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        儲能推動清潔高效利用技術 助力打通能源革命的任督二脈

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          從遙遠太空俯視地球,城市面積逐年擴大。無論是面對著川流不息的馬路還是日益智能的數碼設備,人類都享受著能源所帶來的便利。
          “能源者,國之大事,死生之地、存亡之道,不可以不察也!”中國政府為確保能源供給安全與清潔利用,在2014年提出了能源革命的戰略。而能源要革命,必須打通它的“任督二脈”:督脈自上而下,推行化石能源的清潔高效利用技術;任脈自下而上,提高可再生能源的接入比例。打通任督二脈,中國乃至世界的能源格局將會徹底發生變化。當然,打通任督二脈需要突破多道“玄關”,包括耳熟能詳的政策法規、經濟結構、大數據、人工智能、互聯網等,其中儲能技術是亟需突破的核心關卡。其意義在于調和能源供給與能源消費在時間和空間上存在不平衡的矛盾。例如,盡管風能、太陽能等能源十分清潔且取之不盡,但是在自然環境中,風力時大時小,天氣有晴有陰,這些設備發出的電可能時有時無,這會給電網的調度帶來多大難度呢?當今社會,一天停電一次都會令人抓狂,更何況隨時停電的德謨克利斯之劍時刻高懸?此外,盡管化石能源火力發電的質量值得信賴,但是火電站的建設必須滿足用電高峰需求,而在用電低谷期則會造成大量的電力損失,化石能源的利用效率也很低。如果有了儲能技術,情況將發生極大變化,一方面可以實現風能、太陽能的可控儲存和輸出,另一方面可以將用電低谷的電能儲存起來,在用電高峰的時候使用,不但可以減少火電站建設,還可以節能減排。
          上述是儲能技術在發電側和電網側的應用舉例,其儲能規??蛇_數百至數千兆瓦時以上。而中小規模的儲能技術,則有更加靈活廣泛的應用需求。例如,儲能可以保障政府、醫院、軍事指揮部等重要部門的應急電力供應,緩解用電高峰期的電網局部阻塞,保證社區、工廠、學校的用電穩定。對于遠離電網的偏遠地區、海島等,儲能技術可以與風能、太陽能、潮汐能等結合,形成能源自給自足的分布式供能體系,保障生活生產的需要。在實施峰谷電價的地區,儲能還可以根據電價低的時候購電,在電價高的時候售電,在經濟上獲得實惠。更小規模的儲能技術則可以應用于電動車、移動數碼等領域。例如,很多城市都已大量使用電動汽車和電動公交車,可以大幅降低城市霧霾。此外,在移動數碼領域,儲能技術早已廣泛應用,并在向小型化、輕量化、柔性化(可植入人體、可穿戴)發展。
          當然,儲能的市場非常廣闊,儲能的技術也很多,主要可分為物理儲能和化學儲能兩大類。物理儲能技術主要有抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能及超級電容器?;瘜W儲能技術主要有鋰離子電池,鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、鉛炭電池、金屬空氣電池等。
         
        圖:儲能技術的應用領域
         
          根據各種應用領域對儲能功率和儲能容量要求的不同,各種儲能技術都有其適宜的應用領域。飛輪儲能、超導儲能和超級電容器儲能適合于需要提供短時及需要較大的脈沖功率的場合,如應對電壓暫降和瞬時停電、抑制電力系統低頻振蕩、提高系統穩定性等;而抽水儲能、壓縮空氣儲能和化學電池(液流電池、鉛炭電池及鋰離子電池技術等)儲能適合于電網調峰、可再生能源集中并入等大功率、大容量的應用場合。在當前國際、國內形勢下,這些儲能技術將獲得快速發展,與其它策略一起打通我國能源革命的“任督二脈”,構建強大的能源體系。發展儲能技術不僅對我國具有重要戰略意義,對于其他國家也會產生重要影響。
          目前用于電網側大規模儲能仍以物理儲能(抽水儲能)為主,抽水儲能具有規模大、壽命長、安全可靠、運行費用低的優點,建設規模一般在百兆瓦級以上,儲能時長從幾小時到幾天,適用于電力系統的削峰填谷、緊急事故備用容量等應用。但這種儲能技術需要特殊的地理條件和配套設施,建設的局限性較大。
          鋰離子電池具有重量輕、比能量高、自放電率低、工作范圍適溫寬,綠色環保等優勢,已廣泛應用于便攜式電子設備,并作為動力電池在電動交通工具領域得到應用。近幾年,又開展應用于固定儲能設備的研發。但要作為規模儲能設備,單電池的一致性問題、安全性問題以及高成本問題是必須要解決的。
          與鋰離子電池相比,另外一種化學儲能方式,液流電池是適合于大規模儲能(蓄電)的裝置,在規模儲能方面具有獨特的優勢:蓄電容量大,可達百兆瓦時;容量和功率相互獨立,系統設計靈活;電堆易于模塊組合,蓄電容量便于調節;充放電響應速度快,電池的使用壽命長,可靠性高,可深度放電;系統選址自由,受設置場地限制??;系統封閉運行;電池的大部分部件材料可循環使用建設周期短,系統運行和維護費用低;特別是具有運行安全和環境友好的優點。目前,中科院大連化物所儲能技術研究部和大連融科儲能技術發展有限公司研究團隊,已經在儲能領域取得了突出成績,特別在液流電池領域。在十二五期間解決了全釩液流電池關鍵材料、高性能電堆和大規模儲能系統集成等方面的關鍵科學和工程問題,并取得了一系列技術突破。研究團隊完成了從實驗室基礎研究到產業化應用的發展過程,實施了包括全球最大規模的5MW/10MWh在內的30余項商業化示范工程,形成了完整的全釩液流電池儲能技術的產業鏈,領軍國內外液流電池標準的制定,引領全球液流電池技術的發展。目前,該研究團隊正在承建全球最大的200MW/800MWh的電化學儲能電站示范工程。
         
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