儲能是構建新型電力系統的必要環節

　　目前，新能源大規模利用仍面臨間歇性、波動性、不穩定的挑戰。儲能可以平抑波動，支撐光電風電大規模并網，被視為新型電力系統的必要環節。

　　實現“雙碳”目標，傳統能源逐步退出必須建立在新能源安全可靠的替代基礎之上，但是目前，新能源大規模利用仍面臨間歇性、波動性、不穩定的挑戰。作為破題之道，儲能可以平抑波動，支撐光電風電大規模并網，被視為新型電力系統的必要環節。在中國科學院院士、南方科技大學碳中和能源研究院院長、中國碳中和50人論壇成員趙天壽看來，儲能技術必須滿足規模化、高安全、低成本、長壽命、無地域限制等要求，這也是未來儲能產業發展的重要方向所在。

　　實現碳中和需要規模化、高安全儲能技術

　　問：在碳中和進程中，能源結構將發生顛覆性、革命性調整，儲能在其中占據什么地位?

　　趙天壽：我國碳排放主要來源于化石能源的大規模使用。碳減排的關鍵，在于不斷提高太陽能、風能等可再生能源在能源結構中的占比，化石能源比重相應降低。而目前，風、光實際比重約為4%，化石能源占比高達84%。為實現碳中和目標，前者占比需達到60%，后者要降低到10%左右。

　　近十年來，我國的光電、風電成本快速下降，為裝機規模快速提升奠定了基礎。但光電、風電存在間歇、不穩定特點，無法直接滿足電網及用戶的需求，成為制約其進一步擴大規模的主要障礙。儲能就是利用專門裝置與系統將能量儲存，在需要時將能量釋放，實現能量在時間和(或)空間上的轉移，這是推動可再生能源大規模接入電網的必須環節。基于此，儲能被認為是構建以新能源為主體的新型電力系統的必須環節。

　　問：這對儲能產業提出了哪些要求?

　　趙天壽：據預測估算，為實現碳中和目標，光電、風電裝機量將達到50億千瓦，年發電量10萬億度，按10%-50%配備儲能，儲能容量就將在1萬億-5萬億度。面對如此大容量的需求，儲能技術必須滿足規模化、高安全、低成本、長壽命、無地域限制等要求。

　　在以新能源為主體的新型電力系統中，光電、風電在不同時間尺度下均存在不穩定性。在毫秒至分鐘的時間范圍內，光電風電受天氣因素影響會出現功率的劇烈波動，易對電網短時間功率平衡與頻率穩定造成沖擊;在數十分鐘至數小時范圍內，光電風電的發電量不可控，無法跟蹤電網的發電計劃，無法響應電網調度;在數小時至數天甚至跨季節范圍內，光電風電的發電量受氣候變化影響，能量輸出存在長周期波動性，與社會能量需求不匹配，難以確保全年能量穩定、可靠供應。例如，北方地區光伏發電的電量，冬夏兩季可能相差一倍，若夏季恰好滿足能量需求，冬季就會有較大能量缺口。

　　因此，儲能系統還需滿足不同時長能量儲存的要求：針對毫秒至分鐘范圍的能量儲存需求，需重點滿足平滑風光出力、電網調頻的要求;針對數十分鐘至數小時范圍的能量儲存需求，需重點滿足提高光電、風電消納量、電網調峰的要求;針對數小時至數天甚至跨季節能量儲存需求，則要重點滿足長周期、大規模能量時移的要求，確保能源安全。

　　儲能面臨技術不成熟、使用成本高等挑戰

　　問：對照上述要求，儲能產業發展面臨著哪些挑戰?

　　趙天壽：按照儲能時長的不同，介紹主要儲能技術存在的挑戰——

　　毫秒至分鐘級的儲能技術，主要包括超導磁儲能、超級電容器儲能與飛輪儲能，三者分別面臨超導技術難度大、成本高的挑戰，成本高、自放電嚴重的挑戰，以及能量密度低、成本高的挑戰。

　　數十分鐘至數小時的儲能技術，主要包括鋰離子電池儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能、液流電池儲能。挑戰分別包括：安全風險高、鋰資源限制，地域及生態限制，儲氣成本高、儲能效率低，功率密度低、成本高等。

　　對于更長時間的儲能技術，目前受關注最多的是燃料儲能。比如，氫燃料儲能主要面臨儲運難、成本高等挑戰，甲醇燃料儲能的效率低、碳排放和成本高，氨燃料儲能則面臨效率低、毒性較大等。

　　此外，抽水蓄能、壓縮空氣儲能、液流電池儲能均已實現儲能容量與功率的解耦。理論上說，通過增大蓄水空間、儲氣空間、電解液儲量，儲能時長可不斷延長，但蓄水空間、儲氣空間與電解液儲量的增加，將進一步帶來技術挑戰。

　　問：以您從事的電池儲能技術研究為例，該領域取得了哪些突破?

　　趙天壽：我從事電池儲能技術研究20余年，研究領域主要包括燃料電池、液流電池、金屬空氣電池、與鋰離子電池等。我們通過探究反應機理構建電化學儲能理論，指引電池關鍵材料與部件的研發，研制了高性能電極、隔膜與流道，大幅提升了液流電池、醇類燃料電池及全固態鋰空氣電池的效率及穩定性，取得了一些技術突破。比如，我們研制的液流電池最高功率密度可以達到2.75W/cm2，在600 mA/cm2的高電流密度下可以保持80%以上的能量效率并穩定循環超過20000圈，是公開文獻中最高功率密度與最長循環壽命。目前，我們正在推進這些新技術的產業化應用。

　　建設新型研發平臺加速儲能技術研發、轉化

　　問：下一步還需要從哪些方面入手，推動電池儲能的技術突破?

　　趙天壽：電池，尤其是以可流動物質作為能量載體的流體電池，是一個從微觀到宏觀的電化學反應，和物質傳輸、離子傳輸、電子傳輸相耦合的多尺度、多相復雜體系，其性能由熱物理領域的空間能質傳遞特性，以及電化學領域的界面電化學反應特性共同決定。

　　一方面，界面活性面積、界面電荷轉移和界面溫度濃度，共同決定了電化學反應速率的快慢;另一方面，空間傳輸機理、空間尺度效應、空間結構特征，影響著物質、離子、電子的耦合傳輸速率和反應界面的構建。在電池中，僅當某一區域同時擁有物質、離子、電子三種傳輸通道時，才可以作為電化學反應場所，而且反應速率受到其中最低傳輸速率的限制。

　　考慮到種種因素，高性能電池的開發需要協調好物質、離子、電子的空間傳輸與電化學反應速率之間的關系。然而，空間傳輸屬于工程熱物理學科，電化學反應屬于電化學學科，兩個學科間的基礎理論與研究方法相差較大。為實現進一步突破，必須注重從交叉學科角度，建立熱物理-電化學耦合理論與協同優化方法，實現傳輸性能和電化學性能的同時提高。

　　問：對照低碳、零碳與負碳技術的迫切需求，您建議如何加速研發及轉化?

　　趙天壽：為推動實現“雙碳”目標，我國出臺了一系列政策，涵蓋新能源技術領域人才培養、科學研究、技術示范與工程應用等多方面支持。隨著投入持續加大，我們看到了新能源技術的快速迭代發展，例如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等技術不斷涌現，一系列成果值得肯定。

圖1 技術研發-集中示范-產業轉化全鏈條貫通的科研組織新模式

　　要想加速技術發展，我認為還需要大幅度縮短技術研發到產業應用的時間，探索技術研發-集中示范-產業轉化全鏈條貫通的新型研發組織模式。比如，可以聯合政府、企業與科研單位各方力量建立新型科研組織(圖1示)，通過碳中和能源研究院組織跨學科的科研隊伍攻關碳中和新技術，通過技術集中示范基地(圖2)促進新技術間的協調融合發展，通過技術產業轉化平臺支撐成熟技術規模化應用。最終，我們依托新型研發組織，貫通技術研發-集中示范-產業轉化的全鏈條，加速新技術的研發迭代。（記者 朱妍）