清华大学王保国:对电能转化与储能产业的再思考
中国储能网讯:2017年4月24-26日,第七届中国国际储能大会在苏州香格里拉酒店圆满召开,来自中、美、英、德、澳、日、韩等国家的1400余位嘉宾到场参会。大会共邀请140余位行业专家与企业代表,围绕产业热点话题,发表了一系列精彩演讲,中国储能网将向读者传递本次大会最具价值的声音。
大会期间,清华大学王保国教授在“储能电站暨微电网专场”,以《对电能转化与储能产业的再思考》为题发表演讲,现将演讲主要内容发布,以飨读者。
王保国:各位专家,各位代表下午好。我是来自清华大学的王保国,这个题目为什么叫“再思考”?因为这次会议来的人很多,去年在深圳有六七百吧,今年有一千两百人,因为在这个行业大家都在聚集队伍、聚集力量,储能逐渐引起更多的关注,有储能装备的生产,还有储能应用的,还有做微电网的,还有投资界的朋友们。
所以在这里面怎么把这个事儿做好,保持这个产业良性发展,我觉得这是我们要很好的考虑的问题。把我们自己想过的一些问题,做过的一些事情跟大家分享一下,也是接受大家的批评和评价,所以叫“再思考”。
储能支撑可再生能源发展,在分布式、多用户、大电网方面,特别是在自愈、兼容、经济的方面,以及促进可再生能源接纳这些方面是一个不可缺少的环节。
在这里面有一些基本的问题,2016年的时候,习总提了能源革命,国家在制订能源发展的技术路线,以及去年的指导意见里面,把几个方面,大容量储能方面搁进去了,其中提到了全钒液流电池,一个光热发电一些事情。2017年3月底的时候,国家能源局的征求意见稿也讲了很多,大规模的抽水蓄能,压缩空气、超导、铅酸、锂电池都列在这块了。
市场是需要引导的,把这些都摆在这儿,让市场说话,基本上是这么一个态度。因为最终大家都是要取得一个利润空间的,那么这些技术怎么样真正的实现良性循环,这里面到底干什么事儿,往哪方面发展可能很重要。
基于这个事情,横坐标是它的功率,电能大家关注两个事儿,一个是功率大小,再一个是它的持续放电时间,从小一点的金属空气,到液流电池,那边的压缩空气、抽水蓄能,这么多的场合,如果你想介入这个,想做这个,就看哪方面的市场定位。
确实给业界的每一个从业者都提出了,哪种储能技术更具有发展前景,特别是投资的更关心这个事情。
根据这个情况,从基本方面我们提出一个判断的基本准则,一共四个方面,不敢叫四项基本原则,但是四个准则还是可以考虑的。
第一,安全。这么大一个电池系统出了问题不得了。这个安全有两方面,一个方面是它本体上安全,还有一种是通过人们的发展技术,通过技术提升来实现的安全。
刚才大家讲高温型的钠硫电池,日本的公司应该说做产品是很细致的,但是最终还是出问题,该着还是着。我是搞化工的,不得不让我们思考,我们讲绿色化工不能只停留在嘴皮子上,一定是本质上安全,本质上绿色的东西,所以我们把安全作为第一个方面,而且是本质安全。锂电池搞水基的我特别同意,还有固体电解质这都是本体上安全的技术。
第二,资源可持续性。无论我们抽水库抽水蓄能,我们大量的在甘肃、内蒙,本来就没有那么多水,搞抽水蓄能没有办法。在江苏浙江这一带,山水多适合这样搞。所以在南方能搞抽水蓄能不要搞别的。还是要讲经济效益,因地制宜的搞储能,这才是一个正确的。
我是搞电化学储能的,一定要问,储能介质,电化学活性物质有没有这样的资源,如果我们所有的资源都靠进口,或者从天然气拿非常昂贵,那你这个搞不下去的,资源限制是一个不可逾越的障碍,所以在这点上,走哪些路线,搞哪种储能一定要考虑这个。
第三,全生命周期的环境友好性。不能只讲使用,要从研究开发、生产制造、使用报废全生命周期是绿色友好,不能只讲其中一个环节。
第四,一定要盈利。很多来自业界的,一个产品一个技术路线如果不能盈利,只是靠国家补贴,不能称为真正的产品,特别是大家发展新的储能产品,新的储能技术的时候,一定把这四个方面同时考虑。如果只讲一点一定是不全面的。
那么多应用场合,你把这四点都搁进去以后,最后你自己就会得到一个判断,哪方面是可以搞,哪方面是不可以搞的。这个事情不是我现在提出来的,2015年我们制订国家十三五的储能产业发展规划,当时大家争论的非常激烈,各说各的好。我自己虽然一直搞全钒液流电池,我说大家还是要有一个客观公正的尺度来分析这个事情。使国家的储能产业发展不至于走的太偏。所以在这个事儿上我想说要从四个方面同时来考虑,然后给一个综合评价。
还有一个规模,在规模储能、集中发电的场合,输电网配的一定是相当大,大规模的石油化工行业,刚才谈的储气库我是坚决同意的,因为那种场合我们是解决一个城市一个区域的能量稳定问题,一定要那种办法搞。但是局域的,我们在一个微电网里面,你再配储气库就划不来了。这里面还有一个匹配的问题,分散的、单元样式要按分散的单元方式,要根据物理尺寸匹配。
谈到液流电池,因为我自己最熟悉这方面,最早应该是1973年,当时美国的宇宙航天局他们提出来,后续到2000年以后,因为新能源这个产业发展起来以后,对储能的需求比较多 ,所以大家研究开发种类,现在有20多个体系在谈这个。最早德国跟法国人打仗的时候,就把这个东西搁在飞艇上它也能飞起来。
这些年发展下来,底下这个是多硫化钠溴体系,这是90年左右,那个时候是英国人搞的多硫化钠溴,能源效率也不错,但腐蚀性太厉害,就是因为溴的腐蚀,他们建了一个20兆瓦的储能电站,最后锈的一塌糊涂,最后不得不下马了。
上面这个体系是锌溴体系,是第二个进入示范工程阶段,美国人把奥巴马拉到那个地方去看,国内也在开始销售这样的。
工程案例最多的还是全钒液流电池体系,这个体系是1984年开始研究,1986年申请第一个专利。液流电池发展这么多年,工程案例最多的还是全钒液流电池体系。这个体系它的一些技术特征,一般来讲大家讲电化学储能,功率和容量都是合在一块儿的,像我们现在铅酸电池,锂离子电池,液流电池最重要的特征,电容乘电压,是靠电堆决定的,容量是靠电解液循环,靠电解液的量来决定的,这样在大系统里面能够得到优化和匹配最容易,所以从规模上、寿命上有它本质的一些重要特征。
关键是安全可靠,20%的硫酸水溶液里面,把硫酸氧钒溶解进去,这么一个无机的体系,水溶液不可能燃烧爆炸。然后它里面就是无机体系,不管搁多长时间也不会发霉变质。当然时间久了离子迁移要控制一下,这个可能是消耗一点电能,是这么一个体系,个头比较大,能量密度不够高,这是它的弱点。
基本上在室温运行,希望高到50度左右,使热管理更简单一点,直接用空气换热,成本就下来了。目前还是要求5度到45度这个范围。当然这个电解液能量密度低。电解液千万不要搁在车上用,相当于拉着水在跑,划不来。现在网上各种各样的消息炒的比较凶,觉得它可以当汽油使,完全不是一回事。
我们自己从04、05年,课题组安排研究生来做,09年和企业结合来做,目前它的关键的质子传导膜材料,电解液和电堆技术一点一点发展起来的,标准的5千瓦和15千瓦两种电堆,完全是我们自己搞的技术确立起来的。能量效率75%到80%,电堆这个,发展了电极,国内生产的,我们自己的膜,自己的电解液。
市场上看到的是你的电堆产品,真正重要的是怎么做电池的生产线,那些装备是买不着的,你必须把这些装备从头开始研发,困难点是在这个地方。
当然电堆我们从单电池,小的小电堆,到大的电堆,从十一五、十二五到十三五逐渐把这个工作做起来。
电解液就拿两个储槽搁在这个地方,你需要多一点就多加一个储槽,这样容量和功率可以单独来搞。250千瓦1兆瓦时的标准模块,后续再组装就非常简单了。
小规模应用,储能电站,给车充电,风力发电,园区里面这些东西我们最深的体会就是做这些事情的时候,技术只是一方面,发展这些装备,发展技术的过程中,把会干这些的技术队伍培养起来,是我们最重要的事情,也是最困难的事情。只有把这样的队伍发展起来以后,才能支撑产业发展,这是我们设计的,进一步搞250千瓦的模块,然后变成标准的商品。这样使它的性价比达到最好。
在专利上形成一系列的从材料到装备,到系统不同级别的,有些已经授权了。
中国液流电池的水平在国际上横向比较,2014年的时候,当时拿到日内瓦国际博览会上,德国的和法国的电工专家看到我们的技术以后,认为还是比较不错的,当时给了我们一个展览会特等金奖。
2014年4月份,在IEC,我们拿着我们的技术,在华盛顿会场,大家在争这个事儿,谁去主导国际上的液流标准这个事儿。我们拿到了稳定性的质量标准,这一项是我们中国人制订的。在IEC的标准体系里面,能够把中国人放进去还是很不容易的,证明我们的全钒液流电池技术在国际上是有发言权的。
和日本住友电工讨论,去年到日本东京开会,和他们这些人他,至少是平起平坐的。所以在这点来讲,技术水平在国际上还属于相对靠前的地位。
咱们的会议上,昨天杨院士讲你不能只做全钒的,还有铁铬也很有趣,我们还是要降成本,使它的利润空间更大,这才是重中之重。所以聚焦液流,安全寿命是根本。对工业产品,特别是兆瓦级的,你不能有10年到15年的使用寿命,两三年就换这是不行的,民用的还可以,但是工业产品至少十年。发展储能,中国的市场最大,中国还有美国的加州,另外是欧洲、德国,这几个地方是储能发展最重要的。
在技术发展过程中,好多技术已经成熟的,我们跟上,但是在新能源储能技术,特别是先进的电池技术方面我们并不比别人落后。在这个事情上面,做好中国的事情就是解决世界的事情,谢谢大家。
(本文根据现场录音整理,未经本人审核)
个人简介:
王保国,分别于1987年、1993年在清华大学获得化学工程学士、硕士学位,2000年在日本东京大学获得工学博士学位。作为日本JST的外籍研究员,2001.7~2002.9在日本东京大学和清华大学从事燃料电池和高分子膜材料研究;2007.
7~2008.8在美国哈佛大学进行微流控技术与材料制备研究。目前主要从事膜材料和电化学工程交叉领域科研工作; 发展大规模蓄电储能的全钒液流电池技术与装备,开发锌/空气电池材料与技术,探索下一代电解水制氢技术;解明纳米多孔膜受限空间内离子迁移机理,揭示电化学体系中材料与性能间的构效关系,发展能源转化与储能过程的材料、装备与基础理论。
在国内外发表学术论文300余篇,申报和授权专利26项。
主讲《膜分离技术原理》、《化工过程仿真》、《化工实验(2)》课程;主持和承担多项国家“863”、“973”和自然科学基金科学研究项目;担任“北京膜学会”第七届理事会秘书长、《储能科学与技术》编委会副主任、《膜科学与技术》编委会委员、能源行业液流电池标委会委员等职
