可再生能源電力如何“用得穩(wěn)”

中國社會科學院大學(研究生院)國際能源安全研究中心與社會科學文獻出版社日前發(fā)布的《世界能源藍皮書：世界能源發(fā)展報告(2024)》顯示，2023年，中國可再生能源新增裝機3.7億千瓦，占全國新增發(fā)電裝機容量的82.7%，繼續(xù)保持電力新增裝機的主力軍地位。

然而，可再生能源裝機容量上去了，消費比例還沒有完全跟上。“從能源消費的比例看，可再生能源的消費只占總量的19%左右。”在近日召開的香山科學會議第771次學術討論會上，中國工程院院士、中國科學院大連化學物理研究所所長劉中民說，要縮小裝機容量與消費比例之間的差距，關鍵在于通過解決關鍵科技問題推動能源結構調整。

中國工程院院士、蘇州實驗室主任徐南平認為，通過低碳、零碳、負碳關鍵材料與技術創(chuàng)新，構建綠色能源與工業(yè)體系、優(yōu)化產業(yè)結構，才能擺脫經(jīng)濟發(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比例？與會專家結合案例對此展開了深入研討。

長時儲能是關鍵

可再生能源具有間歇性、波動性和季節(jié)性等特性，“時有時無”的不穩(wěn)定性降低了其利用率。儲能技術就像“能量銀行”，在發(fā)電多時將電力儲存起來，發(fā)電少或者需要用電時再釋放出來。推動儲能技術不斷發(fā)展，是提高可再生能源消費比例的關鍵途徑。

劉中民認為，我國在短時高頻、中短時長儲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空間。

當前，鋰離子電池、鉛酸電池等技術已經(jīng)較為成熟，但儲能成本較高，導致可再生能源發(fā)電成本大幅提升。在長時低頻儲能領域，傳統(tǒng)的抽水儲能方式只能滿足大規(guī)模儲能的部分要求。而氫能、甲醇等化學儲能具有物質和能量的雙重屬性，可以為長時儲能提供一種可行路徑。劉中民說，將可再生能源發(fā)出的電力儲存在氫能中，不僅能滿足生產供能的需求，還能作為原料使用。

與會專家認為，利用可再生能源制取的綠氫能實現(xiàn)全過程無碳化，將成為難脫碳行業(yè)實現(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，副產物氧氣還能用于其他工藝流程。然而，氫能的產生、利用、儲存是一個系統(tǒng)工程，目前成本仍然較高。未來，氫能發(fā)展和應用需要相關政策引導和關鍵核心技術的突破。

此外，液流電池等其他電化學儲能方式也值得關注。液流電池的原理就像用水壺燒水一樣，不過液流電池里“燒”的不是水，而是兩種特殊的液體——正極液和負極液。這兩種液體被分開存放在電池外的罐子里，需要用電時，它們在泵的作用下流入電池，發(fā)生電化學反應，把化學能轉化成電能。不需要用電時，電池又可以把電能轉化成化學能，儲存回這兩種液體里。中國科學院大連化學物理研究所相關團隊在鋅溴液流電池研究方面取得積極進展，解決了傳統(tǒng)電池在低溫條件下易發(fā)生相變、運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

與會專家認為，提高可再生能源利用率的發(fā)力點可歸納為“三高一低”：提高轉換效率、提高供給質量、提高替代比例、降低應用成本。材料革新有望同時達到以上目標。

“材料的突破有望引發(fā)重大裝備升級和行業(yè)產業(yè)變革。”在徐南平看來，為突破現(xiàn)有技術瓶頸，應關注鈣鈦礦光伏材料、電解質膜材料和固態(tài)電解質材料等，解決鈣鈦礦及疊層光伏電池、液流電池和固態(tài)電池技術中關鍵材料性能不高、耐久性不足等問題，為實現(xiàn)能源系統(tǒng)低碳轉型提供材料物質基礎。

例如，得益于發(fā)電材料的突破，鈣鈦礦光伏的光電轉化效率得到大幅提升。然而，當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。

推動綠氫廣泛應用的關鍵也在于核心材料的突破。當前商業(yè)上廣泛應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。質子交換膜電解水制氫技術雖然先進，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具有電解效率高等優(yōu)勢，可利用固體氧化物作為電解質，有效電解水或其他化合物，實現(xiàn)電能的轉化和存儲。

“固態(tài)電解槽電解水制氫的電解效率可達90%以上，但電堆材料在高溫操作時穩(wěn)定性差，導致壽命不足。”徐南平說，將反應溫度從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業(yè)化的必經(jīng)之路。

通過材料創(chuàng)新，蘇州實驗室開發(fā)出固體氧化物電解質和低溫氧電極，能使固態(tài)電解槽在650攝氏度以下完成電解水工作，目前已實現(xiàn)5萬小時使用壽命的突破。相關生產線和測試平臺等建設正在加緊推進。

柔性技術是支撐

技術創(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、儲能等領域的技術突破，可再生能源能夠提供更高效、更穩(wěn)定的電力；另一方面，技術創(chuàng)新可以增強傳統(tǒng)能源的靈活性，使其具備與可再生能源“此消彼長”的互補調節(jié)能力，共同維護電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

中國工程院院士湯廣福預測，風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。為順應這一變化，現(xiàn)有電網(wǎng)應進行系統(tǒng)性重構、結構性重塑。

“我們提出讓煤電具備氣電的特性。”湯廣福解釋，燃煤發(fā)電機組頻繁啟停存在安全隱患。氣電則不同，它啟動速度快，從冷態(tài)啟動到滿負載僅需幾十秒鐘，能夠快速響應電力需求。

煤電靈活性改造旨在提升煤電的調峰、調頻能力，使其更好適應新能源的隨機性和波動性。湯廣福說，攻克靈活燃煤技術，可以讓煤電接近氣電特性，實現(xiàn)新能源的規(guī)模化置換。靈活柔性的燃煤發(fā)電技術能確保波動性新能源“用得穩(wěn)”。

國家能源局發(fā)布的《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍皮書》也提出，柔性靈活是構建新型電力系統(tǒng)的重要支撐。新型電力系統(tǒng)中，不同類型機組的靈活發(fā)電技術、不同時間尺度與規(guī)模的靈活儲能技術、柔性交直流等新型輸電技術廣泛應用，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)的構建、運行與控制理論新體系，突破裝備核心器件、基礎材料和關鍵軟件等技術，可進一步提升電網(wǎng)柔性傳輸及系統(tǒng)調控能力。

“未來的能源系統(tǒng)，應該是低碳化、智能化、骨干網(wǎng)與分布式能源相結合的系統(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構。

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