欧阳明高院士:储存“风光”,路在何方?

来源:央视财经 编辑:jianping 欧阳明高风光
“十四五”降碳成为战略重点,能源革命、谋篇布局把握绿色发展机遇。风电光伏增长迅猛,弃风弃光困扰发展,究竟是何原因?牵一发而动全身,如何突破储能瓶颈,打通新能源最后一公里。2022年6月19日《中国经济大讲堂》减碳在行动 特邀中国科学院院士、清华大学教授为我们讲述储存“风光”,路在何方?

欧阳明高,中国科学院院士、 清华大学教授,长期致力于新能源动力系统研究,连续十多年担任国家新能源汽车科技专项首席专家,建立了动力电池热失控科学与技术体系。他主持突破了商用车氢燃料电池动力技术核心技术,发明了多能源一体化混合动性,成果转化经济效益超过百亿元,在中国节能与新能源汽车战略规划、技术研发、国际合作及产业发展等方面作出了重要贡献。

欧阳明高指出,风电光伏技术很成熟,一个核心的问题就是储能。


01 新能源还不是“三好生”

大家知道,锂离电子电池的发明,使电动汽车发生了突飞猛进的变化,带动了可再生能源的大发展,新能源革命来了,前景无限地美好。但是很遗憾,当前新能源还当不了“三好生”。

什么叫“三好生”呢?就是既要供应安全,又要价格便宜,还要绿色环保,这就是我们经济学上的概念,所谓的“不可能三角”。就是说经济可行、绿色低碳、安全可靠,很难同时满足。比如说我们的煤炭,安全可靠吧 ,经济可行吧, 但是它绿色低碳不太好,而我们的新能源恰恰相反 ,绿色低碳 ,但是其他两个又不完全满足,这就是现在我们遇到的一个困境。

02 “靠天吃饭”,影响电网安全稳定

我们现在讲的新型电力学,它就是以风电和光伏为主体的电力系统,大家通常说风电光伏这个价格已经比煤电价格还低, 这个指的是发电的价格,实际上我们真正要用的时候,还会遇到一系列的问题。

比如说风电光伏,它是靠天吃饭,一会儿多,一会儿少,不可能24小时发,每天供需不平衡,整年也是不平衡的,区域是不平衡的。电网有一个原理:就是时时要平衡,它才能稳定。所谓稳定性问题,比如说负荷变大,发电的电功率不够,一般交流电的频率是50Hz,如果出现这个问题,交流电频率会下降。我们在发电侧,比方说燃气轮机、蒸汽轮机、它的锅炉的运行可能就不正常了;比方说变电站,它的变压器就有可能也运行不正常了,它会发热等。

那么这样一来,我们电网就会要断电了,它会引起我们电网的波动,频率的波动带来电网稳定性的丧失,就会导致停电的事故。美国的德州大停电同样也是因为频率下掉过于厉害,中国的湖南省在2020年冬季也遇到这个问题。那个时候,正好冬天比较冷,所以我们的电力负荷达到的历史新高,受到汛期光照极寒天气的影响,我们风电光伏发出来的电达不到预期。它的出力变小,而火电机组又装机不足,所以导致无法满负荷运作。好在我们中国各省区有国家电网系统,全国协同一致,抑制这个问题没导致大停电。

03 风电光伏发电成本低,但电价却不便宜

还有我们电网的稳定性,需要附加的调频、调压、调峰等,也需要付出成本。还有电网由于波峰波谷特别大,那么我们要按照波峰最大功力来设计电网的话,那我们成本也要增加。

因为不平衡,我们就要给他配套一些东西来补偿它。它没有的时候,我们就得顶上去,所以这三部分成本,我们就叫上消纳成本,我们这个风电光伏发电的成本是可以平价上网,但是并不等于平价利用,因为消纳成本会导致电价上升,如果加上这个成本,那么我们可再生能源比煤发电还是要高的。

德国是率先实现可再生能源的发电比例超过50%的国家,按道理风电光伏发电应该也是比较便宜。但是,他原先的那些火电厂、煤电厂、燃气轮机组都还要,并没有拆。因为这些机组作为灵活性调节正好是来做补偿这些风电光伏的波动和随机性 还有用来调频调峰,所以这些成本加上来之后,那么实际上总的电价是上升了,不是下降了。

04 储能是新能源革命的瓶颈

新能源革命的主要的瓶颈是什么呢?

我们中国新能源的主要瓶颈不是风电光伏,风电光伏技术很成熟,我们光伏的效率在不断的提高,成本在不断的降低。因为我们光伏的原材料就是硅,这个不存在资源的问题,一个核心的问题就是储能, 我这里说的储能是广义的储能。那就是我们针对可再生能源的随机性和波动性,将富余的可再生能源它存起来。当可再生能源不足的时候,把这种能量通过时空变换,再把它补回去,这就叫储能技术。

我们光伏的产能极大,想增加产能非常简单,但是你大规模推广的时候,必须要配储能,全世界认同的新能源革命有五大之柱,第一项可再生能源转型,尤其是光伏风电;第二个就是集中式转向分布式,让每一栋建筑都变成发电厂、微型发电厂;第三条就是用氢气电池来储存间歇性能源;第四就是发展能源互联网技术。

还有一个就是电动汽车作为用能、储能回馈能源的终端,我们可以储能为抓手来推动能源转型和新型电力系统发展。这是我们面向碳中和,中国新能源革命的一个重要的技术路径。

05 提升电池循环寿命,可以有效降成本

目前,中国随着电动汽车的普及,我们电池的产业规模越来越大。预计2025年,中国的电池产能会达到年产30亿千瓦时,要注意我们储能要的连3亿千瓦时都不要,所以我们储能所需要的电池的量跟电动汽车比大概差一个数,那就是1/10,对储能就够了。

同时我们从整个需求来看,实际上我们2025年从电动车的角度,也就是10亿千瓦时就够了。我们总的产能规模现在占了全球70%,是全球最大规模的,而且我们的质量也是位居前列的。

所以随着我们规模的上升,我们的车用动力电池的成本也将会不断的下降,寿命也会不断的提升。比如说我们现在的储能电池循环寿命大概是在5000次到8000次,我们五年之后,我相信超过循环寿命1万次是非常容易的,未来循环寿命可能会到15000次也是完全做得到的。所以随着寿命的上升,其实对于单次储能的成本当然也是下降的 。

06 制造锂离子电池的资源有充分保障

当然大家会担心一个问题:这个材料够吗?最近碳酸锂不是价格猛涨,涨了十倍, 从过去的4万多涨到了40多万。这个问题实际上是一个由于近期产能大规模上升,所以导致的一个近期的波动,并不代表长期的趋势。

从资源的角度看,我们资源是足够的,而且我们新发现的资源还在不断地提升。2020年相比2015年,我们可采资源的探明储量提升了四倍,下面还会继续提升。如果按照目前的资源,我们可以做多少电池呢?我们可以做2270亿千瓦时的电池,如果做电动车,一辆车100度电,我们也可以做22亿辆,这是足够的,我们其实总体看资源是有保障的。当然供应的安全、偶尔的波动也是我们需要关注的问题,这是国家将来的材料安全必须采取措施的地方。

07 避免电池事故,要靠技术水平与安全规范

锂离子电池是一个非常好的储能装置,用途很广,性能也很优异,但是它有一个问题,那就是它会出现热安全安全事故。电池热安全事故的一个共性特征,我们叫电池热失控。电池需要在一个正常的温度范围内才能进行正常的充放电,一般来讲 这个温度范围是零下二三十度到零上三五十度,超过这个一般来说就有风险。到了多少度会出现问题呢?一般来说,接近100摄氏度的时候就会开始有一些非正常的副反应。国家监控平台是对电动汽车安全全监控的,从这几年的数据来看,发生事故的概率大概是万分之0.5。其实这个跟传统车——燃油车烧车事故是大体相当的。

相反,我们电动车实际上是比较简单的,反倒是死亡的人数比较多。统计表明, 2021年发生了1.8万起的事故,死亡了57人,伤了157人 。这个问题形成了一个社会关注的热点问题,是政府重点抓的一件事情。

那么从技术角度来讲就说明技术水平、安全规范是起决定作用的。至于集中式储能电站,它的电池容量的规模就是非常大的,一般都在1万度电以上,我们对储能电站要有更好的技术水平,更完善的技术保障体系才能防止它的事故发生。

08 三大“法宝”保障储能电站的安全

对于储能电站的应用安全性怎么解决呢?

我们主要有三条途径,一个就是针对在使用过程中的各种各样的诱因,比如说过充慢慢电池中间有一些颗粒,会造成内短路,热管理系统不好,过热了,比方说夏天一般烧车的事故会增加。对于这样一些问题,我们要通过主动监控预警的方式来发现它,这就叫主动安全技术。

第二个我们本质安全就是电池本身的安全性要好,要从电池的正负极材料的选择、电解液的选择、隔膜的选择以及整个设计制造过程来保证它。

第三个就是一旦我们本质安全出了点问题,由于各种诱因它没扛住,就像我们人一样它感染了,那怎么办呢?我们最好不要让它传染,电池系统是由很多个电池组成的,那么最好不能让它蔓延,这是最后一招来阻断他的蔓延,保证你就算是有诱因 就算是有一个电池发生的问题,但是整个系统没问题,这就要靠我们的隔热散热 还有消防来解决。(这就是被动安全技术)

09 电动汽车能变成电网的充电宝

我们一般的时候是电网给车充电,我们现在也可以用车给电网充电,把车变成电网的充电宝,这不就双向了吗?也就是说,这个车既可以充电又可以往回放电,这就叫车网互动。比如说大家都在下班的时候六点钟来充电,那这电网是受不了的,但如果我们后半夜充电,我们反倒是把后半夜那个波谷给它填了,而我们的波峰还没有,所以这就叫削峰填谷。这个还不是车网互动,只是有序充电,也就是我们用一个后台来调度大家充电,我们叫广义的车网互动,有序充电到车网互动,有序叫V1G单向的,车网互动是叫V2G双向的。

10 车网互动能为多方赢得收益

那么我们还可以扩展到什么呢?就是车跟车充电,车跟房子、车跟建筑、车跟微网 都可以互动,不一定非要只是跟大电网互动,所以这个灵活性非常非常的大,我们这个用户是有收益的,而且可以创造很多就业机会。大家这么多车,他要聚合起来 有很多人会办这个公司。而且政府也可以参与建立后台,国家电网也会参与调动,大家都有收益。

那我们比较一下我们电动汽车储能,跟前面说到的像现在的这种固定式储能电站相比有什么特点呢?第一成本低,我们电动车本来就是买来的,已经是买了出了钱的;第二呢风险低,因为我们电动车的安全事故不会有特别大的事故,因为它电池比较少,当然技术难度有提高。

大家会疑问呢?我这个车又开车又储能,那个电池就废了对吧,实际上,我们现在的电池寿命是富余的。如果每次满电跑500公里的电动车,你要是1000次(满充满放)循环的寿命,你能开多少呢?50万公里。你要2000次的循环寿命,100万公里。而一般来讲,私家车一年也就开1万多公里,我们十年,也就是一二十万公里,所以我们电池的寿命是富余的。

另外我们90%的时间车都是停着的,所以在90%这个时间是可以用来进行车网互动赚取收益的。我们一辆车的力量是很小的,如果把所有的车合起来就大了。

11 2030年后车网互动储能总量将超过储能电站

我们现在预计2040年,中国大概会有三亿辆电动车,如果每辆车平均是65度电,那3亿辆车是200亿度电,我们车上可以装200亿度电。200亿度电是什么概念?我们今天全国每天的用电量就是200亿度,也就是说我们车上电池能装的电够我们全国用一天。当然了,我们并不能把所有这些拿过来出来,但至少一半是可也就是100亿度这也很大很大了,100亿度已经是我们现在储能,当前来看那是几十倍。

另外,从调节功率来看,如果每个充电桩15个千瓦,那么最后就会有30亿千瓦。30亿千瓦什么概念?我们2040年的非化石能源装机的一半,大概也就是30亿千瓦,这个也是足够大的。关键是我们怎么把它能够聚合起来,那么大家会问,这玩意好不好装进去啊?其实很好装,我们现在的国家标准、规范都有,那也就是电动汽车接入电网,参与能量互动已经具备良好的电网硬件基础和设计方法。

大家会说这个成本多少啊?其实成本并不高,只是把充电桩由单向变成双向就可以了,所以其他都是软件升级。2030年之前,我们预测储能电站还是一个主体,在总量上一定会比车网互动要多,因为车网互动我们还需要一个发展的时期。那么到2030年的之后,首先是我们电动车的数量会极大的增加,另外,我们新基建经过一段时间的发展,它也会发展起来。所以由于它的成本低、安全性好、量大,它在储能中,尤其是我们用户侧储能中占有很大的比例。所以逐步的会在总量上超过储能电站。

12 车网互动离不开电池技术的创新

随着今后的发展,我们还有不断的电池技术的创新,比如说大家现在寄予厚望的固态电池。从固态电池目前的研发看,有三种技术路线,氧化物、硫化物和聚合物。硫化物是我们车用全固态电池的主要选择。因为硫化物是在中间离子导电率最好的一种电解质,现在还有很多的技术难题需要克服,我们预计到2030年全固态电池占整个电池的量不会超过1%;在2030-2060年,我们现有的锂离子电池仍然会继续发展。

目前用的储能电站的电池,比方说磷酸铁锂电池本身就是一种非常好的低成本、安全、长寿命的电池,所以我们对它也寄予了很大的希望,磷酸铁锂电池是完全中国自主的、不要镍不要钴,仍然是最佳选择之一。

13 除了交通,氢储能还有更广阔的的应用

我们现在基本上都是纯电路轿车,那么燃料电池轿车会不会来取代它呢?我个人的观点还会是纯电动轿车是轿车的主体,燃料电池轿车要想取代是有难度的,关键的是使用的成本和方便性。因为我们纯电路轿车已经能满足轿车所有的需求,成本很低、直接用电。你用氢,如果用可再生能源制氢,能源利用效率只有25%,但是我用电我们可能是75%,这两者就差别非常大。

那么这种差别就会导致成本的增加,另外加氢的方便性跟充电比的话,大家可能觉得现在充电不是很方便,我相信今后充电会越来越方便,比大家加油还方便。至于我们的寿命,我们的续航,这已经都不是问题。

当然,燃料电池在轿车上不一定是最好的选择,并不等于其他方面也不行,我们将来远洋货轮,它一定是用氢的,我们的飞机也是会用氢燃料,另外我们还有重型卡车,还有很多无人机也都是它好的应用方面。

所以我们看氢能以前都局限在交通,事实上,氢能是一个更大的概念,不仅仅是交通,氢能交通只是氢能的先导,燃料电池轿车只是氢能交通的先驱,所以我们一定要搞清楚,这是一个氢能战略,是一个大战略。

14 氢生产成本比电高,储存成本比电低

氢储能也是一种非常重要的长周期大规模储能方式,那么这里的关键我们前面说了还是成本,氢经济性不是很好,电是直接就储了。你这个氢还要电电解水制成氢,效率大打折扣。但是我们要记住,氢能讲究的或者说可再生能源讲究的是全链条经济性,包括制备、储运、运输、加充、使用全链条。

发电我们是生产的成本低,但是我们储电的成本是高的,比如说我们1公斤氢可以储33度电,就算你电池储1度电500块钱,你储33度电也得15000块钱了,但是我们储1公斤氢, 如果在地上储,那1000块钱都不要,所以它储能的成本只是储电的1/10不到。电池不能长期储能,因为它有自放电,也不能大规模储能,因为储能电池的成本太高,所以在电池不适合的这些地方,氢能就有它的优势。

因为我们储能有高频的、有低频的,有小功率、有大功率,有短周期、有长周期,不同的应用场合,需要不同的储能方式,电池和氢能正好互补,形成一个主流的储能方式。而其他的各种储能方式,会跟他配合互补,形成我们总的一个储能生态。

15 多种氢储能储运方式各显神通

我们有各种各样的氢能的储运技术,比如说西部过来的长距离几千公里,一个靠管道,另外一个我们也可以用特高压先输电,输完电到东部再制成氢,也是可以的。因为我们现在特高压输电1000公里每度电只要几分钱,它是很便宜的。我们贵的是配电网比较贵,这个特高压长途输电是比较便宜的,所以我们在特高压下到配电网的时候,在那个地方制氢,其实是有竞争性的。

当然,我们还有其他的方式,比如说我们把它变成液氨,液氨什么东西?我想大家都明白,我们很多县里面都有化肥厂,它就是用氨水做的嘛,味道不太好闻,但是呢,它整个的基础设施、制作方法都是成熟的,它最大的优点就是储氢密度极高 。高达什么程度呢?大家知道,丰田的燃料电池轿车用的700个大气压的氢瓶。100公斤的瓶子储多少氢呢?5公斤氢如果我们把它变成液氨,100公斤可以处17 .8公斤氢,所以它有绝对的储氢密度的优势,而且运输便利、产业技术好,使用方式灵活。

16 氢燃料代替煤,让火电厂实现低碳排放

我们最后要把它用于发电来完成从电到氢,再从氢回到电,把电多余的存起来,电少的时候,我们再放回去,这就叫储能。那么我们怎么放回去呢?我们可以用各种方式发电发回去,我们也可以把它制成氨水到煤电厂,但知道我们说碳中和并不一定是要把火电厂消灭,我们是要把碳减下来,比方说火电厂,现在很多火电厂它都是热电联供的,关键的问题它的燃料是煤,你可以把碳捕捉下来,你也可以把煤,变成氨或者氢,它就不会碳排放了。所以这也是一种将来我们火电厂改造的方式 。

17 人人都是能源的消费者,也是能源的生产者

在未来中国的电力和储能市场,会出现新的业态,那就是人人都是能源的消费者,也同时是能源的生产者。比方说用电动汽车储能,充电的时候要花钱,放电的时候要赚钱,花钱的时候我用低价的电,那么我卖电的时候是高价卖电,这样来赚出收益,这就是未来的能源生态圈。

大家会说你究竟怎么运营?各式各家的,我们这是一个运营的模式,就是从上自下,我们电网公司会有调度来进行指令下达,下达之后,我们有很多个聚合商会响应这个指令来进行聚合,那么我们物业的综合体就取电售电,最后到我们各个车主 分成的网络。

再打一个比方,我们怎么聚合呢?相当于开一个炒电的股市,或者说炒电的期货,那就是我们每一个车主都是散户,你可以开户,而我们的聚合商来撮合这个供需 。你就入市交易,就跟卖股票一样,逢低买、逢高卖,我买那就是充电,我卖就是放电,这实际上跟我们炒股是一样的。

我们要方便的实施,我们需要建立集能源互联网的全国虚拟电厂,我们把它聚合起来相当于是一个聚沙成塔的过程。该什么情况下卖、什么情况要买,不需要你天天来干这个事,你只需要把这些想法规则告诉它,会自动的进行,不需要你做太多的事情。所以我们将分布式的电力交易会完全的市场化来进行实时的交易。那么,在这种情况下,我们预计会形成万亿级的车网互动的智慧能源的市场规模。

18 加强关键技术研发,让储能从配角变成主角

我作一个储能市场发展的综合建议:首先,我们要明确主流储能技术的战略地位,是实现碳中和的关键之一;第二我们要明确储能在新能源中间的角色定位;第三就是要加强储能相关的关键技术研发;第四就是建设车网互动V2X的基础设施;最后就是要健全多层次统一电力市场体系。

我想我们最终的愿景就是迎接第三次能源革命和第四次工业革命,就是绿色化和智能化。谢谢各位!
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