正常。2021年,美國得州一數(shù)據(jù)中心洽購我國鉛炭電池用于建設(shè) 4吉瓦時(shí)儲(chǔ)能電站,為該數(shù)據(jù)中心24小時(shí)供電,其規(guī)模已等同100萬千瓦抽水蓄能電站。實(shí)踐證明,鉛炭電池適合短時(shí)調(diào)頻、中時(shí)削峰填谷、長時(shí)穩(wěn)定供電,而且大、中、小規(guī)模皆宜,唯一不足的是比能量較低造成占地面積較大。

鉛炭電池壽命在60%DOD時(shí)已達(dá)5000次,如初投資1200元/千瓦,電站的能量轉(zhuǎn)換效率為0.83(=電池效率x PCS效率-空調(diào)功耗-線損=0.90x0.955-0.02-0.01),進(jìn)、出電價(jià)分別為0.3元/千瓦時(shí)和1.0元/千瓦時(shí),電站輸出1 千瓦時(shí)電量的運(yùn)營成本為0.04元,算得YCC為1.45,即儲(chǔ)能電站削峰填谷毛利率為45%。這還未計(jì)其廢電池再生中仍有30%的殘值收入,可見,其經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

同時(shí),當(dāng)前我國的廢鉛酸電池已實(shí)現(xiàn)100%回收處置,鉛是再生利用率最高的金屬之一。

鉛炭電池技術(shù)需進(jìn)一步提高,也需改變“墻里開花墻外香”的窘境。國家重大研究計(jì)劃應(yīng)扶一把鉛炭電池,將其循環(huán)壽命翻一番,并發(fā)展減少鉛用量的技術(shù),進(jìn)一步降低成本,讓鉛炭電池為我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)充分發(fā)揮作用。

5.加緊扶持鉻鐵液流電池發(fā)展

液流電池最大的優(yōu)點(diǎn)是可長時(shí)間儲(chǔ)能,鉻鐵液流電池更是價(jià)廉。而全釩液流電池經(jīng)過國家20年的持續(xù)支持,現(xiàn)已比較成熟,可以用于生產(chǎn)。今后其技術(shù)還要提高,但應(yīng)是企業(yè)行為。

釩,本屬稀有金屬,主要用于煉鋼。如今,全釩液流電站發(fā)展火熱,每千瓦時(shí)的電解液需用8公斤高純V2O5,總價(jià)為1500元,已高出其它電池電芯的2-3倍;再算電堆,價(jià)格又加一倍。按近兩年的建站需求估算,V2O5的需求量將以每年20%-30%的速度增加,高價(jià)位的態(tài)勢難以改變。因此,全釩液流電池高成本這一弱點(diǎn)將持續(xù)存在。

鉻鐵液流電池受冷落多年,發(fā)展遲緩。應(yīng)該加緊扶持,加速其發(fā)展,讓其有機(jī)會(huì)參與競賽,接受市場考驗(yàn)。

6、鋰離子電池儲(chǔ)能規(guī)模應(yīng)穩(wěn)步擴(kuò)大

鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)很多,最大的優(yōu)點(diǎn)是比能量高,但安全性仍是大問題。韓、美、澳儲(chǔ)能電站多次失火、爆炸,其中韓國的次數(shù)最多。10月15日,韓國一重要數(shù)據(jù)中心電池起火斷電,導(dǎo)致兩大互聯(lián)網(wǎng)中斷服務(wù),3.2 萬個(gè)服務(wù)器癱瘓,金融、交通、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域都受到了嚴(yán)重影響。

安全性的高低可用事故概率來表達(dá)。在其它影響因素不變的條件下,儲(chǔ)能電站的事故概率與其規(guī)模成正比。所以,為了保證很低的事故概率,儲(chǔ)能電站的建設(shè)規(guī)模應(yīng)該隨著電源系統(tǒng)安全水平的提高而逐漸擴(kuò)大,不可操之過急。

我國可再生能源發(fā)電發(fā)展迅速,疊加政策扶持,帶動(dòng)了大批鋰離子儲(chǔ)能電站建設(shè),單站規(guī)模也見長。目前表觀事故概率遠(yuǎn)低于韓國,除了韓國電池多用三元正極之外,主要是因?yàn)槲覈娬就ㄟ^接入驗(yàn)收后的實(shí)際使用率極低(不超過10%)。這造成了一種“安全性不差”的假象,同時(shí)又反過來助長了大膽建站和盲目擴(kuò)大規(guī)模。如果有朝一日這些鋰離子儲(chǔ)能電站真的全部運(yùn)轉(zhuǎn)起來,后果難以預(yù)料。

鋰離子電池儲(chǔ)能正在努力提高安全性,但這需要時(shí)間。已建電站要扎扎實(shí)實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)起來,經(jīng)過長時(shí)間試用考驗(yàn),發(fā)現(xiàn)問題、提高可靠性,也可為逐步放大規(guī)模積累經(jīng)驗(yàn)。

目前,電池儲(chǔ)能電站的事故概率計(jì)算還是空白,可以學(xué)習(xí)核電站的成熟方法,建立電池儲(chǔ)能電站的安全性計(jì)算體系。此外,為了讓鋰離子電池儲(chǔ)能電站大膽地正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來,也為了讓保險(xiǎn)公司收取合理的保險(xiǎn)費(fèi),可對電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能電站實(shí)行單獨(dú)的“安全保險(xiǎn)”。

創(chuàng)新發(fā)展儲(chǔ)能電池實(shí)現(xiàn)碳中和

7、創(chuàng)新研發(fā)規(guī)模儲(chǔ)能專用電池

為適應(yīng)可再生能源規(guī)模越來越大的需求,必須將發(fā)展新的高安全、高效益儲(chǔ)能電池列為國家重大工程,搶占新的儲(chǔ)能電池技術(shù)制高點(diǎn),建設(shè)電池儲(chǔ)能強(qiáng)國。

首先,必須大力推進(jìn)儲(chǔ)能電池新原理、新體系、新材料的創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)。

其次,在電池的水系、有機(jī)兩電解液體系中,應(yīng)以安全性高的水系電解液體系為主。

再次,無機(jī)材料用作正極可有較高的電位,應(yīng)當(dāng)繼續(xù)開發(fā)、優(yōu)選。要注意解決其在水中的水化、溶解引起的壽命偏短問題。

同時(shí),應(yīng)十分重視有機(jī)電極材料的創(chuàng)新,發(fā)揮其在水中難溶、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、碳?xì)溲醯虻仍亓看髢r(jià)廉、廢電池易于處置的優(yōu)勢,設(shè)計(jì)新型有機(jī)氧化還原化合物,發(fā)展廉價(jià)的有機(jī)合成新工藝。

8.促進(jìn)多種電池在競爭中發(fā)展

儲(chǔ)能市場極大,前景非常廣闊,能夠容納各類技術(shù)路線的電池各顯神通。因而,要從政策、輿論等各方面為它們創(chuàng)造順利發(fā)展的條件和公平競爭的氛圍,不必偏好一方。

化學(xué)物質(zhì)豐富多彩,電化學(xué)反應(yīng)變化多端,可發(fā)展的電池體系不可限量,繁榮之中才能出異彩,積極引導(dǎo)發(fā)展之下一定會(huì)出現(xiàn)多種通用型和特色性的電池新體系。

不要輕易給老電池貼上“落后”的標(biāo)簽。相反,要重視老電池的技術(shù)革新,讓其“煥發(fā)新春”。

新興的鈉離子電池在低溫、成本等方面具有一定優(yōu)勢,可繼續(xù)優(yōu)化提高其安全性和循環(huán)壽命,從小、中規(guī)模儲(chǔ)能開始,試行替代鋰離子電池。

大型儲(chǔ)能企業(yè)還可以探索兩種電池并用,充分利用兩者優(yōu)勢進(jìn)行互補(bǔ),并從中掌握真實(shí)對比資料,以促進(jìn)后續(xù)發(fā)展。

9、完善研發(fā)全過程支持機(jī)制

相關(guān)部門要組織好儲(chǔ)能電池基礎(chǔ)研究、實(shí)用化研究、工程化開發(fā)、規(guī)模示范四個(gè)階段的銜接發(fā)展和一條龍服務(wù)。

科研成果轉(zhuǎn)換率低是我國長期想解決而沒有解決好的難題。究其原因,是在國家和省、市自然科學(xué)基金支持基礎(chǔ)研究和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持規(guī)模示范之間,沒有實(shí)用化研究和工程化研究的支持機(jī)制,也少有相應(yīng)的機(jī)構(gòu)。特別是在將文獻(xiàn)上不斷報(bào)道的大量新體系、新材料進(jìn)行有選擇地驗(yàn)證甄別,使之轉(zhuǎn)化為可實(shí)用電池的實(shí)用化研究方面,院校因?yàn)楦杏X難出文章而不愿安排研究生完成,企業(yè)因?yàn)楦杏X不定因素多、與產(chǎn)業(yè)化相距太遠(yuǎn)而不愿涉足,使其成為比工程化開發(fā)更少人問津的最薄弱環(huán)節(jié)。

解決這一問題,需要政府出面,企業(yè)牽頭,風(fēng)險(xiǎn)基金介入,建立行之有效的產(chǎn)—學(xué)—研—金結(jié)合機(jī)制,吸引不愁經(jīng)費(fèi)的轉(zhuǎn)化成果專門機(jī)構(gòu)來補(bǔ)齊和加強(qiáng)這一薄弱環(huán)節(jié)。大型電力企業(yè)的研究院所要當(dāng)仁不讓,盡早介入新型儲(chǔ)能電池研發(fā),積極接手儲(chǔ)能電池的創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化,主導(dǎo)提高技術(shù)成熟度。國有投資機(jī)構(gòu)要帶頭改變觀念,實(shí)施“有風(fēng)險(xiǎn)的”風(fēng)險(xiǎn)投資,大力支持技術(shù)創(chuàng)新升級。

此外,目前電池行業(yè)人才十分緊缺。電池界的高薪挖人是損人利己行為,對于行業(yè)整體發(fā)展有害。教育部門要充分估算并及早擴(kuò)大電池—電站相關(guān)專業(yè)各級人才的培養(yǎng)規(guī)模。

實(shí)現(xiàn)人類與化學(xué)電源融洽共存

10、各種電池的污染都應(yīng)消除

電池已經(jīng)進(jìn)入人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域和環(huán)節(jié),將與人類永遠(yuǎn)共存,二者必須融洽相處。

電池是通過化學(xué)物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)儲(chǔ)能,所有電池必用化學(xué)物質(zhì)。各種化學(xué)物質(zhì)毒性大小不等,如果管控不好,從原料生產(chǎn)到廢電池處置全過程,都有可能造成不同程度的環(huán)境污染。所以,認(rèn)為鋰離子電池是“綠色的”說法并不正確,因?yàn)槠渲谐撕卸拘暂^大的鈷之外,還有對人體有害的氟化物、有機(jī)物。但是,管控好了不污染環(huán)境就可以大量使用。同樣,現(xiàn)在如果再說鉛酸電池是“污染的”,也是不對的,因?yàn)榍皫啄旯ば挪恳褷款^推行規(guī)范生產(chǎn),重點(diǎn)治理鉛對環(huán)境的污染。如果罔顧技術(shù)和管理的進(jìn)步,仍然頑固地堅(jiān)持成見,認(rèn)為“鉛蓄電池污染環(huán)境”,那就違背了實(shí)事求是的思想路線。

各種電池可能造成的污染都必須消除,也能消除。規(guī)模儲(chǔ)能電池的化學(xué)品是集中使用、集中控制,比其它零星分散的小電源的污染治理應(yīng)該做得更好,也能夠做得更好。關(guān)鍵在于政府擔(dān)責(zé),持續(xù)管控,不能有絲毫懈怠。同時(shí),企業(yè)要遵守規(guī)則,認(rèn)真執(zhí)行相關(guān)政策,不可取巧謀利。

具體來說,一要在前幾年釩安全生產(chǎn)初步整頓的基礎(chǔ)上,做好全釩液流電池所需新增釩原料的生產(chǎn),同時(shí)注意保護(hù)環(huán)境。二要對廢鋰離子電池加緊處置、綠色處置,特別要杜絕處置中產(chǎn)生的固體廢物氟化鈣填埋污染地下水。三要試行“電池生產(chǎn)者負(fù)責(zé)(或委托負(fù)責(zé))回收并處置廢電池”,以便“處置廢物責(zé)任明,甜苦全包很公平,材料再生保來源”。

總之,規(guī)模儲(chǔ)能電池是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要大事,應(yīng)該近處著手,長遠(yuǎn)著眼,全盤謀劃,切實(shí)執(zhí)行。

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