位于上海嘉定的中科院上海硅酸鹽所鈉硫基地雖然地理位置并不優(yōu)越，卻已經(jīng)吸引了吳邦國、溫家寶、俞正聲、路甬祥、萬鋼、韓正等領(lǐng)導(dǎo)人前來參觀視察。
那是因?yàn)?，這里正在示范運(yùn)行的鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)系著未來上千億的市場份額，也在我國可再生能源和節(jié)能減排戰(zhàn)略中占有不可或缺的一席之地?！ ?chǔ)能技術(shù)被視為是現(xiàn)在新能源戰(zhàn)略發(fā)展的瓶頸問題。根據(jù)美國電力研究院公布的資料，在各種化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)方案中，鈉硫電池是唯一一種能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率和大容量的儲(chǔ)能電池，技術(shù)優(yōu)勢明顯。
但在實(shí)際中，液流電池、鋰離子電池等儲(chǔ)能電池被大量研究和開發(fā)，而鈉硫電池卻僅有日本NGK公司能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)規(guī)模的應(yīng)用，獨(dú)占世界市場。
2006年，中科院上海硅酸鹽所和上海電力公司合作，自主研發(fā)出儲(chǔ)能用大容量鈉硫電池，目前已進(jìn)入中試階段，使我國成為世界上第二個(gè)有望實(shí)現(xiàn)其規(guī)?；a(chǎn)的國家。
除此之外，全世界還沒有其他成功研發(fā)鈉硫電池的案例。究其原因，就是鈉硫電池的技術(shù)門檻較高，一般科研機(jī)構(gòu)很難從零開始進(jìn)行研發(fā)。
近日，《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者在中科院上海硅酸鹽研究所采訪期間參觀了鈉硫電池實(shí)驗(yàn)室和研制基地。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中科院上海硅酸鹽研究所研究員溫兆銀告訴記者，儲(chǔ)能市場巨大，僅鈉硫電池的細(xì)分市場也相當(dāng)之大，如果國家支持力度足夠，我國的商用鈉硫電池有望在3~5年內(nèi)趕上日本現(xiàn)在的水平，在未來打破NGK公司一統(tǒng)國際市場的局面。
中國第一、世界第二
記者在采訪期間發(fā)現(xiàn)，由于缺乏競爭對(duì)手，在對(duì)我國自主研發(fā)的鈉硫電池的所有介紹中，唯一參照就是日本NGK公司，這也是鈉硫電池研發(fā)和商用現(xiàn)狀的真實(shí)寫照。中科院上海硅酸鹽所自主研發(fā)的鈉硫電池可謂“中國第一、世界第二”。
溫兆銀直言：“我們接待了很多國內(nèi)外的學(xué)者和業(yè)界人士來參觀和交流訪問，有人擔(dān)心會(huì)不會(huì)發(fā)生技術(shù)泄密。我們認(rèn)為，鈉硫電池的技術(shù)難度大，需要有各路精英的啟發(fā)，要更上一層樓，離不開同行的支持和幫助。但事實(shí)上，鈉硫電池的技術(shù)門檻高，國內(nèi)涉及鈉硫電池研究的機(jī)構(gòu)寥寥無幾，希望和壓力都承擔(dān)在我們的身上。”
鈉硫電池以鈉和硫分別用作陽極和陰極，Beta-氧化鋁陶瓷同時(shí)起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用。其中陶瓷介質(zhì)是鈉硫電池能否研發(fā)成功的關(guān)鍵和核心。而NGK和上海硅酸鹽所的共同點(diǎn)就是在陶瓷材料上都有幾十年的研究基礎(chǔ)。
實(shí)際上，鈉硫電池最早由美國福特公司在上世紀(jì)60年代發(fā)明。當(dāng)時(shí)，日本、中國、德國、英國等一些國家也針對(duì)車用電池開展了大量研究工作。
由于上海硅酸鹽所在陶瓷材料的研究上基礎(chǔ)較強(qiáng)，我國從上世紀(jì)60年代開始形成了以中科院硅酸鹽所為主的研究隊(duì)伍，總共有10多家研究單位參與。
已經(jīng)退休的硅酸鹽所研究員曹佳弟回憶說，我國鈉硫電池的研發(fā)可謂“兩上兩下”：從上世紀(jì)60年代開始，硅酸鹽所傾全所之力研發(fā)鈉硫電池，到70年代達(dá)到高潮，在1977年實(shí)現(xiàn)了6千瓦的面包車示范。但隨后，車用鈉硫電池的研究進(jìn)入低潮。直到80年代初期，中國科學(xué)院從院“六五”規(guī)劃開始給予支持，尤其是“八五”期間得到了國家“863”重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。但當(dāng)時(shí)，全國只剩下硅酸鹽所還在繼續(xù)鈉硫電池的研究。而到“十五”之后，全國的研究都基本處于停止?fàn)顟B(tài)。
與此同時(shí)，國外鈉硫電池的研究也基本停滯。除了在上世紀(jì)80年代，日本重新定位，聚焦鈉硫電池的儲(chǔ)能應(yīng)用，并研發(fā)成功、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在全世界引起了很大的轟動(dòng)。
在日本成功的激勵(lì)之下，2006年，應(yīng)上海電力公司之邀，硅酸鹽所重新?lián)炱鹆诉@項(xiàng)研究，并定位為大容量儲(chǔ)能用鈉硫電池。
根據(jù)要求，研究組必須在4個(gè)月內(nèi)拿出電池樣品，而當(dāng)時(shí)，硅酸鹽所對(duì)鈉硫電池的研究已經(jīng)停止了五六年。況且，溫兆銀組成的研究組僅有5個(gè)人。另外，同小容量的車用電池相比，儲(chǔ)能用電池的技術(shù)難度更高，技術(shù)難以簡單移植。因此，當(dāng)時(shí)攬下這一重任時(shí)，有同事說溫兆銀“瘋了”。
這4個(gè)月，他們確實(shí)過得很“瘋狂”。當(dāng)時(shí)還是學(xué)生，現(xiàn)在已經(jīng)成為研發(fā)團(tuán)隊(duì)核心成員的韓金鐸回憶起往事還是心有余悸：“那4個(gè)月過的真是‘魔鬼訓(xùn)練法’，基本每天都24小時(shí)連軸轉(zhuǎn)，所以那4個(gè)月足以頂一年。”
除了自己連軸轉(zhuǎn)，他們還監(jiān)督加工單位也跟著連軸轉(zhuǎn)。要研制出大容量儲(chǔ)能用鈉硫電池，首先就必須研發(fā)出專門的技術(shù)設(shè)備。“那時(shí)候我們經(jīng)常深更半夜出現(xiàn)在合作的廠家‘突擊視察’或是通宵達(dá)旦地進(jìn)行設(shè)備試驗(yàn)。時(shí)間不等人??！”溫兆銀回憶道。
2006年12月31日到2007年1月2日，研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷最后兩天兩夜的不休不眠，終于制作出第一件大容量鈉硫儲(chǔ)能電池。
溫兆銀總結(jié)道：“4個(gè)月的成功起步，源于幾十年的積累，突破原有思維定式，加上技術(shù)路線設(shè)計(jì)正確。”他特別強(qiáng)調(diào)了電力公司的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，羅宏杰所長等所領(lǐng)導(dǎo)的強(qiáng)力支撐以及上海市科委的正確引導(dǎo)和中科院的關(guān)心指導(dǎo)。 [page]
定位100兆瓦以下集中分布式儲(chǔ)能
據(jù)溫兆銀介紹，上世紀(jì)70年代末出現(xiàn)的那次世界范圍的鈉硫電池研發(fā)停滯主要是由于其作為車用電池的定位受到挑戰(zhàn)：一方面，鈉硫電池需要的運(yùn)行溫度較高，在當(dāng)時(shí)難以解決安全性和可靠性問題；另一方面，鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等相繼發(fā)明，這些常溫運(yùn)行的電池取代了鈉硫電池成為車用電池的主流技術(shù)。因此，作為車用的鈉硫電池逐漸淡出，到上世紀(jì)80年代中后期基本停止。
唯一堅(jiān)持下來的就是日本NGK公司和東京電力公司從1983年開始聯(lián)合研究儲(chǔ)能用大容量鈉硫電池。“關(guān)鍵是他們找到了運(yùn)用的突破口，不再把鈉硫電池用在動(dòng)態(tài)的電動(dòng)車上，而是用于靜態(tài)環(huán)境下的儲(chǔ)能，因此同其他電池相比更能發(fā)揮特長和優(yōu)點(diǎn)。”溫兆銀說。
鈉硫電池用于儲(chǔ)能有多種方式，如對(duì)電網(wǎng)用電的削峰填谷，平衡夜晚和白天的用電；發(fā)生故障時(shí)的應(yīng)急；接入可再生能源，使間歇性的可再生能源發(fā)電平穩(wěn)地輸入電網(wǎng)。“如果能起到調(diào)節(jié)峰谷的作用，中國就可以少建很多發(fā)電站，而發(fā)電站的投資往往是巨大的。”溫兆銀指出。
不過，再大容量的儲(chǔ)能電池同抽水儲(chǔ)能等物理儲(chǔ)能方式相比還是小。據(jù)課題組成員劉宇介紹，鈉硫電池今后的定位是解決集中分布式能源供應(yīng)，規(guī)模定位在100兆瓦級(jí)別以下。
曾留學(xué)日本的劉宇介紹道，日本鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要用戶是工廠、企業(yè)等集中分布式能源用戶。因?yàn)檫@些大的工廠、企業(yè)往往用電量較大，在用電高峰時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊也較大，通過配備的儲(chǔ)能系統(tǒng)就能在關(guān)鍵的用電高峰消減電網(wǎng)壓力，調(diào)節(jié)電網(wǎng)的峰谷平衡。
他補(bǔ)充道，抽水蓄能調(diào)節(jié)的容量很大，適用于大型發(fā)電廠，并且受地理?xiàng)l件限制。而鈉硫電池體積小、方便靈活，更適用于社區(qū)、醫(yī)院，甚至家庭等小規(guī)模供電系統(tǒng)。
產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)還需國家層面支持
目前，硅酸鹽所100千瓦/800千瓦時(shí)的鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)正在經(jīng)受上海世博會(huì)的示范考驗(yàn)。世博會(huì)期間，國家電網(wǎng)上海世博園智能電網(wǎng)綜合示范工程（上海漕溪能源轉(zhuǎn)換綜合展示基地）對(duì)4種儲(chǔ)能電池同時(shí)示范，其中鈉硫電池是容量最大的一種，占到總?cè)萘康?/3。
記者在采訪時(shí)注意到，地處上海漕溪路變電站的儲(chǔ)能示范控制中心對(duì)嘉定基地的儲(chǔ)能系統(tǒng)全程遠(yuǎn)程控制和操作。該系統(tǒng)目前穩(wěn)定運(yùn)行，成功并網(wǎng)，在夜里充廉價(jià)電，白天放電重新輸回電網(wǎng)。 “這也是將來能走到商業(yè)化應(yīng)用的起步。”溫兆銀滿懷希望地說。
“為了實(shí)現(xiàn)工程化研究，我們研制出一條2兆瓦單體鈉硫電池的試驗(yàn)平臺(tái)，每天可以制備35~40個(gè)大容量電池。羅宏杰所長、楊建華副所長親自推動(dòng)項(xiàng)目的開展。”溫兆銀說：“通過這條試驗(yàn)線，我們使鈉硫電池快速走向了小批量化試制，現(xiàn)在已經(jīng)掌握了鈉硫電池生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，為產(chǎn)業(yè)化打下了基礎(chǔ)。當(dāng)然要真正進(jìn)入市場應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。”
儲(chǔ)能市場是巨大的，有數(shù)據(jù)顯示，僅上海一地可預(yù)見的市場規(guī)模就可達(dá)400億元。
溫兆銀認(rèn)為，將來各種儲(chǔ)能技術(shù)都會(huì)有各自的市場，即便鈉硫電池分享其中的一小塊也是很大的市場。“現(xiàn)在最緊急的是可再生能源如何實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。這塊不僅市場大，而且需求迫切，沒有儲(chǔ)能系統(tǒng)的配套，風(fēng)力發(fā)電基本上不能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)而無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)”。
除了在日本國內(nèi)100多個(gè)電站中運(yùn)行。NGK的技術(shù)還遠(yuǎn)銷國際市場。僅2009年，NGK就有150兆瓦容量出口到歐洲、300兆瓦的合同輸出到阿聯(lián)酋。
“NGK年生產(chǎn)能力只有150兆瓦，但是國外訂單已經(jīng)把未來3年的產(chǎn)量訂滿了，可見鈉硫電池的儲(chǔ)能市場供不應(yīng)求。”溫兆銀分析道。
記者分析發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的一臺(tái)風(fēng)機(jī)一般在3~5兆瓦左右，需要對(duì)應(yīng)2兆瓦左右的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行匹配。而數(shù)據(jù)顯示，我國到2020年的風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)將達(dá)到2300萬兆瓦。
“所以對(duì)于儲(chǔ)能市場來說，150兆瓦是個(gè)很小的數(shù)字。現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上市場的發(fā)展。”溫兆銀說。
對(duì)于市場需求的迫切性和發(fā)展不協(xié)調(diào)的現(xiàn)狀，溫兆銀認(rèn)為必須有國家層面的推動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)突破。他說：“現(xiàn)在很多技術(shù)有技術(shù)基礎(chǔ)，但是要真正進(jìn)入市場還很難，要向產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)必須有更大的支持力度。”
據(jù)悉，NGK公司在研發(fā)鈉硫電池的最初幾年中一直虧本，NGK每位新上任的理事長最頭疼的一件事就是到底還要不要研發(fā)鈉硫電池。而它最后能堅(jiān)持下來多虧了東京電力持續(xù)的大力支持，讓一項(xiàng)已經(jīng)被世人放棄的技術(shù)重獲新生。
劉宇認(rèn)為，NGK之所以能實(shí)現(xiàn)商業(yè)推廣，一個(gè)重要因素是日本機(jī)電配套企業(yè)的能力很強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化、連續(xù)化。“它的自動(dòng)化程度甚至比生產(chǎn)鋰離子電池還高。”劉宇說，“我們下一步要實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)面臨的主要問題就是中國企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)能力。”
溫兆銀表示，硅酸鹽所的鈉硫電池正處在產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)備階段，除了跟電網(wǎng)公司合作，還將與制造企業(yè)合作，共同推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。“這個(gè)產(chǎn)業(yè)涉及到很多方面，一旦推動(dòng)起來將很快形成巨大的產(chǎn)業(yè)鏈。”他說。
NGK從2002年開始商業(yè)推廣，到2008年實(shí)現(xiàn)贏利，用了6年的時(shí)間。根據(jù)溫兆銀理想的設(shè)計(jì)，我國現(xiàn)在必須加速起步，花上3～5年時(shí)間達(dá)到日本現(xiàn)在的規(guī)模。“要做到這點(diǎn)才能順利進(jìn)入市場規(guī)模的生產(chǎn)，今后形成一定的競爭力。”他強(qiáng)調(diào)。
