內(nèi)蒙古烏蘭察布黃花溝北方風(fēng)電場(chǎng)  攝影/電池百人會(huì)  于清教

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)電力的需求越來越高。因?yàn)槠湓诖龠M(jìn)可再生能源并網(wǎng)應(yīng)用、改善峰谷用電矛盾、推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面可以發(fā)揮重要作用，儲(chǔ)能技術(shù)的研究與發(fā)展一直受到各國(guó)能源、電力、交通、通信等部門的重視，儲(chǔ)能技術(shù)被視為電能運(yùn)行過程“采—發(fā)—輸—配—用—儲(chǔ)”六大環(huán)節(jié)中的重要組成部分。

我今天圍繞儲(chǔ)能與能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系這一主題，跟大家分享下能源安全形勢(shì)、什么是能源互聯(lián)網(wǎng)及下一代儲(chǔ)能電池。

能源安全形勢(shì)

我國(guó)2018年能源的結(jié)構(gòu)：煤是66%，石油是19.1%，天然氣5.9%，風(fēng)電、水電、光伏電和核電是7%。電能結(jié)構(gòu)中火電是73.32%、太陽(yáng)能、風(fēng)電、水電和核電26.68%，主要是火力發(fā)電。能源資源是富煤、少氣、缺油。中國(guó)工程院2006年出過一份咨詢報(bào)告，有三個(gè)重要結(jié)論，一個(gè)到2050年自產(chǎn)石油大概還能保持每年1.8億噸，第二條結(jié)論是希望石油的對(duì)外依存度不能超過50%，第三條結(jié)論是發(fā)展電動(dòng)車,取代進(jìn)口油。

我們2018年原油進(jìn)口是4.6億噸，對(duì)外依存度是71%，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng)時(shí)希望不能超過50%的這個(gè)結(jié)論。另外2017年我們已經(jīng)超過美國(guó)成為世界上最大的石油進(jìn)口國(guó)，2018年成為世界上最大的天然氣進(jìn)口國(guó)，再看看全球二氧化碳排放量的情況，從2010年開始我們國(guó)家二氧化碳排放量是大量的增加，最近兩年稍稍往下降一點(diǎn)，現(xiàn)在又有點(diǎn)往上增的趨勢(shì)，美國(guó)的二氧化碳排放是往下降的，印度很可能要超過中國(guó)，這是二氧化碳排放量的情況。我們現(xiàn)在已經(jīng)四個(gè)第一，煤炭使用量世界第一，二氧化碳排放量世界第一，石油進(jìn)口量世界第一，天然氣進(jìn)口量世界第一，怎么樣摘掉這四個(gè)第一的帽子，是我們應(yīng)該考慮的事情。

什么是能源互聯(lián)網(wǎng)

2015年，中國(guó)倡議探討構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，推動(dòng)以清潔和綠色方式滿足全球電力需求。

什么叫能源互聯(lián)網(wǎng)？2011年美國(guó)學(xué)者提出了明確的能源互聯(lián)網(wǎng)，是基于可再生能源的、分布式、開放共享的網(wǎng)絡(luò)，即能源互聯(lián)網(wǎng)。可以看到這里能源全部是可再生能源，太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能，把電動(dòng)汽車也放在這里邊。

能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)際上是用先進(jìn)的電力電子技術(shù)+信息技術(shù)+智能管理技術(shù)，將分布式能量采集裝置、儲(chǔ)存裝置和各種負(fù)載互聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的一種共享網(wǎng)絡(luò)。能源互聯(lián)網(wǎng)有五個(gè)特征，第一個(gè)是可再生，第二個(gè)是互聯(lián)，第三個(gè)是分布式，第四個(gè)是開放性，第五個(gè)是智能化，這中間是儲(chǔ)能，儲(chǔ)能實(shí)際上是能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。

電動(dòng)汽車可以作為儲(chǔ)能的方式，同時(shí)也是消耗電能，如果汽車用不完的電可以賣到電網(wǎng)上去，叫V2G，可以看出來它是參與了能源互聯(lián)網(wǎng)的工作，它需要電，同時(shí)又可以作為儲(chǔ)能裝置來儲(chǔ)存電。

如果北京有200萬(wàn)輛電動(dòng)汽車的話，就可以把北京市的峰谷填平。

2019年棄風(fēng)棄光棄水大概515億千瓦時(shí)，如果說一輛車是30千瓦時(shí)，這樣可以供500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車，電動(dòng)汽車大力發(fā)展，實(shí)際上棄風(fēng)棄水的電就足夠了。

加油站將來可以變?yōu)槌潆娬净蛘邠Q電站，就可以在晚上低谷電的時(shí)候存起來，在白天就可以把存的電賣出去，當(dāng)然這可以賺一個(gè)差價(jià)，所以中石油、中石化加油站也可以成為能源互聯(lián)網(wǎng)的一部分。同時(shí)這些充放電站里的電池也可以是電動(dòng)汽車的退役電池做梯級(jí)利用，用來做儲(chǔ)能電池。一輛電動(dòng)汽車現(xiàn)在一般大概都裝六七十度電，如果一天只開十幾公里大概十幾度電就夠了，車主買車的時(shí)候就不一定裝那么多電池，這就大大便于電動(dòng)汽車的推廣。

現(xiàn)在5G非常熱門，4G基站比較少，隨著5G基站建設(shè)速度的加快，中國(guó)至少需要新建或改造1438萬(wàn)個(gè)基站，這樣大幅提升對(duì)電池的需求，至少存在155吉瓦時(shí)電池的容納空間，一個(gè)5G基站大概一年電費(fèi)是1萬(wàn)多，所以全部基站的電費(fèi)大概是1500億元?；疽部梢源娴凸入?，所以5G基站也是很重要的一個(gè)儲(chǔ)能裝置。

到2018年全國(guó)數(shù)據(jù)中心共耗電1609億千瓦時(shí)，上海市全年全社會(huì)用電量才用1567億千瓦時(shí)，所以全國(guó)大數(shù)據(jù)中心的用電量已經(jīng)超過了上海市最大城市的用電量。一個(gè)大數(shù)據(jù)中心既需要電，也需要儲(chǔ)存電，因?yàn)樗谴鏀?shù)據(jù)的，所以是一種瓦特流和比特流集合，大數(shù)據(jù)中心跟儲(chǔ)能有密切關(guān)系。比如說張家口有一個(gè)數(shù)據(jù)中心，就采用能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，基本用的是可再生能源。全國(guó)這么多大數(shù)據(jù)中心都用可再生能源，就可以把大數(shù)據(jù)中心和儲(chǔ)能聯(lián)系起來。

下一代儲(chǔ)能電池

現(xiàn)在用的鋰離子電池是液體電解質(zhì)的電池，存在兩個(gè)問題，一個(gè)是能量密度有一定的限制，現(xiàn)在到了300瓦時(shí)/公斤，這幾乎是極限；因?yàn)槭强扇家后w作電解質(zhì)，所以可能會(huì)發(fā)生火災(zāi)，甚至爆炸。

為了解決這個(gè)問題，要發(fā)展固態(tài)電池。固態(tài)電池能量密度可以大于每公斤500瓦時(shí)，燃燒爆炸都可以大大減少甚至避免。這幾年極力在推動(dòng)的固態(tài)電池，用一根釘子穿透，穿透以后電壓稍微往下降，但是把釘子拔出去以后，電壓馬上可以恢復(fù)。電池正負(fù)極的溫度，釘子扎進(jìn)去以后溫度沒有什么變化，所以它是安全的，這是固態(tài)電池的一個(gè)好處。

下面介紹一下鈉離子電池。周期表每個(gè)元素所占的空間就是地殼中含量是多少，相比之下鈉的含量比鋰多得多。我們要發(fā)展鈉離子電池，因?yàn)榘l(fā)展電動(dòng)汽車，儲(chǔ)能都要用鋰電池，鋰資源會(huì)有問題。

中科海鈉公司現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)行了鈉離子電池產(chǎn)業(yè)研究并做了示范項(xiàng)目。6AH的鈉離子電芯，能量密度大于145瓦時(shí)每公斤，能量密度還可以再提高。從零下30℃到零上80℃可以工作。2019年3月29日，已經(jīng)演示了世界上第一個(gè)鈉離子電池儲(chǔ)能電站，30千瓦、100千瓦時(shí)鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行。這是中科院物理所和中科海鈉公司共同完成的。中科院物理所2011年就致力于鈉離子電池關(guān)鍵材料和電池方面的研究，2017年成立了中科海鈉公司。

鈉離子電池原材料的成本每瓦時(shí)是2毛6分錢，磷酸鐵鋰電每瓦時(shí)3毛4分錢，就是說鈉離子電池比鋰電池還便宜，如果大規(guī)模生產(chǎn)以后，肯定它的成本還可以大幅度的下降，便宜是很重要的原因，一個(gè)是正極材料只含便宜的錳鐵銅元素，集流體是鋁箔，負(fù)極材料是無煙煤，集流體也是鋁箔，所以原材料來講，鈉離子電池是便宜的，這是為什么要大力發(fā)展鈉離子電池的原因。

能源形勢(shì)逼人，挑戰(zhàn)逼人，使命逼人，我們一定要大力發(fā)展儲(chǔ)能，構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)，保證能源安全。

（作者為中國(guó)工程院院士，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師）