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开发便宜的大规模储能技术是实现碳中和的关键

发布日期:2022-04-01 17:23:55    浏览次数:

编者按:

“双碳”目标下,能源转型被市场视为下一个风口,但它同时也伴随着新的挑战。在世界迈向清洁能源的转型进程中,能源价格剧烈波动,国际关系因能源和气候政策又起波澜。

在近日爆发的俄乌冲突中,作为能源大国的俄罗斯遭到西方国家严重经济制裁,这导致全球原材料尤其是能源的价格飙升。不止在俄乌冲突时期,能源问题向来与人类活动和经济紧密相随,而且经常出现短缺,能源发展深深地塑造着未来国际格局和气候变化。

3月19日,2022牛津中国论坛正式开幕。今年以“跨界无界”为主题,涵盖6个分论坛:跨学科、海外华人华侨、老龄化、乡村与城市、能源与国际关系、科幻与科技。

在"能源与国际关系"分论坛上,邀请了科技、政策、经济、商业等多领域专家,共同探讨了能源危机与气候变化是如何正在塑造起一种全新的世界格局。澳大利亚国家工程院外籍院士、南方科技大学创新创业学院院长刘科做了精彩发言,他认为,可再生能源的价格越来越便宜,现在关键是解决可再生能源的不稳定性问题,而开发便宜的大规模储能技术是能源绿色转型和实现碳中和的关键。《环球零碳》对刘科院士观点进行了整理,并获得牛津中国论坛举办方授权刊登,供业界交流参考。标题为编者加。

刘科院士最新观点:开发便宜的大规模储能技术是实现碳中和的关键

 

刘科院士最新观点:开发便宜的大规模储能技术是实现碳中和的关键

 

我们现在在讨论绿色复苏,但我们目前仍未看见。在俄乌冲突导致世界整体形势变得混乱的情况下,所有的能源价格不断飙升,这确实对于例如风能和太阳能等可再生能源会有促进和发展,人们可看到可再生能源的价格越来越便宜。对于太阳能发电成本,我们看到华为与沙特去年签署了全球最大的光储离网储能项目,其储能系统可达 1.3GW。由于资本成本在中东尤其是沙特很低,而且沙特具有长时间的太阳光照,所以此项目中整体系统生命周期每度电成本将低于1美分,即每度电成本不到7分钱人民币,这真是令人震惊的低成本。即使今天,在中国的一些火电厂的发电成本也是上述项目发电成本的3倍左右。

在目前这种情况下,太阳能和风能的价格会越来越便宜,但问题是你首先要有太阳能和风能。中国各地的太阳能每年发电小时数不等,但全国各地平均起来大约在1500~1700小时左右;风能每年发电的时间大约是2000小时左右。但一年是8760小时,用电是需要24小时连续的。太阳的有效照射时间一般少于20%,所以核心问题是另外没太阳的那80%的时间怎么办?这两种能源之所以不能大幅提升,是因为它们具有波动性,需要储能技术配合。

对电网来说,波动性的能量输入是一种冲击,传统电网只能容纳约15%左右的非稳定电源。所以问题是,无论风能和太阳能发电有多便宜,它们还是会不稳定。例如去年夏天,欧洲出现了风力不足的情况,这就是为什么天然气价格会飙升的原因。

刘科院士最新观点:开发便宜的大规模储能技术是实现碳中和的关键

 

所以我认为关键的议题是,一方面人们非常乐观地看到可再生能源的价格越来越便宜,但更重要的另一方面是更多的人忘记了这些可再生能源的不稳定性。在当今世界上,稳定的能源只有煤炭、核能和天然气水电(占比不多)。所以对于欧洲的人们,在核能和煤炭之间你得选一个。你不可能两个都不喜欢,如果你不喜欢火电那么请选择核能,如果你不喜欢核能请选择煤炭。如果你两个都不喜欢,那么就请享受现在狂飙的天然气价格,而现在欧洲的高价天然气我认为是不可持续的,另外这个世界上目前也没有那么多天然气去取代所有的火电厂及核电厂。

我认为人们应该有现实些的认识,现在的关键并不是使太阳能越来越便宜,现在的关键是解决如果没有光照或者光照不足时的能源供给。现在的关键并不是使风能越来越便宜,现在的关键是解决如果没有风能或者风能不足时的能源供给。

现在的储能仍然非常昂贵,在目前的中国深圳,居民用电峰时、平时、谷时比价为1.7:1:0.38,峰时是谷时的接近5倍价格,人们之所以不能用便宜的价格在谷时电价时去储能,在峰电时出售,其原因是储电的成本依然太高。

前面讲了,太阳能发电的成本已大降,但由于储能成本约为发电成本的好几倍,这样没太阳时电力供应目前依然要靠核电或化石能源。很多人乐观地说,我们已经准备好碳中和迈向绿色,但是事实上并不是,除非你愿意在风能和太阳能不足时支付数倍的能源成本,现行的能源系统在这种情况下并不奏效。所以我们需要更加现实审视,而非过分乐观地讨论绿色复苏。

刘科院士最新观点:开发便宜的大规模储能技术是实现碳中和的关键

 

发展太阳能和风能,它们在能源消费中占有越来越多的份额,但是它们也具有不稳定和非连贯的特性。当我们使用风能发电时,建设好风力发电场后,最好在风电场边上有天然气调峰电厂;在风力强劲时我们把燃气轮机调小,当风力不足时我们把燃气轮机调大;但中国没有那么多天然气,大型火电厂不能随意地开开关关, 因此有些时候,我们不得不弃光弃风。

当人们讨论可再生能源时,几乎指的都是风能和太阳能,现在的关键是怎样获得越来越廉价的储能,目前已经能够获得足够便宜的太阳能。问题是,当没有阳光时,你是怎么储存能源的,夜晚的时候怎么使用通过太阳能获取的能源。特斯拉创始人埃隆马斯克说:“我可以通过电动汽车的电池储存所有的能源。”这是一种妄想。即使假设现在所有的车都是电动汽车,你也只能通过电池储存16%的电网电力。人们已经研究了百年的电池,今天的电池容量对于笔记本电脑、电动车等确实已经够用,但当我们提到巨量的电网电力能源存储时,电池还是捉襟见肘。

目前使用最广泛的仍是抽水蓄能,抽水蓄能是几百年前的技术,而研究了百年的电池储能在现在却无法与百年前的抽水蓄能技术相竞争,这就意味着储能技术进步不容易。

刘科院士最新观点:开发便宜的大规模储能技术是实现碳中和的关键

 

人们总是幻想存在一种能够存储大量能源的魔法,但事实上并没有。事实上自铅酸电池发明至今的百年来,人类花费了数千亿美元研发经费研究储能。从铅酸电池的90千瓦时/立方米增加到今天特斯拉的300~500 千瓦时/立方米,电池的能量密度并没有得到革命性的根本改变。汽油的能量密度则是8600千瓦时/立方米。迄今为止大规模(如GW级)的储电技术,最便宜的还是100多年前就被发明的抽水蓄能技术。如果你有一个大型水坝,你可以使用抽水蓄能来储能大量能源;如果你有合适的岩洞,压缩空气储能,也可以作为低成本的大型储能方案。但是使用电池储能确实太贵,在中国曾使用过废旧的电动车电池进行储能,在发生过数次事故后,这个项目就停止了,因为在使用旧电池时确实存在安全风险。当电池越来越旧时,可靠性就越来越低了。

在人们通向绿色世界的过程中,仍然存在很多技术上的挑战。所以我们需要更加现实审视,如果你不喜欢核能,那你至少要保留一定的煤电,如果你在此时仍因为二氧化碳排放放弃煤, 又不允许发展核电,那天然气价格就会飞涨,因为这个世界的天然气不够。尤其是在中国,我们的天然气资源并不丰富,但是我们有大量的煤,中国要实现碳中和,要么保留煤炭的使用,要么大力发展核能,要么就去发展大规模的储能技术解决没风没太阳时的电力供应问题。

现在我在研究的课题就是把谷电及弃电转换为绿色甲醇,使用绿色燃料去存储风能和太阳能。在夜晚时,你就可以使用绿色甲醇热电联供,也可以使用绿色甲醇驱动汽车或者发电,未来的应用仍需时间,我们仍需要耐心去发展相关技术并走向商业化。利用可再生能源制甲醇,然后做分布式的发电。可以使用甲醇氢能分布式能源替代一些使用柴油机的场景,和光伏、风能等不稳定可再生能源多能互补。

分布式发电,可以做到热电联供,这样系统总体效率比激增发电高很多。因为尽管电可以远距离输送,但热不可能从远距离输运。把风能和太阳能以液体的形式储存下来,液体通过管路远距离输送损失很少。再用甲醇分布式热电联供,比现有的西部煤发电输送到东部供电供热模式,其能源效率要高很多,进而大大降低碳排放。

刘科院士最新观点:开发便宜的大规模储能技术是实现碳中和的关键

 

对于中国来说,2060年实现碳中和是一个相对理性的目标,不要操之过急,未来四十年还有很大的想象空间,但是需要面对现实。碳中和是一场系统的产业革命,涉及一系列能源结构调整、技术进步、发展方式转变的问题,这就需要我们理性审视绿色复苏,而开发便宜的大规模储能技术是能源绿色转型和实现碳中和的关键。