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可再生能源电力如何“用得稳”
中国社会科学院大学(研究生院)国际能源安全研究中心与社会科学文献出版社日前发布的《世界能源蓝皮书：世界能源发展报告(2024)》显示，2023年，中国可再生能源新增装机3.7亿千瓦，占全国新增发电装机容量的82.7%，继续保持电力新增装机的主力军地位。
然而，可再生能源装机容量上去了，消费比例还没有完全跟上。“从能源消费的比例看，可再生能源的消费只占总量的19%左右。”在近日召开的香山科学会议第771次学术讨论会上，中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所所长刘中民说，要缩小装机容量与消费比例之间的差距，关键在于通过解决关键科技问题推动能源结构调整。
中国工程院院士、苏州实验室主任徐南平认为，通过低碳、零碳、负碳关键材料与技术创新，构建绿色能源与工业体系、优化产业结构，才能摆脱经济发展对含碳资源的依赖。
如何以科技为支撑，提升可再生能源消费比例？与会专家结合案例对此展开了深入研讨。
长时储能是关键
可再生能源具有间歇性、波动性和季节性等特性，“时有时无”的不稳定性降低了其利用率。储能技术就像“能量银行”，在发电多时将电力储存起来，发电少或者需要用电时再释放出来。推动储能技术不断发展，是提高可再生能源消费比例的关键途径。
刘中民认为，我国在短时高频、中短时长储能方面已有明确的解决方案，但在安全性和成本方面仍有改进空间。
当前，锂离子电池、铅酸电池等技术已经较为成熟，但储能成本较高，导致可再生能源发电成本大幅提升。在长时低频储能领域，传统的抽水储能方式只能满足大规模储能的部分要求。而氢能、甲醇等化学储能具有物质和能量的双重属性，可以为长时储能提供一种可行路径。刘中民说，将可再生能源发出的电力储存在氢能中，不仅能满足生产供能的需求，还能作为原料使用。
与会专家认为，利用可再生能源制取的绿氢能实现全过程无碳化，将成为难脱碳行业实现低碳与零碳发展的重要媒介。例如，在煤制烯烃过程中，使用绿氢可减少70%的碳排放，副产物氧气还能用于其他工艺流程。然而，氢能的产生、利用、储存是一个系统工程，目前成本仍然较高。未来，氢能发展和应用需要相关政策引导和关键核心技术的突破。
此外，液流电池等其他电化学储能方式也值得关注。液流电池的原理就像用水壶烧水一样，不过液流电池里“烧”的不是水，而是两种特殊的液体——正极液和负极液。这两种液体被分开存放在电池外的罐子里，需要用电时，它们在泵的作用下流入电池，发生电化学反应，把化学能转化成电能。不需要用电时，电池又可以把电能转化成化学能，储存回这两种液体里。中国科学院大连化学物理研究所相关团队在锌溴液流电池研究方面取得积极进展，解决了传统电池在低温条件下易发生相变、运行可靠性降低等问题，让电池变得更“耐寒”，能在更广泛条件下工作。
材料革新是基础
与会专家认为，提高可再生能源利用率的发力点可归纳为“三高一低”：提高转换效率、提高供给质量、提高替代比例、降低应用成本。材料革新有望同时达到以上目标。
“材料的突破有望引发重大装备升级和行业产业变革。”在徐南平看来，为突破现有技术瓶颈，应关注钙钛矿光伏材料、电解质膜材料和固态电解质材料等，解决钙钛矿及叠层光伏电池、液流电池和固态电池技术中关键材料性能不高、耐久性不足等问题，为实现能源系统低碳转型提供材料物质基础。
例如，得益于发电材料的突破，钙钛矿光伏的光电转化效率得到大幅提升。然而，当前钙钛矿材料在长期稳定性和环境耐受性方面还存在不足，服役寿命短，而且钙钛矿光伏组件大面积制备工艺均匀性还不够好，这些问题制约了其工业化应用。徐南平说，如果能开发出更加稳定的钙钛矿材料，将有望突破光伏发电效率提升的瓶颈。
推动绿氢广泛应用的关键也在于核心材料的突破。当前商业上广泛应用的方法是碱性电解水制氢，但这种方法制取的氢气纯度低、能量效率不高。质子交换膜电解水制氢技术虽然先进，但需要贵金属，成本较高。相比之下，固态电解槽电解水制氢技术具有电解效率高等优势，可利用固体氧化物作为电解质，有效电解水或其他化合物，实现电能的转化和存储。
“固态电解槽电解水制氢的电解效率可达90%以上，但电堆材料在高温操作时稳定性差，导致寿命不足。”徐南平说，将反应温度从800摄氏度以上降到450至600摄氏度的中低温范围，是加速固态电解槽电解水制氢产业化的必经之路。
通过材料创新，苏州实验室开发出固体氧化物电解质和低温氧电极，能使固态电解槽在650摄氏度以下完成电解水工作，目前已实现5万小时使用寿命的突破。相关生产线和测试平台等建设正在加紧推进。
柔性技术是支撑
技术创新在提升可再生能源利用率方面发挥着多重作用。一方面，通过材料、储能等领域的技术突破，可再生能源能够提供更高效、更稳定的电力；另一方面，技术创新可以增强传统能源的灵活性，使其具备与可再生能源“此消彼长”的互补调节能力，共同维护电网的稳定运行。
中国工程院院士汤广福预测，风光新能源在保持高增速的前提下，仍有5倍左右发展空间，并将逐步成为主力电源。为顺应这一变化，现有电网应进行系统性重构、结构性重塑。
“我们提出让煤电具备气电的特性。”汤广福解释，燃煤发电机组频繁启停存在安全隐患。气电则不同，它启动速度快，从冷态启动到满负载仅需几十秒钟，能够快速响应电力需求。
煤电灵活性改造旨在提升煤电的调峰、调频能力，使其更好适应新能源的随机性和波动性。汤广福说，攻克灵活燃煤技术，可以让煤电接近气电特性，实现新能源的规模化置换。灵活柔性的燃煤发电技术能确保波动性新能源“用得稳”。
国家能源局发布的《新型电力系统发展蓝皮书》也提出，柔性灵活是构建新型电力系统的重要支撑。新型电力系统中，不同类型机组的灵活发电技术、不同时间尺度与规模的灵活储能技术、柔性交直流等新型输电技术广泛应用，骨干网架柔性灵活程度更高，支撑高比例新能源接入系统和外送消纳。
此外，人工智能赋能的新型电力系统将确保高比例新能源“并得上”。汤广福解释，建立新型电力系统的构建、运行与控制理论新体系，突破装备核心器件、基础材料和关键软件等技术，可进一步提升电网柔性传输及系统调控能力。
“未来的能源系统，应该是低碳化、智能化、骨干网与分布式能源相结合的系统。”刘中民说，要用新思维审视旧流程，借助人工智能，有望加速形成更合理的能源结构。(科技日报 记者 张佳星)