发展储能产业 推动碳中和进程
自第75届联合国大会召开以来，碳中和已成为我国环保与经济发展的关键性指标。继2012年率先实现碳达峰之后，北京正努力实现碳中和目标。科技创新是碳达峰和碳中和的关键支撑。北京市科协积极推动成立北京碳中和学会，对于运用首都科技资源优势，集聚专家智慧，有效促进政产学研金服用融合，助力北京率先实现双碳目标，发挥引领辐射带动作用具有重要意义。那么如何以最优“性价比”实现碳中和？这其中还有许多复杂的问题需要被厘清和重视。近日，科协频道、《科研成果与传播》杂志围绕碳中和与可再生能源开发，尤其是电化学储能技术与前景、能源技术发展的总体趋势等，对北京膜学会秘书长、《储能科学与技术》编委会副主任、清华大学王保国教授进行了深入采访。
王保国 清华大学长聘教授、博士生导师
长期从事膜分离和电化学工程的交叉领域科学研究，研究大容量蓄电储能的全钒液流电池、高效率电解水制氢装备、锌/空气电池材料与技术；揭示电化学关键材料的构效关系，发展电化学能源转换与储能过程的材料、装备与基础理论。在国内外发表学术论文160余篇，学术报告200多次，申请和授权专利29项；主持和承担多项国家“863”、“973”、“重点研发计划”和国家自然科学基金等项目；现任北京膜学会秘书长兼副理事长、《储能科学与技术》编委会副主任、《膜科学与技术》副主编、能源行业液流电池标委会委员等职。
“可再生能源开发是碳中和发展下的必然趋势，要解决环境、资源、能源等方面相互缠结的问题，需要保持能源的可持续清洁发展。”王保国谈到，像风能和太阳能等可再生能源，本质上具有不连续、不稳定的特点，因此，必须解决可再生能源的转化、储存和调节问题。
王保国介绍，目前，我国在物理储能、电化学储能、机械储能等方面都有一定的发展，现在大规模使用的仍然是抽水蓄能技术。但是，“抽水储能很难满足电网调频和快速响应需求，未来还是要依靠电化学储能，也就是电池技术来解决快速调频问题，响应时间需达到毫秒甚至微秒级别。”
响应快、寿命长、容量大、安全可靠的电化学储能技术愈发重要
电池储能技术路线主要包括全钒液流电池、锂（钠）离子电池、铅酸电池等，各自具有不同的工作原理。王保国带领团队多年深耕全钒液流电池，这种电池是利用电解质水溶液储能，容量由电解液中的钒离子数量决定，其最重要的特征是容量和功率可以分别独立设计，可适用于不同场合的特定需求。
全钒液流电池
除了适用广泛以外，全钒液流电池的另一个重要特征就是工作机制决定的长寿命。“它是一个简单的无机溶液体系，在电极上只发生电子得失，通常用碳材料制造电极。只要限定电压，避免击穿电极，就可以长期稳定运行。”全钒液流电池的安全性高，“即使你拿火去点，水做的电解液也点不着”，这是它和现有其他有机体系电池较大的区别之一。
在钒电池中，必不可少的隔膜材料是质子传导膜。质子传导膜用来隔离正极、负极电解液，防止电解液中钒离子渗透导致能量损失。两种电解质溶液平行流过电极表面，并发生电化学反应，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能，利用可逆的电化学反应，使钒电池具备储存与释放电力的能力。
“现在90%以上的团队仍在使用全氟磺酸膜，它需要耐受5价钒离子的强氧化性。通常情况，大家希望液流电池寿命至少要达到10~15年。在这么长时间周期内，不光电解液要稳定，所有和电解液接触的材料都要稳定。”王保国深知全氟磺酸膜的高昂成本带来的局限性。
2009年，他所带领团队首次研发出纳米孔径的多孔质子传导膜，实现该领域内极具前沿性的技术突破。质子传导膜可以把正极电解液中的五价钒离子，与负极电解液中二价钒离子隔开；同时，使电解液中的质子（氢离子）通过，这样避免充电与放电过程中，不同价态钒离子交叉放电，减少能量损失。“从成本上来讲，它有绝对的优势。现在我们使用的膜不到300元/米2，与全氟磺酸膜相比，成本显著降低。”多孔质子传导膜不光在实验室里完成了工艺开发，而且在工厂里实现产业化批量制造。
电动车充电
王保国继续谈到，目前市场上发展较快的仍然是锂离子电池，基于产业发展和政策推动，锂离子电池驱动的城市电动车，吸引了大量人力、物力的投入，我国现在锂离子电池产能跃居国际第一名的位置。相较于锂离子电池，全钒液流电池更适合于中型，或中大规模储能使用，它的研究开发无论是国家还是社会层面的人、财、物还远远不足。
液流电池会一直持续发展，但短时间内市场不会爆发式变化。“从技术体系来讲，液流电池更像一个简单的化工系统。和锂电池不一样，锂电池更像一个电子系统，这是技术特征上的不一样。”他表示，总体来讲，储能确实很重要，但储能技术发展明显落后于新能源开发的社会需求。
基于本征安全的绿色电池与经济性发展
电池的本征安全是保证储能系统安全的核心。“为什么我特别主张大力发展以水为电解质溶液的水基电池呢？水是一种绿色溶剂，再者，它本身不可能被点着，水基的电池应该是我们主张进一步去发展的。”除了本征安全以外，王保国进一步提出，还要通过技术措施，包括实时监测、提前预警、快速处置、智能化与大数据等方法，把安全事故限制在尽可能小的范围内。
“在此基础上，只讲储能远远不够。”王保国认为，实现可再生清洁能源为主的能源结构调整，需要向大自然学习。正如雨水落到江河湖海，经过阳光照射又蒸发到大气中，形成大千气象。这是自然界在太阳能的驱动下，完成物质与能源相互转化的过程。自然界的生态系统是绿色友好的，人类建造的能源系统，也应该加以效仿。
风力发电场
“只讲储能在技术经济性上会有很大困难。”王保国谈到，多年以来，国家大力发展风电、光伏等可再生清洁能源，主要在资源丰富的西部地区。由于我国的工业主要集中于东部沿海区域，需要通过超高压直流输电，把西部可再生能源电力送达东部工业发达地区。这种模式虽然对清洁能源发展做了很大贡献，但是，局限性也很明显。只通过一种途径进行能源输送，相当于千军万马过独木桥，再加上电力存储问题没有解决，客观上有一定困难。“实际上可以换一种思路，利用电解水技术，把风电、光伏等不稳定电力变成氢气，加入天然气管网。利用‘加氢天然气’的办法，既能够实现能量储存，也可以进行远距离输送，还能为发展能源互联网奠定基础。”
能源技术发展总体上有四个方面值得重视，首先要遵循安全和物质可持续利用的规则。能源供给的安全，特别是能源系统运行本身的安全很重要。电池储能毕竟要用到电化学活性物质，需要考虑这些物质在地球上是否能够源源不断得到，并能够可持续循环利用。其次还要考虑绿色环保和经济性。“发展可再生能源就是为了环境和能源协调发展。必须考虑发展什么样的储能技术？不光在使用过程中要讲绿色环保，而且，在研究、开发、生产、制造、报废全生命周期，都要讲绿色环保性。”
光伏发电+储能系统
储能技术一定要形成新的社会价值，给社会增加更多财富，这样的技术才能成为良性循环。“短期内靠国家产业政策引导，有可能快速发展，但是，终归还要靠技术和产品本身，在市场上形成新的社会价值，实现真正可持续的产业成长。”从这四个方面出发，王保国相信，未来中国储能产业，以及氢能产业会发展得更快更好。
最后，对于正全力筹备的北京碳中和学会，王保国也谈到，“这是一件好事。目前，行业之间的界限太明显了，碳中和提出来之后，确实使学科交叉、行业融合出现了客观需求。通过这样一个平台把技术、人、财、物等多方面力量联合起来，能使碳中和、碳达峰真正落实到装备制造产业，对现有的工业流程再造，起到积极的推动作用。”
