發(fā)展儲能產(chǎn)業(yè)，推動碳中和進程

推介單位：北京膜學會受訪專家：王保國采編：潛潛

王保國

清華大學長聘教授、博士生導師，長期從事膜分離和電化學工程的交叉領(lǐng)域科學研究，研究大容量蓄電儲能的全釩液流電池、高效率電解水制氫裝備、鋅/空氣電池材料與技術(shù);揭示電化學關(guān)鍵材料的構(gòu)效關(guān)系，發(fā)展電化學能源轉(zhuǎn)換與儲能過程的材料、裝備與基礎(chǔ)理論。在國內(nèi)外發(fā)表學術(shù)論文160余篇，學術(shù)報告200多次，申請和授權(quán)專利29項;主持和承擔多項國家“863”“973”“重點研發(fā)計劃”和國家自然科學基金等項目;現(xiàn)任北京膜學會秘書長兼副理事長、《儲能科學與技術(shù)》編委會副主任、《膜科學與技術(shù)》副主編、能源行業(yè)液流電池標委會委員等職。

自第75屆聯(lián)合國大會召開以來，碳中和已成為我國環(huán)保與經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵性指標。繼科技創(chuàng)新是碳達峰和碳中和的關(guān)鍵支撐。北京市科協(xié)積極推動成立北京碳中和學會，對于運用首都科技資源優(yōu)勢，集聚專家智慧，有效促進政產(chǎn)學研金服用融合，助力北京率先實現(xiàn)雙碳目標，發(fā)揮引領(lǐng)輻射帶動作用具有重要意義。那么如何以最優(yōu)“性價比”實現(xiàn)碳中和？這其中還有許多復雜的問題需要被厘清和重視。科協(xié)頻道、《科研成果與傳播》雜志圍繞碳中和與可再生能源開發(fā)，尤其是電化學儲能技術(shù)與前景、能源技術(shù)發(fā)展的總體趨勢等，對北京膜學會秘書長、《儲能科學與技術(shù)》編委會副主任、清華大學王保國教授進行了深入采訪。

“可再生能源開發(fā)是碳中和發(fā)展下的必然趨勢，要解決環(huán)境、資源、能源等方面相互纏結(jié)的問題，需要保持能源的可持續(xù)清潔發(fā)展。”王保國談道，像風能和太陽能等可再生能源，本質(zhì)上具有不連續(xù)、不穩(wěn)定的特點，因此，必須解決可再生能源的轉(zhuǎn)化、儲存和調(diào)節(jié)問題。

王保國介紹，目前，我國在物理儲能、電化學儲能、機械儲能等方面都有一定的發(fā)展，現(xiàn)在大規(guī)模使用的仍然是抽水蓄能技術(shù)。但是，“抽水儲能很難滿足電網(wǎng)調(diào)頻和快速響應(yīng)需求，未來還是要依靠電化學儲能，也就是電池技術(shù)來解決快速調(diào)頻問題，響應(yīng)時間需達到毫秒甚至微秒級別。”

響應(yīng)快、壽命長、容量大、安全可靠的電化學儲能技術(shù)越發(fā)重要

電池儲能技術(shù)路線主要包括全釩液流電池、鋰（鈉）離子電池、鉛酸電池等，各自具有不同的工作原理。王保國帶領(lǐng)團隊多年深耕全釩液流電池，這種電池是利用電解質(zhì)水溶液儲能，容量由電解液中的釩離子數(shù)量決定，其最重要的特征是容量和功率可以分別獨立設(shè)計，可適用于不同場合的特定需求。

除適用廣泛以外，全釩液流電池的另一個重要特征就是工作機制決定的長壽命。“它是一個簡單的無機溶液體系，在電極上只發(fā)生電子得失，通常用碳材料制造電極。只要限定電壓，避免擊穿電極，就可以長期穩(wěn)定運行。”全釩液流電池的安全性高，“即使你拿火去點，水做的電解液也點不著”，這是它和現(xiàn)有其他有機體系電池較大的區(qū)別之 一。

在釩電池中，必不可少的隔膜材料是質(zhì)子傳導膜。質(zhì)子傳導膜用來隔離正極、負極電解液，防止電解液中釩離子滲透導致能量損失。兩種電解質(zhì)溶液平行流過電極表面，并發(fā)生電化學反應(yīng)，從而使得儲存在溶液中的化學能轉(zhuǎn)換成電能，利用可逆的電化學反應(yīng)，使釩電池具備儲存與釋放電力的能力。

“現(xiàn)在90%以上的團隊仍在使用全氟磺酸膜，它需要耐受5價釩離子的強氧化性。通常情況，大家希望液流電池壽命至少要達到10～15年。在這么長時間周期內(nèi)，不光電解液要穩(wěn)定，所有和電解液接觸的材料都要穩(wěn)定。”王保國深知全氟磺酸膜的高昂成本帶來的局限性。

2009年，他所帶領(lǐng)團隊首次研發(fā)出納米孔徑的多孔質(zhì)子傳導膜，實現(xiàn)該領(lǐng)域內(nèi)極具前沿性的技術(shù)突破。質(zhì)子傳導膜可以把正極電解液中的五價釩離子，與負極電解液中二價釩離子隔開;同時，使電解液中的質(zhì)子（氫離子）通過，這樣避免充電與放電過程中，不同價態(tài)釩離子交叉放電，減少能量損失。“從成本上來講，它有絕對的優(yōu)勢。現(xiàn)在我們使用的膜不到300元/米2，與全氟磺酸膜相比，成本顯著降低。”多孔質(zhì)子傳導膜不光在實驗室里完成了工藝開發(fā)，而且在工廠里實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化批量制造。

王保國繼續(xù)談道，目前市場上發(fā)展較快的仍然是鋰離子電池，基于產(chǎn)業(yè)發(fā)展和政策推動，鋰離子電池驅(qū)動的城市電動車，吸引了大量人力、物力的投入，我國現(xiàn)在鋰離子電池產(chǎn)能躍居國際第一名的位置。相較于鋰離子電池，全釩液流電池更適合于中型，或中大規(guī)模儲能使用，它的研究開發(fā)無論是國家還是社會層面的人、財、物還遠遠不足。

液流電池會一直持續(xù)發(fā)展，但短時間內(nèi)市場不會爆發(fā)式變化。“從技術(shù)體系來講，液流電池更像一個簡單的化工系統(tǒng)。和鋰電池不一樣，鋰電池更像一個電子系統(tǒng)，這是技術(shù)特征上的不一樣。”他表示，總體來講，儲能確實很重要，但儲能技術(shù)發(fā)展明顯落后于新能源開發(fā)的社會需求。

基于本征安全的綠色電池與經(jīng)濟性發(fā)展

電池的本征安全是保證儲能系統(tǒng)安全的核心。“為什么我特別主張大力發(fā)展以水為電解質(zhì)溶液的水基電池呢？水是一種綠色溶劑，再者，它本身不可能被點著，水基的電池應(yīng)該是我們主張進一步去發(fā)展的。”除了本征安全以外，王保國進一步提出，還要通過技術(shù)措施，包括實時監(jiān)測、提前預警、快速處置、智能化與大數(shù)據(jù)等方法，把安全事故限制在盡可能小的范圍內(nèi)。

“在此基礎(chǔ)上，只講儲能遠遠不夠。”王保國認為，實現(xiàn)可再生清潔能源為主的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，需要向大自然學習。正如雨水落到江河湖海，經(jīng)過陽光照射又蒸發(fā)到大氣中，形成大千氣象。這是自然界在太陽能的驅(qū)動下，完成物質(zhì)與能源相互轉(zhuǎn)化的過程。自然界的生態(tài)系統(tǒng)是綠色友好的，人類建造的能源系統(tǒng)，也應(yīng)該加以效仿。

“只講儲能在技術(shù)經(jīng)濟性上會有很大困難。”王保國談道，多年以來，國家大力發(fā)展風電、光伏等可再生清潔能源，主要在資源豐富的西部地區(qū)。由于我國的工業(yè)主要集中于東部沿海區(qū)域，需要通過超高壓直流輸電，把西部可再生能源電力送達東部工業(yè)發(fā)達地區(qū)。這種模式雖然對清潔能源發(fā)展做出了很大貢獻，但是，局限性也很明顯。只通過一種途徑進行能源輸送，相當于千軍萬馬過獨木橋，再加上電力存儲問題沒有解決，客觀上有一定困難。“實際上可以換一種思路，利用電解水技術(shù)，把風電、光伏等不穩(wěn)定電力變成氫氣，加入天然氣管網(wǎng)。利用‘加氫天然氣的辦法，既能夠?qū)崿F(xiàn)能量儲存，也可以進行遠距離輸送，還能為發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。”

能源技術(shù)發(fā)展總體上有四個方面值得重視，首先要遵循安全和物質(zhì)可持續(xù)利用的規(guī)則。能源供給的安全，特別是能源系統(tǒng)運行本身的安全很重要。電池儲能畢竟要用到電化學活性物質(zhì)，需要考慮這些物質(zhì)在地球上是否能夠源源不斷得到，并能夠可持續(xù)循環(huán)利用。其次還要考慮綠色環(huán)保和經(jīng)濟性。“發(fā)展可再生能源就是為了環(huán)境和能源協(xié)調(diào)發(fā)展。必須考慮發(fā)展什么樣的儲能技術(shù)，不光在使用過程中要講綠色環(huán)保，而且，在研究、開發(fā)、生產(chǎn)、制造、報廢全生命周期，都要講綠色環(huán)保性。”

儲能技術(shù)一定要形成新的社會價值，給社會增加更多財富，這樣的技術(shù)才能成為良性循環(huán)。“短期內(nèi)靠國家產(chǎn)業(yè)政策引導，有可能快速發(fā)展，但是，終歸還要靠技術(shù)和產(chǎn)品本身，在市場上形成新的社會價值，實現(xiàn)真正可持續(xù)的產(chǎn)業(yè)成長。”從這四個方面出發(fā)，王保國相信，未來中國儲能產(chǎn)業(yè)，以及氫能產(chǎn)業(yè)會發(fā)展得更快更好。

最后，對于正全力籌備的北京碳中和學會，王保國也談道，“這是一件好事。目前，行業(yè)之間的界限太明顯了，碳中和提出來之后，確實使學科交叉、行業(yè)融合出現(xiàn)了客觀需求。通過這樣一個平臺把技術(shù)、人、財、物等多方面力量聯(lián)合起來，能使碳中和、碳達峰真正落實到裝備制造產(chǎn)業(yè)，對現(xiàn)有的工業(yè)流程再造，起到積極的推動作用。”