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我们花了十年研制出两个大“酱油瓶”,结果日本美国着急了

作者:中国储能网新闻中心 来源:SELF格致论道讲坛 发布时间:2018-12-23 浏览:
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中国储能网讯:谈到清洁能源,如风能、太阳能等,大家都不会感到陌生。可是为什么这么好的可再生清洁能源迟迟没能大规模投入使用呢?风是会停的,太阳是会落山的,这种能源的不稳定性一直以来都在困扰着科学家。张洪章研究员所在的团队将风能、太阳能与液流储能电池相结合,致力于实现绿色环保的可持续发展。今天,SELF讲坛带您走进新能源的世界。

张洪章

中国科学院大连化学物理研究所研究员

以下内容为张洪章演讲实录:

亲爱的观众朋友们,大家下午好。我是大连化物所的张洪章,我是做电池研究的。

不知道大家是否听过一个心理学研究:男人一天要说够3000个字,女人一天要说够8000个字,这样才能保持各自生理上的愉悦。基本上每个男人在白天工作的时候就说够了3000个字,晚上就想着休息。而女人还有5000个字没有说呢,这就是很多悲剧的起源了。

我在中科院做化学研究已经10年了,我一开始每天能说3000个字,后来我发现只能说1000字了,所以我的压力非常大。

面对现场1000多位观众,我心里还是有一点紧张。不过,我一定要利用机会,把自己的3000字说完。跟大家透露一下,有可能今天是我过去10年中说话最多的一天。接来下,我就把这10年来所做的工作跟大家做一个介绍,主要与风能和太阳能有关。

2008年我考上了中科院大连化物所,当时是冲着大连化物所的燃料电池技术去的。这种电池非常好,可以给我们带来绿水青山。

那一年,我们要在北京进行一次集中的学习。2008年北京的天空被称作“奥运蓝”,天特别好。但是2009年我们从北京回到大连,北京的同事们就开始抱怨:“你们走的真是时候,我们这边已经被雾霾包围了。”你看,我们大连总是碧海蓝天,跟丹东一样,都是全国可以排进前十名的宜居城市。尽管如此,在冬季采暖的时候也有几天是雾霾天。

可以这样说,一方水土养育一方人,一方雾霾养育了一方的青年。特别是00后、10后,基本上是在城市里吃着雾霾长大的。雾霾的产生原因有很多,对我们每个人来说也很重要。

为什么这么说?人类要想发展必须要有能源。从19世纪到现在,全球的人口大概翻了三倍。之所以我们能养活这么多人,就是因为我们有源源不断的衣食住行的供应,其中能源是很基础的一部分。

第一次工业革命的基础是蒸汽机,它的能源是煤炭。第二次工业革命的基础是内燃机和发电机,它的主要能源是石油。这两种能源在燃烧的过程中都会产生雾霾,产生PM2.5。

现在,我们进入了新的时代。第三次工业革命正在发生,以智能制造、互联网、大数据为代表的新技术快速发展,支撑其发展的能源是清洁能源,包括太阳能、风电等。

大家可能觉得生活中太阳能和风能发电机随处可见,因为中国现在的太阳能和风能发电机的装机容量已经达到了世界第一。但我想引用吴承恩在《西游记》里面的一些描述,在书中风能和太阳能其实是由风神、雨神、雷公、电母还有太阳星神一起来控制的。他们没有末位淘汰制,没有考核,所以,这些神仙上下班的时间也不是很固定。

做气象预测的同事跟我说,经常要替他们的不负责任背黑锅。今天早上,丹东的天气还好好的,不过一会儿就阴天了,还下起了雨。如果是用太阳能发电的话,大家现在就会陷入一片黑暗。

现在大家还体会不到这一点,因为风能和太阳能目前在能源的比例中还不到10%。假设有一天风能和太阳能所占的比例超过了50%,如果城市里面停电几分钟,便会造成很严重的事故。

下图红色曲线是风电厂发电输出的情况,这是沈阳风电厂非常典型的曲线。大家可以看到,在一天几个小时之内,曲线的波动很不规律,因此我们的风电厂需要弃掉一部分电能。有些地区,例如三北的一些地区,弃风量甚至可以达到40%,严重浪费能源,也不利于风能和太阳能的发展。

但是,如果我们用蓝色的曲线表示电池,与风电进行匹配,把风电储存起来,然后再跟风电相匹配进行输出,就可以得到一条绿色的较平滑的输出曲线,更好地实现风能的输出。这样我们就实现了对太阳能和风能的驾驭。

总之,我们所做的研究就是做一个大型的储能电站,把风和太阳的能量储存起来。就像我们存压岁钱和零钱一样,在需要的时候再拿出来用,这样就可以避免风能和太阳能的不连续、不稳定,以及给电网带来不可控的冲击。

2009年我回到大连化物所的时候,由于储能技术的发展非常快,我的导师张华民老师跟我说:“你要换课题。”我说:“张老师,我听您的,换什么课题?”张老师说:“储能。”我说:“好啊,换哪个储能技术?”张老师说:“液流。”我说:“好啊张老师,换哪个液流电池技术?”张老师说:“全钒。”于是,我就开始了做全钒液流储能电池。

后来我想了想,我之所以说话字数越来越少,好像跟张老师的言简意赅也有很大关系。我想,换了在座的各位,如果是跟张老师对话,也会这样刨根问底地问下去。因为储能的技术实在是太多了,有物理储能、电磁储能、化学储能,仅我们研究的化学储能,就有很多种电池技术。

大家都知道哪些电池呢?像激光笔、话筒,一般使用干电池。我们的手机、笔记本电脑用的是锂电池。墙上的安全指示牌一般用铅酸电池。可惜这个场地里唯独没有我研究的全钒液流电池,我感到有一点小小的遗憾,但这是有原因的,大家看一看全钒液流电池的尊容就知道了。

它又大又丑,带着两个大罐子,前面是一个像方块一样的东西。曾经一位大妈跟我说:“你研究的这个东西,这两个罐子不错,用来腌咸菜挺好。”旁边一位大爷接着说:“不光腌咸菜,用来晒酱油也挺好。酱油晒足180天,晒出美味晒出鲜。”我说:“其实二老说的都挺好,都挺对。”这个电池确实跟他们说的液体有关系,不过罐子里装的不是酱油。

装的是什么?装的是钒离子的水溶液。钒有4种价态,2、3、4、5价,通过它们价态的变化可以实现电能和化学能的转变。大家从示意图中可以看到,电解液从罐子里流到电池里,然后再回到罐子里,在电池内部发生电化学反应,完成充电和放电。钒的4种价态,分别有紫色、绿色、蓝色、黄色4种颜色,四季分明,是我见过的电池里面最漂亮的一种。

这种电池是谁发明的呢?说起来比较遗憾,这种电池最早是美国人提出的概念,澳大利亚人提出的电池技术,日本人和加拿大人做出的系统。我们中国人做了什么?我们的目标是努力的发展自己的技术,现在有了我们自己的产品。

如果用液流电池给手机充电,大家得背上两罐“酱油”,也就是电解液。这其实是不可行的。有人说,你们科学家脑子进水了吗?让这种又大又笨的电池给风能和太阳能做储能。我想,确实是进水了,但是水没有进到科学家的脑子里,而是进到了电池里边。

电池里面所有的活性物质都溶解在水里,想点燃它是不可能的。它不像其他的电池,有些电池很容易着火,燃烧三天三夜都不能熄灭,用一般的水无法扑灭。就像红孩儿的三味真火,只能眼睁睁地看它自己燃尽。这样的电池对周围的环境造成了很大的安全隐患。所以,对于大规模储能来说,特别是风能、太阳能的储能,首先要考虑的就是安全性。

我们的全钒液流电池虽然又大又丑,但它很温柔,对环境没有危害,电解液储藏在罐子里,把那个像酱油一样的液体抽出来,可以百分之百回收。不像之前的一些电池,废弃之后散布到田间地头,对我们的饮食、饮水都造成了很大的危害。

另外,虽然全钒液流电池的体积很大,但相对于它的应用场合——风电厂和太阳能电厂来说,那只是冰山一角。下图展示的是2012年我们在沈阳建的储能电站,它是5兆瓦时/10兆瓦时的电站。这是电厂的外景。

下图是内部的情况。左上角是一个电堆,几个大罐子是电解液罐,里面存的是电解液,还有它的电力控制系统。电池的占地面积跟我们所处的现场大厅差不多大,图上还展示了电池内部的结构,里面包括电解液的控制区、核心的电堆以及电力电子控制区,这是一个多学科交叉的领域。

下图是它的电堆,在电堆里面包括电池所有的部件,正极、负极、隔膜……把这些叠加起来,然后串联,就得到了我们的电池。

中国人研究全钒液流电池,其实费了千辛万苦。2000年左右,我们想做全钒液流电池,于是给日本和加拿大做得比较好的一个团队发邮件,想参观一下他们的技术。当时我们得到的是无情的拒绝,甚至连“酱油”储罐都不让我们看。结果,2008年,因为金融危机,加拿大的VRB公司宣布破产,日本的公司宣布暂停研发。当时我们刚刚起步,很多人都质疑我们:日本人有工匠精神,他们都不做了,你们还做这个干什么?赶紧换方向,不要搭上你们的时间和精力了。

当时团队负责人张老师压力很大,后来经过冷静分析,认为这只是一个暂时的状况。为什么这么说?因为风能和太阳能的发展大趋势不可逆转,对大规模储能的需求不可逆转,大规模储能对安全性的需求不可逆转,而全钒液流电池正好是安全的,而且它是性价比非常高的。另外,中国的钒储量是世界前三位的,而日本没有钒资源,他们需要进口,所以说我们有得天独厚的优势。我们只要把关键材料技术突破了,就可以取得成功。

不过,关键材料有很多,有双极板、电解液、电极、隔膜。2008年,我们的公司成立了,当时也有一个很惊人的举动,十几名科研人员放弃了中科院事业编的待遇,进入这家私营企业研究电池,目的就是将其产业化。经过长时间研究,我们把这些关键材料逐步实现了产业化,心里很安慰。

其中比较有代表性的材料是隔膜。之前,隔膜都是大量从美国的公司进口,面积和100元人民币大小相同的隔膜,其购买价格也是100元。它的主要作用是将钒离子和氢离子分开,不让钒离子穿过去。我花了很长时间研究这个膜,结果发现它不光把钒离子挡住了,连我说话的能力也挡住了一部分。这种隔膜很贵,只有这种高附加值的材料,才会带来高附加值的收益。

总结一下,全钒液流电池是一种高性能、长寿命、安全的储能技术,它可以给大规模储能带来很好的稳定性。此外,它不光能用在风能和太阳能的储存上,像给电动车充电的充电站,也可以采用全钒液流电池。

这是张老师家的别墅。他家里有太阳能发电,有一个风机,车库里有一个液流电池的储罐,这样就可以实现住宅的风、光、储一体化,可以满足家里的储电和用电需求。

这是位于大连的一个非常美丽的岛屿——蛇岛,岛上大概有上千种蛇。平时,蛇靠吃岛上的老鼠和小鸟为生。之前,蛇岛都是用柴油发电机来发电的,噪音非常大,成本也很高,而且对鸟的降落有影响,蛇也不容易吃到鸟蛋。蛇岛用了我们的电池之后,可以实现岛上24小时的连续供电,从而方便了人们守护蛇岛。

从2000年在我们大连化物所开始研发全钒液流电池,直到现在已经卖到了全球各地,其中印象比较深刻的是2012年在沈阳法库县建的5兆瓦时/10兆瓦时、当时是全球规模最大的储能电站。当时建电站的人回来跟我说,他们站在冬天沈阳郊区的山岗上,头发蓬乱,但心里面满腔热血,一心要把电站建设起来。后来,这个电站做成的时候引起了很大的轰动。日本重新启动了曾经终止研发的技术,美国也宣布加大力度来支持全钒液流电池的产业化发展,这对我们中国人来说是非常自豪的。

也许有些同学会问:“现在电池技术已经做得很好了,我们作为学生还能做什么呢?”我想,液流电池技术现在只是完成了初步的产业化,后面还有很长的路要走,比如,它的成本怎样进一步降低,它的应用模式怎样进一步扩展,未来在非常广阔的能源市场中,发电端、电网端、用电端都需要各种各样的储能技术,我相信这些技术不是全钒液流电池一种技术能够满足的。我们储能技术研究部还有很多的其他技术正在研发,可能一个很小的创新,就可以帮助你实现“一个亿的小目标”。

这是我们整个储能技术研究团队。我们团队人不多,特点是话也不多,但是做事情做得很多。我也希望年轻人、投资人能够到我们大连化物所的储能技术研究部交流、学习、指导,一起把储能事业做得越来越好。

其实,有些技术不是我们中国做不好,对我们禁运的技术,我们反而做得更好。关键是我们要有信心,把自己深深扎根到自己的实验室,有自己的想法,一点一滴把技术做好。

最后,再次感谢大家。现场来的观众来自各行各业,都是对知识有渴求的朋友,希望我的报告能够让大家有所收获。最后,我也非常高兴地达成了我说3000字的目标。再次感谢大家,谢谢。

关键字:液流电池 储能

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