中國儲能網訊：談到清潔能源，如風能、太陽能等，大家都不會感到陌生?？墒菫槭裁催@么好的可再生清潔能源遲遲沒能大規(guī)模投入使用呢？風是會停的，太陽是會落山的，這種能源的不穩(wěn)定性一直以來都在困擾著科學家。張洪章研究員所在的團隊將風能、太陽能與液流儲能電池相結合，致力于實現(xiàn)綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展。今天，SELF講壇帶您走進新能源的世界。
張洪章
中國科學院大連化學物理研究所研究員
以下內容為張洪章演講實錄：
親愛的觀眾朋友們，大家下午好。我是大連化物所的張洪章，我是做電池研究的。
不知道大家是否聽過一個心理學研究：男人一天要說夠3000個字，女人一天要說夠8000個字，這樣才能保持各自生理上的愉悅。基本上每個男人在白天工作的時候就說夠了3000個字，晚上就想著休息。而女人還有5000個字沒有說呢，這就是很多悲劇的起源了。
我在中科院做化學研究已經10年了，我一開始每天能說3000個字，后來我發(fā)現(xiàn)只能說1000字了，所以我的壓力非常大。
面對現(xiàn)場1000多位觀眾，我心里還是有一點緊張。不過，我一定要利用機會，把自己的3000字說完。跟大家透露一下，有可能今天是我過去10年中說話最多的一天。接來下，我就把這10年來所做的工作跟大家做一個介紹，主要與風能和太陽能有關。
2008年我考上了中科院大連化物所，當時是沖著大連化物所的燃料電池技術去的。這種電池非常好，可以給我們帶來綠水青山。
那一年，我們要在北京進行一次集中的學習。2008年北京的天空被稱作“奧運藍”，天特別好。但是2009年我們從北京回到大連，北京的同事們就開始抱怨：“你們走的真是時候，我們這邊已經被霧霾包圍了?！蹦憧矗覀兇筮B總是碧海藍天，跟丹東一樣，都是全國可以排進前十名的宜居城市。盡管如此，在冬季采暖的時候也有幾天是霧霾天。
可以這樣說，一方水土養(yǎng)育一方人，一方霧霾養(yǎng)育了一方的青年。特別是00后、10后，基本上是在城市里吃著霧霾長大的。霧霾的產生原因有很多，對我們每個人來說也很重要。
為什么這么說？人類要想發(fā)展必須要有能源。從19世紀到現(xiàn)在，全球的人口大概翻了三倍。之所以我們能養(yǎng)活這么多人，就是因為我們有源源不斷的衣食住行的供應，其中能源是很基礎的一部分。
第一次工業(yè)革命的基礎是蒸汽機，它的能源是煤炭。第二次工業(yè)革命的基礎是內燃機和發(fā)電機，它的主要能源是石油。這兩種能源在燃燒的過程中都會產生霧霾，產生PM2.5。
現(xiàn)在,我們進入了新的時代。第三次工業(yè)革命正在發(fā)生，以智能制造、互聯(lián)網、大數據為代表的新技術快速發(fā)展，支撐其發(fā)展的能源是清潔能源，包括太陽能、風電等。
大家可能覺得生活中太陽能和風能發(fā)電機隨處可見，因為中國現(xiàn)在的太陽能和風能發(fā)電機的裝機容量已經達到了世界第一。但我想引用吳承恩在《西游記》里面的一些描述，在書中風能和太陽能其實是由風神、雨神、雷公、電母還有太陽星神一起來控制的。他們沒有末位淘汰制，沒有考核，所以，這些神仙上下班的時間也不是很固定。
做氣象預測的同事跟我說，經常要替他們的不負責任背黑鍋。今天早上，丹東的天氣還好好的，不過一會兒就陰天了，還下起了雨。如果是用太陽能發(fā)電的話，大家現(xiàn)在就會陷入一片黑暗。
現(xiàn)在大家還體會不到這一點，因為風能和太陽能目前在能源的比例中還不到10%。假設有一天風能和太陽能所占的比例超過了50%，如果城市里面停電幾分鐘，便會造成很嚴重的事故。
下圖紅色曲線是風電廠發(fā)電輸出的情況，這是沈陽風電廠非常典型的曲線。大家可以看到，在一天幾個小時之內，曲線的波動很不規(guī)律，因此我們的風電廠需要棄掉一部分電能。有些地區(qū)，例如三北的一些地區(qū)，棄風量甚至可以達到40%，嚴重浪費能源，也不利于風能和太陽能的發(fā)展。
但是，如果我們用藍色的曲線表示電池，與風電進行匹配，把風電儲存起來，然后再跟風電相匹配進行輸出，就可以得到一條綠色的較平滑的輸出曲線，更好地實現(xiàn)風能的輸出。這樣我們就實現(xiàn)了對太陽能和風能的駕馭。
總之，我們所做的研究就是做一個大型的儲能電站，把風和太陽的能量儲存起來。就像我們存壓歲錢和零錢一樣，在需要的時候再拿出來用，這樣就可以避免風能和太陽能的不連續(xù)、不穩(wěn)定，以及給電網帶來不可控的沖擊。
2009年我回到大連化物所的時候，由于儲能技術的發(fā)展非?？?，我的導師張華民老師跟我說：“你要換課題。”我說：“張老師，我聽您的，換什么課題？”張老師說：“儲能?！蔽艺f：“好啊，換哪個儲能技術？”張老師說：“液流?！蔽艺f：“好啊張老師，換哪個液流電池技術？”張老師說：“全釩?！庇谑牵揖烷_始了做全釩液流儲能電池。
后來我想了想，我之所以說話字數越來越少，好像跟張老師的言簡意賅也有很大關系。我想，換了在座的各位，如果是跟張老師對話，也會這樣刨根問底地問下去。因為儲能的技術實在是太多了，有物理儲能、電磁儲能、化學儲能，僅我們研究的化學儲能，就有很多種電池技術。
大家都知道哪些電池呢？像激光筆、話筒，一般使用干電池。我們的手機、筆記本電腦用的是鋰電池。墻上的安全指示牌一般用鉛酸電池?？上н@個場地里唯獨沒有我研究的全釩液流電池，我感到有一點小小的遺憾，但這是有原因的，大家看一看全釩液流電池的尊容就知道了。
它又大又丑，帶著兩個大罐子，前面是一個像方塊一樣的東西。曾經一位大媽跟我說：“你研究的這個東西，這兩個罐子不錯，用來腌咸菜挺好。”旁邊一位大爺接著說：“不光腌咸菜，用來曬醬油也挺好。醬油曬足180天，曬出美味曬出鮮?！蔽艺f：“其實二老說的都挺好，都挺對。”這個電池確實跟他們說的液體有關系，不過罐子里裝的不是醬油。
裝的是什么？裝的是釩離子的水溶液。釩有4種價態(tài)，2、3、4、5價，通過它們價態(tài)的變化可以實現(xiàn)電能和化學能的轉變。大家從示意圖中可以看到，電解液從罐子里流到電池里，然后再回到罐子里，在電池內部發(fā)生電化學反應，完成充電和放電。釩的4種價態(tài)，分別有紫色、綠色、藍色、黃色4種顏色，四季分明，是我見過的電池里面最漂亮的一種。
這種電池是誰發(fā)明的呢？說起來比較遺憾，這種電池最早是美國人提出的概念，澳大利亞人提出的電池技術，日本人和加拿大人做出的系統(tǒng)。我們中國人做了什么？我們的目標是努力的發(fā)展自己的技術，現(xiàn)在有了我們自己的產品。
如果用液流電池給手機充電，大家得背上兩罐“醬油”，也就是電解液。這其實是不可行的。有人說，你們科學家腦子進水了嗎？讓這種又大又笨的電池給風能和太陽能做儲能。我想，確實是進水了，但是水沒有進到科學家的腦子里，而是進到了電池里邊。
電池里面所有的活性物質都溶解在水里，想點燃它是不可能的。它不像其他的電池，有些電池很容易著火，燃燒三天三夜都不能熄滅，用一般的水無法撲滅。就像紅孩兒的三味真火，只能眼睜睜地看它自己燃盡。這樣的電池對周圍的環(huán)境造成了很大的安全隱患。所以，對于大規(guī)模儲能來說，特別是風能、太陽能的儲能，首先要考慮的就是安全性。
我們的全釩液流電池雖然又大又丑，但它很溫柔，對環(huán)境沒有危害，電解液儲藏在罐子里，把那個像醬油一樣的液體抽出來，可以百分之百回收。不像之前的一些電池，廢棄之后散布到田間地頭，對我們的飲食、飲水都造成了很大的危害。
另外，雖然全釩液流電池的體積很大，但相對于它的應用場合——風電廠和太陽能電廠來說，那只是冰山一角。下圖展示的是2012年我們在沈陽建的儲能電站，它是5兆瓦時/10兆瓦時的電站。這是電廠的外景。
下圖是內部的情況。左上角是一個電堆，幾個大罐子是電解液罐，里面存的是電解液，還有它的電力控制系統(tǒng)。電池的占地面積跟我們所處的現(xiàn)場大廳差不多大，圖上還展示了電池內部的結構，里面包括電解液的控制區(qū)、核心的電堆以及電力電子控制區(qū)，這是一個多學科交叉的領域。
下圖是它的電堆，在電堆里面包括電池所有的部件，正極、負極、隔膜……把這些疊加起來，然后串聯(lián)，就得到了我們的電池。
中國人研究全釩液流電池，其實費了千辛萬苦。2000年左右，我們想做全釩液流電池，于是給日本和加拿大做得比較好的一個團隊發(fā)郵件，想參觀一下他們的技術。當時我們得到的是無情的拒絕，甚至連“醬油”儲罐都不讓我們看。結果，2008年，因為金融危機，加拿大的VRB公司宣布破產，日本的公司宣布暫停研發(fā)。當時我們剛剛起步，很多人都質疑我們：日本人有工匠精神，他們都不做了，你們還做這個干什么？趕緊換方向，不要搭上你們的時間和精力了。
當時團隊負責人張老師壓力很大，后來經過冷靜分析，認為這只是一個暫時的狀況。為什么這么說？因為風能和太陽能的發(fā)展大趨勢不可逆轉，對大規(guī)模儲能的需求不可逆轉，大規(guī)模儲能對安全性的需求不可逆轉，而全釩液流電池正好是安全的，而且它是性價比非常高的。另外，中國的釩儲量是世界前三位的，而日本沒有釩資源，他們需要進口，所以說我們有得天獨厚的優(yōu)勢。我們只要把關鍵材料技術突破了，就可以取得成功。
不過，關鍵材料有很多，有雙極板、電解液、電極、隔膜。2008年，我們的公司成立了，當時也有一個很驚人的舉動，十幾名科研人員放棄了中科院事業(yè)編的待遇，進入這家私營企業(yè)研究電池，目的就是將其產業(yè)化。經過長時間研究，我們把這些關鍵材料逐步實現(xiàn)了產業(yè)化，心里很安慰。
其中比較有代表性的材料是隔膜。之前，隔膜都是大量從美國的公司進口，面積和100元人民幣大小相同的隔膜，其購買價格也是100元。它的主要作用是將釩離子和氫離子分開，不讓釩離子穿過去。我花了很長時間研究這個膜，結果發(fā)現(xiàn)它不光把釩離子擋住了，連我說話的能力也擋住了一部分。這種隔膜很貴，只有這種高附加值的材料，才會帶來高附加值的收益。
總結一下，全釩液流電池是一種高性能、長壽命、安全的儲能技術，它可以給大規(guī)模儲能帶來很好的穩(wěn)定性。此外，它不光能用在風能和太陽能的儲存上，像給電動車充電的充電站，也可以采用全釩液流電池。
這是張老師家的別墅。他家里有太陽能發(fā)電，有一個風機，車庫里有一個液流電池的儲罐，這樣就可以實現(xiàn)住宅的風、光、儲一體化，可以滿足家里的儲電和用電需求。
這是位于大連的一個非常美麗的島嶼——蛇島，島上大概有上千種蛇。平時，蛇靠吃島上的老鼠和小鳥為生。之前，蛇島都是用柴油發(fā)電機來發(fā)電的，噪音非常大，成本也很高，而且對鳥的降落有影響，蛇也不容易吃到鳥蛋。蛇島用了我們的電池之后，可以實現(xiàn)島上24小時的連續(xù)供電，從而方便了人們守護蛇島。
從2000年在我們大連化物所開始研發(fā)全釩液流電池，直到現(xiàn)在已經賣到了全球各地，其中印象比較深刻的是2012年在沈陽法庫縣建的5兆瓦時/10兆瓦時、當時是全球規(guī)模最大的儲能電站。當時建電站的人回來跟我說，他們站在冬天沈陽郊區(qū)的山崗上，頭發(fā)蓬亂，但心里面滿腔熱血，一心要把電站建設起來。后來，這個電站做成的時候引起了很大的轟動。日本重新啟動了曾經終止研發(fā)的技術，美國也宣布加大力度來支持全釩液流電池的產業(yè)化發(fā)展，這對我們中國人來說是非常自豪的。
也許有些同學會問：“現(xiàn)在電池技術已經做得很好了，我們作為學生還能做什么呢？”我想，液流電池技術現(xiàn)在只是完成了初步的產業(yè)化，后面還有很長的路要走，比如，它的成本怎樣進一步降低，它的應用模式怎樣進一步擴展，未來在非常廣闊的能源市場中，發(fā)電端、電網端、用電端都需要各種各樣的儲能技術，我相信這些技術不是全釩液流電池一種技術能夠滿足的。我們儲能技術研究部還有很多的其他技術正在研發(fā)，可能一個很小的創(chuàng)新，就可以幫助你實現(xiàn)“一個億的小目標”。
這是我們整個儲能技術研究團隊。我們團隊人不多，特點是話也不多，但是做事情做得很多。我也希望年輕人、投資人能夠到我們大連化物所的儲能技術研究部交流、學習、指導，一起把儲能事業(yè)做得越來越好。
其實，有些技術不是我們中國做不好，對我們禁運的技術,我們反而做得更好。關鍵是我們要有信心，把自己深深扎根到自己的實驗室，有自己的想法，一點一滴把技術做好。
最后，再次感謝大家?，F(xiàn)場來的觀眾來自各行各業(yè)，都是對知識有渴求的朋友，希望我的報告能夠讓大家有所收獲。最后，我也非常高興地達成了我說3000字的目標。再次感謝大家，謝謝。
