储能是构建新型电力系统的必要环节

　　目前，新能源大规模利用仍面临间歇性、波动性、不稳定的挑战。储能可以平抑波动，支撑光电风电大规模并网，被视为新型电力系统的必要环节。实现双碳目标，传统能源逐步退出必须建立在新能源安全可靠的替代基础之上，但是目前，新能源大规模利用仍面临间歇性、波动性、不稳定的挑战。作为破题之道，储能可以平抑波动，支撑光电风电大规模并网，被视为新型电力系统的必要环节。在中国科学院院士、南方科技大学碳中和能源研究院院长、中国碳中和50人论坛成员赵天寿看来，储能技术必须满足规模化、高安全、低成本、长寿命、无地域限制等要求，这也是未来储能产业发展的重要方向所在。
　　实现碳中和需要规模化、
　　高安全储能技术
　　问：在碳中和进程中，能源结构将发生颠覆性、革命性调整，储能在其中占据什么地位？赵天寿：我国碳排放主要来源于化石能源的大规模使用。碳减排的关键，在于不断提高太阳能、风能等可再生能源在能源结构中的占比，化石能源比重相应降低。而目前，风、光实际比重约为4，化石能源占比高达84。为实现碳中和目标，前者占比需达到60，后者要降低到10左右。
　　近十年来，我国的光电、风电成本快速下降，为装机规模快速提升奠定了基础。但光电、风电存在间歇、不稳定特点，无法直接满足电网及用户的需求，成为制约其进一步扩大规模的主要障碍。储能就是利用专门装置与系统将能量储存，在需要时将能量释放，实现能量在时间和（或）空间上的转移，这是推动可再生能源大规模接入电网的必须环节。基于此，储能被认为是构建以新能源为主体的新型电力系统的必须环节。
　　问：这对储能产业提出了哪些要求？赵天寿：据预测估算，为实现碳中和目标，光电、风电装机量将达到50亿千瓦，年发电量10万亿度，按1050配备储能，储能容量就将在1万亿5万亿度。面对如此大容量的需求，储能技术必须满足规模化、高安全、低成本、长寿命、无地域限制等要求。
　　在以新能源为主体的新型电力系统中，光电、风电在不同时间尺度下均存在不稳定性。在毫秒至分钟的时间范围内，光电风电受天气因素影响会出现功率的剧烈波动，易对电网短时间功率平衡与频率稳定造成冲击；在数十分钟至数小时范围内，光电风电的发电量不可控，无法跟踪电网的发电计划，无法响应电网调度；在数小时至数天甚至跨季节范围内，光电风电的发电量受气候变化影响，能量输出存在长周期波动性，与社会能量需求不匹配，难以确保全年能量稳定、可靠供应。例如，北方地区光伏发电的电量，冬夏两季可能相差一倍，若夏季恰好满足能量需求，冬季就会有较大能量缺口。
　　因此，储能系统还需满足不同时长能量储存的要求：针对毫秒至分钟范围的能量储存需求，需重点满足平滑风光出力、电网调频的要求；针对数十分钟至数小时范围的能量储存需求，需重点满足提高光电、风电消纳量、电网调峰的要求；针对数小时至数天甚至跨季节能量储存需求，则要重点满足长周期、大规模能量时移的要求，确保能源安全。
　　储能面临技术不成熟、
　　使用成本高等挑战
　　问：对照上述要求，储能产业发展面临着哪些挑战？赵天寿：按照储能时长的不同，介绍主要储能技术存在的挑战
　　毫秒至分钟级的储能技术，主要包括超导磁储能、超级电容器储能与飞轮储能，三者分别面临超导技术难度大、成本高的挑战，成本高、自放电严重的挑战，以及能量密度低、成本高的挑战。
　　数十分钟至数小时的储能技术，主要包括锂离子电池储能、抽水蓄能、压缩空气储能、液流电池储能。挑战分别包括：安全风险高、锂资源限制，地域及生态限制，储气成本高、储能效率低，功率密度低、成本高等。
　　对于更长时间的储能技术，目前受关注最多的是燃料储能。比如，氢燃料储能主要面临储运难、成本高等挑战，甲醇燃料储能的效率低、碳排放和成本高，氨燃料储能则面临效率低、毒性较大等。
　　此外，抽水蓄能、压缩空气储能、液流电池储能均已实现储能容量与功率的解耦。理论上说，通过增大蓄水空间、储气空间、电解液储量，储能时长可不断延长，但蓄水空间、储气空间与电解液储量的增加，将进一步带来技术挑战。
　　问：以您从事的电池储能技术研究为例，该领域取得了哪些突破？
　　赵天寿：我从事电池储能技术研究20余年，研究领域主要包括燃料电池、液流电池、金属空气电池、与锂离子电池等。我们通过探究反应机理构建电化学储能理论，指引电池关键材料与部件的研发，研制了高性能电极、隔膜与流道，大幅提升了液流电池、醇类燃料电池及全固态锂空气电池的效率及稳定性，取得了一些技术突破。比如，我们研制的液流电池最高功率密度可以达到2。75Wcm2，在600mAcm2的高电流密度下可以保持80以上的能量效率并稳定循环超过20000圈，是公开文献中最高功率密度与最长循环寿命。目前，我们正在推进这些新技术的产业化应用。
　　建设新型研发平台
　　加速储能技术研发、转化
　　问：下一步还需要从哪些方面入手，推动电池储能的技术突破？赵天寿：电池，尤其是以可流动物质作为能量载体的流体电池，是一个从微观到宏观的电化学反应，和物质传输、离子传输、电子传输相耦合的多尺度、多相复杂体系，其性能由热物理领域的空间能质传递特性，以及电化学领域的界面电化学反应特性共同决定。
　　一方面，界面活性面积、界面电荷转移和界面温度浓度，共同决定了电化学反应速率的快慢；另一方面，空间传输机理、空间尺度效应、空间结构特征，影响着物质、离子、电子的耦合传输速率和反应界面的构建。在电池中，仅当某一区域同时拥有物质、离子、电子三种传输通道时，才可以作为电化学反应场所，而且反应速率受到其中最低传输速率的限制。
　　考虑到种种因素，高性能电池的开发需要协调好物质、离子、电子的空间传输与电化学反应速率之间的关系。然而，空间传输属于工程热物理学科，电化学反应属于电化学学科，两个学科间的基础理论与研究方法相差较大。为实现进一步突破，必须注重从交叉学科角度，建立热物理电化学耦合理论与协同优化方法，实现传输性能和电化学性能的同时提高。
　　问：对照低碳、零碳与负碳技术的迫切需求，您建议如何加速研发及转化？赵天寿：为推动实现双碳目标，我国出台了一系列政策，涵盖新能源技术领域人才培养、科学研究、技术示范与工程应用等多方面支持。随着投入持续加大，我们看到了新能源技术的快速迭代发展，例如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等技术不断涌现，一系列成果值得肯定。
　　图1技术研发集中示范产业转化全链条贯通的科研组织新模式
　　图2碳中和技术样板示范
　　要想加速技术发展，我认为还需要大幅度缩短技术研发到产业应用的时间，探索技术研发集中示范产业转化全链条贯通的新型研发组织模式。比如，可以联合政府、企业与科研单位各方力量建立新型科研组织（图1示），通过碳中和能源研究院组织跨学科的科研队伍攻关碳中和新技术，通过技术集中示范基地（图2）促进新技术间的协调融合发展，通过技术产业转化平台支撑成熟技术规模化应用。最终，我们依托新型研发组织，贯通技术研发集中示范产业转化的全链条，加速新技术的研发迭代。
　　（原文收录于《中国碳中和五十人论坛文集2022》，本文有删改）
　　文丨本报记者朱妍
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　　责编丨李慧颖