加拿大工程院院士、理士国际首席科学家张久俊:太阳能发展关键看储能

  • 2017年12月08日
  • 作者: 肖蓓
    肖蓓

    肖蓓

    大中华区高级编辑,Solar Media Limited 旗下 PV-Tech China

    肖蓓于2012年2月加入PV-Tech,担任驻大中华区编辑。肖蓓毕业于湖南商学院,并获得了传媒广告专业文学学士学位。曾就职于中国家族传媒集团《家族商业评论》,2010年加入大美国际资讯《光伏信息》报,先后负责中国华南、华东片区的新闻报道工作,多次策划并报道行业热点新闻,两年期间发表10多篇光伏产业新闻专题及30多篇深度新闻专题,共计逾25万字。其精华新闻报道收录于其个人博客,截至目前已受到业内近万人点击交流。在此期间,肖蓓走访了广东、湖南、成都、湖北、江苏、上海、陕西等地60多家光伏企业,涉及多晶硅、太阳能电池、组件、系统集成、设备、认证等领域,同时与广东、湖南、上海太阳能协会及科研院所专家保持着友好交流。肖蓓关注太阳能行业的新闻与未来走向,看好光伏产业并打算长期关注其发展。

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太阳能转换电能预测

太阳能转换电能预测

加拿大工程院院士、理士国际首席科学家张久俊分享《太阳能电存储及其相关的电化学能源技术》

加拿大工程院院士、理士国际首席科学家张久俊分享《太阳能电存储及其相关的电化学能源技术》

2017年12月8日,加拿大工程院院士、理士国际首席科学家张久俊在深圳Solar plus国际高峰论坛暨第12届新能源科技年会上做了《太阳能电存储及其相关的电化学能源技术》的主题分享。以下是会议实录:

2016年太阳能领域投资达4420亿

目前,新能源的发展具有两大驱动动力,第一,人类的发展以及可持续性必须有能源,并且必须是新能源、清洁能源。第二,人类要可持续发展,必须有清洁的环境。太阳能取之不尽、用之不竭,作为新能源具有天然和无与伦比的优势。

为什么要发展新能源?实际上这个背后有两大驱动力,第一个驱动力是人类的发展以及可持续性必须有能源,并且还是新能源、清洁能源。第二,人类要可持续发展,必须有一个清洁的环境,现在很多城市的空气污染这么严重,这是不行的,我们的水质也被污染得很严重,这是不可持续发展的。所以有两大驱动力,使得目前地球上的人类要发展新能源。

能源到底有哪些呢?这里列出了两大类能源,第一类是Renewable Energy,也就是清洁能源或者是可持续能源,包括水力发电、太阳能、生物能、风能、地热能等。第二类是Fossil Energy,这是不可再生能源,用一点就少一点,包括天然气、石油、核能。

假如我们发展新能源,首先是太阳能,我们来看太阳能是什么样的情况,这里列出的是在世界上不同范围、不同区域从2011年到2040年太阳能产生电能的预测。我们可以看到到2040年,地球上的太阳能发出的电,每年有1万亿度电,相当于三峡电站发电量的10—12倍。

目前整体太阳能转换的效率还有待提高,我们目前用的太阳能板大概是18%-23%的转化效率,当然有的实验室能做到更高。

2016年全球研发可再生能源技术的投资规模非常大,包括太阳能、风能、生物能。在太阳能领域的投资达到4420亿元人民币,这是非常大的一个数。中国的太阳能目前占全世界太阳能的40%。

我们再看看新能源目前到底占到我们总体使用能源的多少,这里我列出了几种,这里我们可以看到目前烧的能源26%是天然气,36%是石油,8%是核能,其中太阳能占20%,可持续能源只占9%。是很小的一部分。目前我们的太阳能只占整体能源里面的2%,所以这是很小的一部分。

我们知道太阳能是可持续能源,为什么发展还这么慢?我们可以看到这里有几个大的挑战,第一个挑战,太阳能或者风能是不稳定的,比如说在有太阳的时候它可以发电,没太阳的时候就发得很少,光强不一样,它发的电不是很平滑的,不像传统能源的发电,产生的电都是一样的,太阳能发电随着时间变化,就像一个噪音一样,假如你不把它弄平滑,它就是一个废电。这是一点,它不稳定,可靠性不足。第二个挑战是电的分配、运输也很困难。第三个挑战,由于前面的两个问题,这个电往大电网配的时候,如果不平滑,他不让你往里面放。第四个挑战,太阳能电站的投资很大,投资回报率比较低,投资回报的时间比较长。

为了克服这四点,我们就必须发展一个储能的技术,把太阳能、风能发的瞬间的能源变成一种能源储存起来,在用的时候再放出去。只有这样才能有一个平滑的电能往里面输。所以必须要发展储能,储能是目前太阳能领域或者风能领域必须要发展的。

选择哪一种储能方式?

目前有哪些储能技术呢?这里列了几种,第一种是电化学储能,手机里的锂离子电池就是这种储能方式。铅酸电池、锂电池,这都叫电化学技术,把太阳能发电打进电池储备起来,需要电的时候再放出去,这样放出去就是很平稳的。第二种是fly wheels,这个就不多讲了,第三是压缩空气,把空气压到地底下很深的地方,用的时候把它放出来,用机械能发电,当然这个效率很低。第四是水电站里面不需要电的时候,还要放水,把这个水通过发的电抽到一个子水库里面,再需要电的时候再发电。在这些方式里面,电化学储能是最可靠的方式,并且是最有效的方式。

我们看看电化学储能有哪些方式,我列出了大概10种,实际上不限于这10种,包括有锂电池、铅酸电池、燃料电池、电解水等等,这些都属于电化学储能的电池。在大电网里面,未来的智能电网方面,电池要变成一个最核心的单位。现在在发展微电网,这里面的电化学元件就更加重要了。

这是我在过去10年和我的博士后、老师、朋友、同事在一块出的书,这些书里面都把所有的电化学能源包括进去了,每一本书都涵盖一种技术,大家如果感兴趣的话,可以上网看一下,大概有20多本书。

我下面就详细地给大家讨论一下各种电池的优越性,以及它存在的问题。第一个是目前发展前沿的,但是还没有商品化的,就是液铝电池,它把电能储存在电解质里面,它可以任意扩大它的电解质,电化学的活性物质在电解质里面,不是在电池里面,所以它就有这样的优势。它目前的发展也是非常快,在这方面的研究方向主要是发展新的材料,包括电解质材料、电极材料、膜材料,增加它的能量密度,增加它的寿命,然后把这个系统要进行优化,降低材料的价格,这是液铝电池。

第二个是铝离子电池。现在很多汽车不能用的铝离子电池,至少还有百分之七八十用于储能。铝离子电池的优势就是能量密度和功用密度都很高,它的寿命对于储能来说也相当不错,但是它也有它的问题,如果在汽车里面用,它的寿命显得不够长,另外一个就是它的安全问题,目前我们用的是液体的铝离子电池,所以这里边用的是液体电解质,我们在做的时候,尤其在大电流放电的时候可能产生高热,假如这个热散不出去,它就会烧掉或者是爆炸。尤其是我们现在要发展三元体系,三元体系的活性很高,任何东西活性太高,它的稳定性就差。目前它的应用最多的就是在新能源汽车上,当然在储能上现在也有很多在用。主要的研究方向,现在铝离子电池的能量密度已经达到了一个瓶颈,怎么样增加它的能量密度,怎么样增加它的寿命,还需要进一步发展新材料,以及对电极层的优化,这是铝离子电池。

这是我们做的一些铝离子电池方面的工作,合成了一些纳米材料,作为铝离子电池的阴极材料。

第三种是铅酸电池,这个电池是理士国际目前主要的业务,铅酸电池目前看来是最可靠的,最能商品化的储能,大规模、中规模、小规模都比较可靠,这个铅酸电池有几个好处,第一是便宜,我们现在发展任何电池都没有铅酸电池便宜,第二是安全性,它比铝离子电池安全多了,你没有听说过那个铅酸电池着火或者爆炸的情况,铝离子电池往地上摔了之后,说不定会爆炸,但是铅酸电池怎么摔都不会爆炸,所以它很安全。第三是铅酸电池总体的材料可以完全回收,电池损耗以后,我可以把里面的材料全部拿回来再利用,这个优势是其它电池做不到的。

所以铅酸电池是目前在储能里面,尤其在新能源储存里面最成功、最可靠的方式。我们在发展新能源储能的时候要发展铅酸电池,铅酸电池怎么发展呢?目前有几个方面,它的能量密度还不够高,所以第一个是要于是电极组份,活性组份优化,添加一些碳等等,第二是要让它轻量化,减少铅的用量,把铅网变成碳网。第三是去掉一个电极,有这样三个铅酸电池的研究方向。铅酸电池假如能够达到能量密度在80左右,我们就可以取代很多的电池。

另外一个是超级电容器,这也是一种储能方式,我们都听说过超级电容器,它的最大优点就是充放电时间特别快,在秒级就可以放完,它的功率密度非常高,但了能量密度很低,所以超级电容器也要发展,一个是利用它的寿命差,第二个是它的工业密度高,可以用来提高它的能量密度。

另外一个方向是电解水,用太阳能发出的电,把水分解变成氢气,氢气本身就是一个能源的携带者,我们在用的时候把氢气通过燃料电池转变成电,这样就达到一个储能的目标。但是目前它的能量效率相对比较低,技术还是相对比较成熟的,所以这个目前也是一个发展储能的热点。

另外我再说说二氧化碳和电化学还原,现在我们二氧化碳排了很多,能不能把二氧化碳通过电化学的方法,通上电,转变成有用的小分子,转变成甲酸、甲醇等等,这样来达到一个储能的效果,并且又达到一个减少二氧化碳排放的目的。加拿大目前也在做很多这方面的工作,目前面临的挑战就是催化剂的寿命很短,现在这方面也是我们研究的热点,也是中国科技部目前资助的研究。这方面是有长远战略前景的方法。

储能市场到底有多大?

目前储能到底有多大的市场规模?我们这里列出了几个,一个是液铝电池,然后是铝离子电池,还有铅酸电池和超级电容器,我们可以看到到2025年,整体的市场的情况,液铝电池大概会达到38亿美金,铝离子电池可以达到260亿美金的市场,铅酸电池的市场还是最大的,可以达到将近400亿美金的市场,超级电容器相对要小一些,但是和液铝电池差不多。

所以我们用太阳能储能这样一个市场是潜力巨大的,所以我们不光要发展太阳能,还要发展储能,要把储能发展起来。

(责任编辑:肖蓓)

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