编者按：2023年9月12-14日，以“绿色 持续 共生 向新”为主题的“第五届未来能源大会”在江苏常州武进召开，本次大会由中国能源研究会与中国能源网联合主办。会上，中国科学院院士、南方科技大学碳中和能源研究院院长赵天寿发表了《面向碳中和的储能技术》的主旨演讲。
尊敬的各位院士、各位领导、各位嘉宾，女士们、先生们：早上好！
我是南方科技大学碳中和能源研究院赵天寿，今天非常荣幸给大家汇报一下储能技术，刚才三位院士的发言信息量非常大，学习了很多。我主要想分享储能技术，我主要想汇报四点：首先我个人认为储能将成为国家保障能源安全的核心技术之一，在碳中和时代。第二条是新型电力系统需要不同的时长的规模化、高安全的储能技术。第三现在的储能技术仍然各有各的局限性，尚无法满足领域的需求。第四特别是我要分享电化学流体电池易模块化、时长灵活、安全、无地域的限制，所以它比较适合于长时、大规模的储能。
首先我们大家都知道近年来光伏和风电技术发展非常快，光伏和风电的成本持续下降，最近的光电最新的报价达到0.12元一度，风电也可以平价上网，但是太阳能和风能的特征，就是分散、间歇和不稳定，所以为了电力系统的稳定运行，不得不弃风、弃光，限制了风光的实际利用水平。所以我们必须发展储能，因为储能能够平移能量的波动，提升风光实际利用率，保障电力系统稳定可靠的运行。
要实现碳中和这样一个目标，据预测太阳能和风能的占比，从现在的4%到碳中和时代的60%，这意味着按照这个比例的话，这个风光装机会达到50亿可持续发展，所以按照20%和50%配能的策略来说的话储能装机的容量会达到10到25亿千瓦，这个量大大超过了我们目前煤电的装机总量。所以对于碳中和时代，对于储能的需求是非常巨大的，储能将成为保障我们国家能源安全的核心技术之一。
储能会在各个环节发挥它的作用，从发电侧到电网侧到用户侧，都会发挥它的作用，从并网到电网侧的输配，以及降低用电成本各个方面发挥储能的作用。
那么新型电力系统对储能的要求非常苛刻，有多方面的要求。首先是要安全，成本要低，要规模化，效率要高，长寿命，没有资源和地域的限制。我特别要强调的是，新型电力系统尤其需要长时储能，因为我们会出现长时间的在新型电力系统中，如果说你可再生能源光电和风电主导的时候会出现长时间的间歇，为了避免供电的间断，所以长时储能非常非常的重要。
我们现在现有的技术包括抽水蓄能，抽水蓄能它的规模可以很大，储能的时间可以比较灵活，而且它的寿命很长，有各种应用场景。但是最大的技术挑战是地域的限制，因为在风光资源丰富的地方不一定能够具有这样的水和势差的这样的地理环境。而且抽水蓄能需要一个长时间、长周期的建设，同时还会受到当地环评的审批。所以过去十几年来，我们国家的抽水蓄能发展非常的快，但是目前来讲有一种饱和的状态，关键是从选址来说这是一个很大的挑战。
另一种机械的物理储能的方式是压缩空气储能，压缩空气的话类似于抽水蓄能，它的规模可以很大，储能时间可以很长，寿命也比较长。应用场景类似于抽水蓄能，但是技术上和抽水蓄能相比效率有待于进一步的提高。特别是需要特别的空间来储存能量密度比较低的高压的一个空气。
我们国家过去十几年来也是压缩空气蓄能的发展比较快，所以未来的发展也是降低成本，提高效率，特别是效率方面各个环节需要进一步的提高。目前所谓的电化学储能主要是锂离子电池储能，锂离子电池主要的优势是能量密度高，响应快，它的应用场景比较多。但是技术上主要是一个安全的隐患问题，另外的话在成本上作为大型的储能场景还需要进一步降低。寿命的话作为储能电站来说，要进一步的提高。
受益于过去我们国家电动汽车的发展，锂离子电池在电化学储能中占着主导，锂离子电池只是其中一种电化学储能的方式。它的进一步的发展，我们必须关注的问题，一个是锂资源的限制和锂的利用率，同时要突破安全的挑战，这是进一步发展的关键问题。
目前来说，我们在新型电力系统中最需要的是长时储能，目前我们在短时的储能中有不同的技术，但是我们最缺的是长时储能，长时储能技术急需进一步的发展。我们比较一下刚才我们提到的储能，分别是抽水蓄能、压缩空气蓄能和锂电电化学蓄能。
抽水蓄能的能量载体是水，水可以流动，这样一个特点是储能装置的容量和功率可以解耦，这是非常重要的一个特点，就是因为水是可以流动的，能量是可以流动的，所以他具有这样一个能量和功率解耦。这样的话就可以时抽水的储能时长灵活，当然水作为储能介质还有其他的一些好处，但是它最大的问题是受到地域的影响。
那么压缩空气储能的话，它的能量载体是空气，空气也是可以流动的，能流动的能量载体，就使得这个储能装置的容量和功率解耦，所以它的储能时长灵活，适合长时储能。但是压缩空气也受到地域的限制，因为需要大的空间来储存空气。
对于锂离子电池来说，一般不受任何地域的限制，而且电化学储能，锂离子电池的能量密度高，而且它的效率也非常高。但是锂离子电池的能量载体不像水和空气，它是不可以流动的，它是固态的活性材料。这样的话就使锂离子电池的容量和功率是强关联的，所以在储能时长上不够灵活，这是一个最大的问题。
长时储能三个技术相比的话，长时储能要求的能量载体是可以流动的，能量和功率解耦。所以我们的电化学长时储能的两个主要因素，一是可流动的能量载体，二是相应的能量转换装置。现有的可流动的能量载体包括氢气、甲醇、氨等燃料以及电解液，这都是可流动的能量载体。相应的能量转换装置有电解池、燃料电池、液流电池，这些电池从结构上和原理上有共同的特征，所以这些电池都是流体电池。流体燃料电池有一个体系，比如说燃料储能、液体储能，它的容量和功率是解耦的，所以它在储能时长上非常灵活，具备适合长时储能、易规模化、无地域限制等优势。所以这是一种比较理想的储能技术，有望满足新型电力系统对储能的所有的要求。
比如说刚才郭院士提到的氢燃料储能，他是一种燃料储能的方式，我们通过电解水产生氢气，氢气通过燃料电池去发电，整个电池是零排放，而且能量密度很高，没有地域的限制。但是目前来说最大的问题是储氢、运氢的技术难题需要解决，因为是氢也面临着一些安全的风险。目前来说，其他的国家对氢能都非常重视，因为他是一种具有非常大的潜力的产业。但是突破储运安全成本，是这个产业发展的一个非常非常关键的环节。
还有一种燃料流体电池叫液流电池储能，液流电池是一种流体电池，它不同于传统的电池，像锂离子电池，它的能量是储存在电池外面的电解液罐中，也就是说它的能量和功率是解耦的，特别是对于水系的液流电池，它的整体由于水系，由于是能量和功率解耦，所以它本身是安全的，没有任何安全的问题。另外的话由于能量和功率是解耦的，所以它的扩展性很高，易于规模化。而且它的整个充电和放电过程，电化学反应过程没有相变，所以它的寿命是锂离子电池的三倍，这一点是非常重要的，对大型的储能电站来说，安全和寿命都是非常重要的。目前来说，最大的问题是成本，能量密度需要进一步的提高，功率密度也需要提高。当然我们谈液流电池的时候，我们有不同的材料，有无机材料，还有有机的。
目前来说全钒液流电池发展最快，因为它最大的特点就是正负极都用钒材料，他具有优势。目前来说它在这个商业的初级阶段，我们国家非常重视全钒电池发展，最近李总理专门去视察，这个产业的空间非常大，当然，进一步的推广应用关键是成本，成本要降低。我个人在过去十几年来一直在做流体电池，包括燃料电池、液流电池等等。下面我主要讲一下全钒液流电池。
我刚才提到全钒液流电池的推广和应用关键是成本，因为它本身具有非常好的一些优势，来作为大型储能技术。成本上的话，主要我们一直在提高电池的电堆密度，电离密度的提高，使电堆所需要的材料的量会降低，因为电流密度提高的是功率密度，功率密度提高就可以电堆的成本。同时电流密度提高能够提高电解液的利用率，现在电解液的利用率只有60%，就是有40%的钒没有作用，所以我们要提高电流密度。
那么要提升电流密度，我们必须要提升它的一些科学的关键问题，通常来说流体电池的构成包括三个关键材料，活性材料、离子导体和电子导体，这种材料的性质非常重要。但是如果说材料就绪的情况下如何形成电池，它的微观结构和宏观分布是非常重要的。他们会不仅仅影响到电化学反应，同时会影响到离子、电子和质量的传输，特别是温度的分布。整体的电池性能的提高既需要电化学和材料方面的知识，也需要我本人原来的领域工程热物理的知识，这个里面是传输的东西。我过去做了一个小小的憧憬，就是把电化学和热物理两个领域的结合，形成一套理论的框架，这样会指引电池从关键材料到部件的系统设计。所以我们一直在用学科交叉的理念和方法来研究流体电池，形成理论，指引电池性能的提高。
那么在液流电池中，其中一个关键的部件就是电极，具有高的活性，同时也具有稳定性，防止其他的副反应。我们发明了一种新的表面材料，具有非常高的活性，同时比较稳定，工艺也非常简单，适合大规模的生产。同时对电极来说，不光具有很高的活性的表面，同时它的结构非常重要，结构上的话一般来说是碳纤维组成的多孔的电极，传统的电极是单孔的，所以它会造成的问题是流阻和表面积的矛盾。我们如果提高电化学的反应速度，这样的话就会增加它的流动的阻力，所以我们研发了多尺度电极，这样就可以解决它的矛盾了，这样就使能量转换效率得到了一个变革性的提高，电流密度也得到了一个非常大的提高。
另外一个关键部件是流道的设计，流道的设计非常重要，我们用了非常先进的手段，包括机器学习、大数据以及理论的模拟方法，所以我们得到了低流阻、高均匀性的流道结构，这样的话使电流密度得到了一个非常大的提高。
而且我们的电池寿命从循环寿命来说，让它运转了20000万圈以后，没有任何的衰减吉祥。同时我们现在电堆的电流密度可以从原来的120，现在一般做示范的都是120，我们可以做到400mA/cm2。高的电流密度意味着电解液的利用率高，也意味着功率密度高，所以电堆所需要的材料的量会降低，所以成本就会降低。2002年我们发明了一种容量和效率在线恢复的方法。
总的来说，我们在做大的电堆，千瓦级的电堆，这种电堆的最大的特色就是它是安全的，因为它是水系的，而且它的能量和功率是解耦的，所以它是安全的。同时他是绿色的，绿色的话是因为它本身储的电是绿电，同时它的材料比如说全钒液流电池，它的材料能量载体也是绿色的，因为它可以重复使用，它的回收是非常非常简单的，它可以永远用下去。另外它是比较经济的，特别是我们现在电流密度很高的情况下，它的成本，它的寿命等等都得到了一个提高。所以它是一种安全、绿色、经济的电化学储能技术。
好的，下面我总结一下今天我讲的内容，主要有几个点：首先我们如果要实现碳中和的话，我们新型的电力系统需要大规模、高安全和不同时长的储能技术。目前来说最缺的是长时储能技术，这是最需要发展的，所以长时储能技术是储能发展的一个重要的方向。电化学流体电池还有很多优势，模块化、时长灵活、安全、无限制适合于长时、大规模储能，突破技术瓶颈是抢抓储能产业机会的关键。
我在这里强调一点，电化学流体电池，包括液流电池、电解质、燃料电池，他是一类电池。
最后我想我们为了实现碳中和这个目标，我们面临着很多的挑战，但是我们也是一个发展的机遇，特别是过去十几年来光伏技术的发展，确实让我们充满信心。所以我们储能技术的发展也一定会发展的非常快。如果我们真正保持战略定力，保持信心的话，我们一定能够拥抱新的未来。
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