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實現(xiàn)“雙碳”目標，傳統(tǒng)能源逐步退出必須建立在新能源安全可靠的替代基礎(chǔ)之上，但是目前，新能源大規(guī)模利用仍面臨間歇性、波動性、不穩(wěn)定的挑戰(zhàn)。作為破題之道，儲能可以平抑波動，支撐光電風電大規(guī)模并網(wǎng)，被視為新型電力系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié)。在中國科學院院士、南方科技大學碳中和能源研究院院長、中國碳中和50人論壇成員趙天壽看來，儲能技術(shù)必須滿足規(guī)模化、高安全、低成本、長壽命、無地域限制等要求，這也是未來儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向所在。
實現(xiàn)碳中和需要規(guī)?；?br />
高安全儲能技術(shù)
問：在碳中和進程中，能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生顛覆性、革命性調(diào)整，儲能在其中占據(jù)什么地位？
趙天壽：我國碳排放主要來源于化石能源的大規(guī)模使用。碳減排的關(guān)鍵，在于不斷提高太陽能、風能等可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比，化石能源比重相應降低。而目前，風、光實際比重約為4%，化石能源占比高達84%。為實現(xiàn)碳中和目標，前者占比需達到60%，后者要降低到10%左右。
近十年來，我國的光電、風電成本快速下降，為裝機規(guī)?？焖偬嵘於嘶A(chǔ)。但光電、風電存在間歇、不穩(wěn)定特點，無法直接滿足電網(wǎng)及用戶的需求，成為制約其進一步擴大規(guī)模的主要障礙。儲能就是利用專門裝置與系統(tǒng)將能量儲存，在需要時將能量釋放，實現(xiàn)能量在時間和（或）空間上的轉(zhuǎn)移，這是推動可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)的必須環(huán)節(jié)?；诖耍瑑δ鼙徽J為是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的必須環(huán)節(jié)。
問：這對儲能產(chǎn)業(yè)提出了哪些要求？
趙天壽：據(jù)預測估算，為實現(xiàn)碳中和目標，光電、風電裝機量將達到50億千瓦，年發(fā)電量10萬億度，按10%-50%配備儲能，儲能容量就將在1萬億-5萬億度。面對如此大容量的需求，儲能技術(shù)必須滿足規(guī)?；⒏甙踩?、低成本、長壽命、無地域限制等要求。
在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，光電、風電在不同時間尺度下均存在不穩(wěn)定性。在毫秒至分鐘的時間范圍內(nèi)，光電風電受天氣因素影響會出現(xiàn)功率的劇烈波動，易對電網(wǎng)短時間功率平衡與頻率穩(wěn)定造成沖擊；在數(shù)十分鐘至數(shù)小時范圍內(nèi)，光電風電的發(fā)電量不可控，無法跟蹤電網(wǎng)的發(fā)電計劃，無法響應電網(wǎng)調(diào)度；在數(shù)小時至數(shù)天甚至跨季節(jié)范圍內(nèi)，光電風電的發(fā)電量受氣候變化影響，能量輸出存在長周期波動性，與社會能量需求不匹配，難以確保全年能量穩(wěn)定、可靠供應。例如，北方地區(qū)光伏發(fā)電的電量，冬夏兩季可能相差一倍，若夏季恰好滿足能量需求，冬季就會有較大能量缺口。
因此，儲能系統(tǒng)還需滿足不同時長能量儲存的要求：針對毫秒至分鐘范圍的能量儲存需求，需重點滿足平滑風光出力、電網(wǎng)調(diào)頻的要求；針對數(shù)十分鐘至數(shù)小時范圍的能量儲存需求，需重點滿足提高光電、風電消納量、電網(wǎng)調(diào)峰的要求；針對數(shù)小時至數(shù)天甚至跨季節(jié)能量儲存需求，則要重點滿足長周期、大規(guī)模能量時移的要求，確保能源安全。
儲能面臨技術(shù)不成熟、
使用成本高等挑戰(zhàn)
問：對照上述要求，儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著哪些挑戰(zhàn)？
趙天壽：按照儲能時長的不同，介紹主要儲能技術(shù)存在的挑戰(zhàn)——
毫秒至分鐘級的儲能技術(shù)，主要包括超導磁儲能、超級電容器儲能與飛輪儲能，三者分別面臨超導技術(shù)難度大、成本高的挑戰(zhàn)，成本高、自放電嚴重的挑戰(zhàn)，以及能量密度低、成本高的挑戰(zhàn)。
數(shù)十分鐘至數(shù)小時的儲能技術(shù)，主要包括鋰離子電池儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能、液流電池儲能。挑戰(zhàn)分別包括：安全風險高、鋰資源限制，地域及生態(tài)限制，儲氣成本高、儲能效率低，功率密度低、成本高等。
對于更長時間的儲能技術(shù)，目前受關(guān)注最多的是燃料儲能。比如，氫燃料儲能主要面臨儲運難、成本高等挑戰(zhàn)，甲醇燃料儲能的效率低、碳排放和成本高，氨燃料儲能則面臨效率低、毒性較大等。
此外，抽水蓄能、壓縮空氣儲能、液流電池儲能均已實現(xiàn)儲能容量與功率的解耦。理論上說，通過增大蓄水空間、儲氣空間、電解液儲量，儲能時長可不斷延長，但蓄水空間、儲氣空間與電解液儲量的增加，將進一步帶來技術(shù)挑戰(zhàn)。
問：以您從事的電池儲能技術(shù)研究為例，該領(lǐng)域取得了哪些突破？
趙天壽：我從事電池儲能技術(shù)研究20余年，研究領(lǐng)域主要包括燃料電池、液流電池、金屬空氣電池、與鋰離子電池等。我們通過探究反應機理構(gòu)建電化學儲能理論，指引電池關(guān)鍵材料與部件的研發(fā)，研制了高性能電極、隔膜與流道，大幅提升了液流電池、醇類燃料電池及全固態(tài)鋰空氣電池的效率及穩(wěn)定性，取得了一些技術(shù)突破。比如，我們研制的液流電池最高功率密度可以達到2.75W/cm2，在600 mA/cm2的高電流密度下可以保持80%以上的能量效率并穩(wěn)定循環(huán)超過20000圈，是公開文獻中最高功率密度與最長循環(huán)壽命。目前，我們正在推進這些新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應用。
建設(shè)新型研發(fā)平臺
加速儲能技術(shù)研發(fā)、轉(zhuǎn)化
問：下一步還需要從哪些方面入手，推動電池儲能的技術(shù)突破？
趙天壽：電池，尤其是以可流動物質(zhì)作為能量載體的流體電池，是一個從微觀到宏觀的電化學反應，和物質(zhì)傳輸、離子傳輸、電子傳輸相耦合的多尺度、多相復雜體系，其性能由熱物理領(lǐng)域的空間能質(zhì)傳遞特性，以及電化學領(lǐng)域的界面電化學反應特性共同決定。
一方面，界面活性面積、界面電荷轉(zhuǎn)移和界面溫度濃度，共同決定了電化學反應速率的快慢；另一方面，空間傳輸機理、空間尺度效應、空間結(jié)構(gòu)特征，影響著物質(zhì)、離子、電子的耦合傳輸速率和反應界面的構(gòu)建。在電池中，僅當某一區(qū)域同時擁有物質(zhì)、離子、電子三種傳輸通道時，才可以作為電化學反應場所，而且反應速率受到其中最低傳輸速率的限制。
考慮到種種因素，高性能電池的開發(fā)需要協(xié)調(diào)好物質(zhì)、離子、電子的空間傳輸與電化學反應速率之間的關(guān)系。然而，空間傳輸屬于工程熱物理學科，電化學反應屬于電化學學科，兩個學科間的基礎(chǔ)理論與研究方法相差較大。為實現(xiàn)進一步突破，必須注重從交叉學科角度，建立熱物理-電化學耦合理論與協(xié)同優(yōu)化方法，實現(xiàn)傳輸性能和電化學性能的同時提高。
問：對照低碳、零碳與負碳技術(shù)的迫切需求，您建議如何加速研發(fā)及轉(zhuǎn)化？
趙天壽：為推動實現(xiàn)“雙碳”目標，我國出臺了一系列政策，涵蓋新能源技術(shù)領(lǐng)域人才培養(yǎng)、科學研究、技術(shù)示范與工程應用等多方面支持。隨著投入持續(xù)加大，我們看到了新能源技術(shù)的快速迭代發(fā)展，例如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等技術(shù)不斷涌現(xiàn)，一系列成果值得肯定。
圖1 技術(shù)研發(fā)-集中示范-產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化全鏈條貫通的科研組織新模式
圖2 碳中和技術(shù)樣板示范
要想加速技術(shù)發(fā)展，我認為還需要大幅度縮短技術(shù)研發(fā)到產(chǎn)業(yè)應用的時間，探索技術(shù)研發(fā)-集中示范-產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化全鏈條貫通的新型研發(fā)組織模式。比如，可以聯(lián)合政府、企業(yè)與科研單位各方力量建立新型科研組織（圖1示），通過碳中和能源研究院組織跨學科的科研隊伍攻關(guān)碳中和新技術(shù)，通過技術(shù)集中示范基地（圖2）促進新技術(shù)間的協(xié)調(diào)融合發(fā)展，通過技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化平臺支撐成熟技術(shù)規(guī)?；瘧谩Ｗ罱K，我們依托新型研發(fā)組織，貫通技術(shù)研發(fā)-集中示范-產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的全鏈條，加速新技術(shù)的研發(fā)迭代。
（原文收錄于《中國碳中和五十人論壇文集 2022》，本文有刪改）
原標題：儲能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié)
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