領跑全球儲能賽道，離不開協(xié)同創(chuàng)新與智能制造

　　全球低碳化浪潮正在加快能源結構轉型，與之相關的國際競爭亦愈演愈烈。呼之欲出的“鋰佩克”或將改寫全球鋰資源供應格局，歐盟《新電池法規(guī)》逐步對國內新能源企業(yè)筑起綠色壁壘。隨著“雙碳”戰(zhàn)略逐步深化，我國儲能行業(yè)亟需通過技術創(chuàng)新與智能制造應對多重挑戰(zhàn)。

　　11月3日，由中南大學、中國有色金屬學會新能源材料發(fā)展工作委員會、中國能源研究會電能技術專業(yè)委員會等單位聯(lián)合主辦的“第一屆新能源與儲能工程湘江國際論壇暨2023中國(長沙)電池產業(yè)博覽會”在湖南長沙召開。多位海內外院士、上百名專家學者齊聚一堂，共同圍繞如何強化新能源與儲能領域的國際競爭能力、推動科技自強與產業(yè)高質量協(xié)同發(fā)展等主題進行研討交流。

　　儲能的喜與憂：前景廣闊，挑戰(zhàn)突顯

　　生產、生活過程中的“碳中和”離不開一張綠色安全的電網，即正在積極建設中的新型電力系統(tǒng)。根據2020年氣候雄心峰會上宣布的中國國家自主貢獻，“到2030年風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上”，新能源的占比不斷增加。

　　然而，太陽能和風能等可再生能源發(fā)電存在間歇性和波動性。隨著高比例可再生電力的穩(wěn)定介入，大規(guī)模儲能技術的應用成為剛需。儲能通過充放電“削峰填谷”——降低負荷高峰、填補負荷低谷，穩(wěn)定電力供給、保障電網安全，提高終端用電效率。隨著新型電力系統(tǒng)的構建，儲能材料及大儲能產業(yè)正在發(fā)展成萬億級的賽道。

　　2023年，儲能發(fā)展持續(xù)高歌猛進。國家能源局截至2023年6月底的數據顯示，全國已建成投運的儲能累計裝機規(guī)模達17.33GW/35.80GWh，新投運裝機規(guī)模達到8.63  GW /17.72 GWh。

　　在儲能迎來歷史性機遇的背后，挑戰(zhàn)也正在全產業(yè)鏈中陸續(xù)浮現(xiàn)。上游鋰鹽價格波動巨大、綠色制造能力薄弱、產能無序擴張、價格戰(zhàn)內卷嚴重、政策相對單一、盈利模式不清晰等問題，制約了儲能產業(yè)的高質量可持續(xù)發(fā)展。產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)亟待在技術、資金和商業(yè)模式上取得突破。

　　目前，我國上游關鍵資源對外依賴度較高，其中鋰資源約七成依賴進口。鋰鹽價格波動大大影響了鋰電池供應的穩(wěn)定性。中游的材料商和電芯企業(yè)的經營因此承壓。其次，儲能材料的采、選、冶、化、回收等過程存在高污染、高耗能、高碳排的問題。不久前生效的歐盟《新電池法規(guī)》明確要求電池制造商在生產階段之外，承擔電池的全生命周期生產者責任，包括回收和處理廢棄電池。在新的國際規(guī)則之下，中國儲能企業(yè)如未能及時形成良好的產業(yè)生態(tài)，在參與國際化競爭和全球高端產業(yè)鏈分工中的優(yōu)勢或因此削弱。

　　對此，武漢大學副校長、碳中和感知與效能評估教育部工程研究中心主任龔威指出，歐盟《新電池法》對中國儲能行業(yè)的沖擊不會是偶發(fā)的個例，應該將其置于巴黎氣候協(xié)議和歐盟邊境碳關稅的時代大趨勢下看待?？梢灶A見的是未來產業(yè)競爭將由傳統(tǒng)的價格，質量雙重體系轉變?yōu)閮r格、質量、碳共同組成的三元結構。國內企業(yè)有必要加強對自身產品碳足跡和碳資產的管理與布局，更加主動、積極的在國際氣候治理中扮演重要角色。

　　要逐個擊破儲能產業(yè)鏈上的挑戰(zhàn)，需要產業(yè)、技術、資源和機制上的協(xié)同創(chuàng)新。中國科學院院士、油氣鉆探與開采專家、中國石油大學(北京)教授高德利曾表示，儲能技術的突破取決于高性能儲能材料、儲能單元和儲能系統(tǒng)研究，是典型的涉及多學科、多尺度有機融合的科技問題，中國亟須全面掌握具有國際領先水平的儲能關鍵技術和核心裝備，形成較為完善的技術和標準體系并擁有國際話語權。這需要通過示范工程引領儲能項目廣泛應用，形成較為完整的產業(yè)體系，同時形成一批有國際競爭力的市場主體。

　　先進儲能材料國家工程研究中心首席科學家鐘發(fā)平指出，“電化學儲能產業(yè)需要在儲能材料、電芯設計和制造、儲能系統(tǒng)集成和安全管理等多個領域和方向持續(xù)開展跨學科協(xié)同創(chuàng)新，產學研用融會貫通，以高屋建瓴進行頂層設計和強勢聯(lián)合，實現(xiàn)破局。只有站在產業(yè)發(fā)展的全局思考，跨學科交叉創(chuàng)新、政產學研協(xié)同創(chuàng)新、產業(yè)集群聯(lián)合體創(chuàng)新、國家科研平臺引領創(chuàng)新，政策組合拳創(chuàng)新扶持，產業(yè)聯(lián)合體創(chuàng)新基金賦能，才能高效、高質破解全產業(yè)鏈發(fā)展過程中的瓶頸和梗阻，推動產業(yè)高質量發(fā)展。”

　　混儲：破解安全 、 壽命  、 成本痛點 的“可行解”

　　目前的儲能技術路線主要分為物理儲能，如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能，化學儲能諸如最主流的鋰離子電池，以及鈉硫電池、鉛酸電池、氧化還原液流電池、氫能等，電磁儲能包括超導電磁儲能、超級電容儲能。不同技術路線在技術成熟度、度電成本、建設成本和碳排放水平上各有長短板。

　　鋰離子電池儲能憑借著能量密度高、循環(huán)使用壽命長(循環(huán)次數可達5000次)、響應快等優(yōu)勢，已經成為最主要的技術路線，在全國新型儲能裝機中占比高達94.5%。國內大中型化學儲能電站主要使用磷酸鐵鋰電池。同時，鋰離子電池仍然存在價格較高、本征安全不足等問題。三元鋰電池、鈉硫電池已經不再允許被運用于中大型電化學儲能電站。對此，中國科學院電工研究所研究員、中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會副秘書長陳永翀在接受《中國科學報》采訪時曾表示，鋰電池仍需要在“高安全、低成本和易回收”的目標上尋求技術突破。

　　混合儲能技術提供了一種新的解決方案——搭配兩種和兩種以上的儲能路線或電池，取長補短，結合能量型儲能器件的持久性和功率型儲能的快速響應能力，實現(xiàn)源網荷儲大協(xié)同，瞬時功率平衡和長時能量平衡。

　　基于該技術路線，鐘發(fā)平帶領團隊開發(fā)了電池大模組智能化診斷及動態(tài)控制系統(tǒng)，首創(chuàng)了多能量混合柔性調度技術。依托該成果開發(fā)的混合儲能系統(tǒng)安全可靠性和循環(huán)壽命大幅提升。目前，相關技術在已在多個項目中落地應用。在《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》中，復合型儲能技術(即混合儲能)示范應用首次被提及。今年8月19日，國家電力投資集團于內蒙古霍林郭勒市循環(huán)經濟產業(yè)園區(qū)投運了我國第一個結合了鐵鉻液流電池、飛輪、鋰電三種形式的混合儲能項目，建設裝機容量3兆瓦。

　　鋰資源高效回收，  產業(yè)鏈閉環(huán) “最后的拼圖”

　　隨著儲能電池市場的持續(xù)增長，如何降低其全生命周期內的碳足跡及其他負面環(huán)境影響成為全球新能源產業(yè)的一塊“心病”。在近日中國科協(xié)發(fā)布的2023重大工程技術難題(9個)中，“如何突破新能源廢料清潔高值化利用”的技術挑戰(zhàn)赫然在列。這也折射出我國在綠色智能制造能力上的一處薄弱點。

　　眼下，第一代電動汽車動力電池迎來退役時刻。鋰離子電池屬于危險品，不正確的處理可能會導致有毒化學物質危害環(huán)境，甚者引發(fā)燃料爆炸。不過，由于鋰電池正極板材料含有各種稀有金屬，具有較高的提取和轉售價值，提取和出售電極成分中積累的原材料有利于降低電池項目的整體成本。但目前還沒有一種回收鋰離子電池的單一工藝能夠同時達到低環(huán)境影響、低能源成本與高回收率的理想效果。

　　全電池回收過程包括拆解廢電池、通過物理/化學處理和濕法冶金/火法冶金步驟回收高純度的有價值材料。各個步驟都存在技術、成本效益上的困難和環(huán)境風險?；鸱ㄒ苯鹦枰?000℃的高溫，部分鋰會以礦渣的形式流失，即使是后處理也很難提取。回收的鋰鹽由于純度較低也不再適合在儲能電池中重復使用。濕法冶金工藝(如酸浸)雖然成本較低，碳排放量較少，但需要使用大量的酸堿并產生酸性廢水和有毒氣體。

　　龔威強調，國內企業(yè)應該完善對自身產品碳足跡的管理能力。其一，是提高運用數字技術建設可追溯、可驗證、可核查的供應鏈碳足跡監(jiān)測體系。其二，建立基于遙感測量的企業(yè)直接碳排放核查模式，提高碳排放數據的透明度和公信力。其三，是提前開展碳匯資產布局，探索利用國際碳匯交易抵扣自身碳排放的可行性。

　　先進儲能材料國家工程研究中心在融合物理學、化學、冶金學、材料學等多學科的基礎上交叉創(chuàng)新，開發(fā)出基于火法冶金和高溫金屬膜分離的一步法高效綠色提取高值金屬資源的工藝技術，適用于“一步法”鋰云母提鋰和“一步法”廢舊電池回收技術。

　　該創(chuàng)新方案不僅能夠突破上游開采端的資源依賴瓶頸，還可以解決末端高污染、高排放、高能耗、高成本和資源回收率低的行業(yè)痛點，構建起從自然礦山到城市礦山“一頭一尾”的全產業(yè)鏈關鍵技術閉環(huán)，保障鋰電材料的高效循環(huán)利用，有效對沖“鋰佩克”帶來的資源“卡脖子”。此外，面對國際新規(guī)則可能造成的綠色壁壘，電池回收技術的創(chuàng)新突破也將支撐國內儲能企業(yè)在“走出去”的過程中沉著應對，不斷開拓國際市場。

　　“搶占新能源國際話語權，亟待大儲能原創(chuàng)技術突破與綠色智能制造賦能”。鐘發(fā)平認為，儲能行業(yè)正處于關鍵轉型期，我國在該領域內具有“領跑”意義的先進技術還不多，儲能轉化的相關機理、技術及系統(tǒng)的研究還不足夠成熟，對儲能的基礎性和關鍵共性技術研究不足，尤其在技術標準與行業(yè)法規(guī)方面缺少話語權。對此，一方面需要不斷進行技術創(chuàng)新研發(fā)和提升;另一方面，行業(yè)和企業(yè)需要攜手走向規(guī)模化和智能化，在論證過程中找到最優(yōu)技術路線，持續(xù)降低成本，減低碳足跡，才能支撐儲能產品迭代和國際競爭。

　　行業(yè)平臺模式與產業(yè)集群發(fā)展模式能夠釋放規(guī)模效應和協(xié)同效應，讓儲能的商業(yè)模式和收益前景變得更廣闊與可持續(xù)。只有在掌握規(guī)模優(yōu)勢的基礎之上，依托行業(yè)性國家科研平臺規(guī)劃引領，我國儲能產業(yè)才有可能進一步向標準優(yōu)勢、技術優(yōu)勢升級，通過積極參與國際標準制定，掌握質量監(jiān)督權、檢測評價權、市場定價權和標準話語權，提升我國儲能行業(yè)參與國際分工的競爭力和全球高端供應鏈中的影響力，在激烈的全球競爭中搶占行業(yè)高地。