發展儲能產業，推動碳中和進程

推介單位：北京膜學會受訪專家：王保國采編：潛潛

王保國

清華大學長聘教授、博士生導師，長期從事膜分離和電化學工程的交叉領域科學研究，研究大容量蓄電儲能的全釩液流電池、高效率電解水制氫裝備、鋅/空氣電池材料與技術;揭示電化學關鍵材料的構效關系，發展電化學能源轉換與儲能過程的材料、裝備與基礎理論。在國內外發表學術論文160余篇，學術報告200多次，申請和授權專利29項;主持和承擔多項國家“863”“973”“重點研發計劃”和國家自然科學基金等項目;現任北京膜學會秘書長兼副理事長、《儲能科學與技術》編委會副主任、《膜科學與技術》副主編、能源行業液流電池標委會委員等職。

自第75屆聯合國大會召開以來，碳中和已成為我國環保與經濟發展的關鍵性指標。繼科技創新是碳達峰和碳中和的關鍵支撐。北京市科協積極推動成立北京碳中和學會，對于運用首都科技資源優勢，集聚專家智慧，有效促進政產學研金服用融合，助力北京率先實現雙碳目標，發揮引領輻射帶動作用具有重要意義。那么如何以最優“性價比”實現碳中和？這其中還有許多復雜的問題需要被厘清和重視?？茀f頻道、《科研成果與傳播》雜志圍繞碳中和與可再生能源開發，尤其是電化學儲能技術與前景、能源技術發展的總體趨勢等，對北京膜學會秘書長、《儲能科學與技術》編委會副主任、清華大學王保國教授進行了深入采訪。

“可再生能源開發是碳中和發展下的必然趨勢，要解決環境、資源、能源等方面相互纏結的問題，需要保持能源的可持續清潔發展?！蓖醣劦?，像風能和太陽能等可再生能源，本質上具有不連續、不穩定的特點，因此，必須解決可再生能源的轉化、儲存和調節問題。

王保國介紹，目前，我國在物理儲能、電化學儲能、機械儲能等方面都有一定的發展，現在大規模使用的仍然是抽水蓄能技術。但是，“抽水儲能很難滿足電網調頻和快速響應需求，未來還是要依靠電化學儲能，也就是電池技術來解決快速調頻問題，響應時間需達到毫秒甚至微秒級別?！?/p>

響應快、壽命長、容量大、安全可靠的電化學儲能技術越發重要

電池儲能技術路線主要包括全釩液流電池、鋰（鈉）離子電池、鉛酸電池等，各自具有不同的工作原理。王保國帶領團隊多年深耕全釩液流電池，這種電池是利用電解質水溶液儲能，容量由電解液中的釩離子數量決定，其最重要的特征是容量和功率可以分別獨立設計，可適用于不同場合的特定需求。

除適用廣泛以外，全釩液流電池的另一個重要特征就是工作機制決定的長壽命?！八且粋€簡單的無機溶液體系，在電極上只發生電子得失，通常用碳材料制造電極。只要限定電壓，避免擊穿電極，就可以長期穩定運行?！比C液流電池的安全性高，“即使你拿火去點，水做的電解液也點不著”，這是它和現有其他有機體系電池較大的區別之 一。

在釩電池中，必不可少的隔膜材料是質子傳導膜。質子傳導膜用來隔離正極、負極電解液，防止電解液中釩離子滲透導致能量損失。兩種電解質溶液平行流過電極表面，并發生電化學反應，從而使得儲存在溶液中的化學能轉換成電能，利用可逆的電化學反應，使釩電池具備儲存與釋放電力的能力。

“現在90%以上的團隊仍在使用全氟磺酸膜，它需要耐受5價釩離子的強氧化性。通常情況，大家希望液流電池壽命至少要達到10～15年。在這么長時間周期內，不光電解液要穩定，所有和電解液接觸的材料都要穩定?！蓖醣钪撬崮さ母甙撼杀編淼木窒扌?。

2009年，他所帶領團隊首次研發出納米孔徑的多孔質子傳導膜，實現該領域內極具前沿性的技術突破。質子傳導膜可以把正極電解液中的五價釩離子，與負極電解液中二價釩離子隔開;同時，使電解液中的質子（氫離子）通過，這樣避免充電與放電過程中，不同價態釩離子交叉放電，減少能量損失?！皬某杀旧蟻碇v，它有絕對的優勢?，F在我們使用的膜不到300元/米2，與全氟磺酸膜相比，成本顯著降低?！倍嗫踪|子傳導膜不光在實驗室里完成了工藝開發，而且在工廠里實現產業化批量制造。

王保國繼續談道，目前市場上發展較快的仍然是鋰離子電池，基于產業發展和政策推動，鋰離子電池驅動的城市電動車，吸引了大量人力、物力的投入，我國現在鋰離子電池產能躍居國際第一名的位置。相較于鋰離子電池，全釩液流電池更適合于中型，或中大規模儲能使用，它的研究開發無論是國家還是社會層面的人、財、物還遠遠不足。

液流電池會一直持續發展，但短時間內市場不會爆發式變化?！皬募夹g體系來講，液流電池更像一個簡單的化工系統。和鋰電池不一樣，鋰電池更像一個電子系統，這是技術特征上的不一樣?！彼硎?，總體來講，儲能確實很重要，但儲能技術發展明顯落后于新能源開發的社會需求。

基于本征安全的綠色電池與經濟性發展

電池的本征安全是保證儲能系統安全的核心?！盀槭裁次姨貏e主張大力發展以水為電解質溶液的水基電池呢？水是一種綠色溶劑，再者，它本身不可能被點著，水基的電池應該是我們主張進一步去發展的?！背吮菊靼踩酝?，王保國進一步提出，還要通過技術措施，包括實時監測、提前預警、快速處置、智能化與大數據等方法，把安全事故限制在盡可能小的范圍內。

“在此基礎上，只講儲能遠遠不夠?！蓖醣J為，實現可再生清潔能源為主的能源結構調整，需要向大自然學習。正如雨水落到江河湖海，經過陽光照射又蒸發到大氣中，形成大千氣象。這是自然界在太陽能的驅動下，完成物質與能源相互轉化的過程。自然界的生態系統是綠色友好的，人類建造的能源系統，也應該加以效仿。

“只講儲能在技術經濟性上會有很大困難?！蓖醣劦?，多年以來，國家大力發展風電、光伏等可再生清潔能源，主要在資源豐富的西部地區。由于我國的工業主要集中于東部沿海區域，需要通過超高壓直流輸電，把西部可再生能源電力送達東部工業發達地區。這種模式雖然對清潔能源發展做出了很大貢獻，但是，局限性也很明顯。只通過一種途徑進行能源輸送，相當于千軍萬馬過獨木橋，再加上電力存儲問題沒有解決，客觀上有一定困難?！皩嶋H上可以換一種思路，利用電解水技術，把風電、光伏等不穩定電力變成氫氣，加入天然氣管網。利用‘加氫天然氣的辦法，既能夠實現能量儲存，也可以進行遠距離輸送，還能為發展能源互聯網奠定基礎?！?/p>

能源技術發展總體上有四個方面值得重視，首先要遵循安全和物質可持續利用的規則。能源供給的安全，特別是能源系統運行本身的安全很重要。電池儲能畢竟要用到電化學活性物質，需要考慮這些物質在地球上是否能夠源源不斷得到，并能夠可持續循環利用。其次還要考慮綠色環保和經濟性?！鞍l展可再生能源就是為了環境和能源協調發展。必須考慮發展什么樣的儲能技術，不光在使用過程中要講綠色環保，而且，在研究、開發、生產、制造、報廢全生命周期，都要講綠色環保性?！?/p>

儲能技術一定要形成新的社會價值，給社會增加更多財富，這樣的技術才能成為良性循環?！岸唐趦瓤繃耶a業政策引導，有可能快速發展，但是，終歸還要靠技術和產品本身，在市場上形成新的社會價值，實現真正可持續的產業成長?！睆倪@四個方面出發，王保國相信，未來中國儲能產業，以及氫能產業會發展得更快更好。

最后，對于正全力籌備的北京碳中和學會，王保國也談道，“這是一件好事。目前，行業之間的界限太明顯了，碳中和提出來之后，確實使學科交叉、行業融合出現了客觀需求。通過這樣一個平臺把技術、人、財、物等多方面力量聯合起來，能使碳中和、碳達峰真正落實到裝備制造產業，對現有的工業流程再造，起到積極的推動作用?！?/p>