中國儲能網(wǎng)訊：近日，英國皇家化學會 Chemistry World 網(wǎng)站以《China Powers Up》為題報道了中國近些年在清潔能源領(lǐng)域取得的重大進步，并特別強調(diào)原始創(chuàng)新在其中發(fā)揮的重要作用。
本專題報道（Feature）干貨滿滿，不僅數(shù)據(jù)詳實，更對幾項重點新能源技術(shù)做了詳細解讀，還采訪了許多領(lǐng)軍人物。小編在此精選了部分內(nèi)容，歡迎大家一睹為快。
清潔能源異軍突起
近年來，隨著經(jīng)濟的崛起，中國的能源產(chǎn)量也取得了非常迅猛的增長。
▲ 中國能源總產(chǎn)量增長迅猛
另一方面，中國的人均能源用量雖然比發(fā)達國家低很多，但增長速率卻很快，現(xiàn)已超過了世界平均水平。
▲ 各地區(qū)與全球的人均能源用量
為了確保能源供應(yīng)的可持續(xù)性，中國政府已經(jīng)開始大力推動清潔與可持續(xù)能源的發(fā)展。僅在 2015 年，中國在可再生能源領(lǐng)域的投資就高達 1030 億美元，占全球總投資的近 1/3（數(shù)據(jù)來源：聯(lián)合國環(huán)境署）。這些投資現(xiàn)在已經(jīng)收到效果，近些年來可再生能源的產(chǎn)量有了明顯的增加。
▲ 中國的可持續(xù)能源產(chǎn)量變化
在過去十年里，中國建立了越來越多的清潔能源研究中心，中國的科學家們也正在從光伏到電池再到 CO? 捕集和利用在內(nèi)的多個領(lǐng)域開展前沿研究。得益于充沛的資金支持，這些研究成果正以驚人的速度轉(zhuǎn)化為商業(yè)化產(chǎn)品。
在人們的印象中，中國往往精于“山寨”他國發(fā)明的技術(shù)而非自我創(chuàng)新；如今，這種觀點已經(jīng)落伍了。 —— Pierre Verlinden
對在應(yīng)對全球氣候變化方面所做的努力來說，中國能源產(chǎn)業(yè)的進步已產(chǎn)生了深遠的影響。目前中國的 CO? 排放量占全球的 1/4 以上，主要來自燃煤發(fā)電站，而中國制定的目標是在 2030 年實現(xiàn)前 20% 的電力來自非化石資源 ，并在同一時期內(nèi)將溫室氣體排放量減至 2010 年水平的一半。
▲ 多國的 CO? 排放量
很顯然，這一目標的實現(xiàn)取決于化學科學的進步：「 所有這些的關(guān)鍵是基礎(chǔ)研究」（英國謝菲爾德大學英國二氧化碳利用中心主任 Peter Styring）。
本文以全釩液流電池、光伏產(chǎn)業(yè)和 CO? 的捕集與利用這三個主題為例，深入解讀了中國在這些方面取得的巨大進步和成就。
VFBs：真正的中國創(chuàng)新
在儲能領(lǐng)域，中國不僅是全球最大的動力電池——鋰電池生產(chǎn)國，也是電網(wǎng)級先進大型儲能技術(shù)——全釩液流電池（VFBs）的最大生產(chǎn)國。
本文首先介紹的大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司（以下簡稱“融科儲能”）2008 年成立于大連高新區(qū)，由大連博融控股集團和中國科學院大連化學物理研究所共同組建，是全球唯一具備全釩液流電池全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)能力的企業(yè)。
小知識：全釩液流電池
由于可再生能源具有間歇性、不穩(wěn)定性、不可調(diào)控等自然屬性，導致其并網(wǎng)、消納和利用等方面存在眾多困難和挑戰(zhàn)。通過引入全釩液流電池儲能技術(shù)，將可以有效提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補償負荷波動、降低供電成本、提高電力設(shè)備利用率等，促進可再生能源的并網(wǎng)和使用。
作為過渡金屬，釩的價態(tài)十分豐富，+2、+3、+4、+5 價離子在水里均有不錯的溶解度，而且顏色也十分好看。釩 +2 價和 +5 價離子間有 1.25 V 的電位差，這就給了釩自己和自己組成電池的能力。
自 1985 年成功開發(fā)出第一臺原型機以來，全釩液流電池（Vanadium flow batteries，VFBs）的發(fā)展已經(jīng)有 30 多年。釩液流電池屬于水系液流電池，使用釩離子的硫酸溶液作為電能的儲存介質(zhì)。
▲ 液流電池的工作機制
Credit: 美國西北太平洋國家實驗室 - S&T
VFBs 系統(tǒng)由一個電堆、兩個儲能罐以及配套的液流泵和管路組成。電解液平時存在儲能罐里，充放電時泵入電堆中進行反應(yīng)。實際應(yīng)用時，儲能罐、電堆、液流泵等都可以整合于一套集裝箱內(nèi)，實現(xiàn)自動化運行。
▲ VFBs 的結(jié)構(gòu)示意圖，重要組件包括
各種電極、雙極板、離子交換膜等
J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 16913-16933
全釩液流電池相對于鋰電池的優(yōu)勢主要有：
-
方便規(guī)模化
一套系統(tǒng)可以做小也可以做大，或者由多個集裝箱自由組合而成。 -
使用壽命長
鋰離子電池的壽命可能只有 8 年，而按照美國阿貢國家實驗室能源儲備聯(lián)合研究中心主任 George Crabtree 的說法，VFBs 的壽命“長達 20 年也不足為奇”。 -
安全性較好
面對鋰離子電池忌諱的大電流和過充過放毫無壓力，而且根本不會起火爆炸。
大連化物所首席科學家張華民掛帥的全釩液流電池研發(fā)團隊，目前已成功開展了近 30 項應(yīng)用示范工程，其中包括當前正在實施的 200MW/800MWh 液流電池儲能調(diào)峰電站項目；建成之后將是截至目前，全球規(guī)模最大的化學儲能電站，并會令特斯拉在澳大利亞建成的世界最大鋰電池蓄電站（129MWh）相形見肘。
全釩液流電池大規(guī)模應(yīng)用的最大障礙之一便是 VFBs 中通常使用 Nafion 膜：這種膜價格昂貴，還容易被釩離子堵塞。融科儲能成功開發(fā)了一種基于非氟化聚合物的替代膜，不僅比 Nafion 膜便宜 80％，還具有更小的孔隙，可以實現(xiàn)更好的離子選擇性。這使得質(zhì)子可以通過膜加速，將電池中的電流密度提高到 160mA/cm2，并顯著提高輸出功率。
在融科儲能的工廠里，機器人機械手在密封室內(nèi)迅速將這些黑色海綿膜切成 30cm × 75cm 的矩形以用于單電池（cell）的制造。融科儲能副總經(jīng)理許曉波表示，對材料的進一步改進預(yù)計將使其電流密度超過 200mA/cm2。
同時，在堆疊中的相鄰單電池之間提供導電連接的 2mm 寬雙極板，之前是由昂貴且脆性的石墨制成的，而融科儲能開發(fā)出了一種低成本、高柔性的高導電性碳塑復合板。
張華民研究員相信第二代 VFBs 的成本會進一步降低。電解質(zhì)的成本占 VFBs 總成本的比例可高達約 40%，因此當一臺 VFB 壽命到期時， 其中的釩可以被轉(zhuǎn)移至另一臺 VFB，從而大幅降低成本。
只要短短的 15 年就可以實現(xiàn)從基礎(chǔ)研究到商業(yè)化應(yīng)用的跨越，這是一件非常令人滿意的事。 —— 張華民
當然，VFBs 并不是唯一的游戲參與者。美國阿貢國家實驗室儲能研究聯(lián)合中心主任 George Crabtree 舉例說，位于深圳的電池制造商比亞迪（BYD）一直致力于以磷酸鐵為負極的鋰離子電池（LFP）的應(yīng)用。雖然這類電池的功率和能量密度都低于競爭對手的氧化鈷負極鋰離子電池，但它們更便宜、壽命更長。Crabtree 補充到：「中國的研究人員開始參與進來，推動了技術(shù)進步并創(chuàng)造出更好的電池?！?
在北京工作的能源咨詢師 Anders Hove 預(yù)計，隨著中國的制造商們開始發(fā)展新型電池技術(shù)并擴大制造規(guī)模，電池的成本可能會迅速下降。按照他的說法，「人們往往未能意識到中國制造能讓這些東西的成本降到多么低。」
光伏：成功的故事
就在十年前，光伏（PV）發(fā)電的每瓦特成本通常會超過 5 美元；今年，中國制造的硅電池將使每瓦的發(fā)電成本低于 0.25美元。在過去的十年中，中國的光伏產(chǎn)值以驚人的速度增長；中國公司能迅速改進生產(chǎn)流程，并及時采用最新的太陽能技術(shù)。中國目前制造了世界上大部分的太陽能光伏組件；截至 2017 年，光伏裝機容量已經(jīng)已超過 300GW，占全球總發(fā)電量的 2％。
中國還安裝了比任何其他國家都要多得多的太陽能電池板。僅在 2016 年，中國的太陽能裝機容量從 43GW 躍升至 77GW。2016 年 12 月，中國宣布了一項新的光伏發(fā)展五年計劃，目標是到 2020 年實現(xiàn)光伏裝機容量達到 110GW。然而根據(jù)彭博新能源財經(jīng)在 2018 年 1 月給出的分析評估，中國僅在 2017 年就完成了足以超越這一目標的光伏裝機容量。
「這些成就是非常了不起的，而且這是得益于中國自己的研究成果，」常州天合光能有限公司副總裁、首席科學家，光伏科學與技術(shù)國家重點實驗室（SKL PVST）副主任 Pierre Verlinden 博士說到。他所在的常州天合光能公司是全球最大的光伏電池供應(yīng)商之一，2016 年銷售的模組超過 23GW，占全球市場的 10% 以上。
小故事：Perc 與 IBC 太陽能電池
中國的光伏五年計劃將 PERC（passivated emitter rear contact，鈍化發(fā)射極背面接觸）電池列為重點支持的光伏技術(shù)。與標準光伏電池相比，PERC 電池的結(jié)構(gòu)略微不同，并在電池背面包含一層絕緣材料（如氧化鋁）。這有助于將未吸收的光反射回半導體，從而提高電池的整體效率。
PERC 電池在 20 世紀 80 年代后期就開始開發(fā)了，但由于氧化鋁層沉積和成型方面的困難，總共花費了 30 年的時間才實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。根據(jù)市場調(diào)研公司 EnergyTrend 的數(shù)據(jù)，預(yù)計中國的 PERC 電池產(chǎn)量將從 2016 年的 15GW 增加到 2020 年的 61GW，屆時將占硅基太陽能電池市場的 45% 左右。
▲ SKL PVST 位于江蘇常州天合光伏產(chǎn)業(yè)園內(nèi)
2016年，光伏科學與技術(shù)國家重點實驗室成為了中國首批以企業(yè)為依托單位的國家重點實驗室，其開發(fā)的 PERC 電池創(chuàng)造了 22.6% 效率的世界紀錄。該型產(chǎn)品在不到一年的時間里就實現(xiàn)了批量生產(chǎn)。
光伏效率的提升是建立在一系列漸進式改進的基礎(chǔ)之上的，例如減少硅材料內(nèi)的雜質(zhì)含量以抑制電子和空穴的重組、調(diào)整電池組件以及改進生產(chǎn)工藝等。正如 Verlinden 博士所說的：「這就是跬步千里的過程?！?
Things have changed — we’ve really demonstrated that innovation is happening in China
Verlinden 說，該公司還致力于交叉式背接觸（interdigitated back contact，IBC）電池的研發(fā)工作。這種附加值更高的電池可以實現(xiàn)更高的效率，對于占地面積不太大的光伏電站來說是一個不錯的選擇。
常規(guī)的太陽能電池板通常將用于電流傳輸?shù)睦|線網(wǎng)格設(shè)置在電池頂部，而這種做法會對入射光造成阻擋。IBC 電池將這些電極轉(zhuǎn)移到設(shè)備的背面，從而讓更多的光線得以通過，提高了電池的效率，但也使得制造工藝更為復雜。
Verlinden 博士將他們的成功歸因于「上班聊微信」：中國光伏領(lǐng)域的研究人員和工程師們都是微信的活躍用戶。「中國的整個光伏產(chǎn)業(yè)都是這樣溝通的，我?guī)缀趺课宸昼娋蜁盏揭粭l微信消息，」他說，「有人在世界某個地方展示了一套幻燈片，兩分鐘后這些 PPT 就會出現(xiàn)在我的手機上。It is absolutely amazing. 有成千上萬的人用同一套流程進行工作，而且他們還在相互合作?！?
下一代光伏技術(shù)
以硅為基礎(chǔ)材料的光伏電池的迅速增長，也可能會帶來不利影響。對硅電池生產(chǎn)線的巨大投資可能會擠占更為資源集約型的薄膜光伏技術(shù)（如碲化鎘）的市場地位。但另一種新興薄膜技術(shù)的出現(xiàn)可能會避免該問題，這就是鈣鈦礦太陽能電池——其在過去十年中取得了飛速的發(fā)展，效率從 2009 年時的約 4％ 上升到 2017 年時的 22％ 以上。
鈣鈦礦太陽能電池是利用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料（如甲基碘化鉛）吸收光能并產(chǎn)生電流的，而利用低溫溶液加工法就能相對便宜地制備出這些材料了。非常關(guān)鍵的一點是，可以通過調(diào)節(jié)鈣鈦礦材料的化學性質(zhì)來讓它們吸收硅基材料不能吸收的太陽光波段。這就是說，鈣鈦礦電池可以放置在硅電池的上部，從而以這種串聯(lián)的方式提高總體的電流輸出——鈣鈦礦是個助手而不是商業(yè)對手。
市場調(diào)研公司 Lux Research 的數(shù)據(jù)顯示，中國正處在鈣鈦礦太陽能電池這一研究領(lǐng)域的最前沿；截至 2015 年，該領(lǐng)域有近四分之一的研究論文是由中國學者發(fā)表的。此外，中國的科研人員們已經(jīng)在著手進行鈣鈦礦電池的商業(yè)化開發(fā)了。
例如，如果電池可以被做成柔性的形式，那么就可以使用快速高效的“卷到卷”生產(chǎn)方法來制造電池。為了實現(xiàn)這一目標，由劉生忠研究員率領(lǐng)的大連化物所團隊最近開發(fā)了一種柔性鈣鈦礦電池，其能量轉(zhuǎn)換效率為 16%，是已報道的柔性鈣鈦礦電池中最高的（Adv. Mater., 2016, 28, 5206）。這種優(yōu)異的性能表現(xiàn)部分是因為使用了離子液體來促進電池內(nèi)的電子傳輸。
煤：不僅僅是燒掉
雖然多種清潔能源在中國都取得了長足的發(fā)展，但現(xiàn)階段中國的能源結(jié)構(gòu)依然以煤炭為主。中國的燃煤電站總裝機容量超過 900GW，占到總發(fā)電量的三分之二。預(yù)計到 2030 年時，煤炭在中國的各類能源形式中的占比仍將超過 50%。
▲ 中國不同能源類型的占比
與各類清潔能源相比，煤炭的燃燒會帶來許多污染，比如二氧化硫、氮氧化物、可吸入顆粒物等。燃煤帶來的另一種排放物就是 CO? — CO? 排放量的增加必然帶來碳足跡的增加。據(jù)統(tǒng)計，中國的燃煤電站對 CO? 排放量的貢獻超過了 80％；從 CO? 排放量的增長速率來看，中國也超過了其它國家。
▲ 不同來源的 CO? 排放量
方案一：捕獲
為了實現(xiàn)節(jié)能減排的目標，中國非常重視碳捕集、利用和儲存（carbon capture, utilisation and storage，CCUS）技術(shù)方面的開發(fā)與投入—— 這類技術(shù)可以捕獲化石燃料燃燒后釋放的二氧化碳，然后將其用作化學原料，或?qū)⑵鋬Υ嬖诘叵聨r層中。
2017 年，陜西榆林市的延長集成碳捕集與封存示范項目正式開工建設(shè)，其目標是每年從兩座煤化工廠捕獲約 40 萬噸 CO?，然后將捕獲的 CO? 泵入喬家洼油田，以幫助開采石油。中國計劃發(fā)展七個以上的 CCUS 項目，并有望在未來二十年成為該領(lǐng)域的主要參與者。
典型的 CO? 捕獲過程使用單乙醇胺這樣的溶劑與 CO? 反應(yīng)形成 C–N 鍵；隨后這些 C–N 鍵在 100-120℃ 下分解并釋放出適合于儲存或再利用的純凈 CO?。其中的一大挑戰(zhàn)是，以這種方式捕集、分離和釋放 CO? 的過程會產(chǎn)生溫度波動，從而使工藝成本居高不下，每捕獲一噸 CO? 就要花費 50-100 美元，并且會消耗發(fā)電廠 25-40% 的電量產(chǎn)出。
因此，研究人員正在努力研究可以降低 CO? 捕獲成本的方法，例如可以物理吸附 CO? 然后在非常溫和的條件下將其釋放的多孔材料——其中的一種就是金屬有機骨架（MOFs）材料。MOFs 的一個優(yōu)勢是它們的結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)是高度可調(diào)的，因此在理論上就可以設(shè)計出能夠特異性結(jié)合CO? 的 MOFs 材料（將 CO? 與其它氣體成分有效分離），而且這種 MOFs 材料還可以在溫和加熱的情況下釋放出吸附的 CO?。
方案二：轉(zhuǎn)化
除了將 CO? 注入地下，另一個更好的選擇是將其轉(zhuǎn)化成其它有用的化學品。通常用氧氣和蒸汽來處理煤炭以產(chǎn)生合成氣——即氫氣和一氧化碳的混合物。然后合成氣可以通過“費托法”來制造液態(tài)烴燃料，或者生產(chǎn)如甲醇這樣的關(guān)鍵化學品。
中科院大連化物所（DICP）在此領(lǐng)域具有國內(nèi)領(lǐng)先的地位。以 DICP 為依托單位的國家清潔能源實驗室（籌，英文縮寫 DNL）是我國能源領(lǐng)域籌建的第一個國家實驗室。
2017 年 10 月，由 DNL 主任李燦院士率領(lǐng)的團隊報道了一種氧化鋅-氧化鋯催化劑，可以將H? 和 CO? 轉(zhuǎn)化為甲醇（Sci. Adv., 2017, 3, e1701290）。此前用于此反應(yīng)的催化劑對甲醇的選擇性比較差，獲得的產(chǎn)物較為復雜，或者可能快速失活。這種新型的雙金屬催化劑則能穩(wěn)定保持活性 500 小時，并確保產(chǎn)物中的甲醇含量超過 90％。李燦院士解釋到，催化劑中的鋅與 H? 結(jié)合，而相鄰的鋯則結(jié)合并活化 CO?。
▲ DNL 主任李燦院士
