在新型電力系統中，從發電側、電網側到用戶側，都必須將規模儲能作為重要組成部分。

 

       實現碳達峰碳中和是我國今后40年的奮斗任務，人人有責、代代相傳。實現“雙碳”目標必然要用大規模可再生能源發電，建立以新型電力系統為主體的新型能源系統。可再生能源受季節、時間、天氣等影響，發電的波動性必然造成不穩定性；在可再生能源發電量不能完全消納的時段，還會發生棄風、棄光，浪費能源。所以，在新型電力系統中，從發電側、電網側到用戶側，都必須將規模儲能作為重要組成部分。本文針對我國發展規模儲能電池提出以下十條建議。

 

電池能夠承擔規模儲能重任

 

       1、充分認識規模儲能電池優勢

 

       電池的能量轉換效率高(最高可達95%)、響應速度快、選址容易、建設周期短，各種規模均適宜，可與物理法儲能(轉換效率最高為75%)互相補充，且具有物理法儲能無法替代的優勢。在碳達峰碳中和目標下，規模儲能電池的重要性和優越性將愈發突出。

 

       除建立新型電力系統需要規模儲能電池外，大數據中心也要求穩定、可靠的備用電源。隨著大型和超大型數據中心的快速發展，其耗電量和備用電源的規模也不斷擴大。為了節省電費，數據中心呈現出兩大發展趨勢：一是超大型數據中心向水力發電站靠近，二是不間斷電源轉向自建大型光伏發電站配吉瓦時級儲能電站，這都意味著必須使用大規模儲能電池，除此之外，別無他法。

 

       誕生160多年來，電池還從未遇到過像今天這樣如此規模大、壽命長、成本低的全方位高要求。但是，現有電池經過改造適配，在使用中已有較好的表現。近幾年技術進步促使成本大幅下降，再加上政策逐漸完善，儲能已能盈利。當然，由于并非“量身定做”，難免各有不足之處，應在發揮優勢的同時抓緊改善、提高。同時，發展專用的新型規模儲能電池前途不可限量。

 

       2、規模儲能電池的性能要求要恰當排序

 

       發展規模儲能電池應該堅持“安全第一，效益根本”原則。

 

       “安全第一”的原則本應容易理解、接受，因為儲能電站如果一遭失火則“一切皆空”。但實際情況卻是，由于主觀因素的干擾，現在還只是承認“安全很重要”，而不愿提“安全第一”。思想認識上的差距自然會反映到實際行動和后果上，迎“危”而上者大有人在，導致儲能電池燃、爆事件頻發。

 

       規模儲能是商業行為，這意味著效益就是生存力，是企業的根本。電池儲能的經濟效益可由YCC指數算得，儲能電站削峰填谷的毛利率= YCC－1。

 

       為使YCC指數大于1，初始投資應該盡量低，必須使用資源儲量大、價格低廉、易于生產的物質。同時，能量轉換效率要高，循環壽命要長，充放電深度要深，這些都是涉及效益的主要參數。其中，循環壽命與充放電深度互相矛盾，運行時工作條件要選兩者乘積的最大值。現在做電池基礎研究的人看重出文章，較少顧及成本對儲能電池應用前途的限制，應該引起注意。

 

       至于比能量、比功率、環境友好、使用方便、地理適應性等，因為儲能在固定場所使用的特點而退居次要位置，不可人為地使其“喧賓奪主”。個別場合需要電池的比功率較高，可通過對此特定電池的設計和制作工藝來解決，而不可違背“安全第一，效益根本”的原則。

 

       3、儲能電池研發應近遠并重

 

      歷史經驗表明，一種新電池從原理提出到大量應用需要經歷20年左右的時間。如今科技進步加速，這一時間可能縮短，但仍然需要10-15年。因此，規模儲能電池發展要近遠兩條戰線并重，不可偏廢。

 

      當前，為應對碳達峰急需，只能從已有的電池中篩選出基本可用的品種加以改造。這些可用的電池是鉛炭電池、液流電池和鋰離子電池，它們各有優點和不足，需要邊使用邊完善，找到各自盡量合適的使用場景。

 

      從碳中和長遠考慮，要立足規模儲能的特點發展安全、高效、長壽、廉價的新型儲能電池。這是一項難度極大的科學工程，必須整體謀劃，立即開始。即使從現在開始研發，也只能在2040年前后才能真正用上新型的、性能更全面的規模儲能電池。

 

改進現有技術促進碳達峰

 

       4、進一步延長高安全鉛炭電池壽命

 

       鉛炭電池是在鉛蓄電池的負極中添加特制的導電性多孔炭，解決了負極活性物質顆粒變大的問題，電池的壽命因此大為延長，同時保持了鉛蓄電池安全性高、價格最低廉等優點，應是當前規模儲能的首選電池。近兩年我國新建大批數據中心的備用電源基本都采用這種電池。

 

       工信部督導鉛炭電池行業消除生產中的污染，推動生產設備和工藝的現代化轉型，對我國鉛炭電池技術進入世界前列起到了很大的推動作用。目前，我國已建成中小型鉛炭電池儲能電站幾十座，最大容量達300兆瓦時，同時，還出口德國75兆瓦時調頻電站，多年來均運行正常。2021年，美國得州一數據中心洽購我國鉛炭電池用于建設 4吉瓦時儲能電站，為該數據中心24小時供電，其規模已等同100萬千瓦抽水蓄能電站。實踐證明，鉛炭電池適合短時調頻、中時削峰填谷、長時穩定供電，而且大、中、小規模皆宜，唯一不足的是比能量較低造成占地面積較大。

 

       鉛炭電池壽命在60%DOD時已達5000次，如初投資1200元/千瓦，電站的能量轉換效率為0.83(=電池效率x PCS效率-空調功耗-線損=0.90x0.955-0.02-0.01)，進、出電價分別為0.3元/千瓦時和1.0元/千瓦時，電站輸出1 千瓦時電量的運營成本為0.04元，算得YCC為1.45，即儲能電站削峰填谷毛利率為45%。這還未計其廢電池再生中仍有30%的殘值收入，可見，其經濟效益相當可觀。

 

       同時，當前我國的廢鉛酸電池已實現100%回收處置，鉛是再生利用率最高的金屬之一。

 

       鉛炭電池技術需進一步提高，也需改變“墻里開花墻外香”的窘境。國家重大研究計劃應扶一把鉛炭電池，將其循環壽命翻一番，并發展減少鉛用量的技術，進一步降低成本，讓鉛炭電池為我國實現“雙碳”目標充分發揮作用。

 

       5.加緊扶持鉻鐵液流電池發展

 

       液流電池最大的優點是可長時間儲能，鉻鐵液流電池更是價廉。而全釩液流電池經過國家20年的持續支持，現已比較成熟，可以用于生產。今后其技術還要提高，但應是企業行為。

 

       釩，本屬稀有金屬，主要用于煉鋼。如今，全釩液流電站發展火熱，每千瓦時的電解液需用8公斤高純V2O5，總價為1500元，已高出其它電池電芯的2-3倍；再算電堆，價格又加一倍。按近兩年的建站需求估算，V2O5的需求量將以每年20%-30%的速度增加，高價位的態勢難以改變。因此，全釩液流電池高成本這一弱點將持續存在。

 

       鉻鐵液流電池受冷落多年，發展遲緩。應該加緊扶持，加速其發展，讓其有機會參與競賽，接受市場考驗。

 

       6、鋰離子電池儲能規模應穩步擴大

 

       鋰離子電池優點很多，最大的優點是比能量高，但安全性仍是大問題。韓、美、澳儲能電站多次失火、爆炸，其中韓國的次數最多。10月15日，韓國一重要數據中心電池起火斷電，導致兩大互聯網中斷服務，3.2 萬個服務器癱瘓，金融、交通、運輸等領域都受到了嚴重影響。

 

       安全性的高低可用事故概率來表達。在其它影響因素不變的條件下，儲能電站的事故概率與其規模成正比。所以，為了保證很低的事故概率，儲能電站的建設規模應該隨著電源系統安全水平的提高而逐漸擴大，不可操之過急。

 

       我國可再生能源發電發展迅速，疊加政策扶持，帶動了大批鋰離子儲能電站建設，單站規模也見長。目前表觀事故概率遠低于韓國，除了韓國電池多用三元正極之外，主要是因為我國電站通過接入驗收后的實際使用率極低（不超過10%）。這造成了一種“安全性不差”的假象，同時又反過來助長了大膽建站和盲目擴大規模。如果有朝一日這些鋰離子儲能電站真的全部運轉起來，后果難以預料。

 

       鋰離子電池儲能正在努力提高安全性，但這需要時間。已建電站要扎扎實實運轉起來，經過長時間試用考驗，發現問題、提高可靠性，也可為逐步放大規模積累經驗。

 

       目前，電池儲能電站的事故概率計算還是空白，可以學習核電站的成熟方法，建立電池儲能電站的安全性計算體系。此外，為了讓鋰離子電池儲能電站大膽地正常運轉起來，也為了讓保險公司收取合理的保險費，可對電力系統中的儲能電站實行單獨的“安全保險”。

 

創新發展儲能電池實現碳中和

 

       7、創新研發規模儲能專用電池

 

       為適應可再生能源規模越來越大的需求，必須將發展新的高安全、高效益儲能電池列為國家重大工程，搶占新的儲能電池技術制高點，建設電池儲能強國。

 

       首先，必須大力推進儲能電池新原理、新體系、新材料的創新和技術攻關。

 

       其次，在電池的水系、有機兩電解液體系中，應以安全性高的水系電解液體系為主。

 

       再次，無機材料用作正極可有較高的電位，應當繼續開發、優選。要注意解決其在水中的水化、溶解引起的壽命偏短問題。

 

       同時，應十分重視有機電極材料的創新，發揮其在水中難溶、結構穩定、碳氫氧氮硫等元素量大價廉、廢電池易于處置的優勢，設計新型有機氧化還原化合物，發展廉價的有機合成新工藝。

 

       8.促進多種電池在競爭中發展

 

       儲能市場極大，前景非常廣闊，能夠容納各類技術路線的電池各顯神通。因而，要從政策、輿論等各方面為它們創造順利發展的條件和公平競爭的氛圍，不必偏好一方。

 

       化學物質豐富多彩，電化學反應變化多端，可發展的電池體系不可限量，繁榮之中才能出異彩，積極引導發展之下一定會出現多種通用型和特色性的電池新體系。

 

       不要輕易給老電池貼上“落后”的標簽。相反，要重視老電池的技術革新，讓其“煥發新春”。

 

        新興的鈉離子電池在低溫、成本等方面具有一定優勢，可繼續優化提高其安全性和循環壽命，從小、中規模儲能開始，試行替代鋰離子電池。

 

        大型儲能企業還可以探索兩種電池并用，充分利用兩者優勢進行互補，并從中掌握真實對比資料，以促進后續發展。

 

        9、完善研發全過程支持機制

 

        相關部門要組織好儲能電池基礎研究、實用化研究、工程化開發、規模示范四個階段的銜接發展和一條龍服務。

 

        科研成果轉換率低是我國長期想解決而沒有解決好的難題。究其原因，是在國家和省、市自然科學基金支持基礎研究和國家重點研發計劃支持規模示范之間，沒有實用化研究和工程化研究的支持機制，也少有相應的機構。特別是在將文獻上不斷報道的大量新體系、新材料進行有選擇地驗證甄別，使之轉化為可實用電池的實用化研究方面，院校因為感覺難出文章而不愿安排研究生完成，企業因為感覺不定因素多、與產業化相距太遠而不愿涉足，使其成為比工程化開發更少人問津的最薄弱環節。

 

       解決這一問題，需要政府出面，企業牽頭，風險基金介入，建立行之有效的產—學—研—金結合機制，吸引不愁經費的轉化成果專門機構來補齊和加強這一薄弱環節。大型電力企業的研究院所要當仁不讓，盡早介入新型儲能電池研發，積極接手儲能電池的創新成果轉化，主導提高技術成熟度。國有投資機構要帶頭改變觀念，實施“有風險的”風險投資，大力支持技術創新升級。

 

       此外，目前電池行業人才十分緊缺。電池界的高薪挖人是損人利己行為，對于行業整體發展有害。教育部門要充分估算并及早擴大電池—電站相關專業各級人才的培養規模。

 

實現人類與化學電源融洽共存

 

       10、各種電池的污染都應消除

 

       電池已經進入人類活動的各個領域和環節，將與人類永遠共存，二者必須融洽相處。

 

       電池是通過化學物質的氧化還原反應儲能，所有電池必用化學物質。各種化學物質毒性大小不等，如果管控不好，從原料生產到廢電池處置全過程，都有可能造成不同程度的環境污染。所以，認為鋰離子電池是“綠色的”說法并不正確，因為其中除了含有毒性較大的鈷之外，還有對人體有害的氟化物、有機物。但是，管控好了不污染環境就可以大量使用。同樣，現在如果再說鉛酸電池是“污染的”，也是不對的，因為前幾年工信部已牽頭推行規范生產，重點治理鉛對環境的污染。如果罔顧技術和管理的進步，仍然頑固地堅持成見，認為“鉛蓄電池污染環境”，那就違背了實事求是的思想路線。

 

       各種電池可能造成的污染都必須消除，也能消除。規模儲能電池的化學品是集中使用、集中控制，比其它零星分散的小電源的污染治理應該做得更好，也能夠做得更好。關鍵在于政府擔責，持續管控，不能有絲毫懈怠。同時，企業要遵守規則，認真執行相關政策，不可取巧謀利。

 

       具體來說，一要在前幾年釩安全生產初步整頓的基礎上，做好全釩液流電池所需新增釩原料的生產，同時注意保護環境。二要對廢鋰離子電池加緊處置、綠色處置，特別要杜絕處置中產生的固體廢物氟化鈣填埋污染地下水。三要試行“電池生產者負責（或委托負責）回收并處置廢電池”，以便“處置廢物責任明，甜苦全包很公平，材料再生保來源”。

 

       總之，規模儲能電池是實現“雙碳”目標的重要大事，應該近處著手，長遠著眼，全盤謀劃，切實執行。

 

       文丨楊裕生，系中國工程院院士