可再生能源電力如何“用得穩(wěn)”

中國社會(huì)科學(xué)院大學(xué)(研究生院)國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，中國可再生能源新增裝機(jī)3.7億千瓦，占全國新增發(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，中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所所長劉中民說，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)合案例對此展開了深入研討。

長時(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，我國在短時(shí)高頻、中短時(shí)長儲(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)粯樱贿^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)，它們在泵的作用下流入電池，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，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”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。

中國工程院院士湯廣福預(yù)測，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)模化置換。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)。

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