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)模儲能作為重要組成部分。

 

       實現(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。實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)必然要用大規(guī)�？稍偕�能源發(fā)電，建立以新型電力系統(tǒng)為主體的新型能源系統(tǒng)。可再生能源受季節(jié)、時間、天氣等影響，發(fā)電的波動性必然造成不穩(wěn)定性；在可再生能源發(fā)電量不能完全消納的時段，還會發(fā)生棄風(fēng)、棄光，浪費能源。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)模儲能作為重要組成部分。本文針對我國發(fā)展規(guī)模儲能電池提出以下十條建議。

 

電池能夠承擔(dān)規(guī)模儲能重任

 

       1、充分認(rèn)識規(guī)模儲能電池優(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，可與物理法儲能(轉(zhuǎn)換效率最高為75%)互相補充，且具有物理法儲能無法替代的優(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)模也不斷擴大。為了節(jié)省電費，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)電站配吉瓦時級儲能電站，這都意味著必須使用大規(guī)模儲能電池，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)勢的同時抓緊改善、提高。同時，發(fā)展專用的新型規(guī)模儲能電池前途不可限量。

 

       2、規(guī)模儲能電池的性能要求要恰當(dāng)排序

 

       發(fā)展規(guī)模儲能電池應(yīng)該堅持“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，因為儲能電站如果一遭失火則“一切皆空”。但實際情況卻是，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)識上的差距自然會反映到實際行動和后果上，迎“危”而上者大有人在，導(dǎo)致儲能電池燃、爆事件頻發(fā)。

 

       規(guī)模儲能是商業(yè)行為，這意味著效益就是生存力，是企業(yè)的根本。電池儲能的經(jīng)濟(jì)效益可由YCC指數(shù)算得，儲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，必須使用資源儲量大、價格低廉、易于生產(chǎn)的物質(zhì)。同時，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，運行時工作條件要選兩者乘積的最大值。現(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，因為儲能在固定場所使用的特點而退居次要位置，不可人為地使其“喧賓奪主”。個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、儲能電池研發(fā)應(yīng)近遠(yuǎn)并重

 

      歷史經(jīng)驗表明，一種新電池從原理提出到大量應(yīng)用需要經(jīng)歷20年左右的時間。如今科技進(jìn)步加速，這一時間可能縮短，但仍然需要10-15年。因此，規(guī)模儲能電池發(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)模儲能的特點發(fā)展安全、高效、長壽、廉價的新型儲能電池。這是一項難度極大的科學(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，同時保持了鉛蓄電池安全性高、價格最低廉等優(yōu)點，應(yīng)是當(dāng)前規(guī)模儲能的首選電池。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作用。目前，我國已建成中小型鉛炭電池儲能電站幾十座，最大容量達(dá)300兆瓦時，同時，還出口德國75兆瓦時調(diào)頻電站，多年來均運行正常。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吉瓦時儲能電站，為該數(shù)據(jù)中心24小時供電，其規(guī)模已等同100萬千瓦抽水蓄能電站。實踐證明，鉛炭電池適合短時調(diào)頻、中時削峰填谷、長時穩(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)、出電價分別為0.3元/千瓦時和1.0元/千瓦時，電站輸出1 千瓦時電量的運營成本為0.04元，算得YCC為1.45，即儲能電站削峰填谷毛利率為45%。這還未計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，當(dāng)前我國的廢鉛酸電池已實現(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)點是可長時間儲能，鉻鐵液流電池更是價廉。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，每千瓦時的電解液需用8公斤高純V2O5，總價為1500元，已高出其它電池電芯的2-3倍；再算電堆，價格又加一倍。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，高價位的態(tài)勢難以改變。因此，全釩液流電池高成本這一弱點將持續(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，讓其有機會參與競賽，接受市場考驗。

 

       6、鋰離子電池儲能規(guī)模應(yīng)穩(wěn)步擴大

 

       鋰離子電池優(yōu)點很多，最大的優(yōu)點是比能量高，但安全性仍是大問題。韓、美、澳儲能電站多次失火、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 萬個服務(wù)器癱瘓，金融、交通、運輸?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，帶動了大批鋰離子儲能電站建設(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，主要是因為我國電站通過接入驗收后的實際使用率極低（不超過10%）。這造成了一種“安全性不差”的假象，同時又反過來助長了大膽建站和盲目擴大規(guī)模。如果有朝一日這些鋰離子儲能電站真的全部運轉(zhuǎn)起來，后果難以預(yù)料。

 

       鋰離子電池儲能正在努力提高安全性，但這需要時間。已建電站要扎扎實實運轉(zhuǎn)起來，經(jīng)過長時間試用考驗，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。

 

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

 

創(chuàng)新發(fā)展儲能電池實現(xiàn)碳中和

 

       7、創(chuàng)新研發(fā)規(guī)模儲能專用電池

 

       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、高效益儲能電池列為國家重大工程，搶占新的儲能電池技術(shù)制高點，建設(shè)電池儲能強國。

 

       首先，必須大力推進(jìn)儲能電池新原理、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，應(yīng)十分重視有機電極材料的創(chuàng)新，發(fā)揮其在水中難溶、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、碳?xì)溲醯�硫等元素量大價廉、廢電池易于處置的優(yōu)勢，設(shè)計新型有機氧化還原化合物，發(fā)展廉價的有機合成新工藝。

 

       8.促進(jìn)多種電池在競爭中發(fā)展

 

       儲能市場極大，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)模儲能開始，試行替代鋰離子電池。

 

        大型儲能企業(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，并從中掌握真實對比資料，以促進(jìn)后續(xù)發(fā)展。

 

        9、完善研發(fā)全過程支持機制

 

        相關(guān)部門要組織好儲能電池基礎(chǔ)研究、實用化研究、工程化開發(fā)、規(guī)模示范四個階段的銜接發(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)研究和國家重點研發(fā)計劃支持規(guī)模示范之間，沒有實用化研究和工程化研究的支持機制，也少有相應(yīng)的機構(gòu)。特別是在將文獻(xiàn)上不斷報道的大量新體系、新材料進(jìn)行有選擇地驗證甄別，使之轉(zhuǎn)化為可實用電池的實用化研究方面，院校因為感覺難出文章而不愿安排研究生完成，企業(yè)因為感覺不定因素多、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)險基金介入，建立行之有效的產(chǎn)—學(xué)—研—金結(jié)合機制，吸引不愁經(jīng)費的轉(zhuǎn)化成果專門機構(gòu)來補齊和加強這一薄弱環(huán)節(jié)。大型電力企業(yè)的研究院所要當(dāng)仁不讓，盡早介入新型儲能電池研發(fā)，積極接手儲能電池的創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，主導(dǎo)提高技術(shù)成熟度。國有投資機構(gòu)要帶頭改變觀念，實施“有風(fēng)險的”風(fēng)險投資，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大電池—電站相關(guān)專業(yè)各級人才的培養(yǎng)規(guī)模。

 

實現(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)入人類活動的各個領(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，因為其中除了含有毒性較大的鈷之外，還有對人體有害的氟化物、有機物。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，因為前幾年工信部已牽頭推行規(guī)范生產(chǎn)，重點治理鉛對環(huán)境的污染。如果罔顧技術(shù)和管理的進(jìn)步，仍然頑固地堅持成見，認(rèn)為“鉛蓄電池污染環(huán)境”，那就違背了實事求是的思想路線。

 

       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，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)模儲能電池是實現(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，切實執(zhí)行。

 

       文丨楊裕生，系中國工程院院士