2022年11月19日，中國科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)講席教授、碳中和能源研究院院長、中國碳中和五十人論壇成員趙天壽受邀出席首屆“中國低碳城市發(fā)展論壇”，并以《面向碳中和的儲(chǔ)能技術(shù)》為題作主旨報(bào)告。為進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)術(shù)成果傳播，現(xiàn)將趙天壽院士主旨報(bào)告錄音整理成文，僅供讀者學(xué)習(xí)交流。
碳中和目標(biāo)需要怎樣的儲(chǔ)能技術(shù)
為應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，習(xí)近平主席在2020年9月的聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論中莊重承諾：中國二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。實(shí)現(xiàn)碳中和，是我國可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略目標(biāo)。從技術(shù)角度來看，“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，其本質(zhì)上意味著革命性的能源轉(zhuǎn)型，尤其是要在能源結(jié)構(gòu)上做出重大調(diào)整?，F(xiàn)階段，我國化石能源占比在84%左右，太陽能和風(fēng)能占比僅4%左右，而要實(shí)現(xiàn)碳中和，太陽能和風(fēng)能在能源結(jié)構(gòu)中的占比需要達(dá)到60%以上。盡管過去十幾年來的光伏和風(fēng)機(jī)發(fā)展非常迅速，光電和風(fēng)電成本快速下降，但裝機(jī)容量和上網(wǎng)電量的差別巨大，這是因?yàn)楣饽芎惋L(fēng)能存在間歇性、分散性和不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，而克服可再生能源的缺陷的最有效辦法就是發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)。
儲(chǔ)能可以平抑能量的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量平滑、穩(wěn)定輸出，最終能夠提高能量的實(shí)際利用水平。儲(chǔ)能將是未來以新能源為主體的新型能源體系中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。需要強(qiáng)調(diào)的是，儲(chǔ)能并不是類似電動(dòng)汽車或者手機(jī)電池的儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的要求更加苛刻。一是要規(guī)模化，實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)的大型儲(chǔ)能。二是要長時(shí)間，這對(duì)于可再生能源主導(dǎo)下的能源供需調(diào)節(jié)而言非常重要。三是無地域限制，用以克服光能、風(fēng)能等可再生能源分散性的弱點(diǎn)。四是安全穩(wěn)定、低成本、長壽命，這都是碳中和目標(biāo)下對(duì)可持續(xù)儲(chǔ)能技術(shù)的具體要求。
現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與局限
現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)可大致分為機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能、燃料儲(chǔ)能和冷熱儲(chǔ)能。
（一）抽水蓄能技術(shù)
抽水蓄能是一種常見的物理機(jī)械儲(chǔ)能，主要是利用不穩(wěn)定的電將水從低處打到高處，然后再利用水力發(fā)電。抽水蓄能技術(shù)具備規(guī)?；?、儲(chǔ)能時(shí)間長、壽命長等優(yōu)勢(shì)，目前來看是技術(shù)最成熟、運(yùn)行最可靠的儲(chǔ)能技術(shù)之一。過去十幾年來，我國抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)?？焖僭鲩L，但是從2020年開始略微下降、趨近飽和，這主要受到地域限制、建設(shè)周期長和環(huán)評(píng)審批等因素的影響。
（二）壓縮空氣儲(chǔ)能
壓縮空氣儲(chǔ)能是另一種常見的機(jī)械儲(chǔ)能方式，主要是利用不穩(wěn)定的電將空氣高壓密封，通過汽輪機(jī)發(fā)電。壓縮空氣儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)包括規(guī)?；?、儲(chǔ)能時(shí)間長和壽命長，但最關(guān)鍵的問題是需要空間去儲(chǔ)存高壓空氣，以及儲(chǔ)能效率較低。過去，巖洞是常見的儲(chǔ)能空間，但同抽水蓄能一樣面臨地域限制。另外，壓縮空氣的能源轉(zhuǎn)化效率也低于抽水蓄能。近年來，我國非常重視壓縮空氣技術(shù)，但整體上壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)還處于商業(yè)化前期，面臨較嚴(yán)格的地理?xiàng)l件限制。
（三）鋰離子電池
鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)是能量密度較高、沒有地域限制，非常適合中短時(shí)儲(chǔ)能。但若作為大型儲(chǔ)能，鋰離子電池面臨的最大的挑戰(zhàn)是安全性，有可燃的危險(xiǎn)隱患。如果一個(gè)兆瓦級(jí)的儲(chǔ)能電站發(fā)生安全問題，其破壞威力將不可估量，過去幾年的儲(chǔ)能電站爆炸事故都證明了這一點(diǎn)。盡管鋰離子電池近幾年發(fā)展非常迅猛，但對(duì)現(xiàn)在儲(chǔ)能市場(chǎng)來說，鋰離子電池距離安全穩(wěn)定的儲(chǔ)能技術(shù)要求還有一定距離。
（四）液流電池
液流電池是一種電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，能量被儲(chǔ)存在裝有液體的罐子中，儲(chǔ)電和放電是由電池本身實(shí)現(xiàn)，功率和能量相互獨(dú)立。相較于鋰離子電池，液流電池特別適合規(guī)?；瘍?chǔ)能，還非常安全，而且壽命比較長。目前來看，鋰離子電池最大的挑戰(zhàn)是成本較高、能量和功率密度低，特別是全礬液流電池，已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的窗口期。
（五）氫燃料儲(chǔ)能
氫燃料儲(chǔ)能技術(shù)具有無地域限制、能量密度高、可長時(shí)儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)。通過電解水產(chǎn)生氫氣（綠氫），將氫氣作為儲(chǔ)能的介質(zhì)，加入到燃料電池里面放電，整個(gè)過程是零碳排放，是非常適用于碳中和目標(biāo)的儲(chǔ)能技術(shù)。目前來說，氫燃料儲(chǔ)能面臨的最大問題是“氫”本身相關(guān)的問題，氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸都面臨嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。另外是技術(shù)成本高昂，比如氫的制造、燃料電池所需的貴金屬催化劑等，都需要技術(shù)上的進(jìn)一步突破。
（五）甲醇燃料儲(chǔ)能
甲醇燃料儲(chǔ)能，就是將氫氣同大氣中的二氧化碳進(jìn)行還原反應(yīng)，形成液體的甲醇燃料，其具有使用安全、易于儲(chǔ)運(yùn)、高能量密度、可長時(shí)儲(chǔ)能等優(yōu)點(diǎn)，但同樣面臨高成本、低功率密度和低效等問題，儲(chǔ)能過程和釋能過程的效率都相對(duì)低于氫氣儲(chǔ)能。未來甲醇燃料主要面臨的是能效和經(jīng)濟(jì)性方面的挑戰(zhàn)。
探尋變革性的儲(chǔ)能技術(shù)：電燃料
從實(shí)踐上來說，建立新型電力系統(tǒng)不僅需要分秒級(jí)、小時(shí)級(jí)的中短時(shí)儲(chǔ)能，更需要天、月甚至年的長時(shí)儲(chǔ)能。目前，基本上能夠滿足對(duì)分秒級(jí)調(diào)頻的儲(chǔ)能技術(shù)的要求，也基本上能滿足對(duì)移動(dòng)的儲(chǔ)能技術(shù)的要求，但在中長時(shí)的儲(chǔ)能技術(shù)上，還面臨一些缺口技術(shù)及安全性問題。在以可再生能源為主導(dǎo)的新能源體系中，供需調(diào)配需要長時(shí)的儲(chǔ)能裝備來實(shí)現(xiàn)，目前這個(gè)供需缺口還很大。
探尋變革性的儲(chǔ)能技術(shù)非常重要，特別是探尋類似于石油等化石能源的儲(chǔ)能載體。石油的形成是一個(gè)非常緩慢的過程，但是它實(shí)際上是儲(chǔ)存太陽能的結(jié)果，從科學(xué)上來說是太陽能的能量載體。石油之所以需求廣泛，是國家能源安全的重要保證，一在于它是液態(tài)的，二在于它的能量密度很高。但是石油的短板也很明顯，首先石油是不可再生的，形成非常緩慢，從時(shí)間尺度上來說是不可再生的，其次石油燃燒會(huì)產(chǎn)生二氧化碳排放和其他污染物排放，對(duì)環(huán)境的破壞在一定程度上也是不可逆的。順著這個(gè)思路，儲(chǔ)能技術(shù)的突破方向即是尋找“清潔、可持續(xù)、更高效的液體能量載體”。
電燃料，是一種可循環(huán)充放電的新型液體能量載體，目前趙天壽院士團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研制出了不同的液體電燃料，包括無機(jī)、有機(jī)電燃料，以及物體懸浮在電解液中的納米流體電燃料。這些不同的電燃料有不同的密度、用途、成本和挑戰(zhàn)。在電燃料的支持下，可以形成全新的儲(chǔ)能系統(tǒng)，從電燃料本身，到充電、放電的裝置，放電裝置就可以是電燃料電池。未來，電燃料電池可以將風(fēng)電和光電等不穩(wěn)定的電，通過充電裝置充到電燃料中，再將充好的電燃料穩(wěn)定地儲(chǔ)存起來，并突破地域限制，靈活地運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)地區(qū)。電燃料電池發(fā)的電可以并網(wǎng)，也可以離網(wǎng)供電。如果未來電燃料本身的能量密度足夠高，那么電燃料可以作為電燃料汽車的引擎。
電燃料儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：（1）相對(duì)于傳統(tǒng)燃料儲(chǔ)能，大幅度擴(kuò)大了能量載體的選取范圍；（2）消除了氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)對(duì)材料、組件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的制約；（3）能量效率及功率密度得到同步大幅度提升；（4）充、放電彼此獨(dú)立，不受時(shí)間空間限制。
未來，可再生能源+儲(chǔ)能將搭建一個(gè)堅(jiān)實(shí)的能源框架，促進(jìn)零碳交通、工業(yè)和建筑綠色轉(zhuǎn)型等目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，共赴碳中和時(shí)代。
供稿：楊之穎
審核：蔡峻