中國(guó)社會(huì)科學(xué)院大學(xué)(研究生院)國(guó)際能源安全研究中心與社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社日前發(fā)布的《世界能源藍(lán)皮書:世界能源發(fā)展報(bào)告(2024)》顯示,2023年,中國(guó)可再生能源新增裝機(jī)3.7億千瓦,占全國(guó)新增發(fā)電裝機(jī)容量的82.7%,繼續(xù)保持電力新增裝機(jī)的主力軍地位。
然而,可再生能源裝機(jī)容量上去了,消費(fèi)比例還沒有完全跟上。“從能源消費(fèi)的比例看,可再生能源的消費(fèi)只占總量的19%左右。”在近日召開的香山科學(xué)會(huì)議第771次學(xué)術(shù)討論會(huì)上,中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所所長(zhǎng)劉中民說,要縮小裝機(jī)容量與消費(fèi)比例之間的差距,關(guān)鍵在于通過解決關(guān)鍵科技問題推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。
中國(guó)工程院院士、蘇州實(shí)驗(yàn)室主任徐南平認(rèn)為,通過低碳、零碳、負(fù)碳關(guān)鍵材料與技術(shù)創(chuàng)新,構(gòu)建綠色能源與工業(yè)體系、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),才能擺脫經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)含碳資源的依賴。
如何以科技為支撐,提升可再生能源消費(fèi)比例?與會(huì)專家結(jié)合案例對(duì)此展開了深入研討。
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能是關(guān)鍵
可再生能源具有間歇性、波動(dòng)性和季節(jié)性等特性,“時(shí)有時(shí)無”的不穩(wěn)定性降低了其利用率。儲(chǔ)能技術(shù)就像“能量銀行”,在發(fā)電多時(shí)將電力儲(chǔ)存起來,發(fā)電少或者需要用電時(shí)再釋放出來。推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)不斷發(fā)展,是提高可再生能源消費(fèi)比例的關(guān)鍵途徑。
劉中民認(rèn)為,我國(guó)在短時(shí)高頻、中短時(shí)長(zhǎng)儲(chǔ)能方面已有明確的解決方案,但在安全性和成本方面仍有改進(jìn)空間。
當(dāng)前,鋰離子電池、鉛酸電池等技術(shù)已經(jīng)較為成熟,但儲(chǔ)能成本較高,導(dǎo)致可再生能源發(fā)電成本大幅提升。在長(zhǎng)時(shí)低頻儲(chǔ)能領(lǐng)域,傳統(tǒng)的抽水儲(chǔ)能方式只能滿足大規(guī)模儲(chǔ)能的部分要求。而氫能、甲醇等化學(xué)儲(chǔ)能具有物質(zhì)和能量的雙重屬性,可以為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能提供一種可行路徑。劉中民說,將可再生能源發(fā)出的電力儲(chǔ)存在氫能中,不僅能滿足生產(chǎn)供能的需求,還能作為原料使用。
與會(huì)專家認(rèn)為,利用可再生能源制取的綠氫能實(shí)現(xiàn)全過程無碳化,將成為難脫碳行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳與零碳發(fā)展的重要媒介。例如,在煤制烯烴過程中,使用綠氫可減少70%的碳排放,副產(chǎn)物氧氣還能用于其他工藝流程。然而,氫能的產(chǎn)生、利用、儲(chǔ)存是一個(gè)系統(tǒng)工程,目前成本仍然較高。未來,氫能發(fā)展和應(yīng)用需要相關(guān)政策引導(dǎo)和關(guān)鍵核心技術(shù)的突破。
此外,液流電池等其他電化學(xué)儲(chǔ)能方式也值得關(guān)注。液流電池的原理就像用水壺?zé)粯?,不過液流電池里“燒”的不是水,而是兩種特殊的液體——正極液和負(fù)極液。這兩種液體被分開存放在電池外的罐子里,需要用電時(shí),它們?cè)诒玫淖饔孟铝魅腚姵?,發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。不需要用電時(shí),電池又可以把電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能,儲(chǔ)存回這兩種液體里。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所相關(guān)團(tuán)隊(duì)在鋅溴液流電池研究方面取得積極進(jìn)展,解決了傳統(tǒng)電池在低溫條件下易發(fā)生相變、運(yùn)行可靠性降低等問題,讓電池變得更“耐寒”,能在更廣泛條件下工作。
材料革新是基礎(chǔ)
與會(huì)專家認(rèn)為,提高可再生能源利用率的發(fā)力點(diǎn)可歸納為“三高一低”:提高轉(zhuǎn)換效率、提高供給質(zhì)量、提高替代比例、降低應(yīng)用成本。材料革新有望同時(shí)達(dá)到以上目標(biāo)。
“材料的突破有望引發(fā)重大裝備升級(jí)和行業(yè)產(chǎn)業(yè)變革。”在徐南平看來,為突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸,應(yīng)關(guān)注鈣鈦礦光伏材料、電解質(zhì)膜材料和固態(tài)電解質(zhì)材料等,解決鈣鈦礦及疊層光伏電池、液流電池和固態(tài)電池技術(shù)中關(guān)鍵材料性能不高、耐久性不足等問題,為實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型提供材料物質(zhì)基礎(chǔ)。
例如,得益于發(fā)電材料的突破,鈣鈦礦光伏的光電轉(zhuǎn)化效率得到大幅提升。然而,當(dāng)前鈣鈦礦材料在長(zhǎng)期穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性方面還存在不足,服役壽命短,而且鈣鈦礦光伏組件大面積制備工藝均勻性還不夠好,這些問題制約了其工業(yè)化應(yīng)用。徐南平說,如果能開發(fā)出更加穩(wěn)定的鈣鈦礦材料,將有望突破光伏發(fā)電效率提升的瓶頸。
推動(dòng)綠氫廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵也在于核心材料的突破。當(dāng)前商業(yè)上廣泛應(yīng)用的方法是堿性電解水制氫,但這種方法制取的氫氣純度低、能量效率不高。質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)雖然先進(jìn),但需要貴金屬,成本較高。相比之下,固態(tài)電解槽電解水制氫技術(shù)具有電解效率高等優(yōu)勢(shì),可利用固體氧化物作為電解質(zhì),有效電解水或其他化合物,實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)。
“固態(tài)電解槽電解水制氫的電解效率可達(dá)90%以上,但電堆材料在高溫操作時(shí)穩(wěn)定性差,導(dǎo)致壽命不足。”徐南平說,將反應(yīng)溫度從800攝氏度以上降到450至600攝氏度的中低溫范圍,是加速固態(tài)電解槽電解水制氫產(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)之路。
通過材料創(chuàng)新,蘇州實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出固體氧化物電解質(zhì)和低溫氧電極,能使固態(tài)電解槽在650攝氏度以下完成電解水工作,目前已實(shí)現(xiàn)5萬小時(shí)使用壽命的突破。相關(guān)生產(chǎn)線和測(cè)試平臺(tái)等建設(shè)正在加緊推進(jìn)。
柔性技術(shù)是支撐
技術(shù)創(chuàng)新在提升可再生能源利用率方面發(fā)揮著多重作用。一方面,通過材料、儲(chǔ)能等領(lǐng)域的技術(shù)突破,可再生能源能夠提供更高效、更穩(wěn)定的電力;另一方面,技術(shù)創(chuàng)新可以增強(qiáng)傳統(tǒng)能源的靈活性,使其具備與可再生能源“此消彼長(zhǎng)”的互補(bǔ)調(diào)節(jié)能力,共同維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
中國(guó)工程院院士湯廣福預(yù)測(cè),風(fēng)光新能源在保持高增速的前提下,仍有5倍左右發(fā)展空間,并將逐步成為主力電源。為順應(yīng)這一變化,現(xiàn)有電網(wǎng)應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)性重構(gòu)、結(jié)構(gòu)性重塑。
“我們提出讓煤電具備氣電的特性。”湯廣福解釋,燃煤發(fā)電機(jī)組頻繁啟停存在安全隱患。氣電則不同,它啟動(dòng)速度快,從冷態(tài)啟動(dòng)到滿負(fù)載僅需幾十秒鐘,能夠快速響應(yīng)電力需求。
煤電靈活性改造旨在提升煤電的調(diào)峰、調(diào)頻能力,使其更好適應(yīng)新能源的隨機(jī)性和波動(dòng)性。湯廣福說,攻克靈活燃煤技術(shù),可以讓煤電接近氣電特性,實(shí)現(xiàn)新能源的規(guī)?;脫Q。靈活柔性的燃煤發(fā)電技術(shù)能確保波動(dòng)性新能源“用得穩(wěn)”。
國(guó)家能源局發(fā)布的《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書》也提出,柔性靈活是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要支撐。新型電力系統(tǒng)中,不同類型機(jī)組的靈活發(fā)電技術(shù)、不同時(shí)間尺度與規(guī)模的靈活儲(chǔ)能技術(shù)、柔性交直流等新型輸電技術(shù)廣泛應(yīng)用,骨干網(wǎng)架柔性靈活程度更高,支撐高比例新能源接入系統(tǒng)和外送消納。
此外,人工智能賦能的新型電力系統(tǒng)將確保高比例新能源“并得上”。湯廣福解釋,建立新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建、運(yùn)行與控制理論新體系,突破裝備核心器件、基礎(chǔ)材料和關(guān)鍵軟件等技術(shù),可進(jìn)一步提升電網(wǎng)柔性傳輸及系統(tǒng)調(diào)控能力。
“未來的能源系統(tǒng),應(yīng)該是低碳化、智能化、骨干網(wǎng)與分布式能源相結(jié)合的系統(tǒng)。”劉中民說,要用新思維審視舊流程,借助人工智能,有望加速形成更合理的能源結(jié)構(gòu)。
原標(biāo)題:可再生能源電力如何“用得穩(wěn)”