中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：談到清潔能源，如風(fēng)能、太陽能等，大家都不會(huì)感到陌生。可是為什么這么好的可再生清潔能源遲遲沒能大規(guī)模投入使用呢？風(fēng)是會(huì)停的，太陽是會(huì)落山的，這種能源的不穩(wěn)定性一直以來都在困擾著科學(xué)家。張洪章研究員所在的團(tuán)隊(duì)將風(fēng)能、太陽能與液流儲(chǔ)能電池相結(jié)合，致力于實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展。今天，SELF講壇帶您走進(jìn)新能源的世界。
張洪章
中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員
以下內(nèi)容為張洪章演講實(shí)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(gè)心理學(xué)研究：男人一天要說夠3000個(gè)字，女人一天要說夠8000個(gè)字，這樣才能保持各自生理上的愉悅。基本上每個(gè)男人在白天工作的時(shí)候就說夠了3000個(gè)字，晚上就想著休息。而女人還有5000個(gè)字沒有說呢，這就是很多悲劇的起源了。
我在中科院做化學(xué)研究已經(jīng)10年了，我一開始每天能說3000個(gè)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)1000多位觀眾，我心里還是有一點(diǎn)緊張。不過，我一定要利用機(jī)會(huì)，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(gè)介紹，主要與風(fēng)能和太陽能有關(guān)。
2008年我考上了中科院大連化物所，當(dāng)時(shí)是沖著大連化物所的燃料電池技術(shù)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(jìn)行一次集中的學(xué)習(xí)。2008年北京的天空被稱作“奧運(yùn)藍(lán)”，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(shí)候，我們這邊已經(jīng)被霧霾包圍了?！蹦憧?，我們大連總是碧海藍(lán)天，跟丹東一樣，都是全國可以排進(jìn)前十名的宜居城市。盡管如此，在冬季采暖的時(shí)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(chǎn)生原因有很多，對(duì)我們每個(gè)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(jì)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?yàn)槲覀冇性丛床粩嗟囊率匙⌒械墓?yīng)，其中能源是很基礎(chǔ)的一部分。
第一次工業(yè)革命的基礎(chǔ)是蒸汽機(jī)，它的能源是煤炭。第二次工業(yè)革命的基礎(chǔ)是內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)，它的主要能源是石油。這兩種能源在燃燒的過程中都會(huì)產(chǎn)生霧霾，產(chǎn)生PM2.5。
現(xiàn)在,我們進(jìn)入了新的時(shí)代。第三次工業(yè)革命正在發(fā)生，以智能制造、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為代表的新技術(shù)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(fēng)電等。
大家可能覺得生活中太陽能和風(fēng)能發(fā)電機(jī)隨處可見，因?yàn)橹袊F(xiàn)在的太陽能和風(fēng)能發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)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(fēng)能和太陽能其實(shí)是由風(fēng)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(shí)間也不是很固定。
做氣象預(yù)測(cè)的同事跟我說，經(jīng)常要替他們的不負(fù)責(zé)任背黑鍋。今天早上，丹東的天氣還好好的，不過一會(huì)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(huì)陷入一片黑暗。
現(xiàn)在大家還體會(huì)不到這一點(diǎn)，因?yàn)轱L(fēng)能和太陽能目前在能源的比例中還不到10%。假設(shè)有一天風(fēng)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(huì)造成很嚴(yán)重的事故。
下圖紅色曲線是風(fēng)電廠發(fā)電輸出的情況，這是沈陽風(fēng)電廠非常典型的曲線。大家可以看到，在一天幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)，曲線的波動(dòng)很不規(guī)律，因此我們的風(fēng)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(fēng)量甚至可以達(dá)到40%，嚴(yán)重浪費(fèi)能源，也不利于風(fēng)能和太陽能的發(fā)展。
但是，如果我們用藍(lán)色的曲線表示電池，與風(fēng)電進(jìn)行匹配，把風(fēng)電儲(chǔ)存起來，然后再跟風(fēng)電相匹配進(jìn)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(shí)現(xiàn)風(fēng)能的輸出。這樣我們就實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽能和風(fēng)能的駕馭。
總之，我們所做的研究就是做一個(gè)大型的儲(chǔ)能電站，把風(fēng)和太陽的能量?jī)?chǔ)存起來。就像我們存壓歲錢和零錢一樣，在需要的時(shí)候再拿出來用，這樣就可以避免風(fēng)能和太陽能的不連續(xù)、不穩(wěn)定，以及給電網(wǎng)帶來不可控的沖擊。
2009年我回到大連化物所的時(shí)候，由于儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展非?？欤业膶?dǎo)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(chǔ)能?！蔽艺f：“好啊，換哪個(gè)儲(chǔ)能技術(shù)？”張老師說：“液流?！蔽艺f：“好啊張老師，換哪個(gè)液流電池技術(shù)？”張老師說：“全釩。”于是，我就開始了做全釩液流儲(chǔ)能電池。
后來我想了想，我之所以說話字?jǐn)?shù)越來越少，好像跟張老師的言簡(jiǎn)意賅也有很大關(guān)系。我想，換了在座的各位，如果是跟張老師對(duì)話，也會(huì)這樣刨根問底地問下去。因?yàn)閮?chǔ)能的技術(shù)實(shí)在是太多了，有物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能，僅我們研究的化學(xué)儲(chǔ)能，就有很多種電池技術(shù)。
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(jī)、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(gè)場(chǎng)地里唯獨(dú)沒有我研究的全釩液流電池，我感到有一點(diǎn)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(gè)大罐子，前面是一個(gè)像方塊一樣的東西。曾經(jīng)一位大媽跟我說：“你研究的這個(gè)東西，這兩個(gè)罐子不錯(cuò)，用來腌咸菜挺好?！迸赃呉晃淮鬆斀又f：“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(shí)二老說的都挺好，都挺對(duì)?！边@個(gè)電池確實(shí)跟他們說的液體有關(guān)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(jià)態(tài)，2、3、4、5價(jià)，通過它們價(jià)態(tài)的變化可以實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的轉(zhuǎn)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(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，完成充電和放電。釩的4種價(jià)態(tài)，分別有紫色、綠色、藍(lán)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(shù)，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(biāo)是努力的發(fā)展自己的技術(shù)，現(xiàn)在有了我們自己的產(chǎn)品。
如果用液流電池給手機(jī)充電，大家得背上兩罐“醬油”，也就是電解液。這其實(shí)是不可行的。有人說，你們科學(xué)家腦子進(jìn)水了嗎？讓這種又大又笨的電池給風(fēng)能和太陽能做儲(chǔ)能。我想，確實(shí)是進(jìn)水了，但是水沒有進(jìn)到科學(xué)家的腦子里，而是進(jìn)到了電池里邊。
電池里面所有的活性物質(zhì)都溶解在水里，想點(diǎn)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(duì)周圍的環(huán)境造成了很大的安全隱患。所以，對(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能來說，特別是風(fēng)能、太陽能的儲(chǔ)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(duì)環(huán)境沒有危害，電解液儲(chǔ)藏在罐子里，把那個(gè)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(duì)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(duì)于它的應(yīng)用場(chǎng)合——風(fēng)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?cè)谏蜿柦ǖ膬?chǔ)能電站，它是5兆瓦時(shí)/10兆瓦時(shí)的電站。這是電廠的外景。
下圖是內(nèi)部的情況。左上角是一個(gè)電堆，幾個(gè)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(chǎng)大廳差不多大，圖上還展示了電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，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(gè)多學(xué)科交叉的領(lǐng)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(fù)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(shí)費(fèi)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(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)郵件，想?yún)⒂^一下他們的技術(shù)。當(dāng)時(shí)我們得到的是無情的拒絕，甚至連“醬油”儲(chǔ)罐都不讓我們看。結(jié)果，2008年，因?yàn)榻鹑谖C(jī)，加拿大的VRB公司宣布破產(chǎn)，日本的公司宣布暫停研發(fā)。當(dāng)時(shí)我們剛剛起步，很多人都質(zhì)疑我們：日本人有工匠精神，他們都不做了，你們還做這個(gè)干什么？趕緊換方向，不要搭上你們的時(shí)間和精力了。
當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人張老師壓力很大，后來經(jīng)過冷靜分析，認(rèn)為這只是一個(gè)暫時(shí)的狀況。為什么這么說？因?yàn)轱L(fēng)能和太陽能的發(fā)展大趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)，對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能的需求不可逆轉(zhuǎn)，大規(guī)模儲(chǔ)能對(duì)安全性的需求不可逆轉(zhuǎn)，而全釩液流電池正好是安全的，而且它是性價(jià)比非常高的。另外，中國的釩儲(chǔ)量是世界前三位的，而日本沒有釩資源，他們需要進(jìn)口，所以說我們有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。我們只要把關(guān)鍵材料技術(shù)突破了，就可以取得成功。
不過，關(guān)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(dāng)時(shí)也有一個(gè)很驚人的舉動(dòng)，十幾名科研人員放棄了中科院事業(yè)編的待遇，進(jìn)入這家私營企業(yè)研究電池，目的就是將其產(chǎn)業(yè)化。經(jīng)過長時(shí)間研究，我們把這些關(guān)鍵材料逐步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)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(jìn)口，面積和100元人民幣大小相同的隔膜，其購買價(jià)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(shí)間研究這個(gè)膜，結(jié)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(huì)帶來高附加值的收益。
總結(jié)一下，全釩液流電池是一種高性能、長壽命、安全的儲(chǔ)能技術(shù)，它可以給大規(guī)模儲(chǔ)能帶來很好的穩(wěn)定性。此外，它不光能用在風(fēng)能和太陽能的儲(chǔ)存上，像給電動(dòng)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(gè)風(fēng)機(jī)，車庫里有一個(gè)液流電池的儲(chǔ)罐，這樣就可以實(shí)現(xiàn)住宅的風(fēng)、光、儲(chǔ)一體化，可以滿足家里的儲(chǔ)電和用電需求。
這是位于大連的一個(gè)非常美麗的島嶼——蛇島，島上大概有上千種蛇。平時(shí)，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(jī)來發(fā)電的，噪音非常大，成本也很高，而且對(duì)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(shí)現(xiàn)島上24小時(shí)的連續(xù)供電，從而方便了人們守護(hù)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(jīng)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(shí)/10兆瓦時(shí)、當(dāng)時(shí)是全球規(guī)模最大的儲(chǔ)能電站。當(dāng)時(shí)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(shè)起來。后來，這個(gè)電站做成的時(shí)候引起了很大的轟動(dòng)。日本重新啟動(dòng)了曾經(jīng)終止研發(fā)的技術(shù)，美國也宣布加大力度來支持全釩液流電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，這對(duì)我們中國人來說是非常自豪的。
也許有些同學(xué)會(huì)問：“現(xiàn)在電池技術(shù)已經(jīng)做得很好了，我們作為學(xué)生還能做什么呢？”我想，液流電池技術(shù)現(xiàn)在只是完成了初步的產(chǎn)業(yè)化，后面還有很長的路要走，比如，它的成本怎樣進(jìn)一步降低，它的應(yīng)用模式怎樣進(jìn)一步擴(kuò)展，未來在非常廣闊的能源市場(chǎng)中，發(fā)電端、電網(wǎng)端、用電端都需要各種各樣的儲(chǔ)能技術(shù)，我相信這些技術(shù)不是全釩液流電池一種技術(shù)能夠滿足的。我們儲(chǔ)能技術(shù)研究部還有很多的其他技術(shù)正在研發(fā)，可能一個(gè)很小的創(chuàng)新，就可以幫助你實(shí)現(xiàn)“一個(gè)億的小目標(biāo)”。
這是我們整個(gè)儲(chǔ)能技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)。我們團(tuán)隊(duì)人不多，特點(diǎn)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(chǔ)能技術(shù)研究部交流、學(xué)習(xí)、指導(dǎo)，一起把儲(chǔ)能事業(yè)做得越來越好。
其實(shí)，有些技術(shù)不是我們中國做不好，對(duì)我們禁運(yùn)的技術(shù),我們反而做得更好。關(guān)鍵是我們要有信心，把自己深深扎根到自己的實(shí)驗(yàn)室，有自己的想法，一點(diǎn)一滴把技術(shù)做好。
最后，再次感謝大家。現(xiàn)場(chǎng)來的觀眾來自各行各業(yè)，都是對(duì)知識(shí)有渴求的朋友，希望我的報(bào)告能夠讓大家有所收獲。最后，我也非常高興地達(dá)成了我說3000字的目標(biāo)。再次感謝大家，謝謝。
