未来能源利用技术的N种可能

7月10日，在中国电科院主办的第四届中国电力发展和技术创新院士论坛上，众多与会专家为参会代表介绍了未来能源利用技术研发的最新趋势与最前沿技术。“灵活高效”“安全可靠”“绿色经济”等成为高频词汇，这也为能源行业勾勒出未来发展的路径与方向。 能源开发与高效利用、电网安全与输变电技术、电工新技术与未来电网，每个关键词都紧扣能源电力行业未来发展脉搏。这些关键词出自第四届中国电力发展和技术创新院士论坛的三场分论坛，论坛的主旨报告“构建新一代能源系统的设想”由中国电科院名誉院长、中国科学院院士周孝信带来。中国科学院、中国工程院的20名院士汇集于此，用顶尖智慧探讨未来能源利用技术的各种可能性。 未来电网：灵活智能、与互联网融合 电网作为未来重要的能源传输渠道，具备怎样的特性才能适应各种新能源发展和日益多样的用能需求? 中国科学院院士卢强和中国工程院院士郑健超分别从微电网和大电网整体两个方面提出了未来电网智能化的研究方向。 卢强认为，建立智能微电网群将使电网的灵活性大幅提升。他表示，未来电网将是大电网与微电网的结合体，即超大型骨干网架和分布式微电网的结合体。大电网的坚强架构是微电网发展的前提条件。而微电网具有污染物零排放、接纳清洁能源、超强调节能力的特征，恰好为大电网提供补充。 而微电网要想更好地与大电网融合，解决接入问题非常重要。因此他提出了智能微电网群的概念。智能微电网群能自动实现发电、储电、自用电以及与外部配电网交互电量的趋优化控制，优化微电网内部的保护系统，与此同时，控制系统还能实现微电网与外部配电网“并网”与“离网”的干扰极小化。 郑健超对未来电网的特征描述是：抵抗自然灾害和防止人工失误的能力将大幅增强;占地面积将变得更小，造价更低更具有竞争力，对环境的影响也将降低到公众可接受的程度;更加灵活，允许更多的可再生能源轻松接入，适应更多的运行方式与用户需求，并将电力转换效率与资源利用效率最大化几方面特征。 郑健超认为未来电网发展趋势是现代电网与互联网的融合。从技术的角度讲，是现代电网技术与现代信息通信技术的融合、高电压技术与微电子技术的融合。比如交流和直流技术的融合将两种输电方式的优缺点进行互补，智能化的无线传感器将为未来电网的数据采集提供极大便利，还有换流器和传统变压器技术融合产生的固态智能电力变压器，传输功率密度比常规变压器大2个数量级，重量却只有75磅(约34公斤)，甚至能被装进手提箱里，这些新技术和新产品都是未来电子技术和电网技术融合的产物，协同增效将成为判断新技术或新产品是否适应未来趋势的重要依据。 长期从事电网工程与直流输电技术研究的中国工程院院士李立浧，结合页岩气开发，油气资源深度开发，煤炭清洁利用，风能和太阳能技术开发以及电动汽车、储能技术、智能电网等关键技术的发展，从能源技术革命的角度展望了我国能源利用的未来。 李立浧表示，在高度信息化的今天，未来能源的发展势必与互联网的开放性思维相碰撞，依靠大数据云计算平台的分析，在能源生产、能源传输、能源消费方面进行突破，以实现能源清洁、互联的均衡发展。在能源生产方面，应大力推进煤炭等化石能源的清洁高效利用，着力发展绿色新能源，形成以清洁能源为主动力的多轮驱动能源供应体系。在能源传输方面，打破传统能源传输介质束缚，更新能源传输方式。在能源消费方面，实现能源形式之间的相互转换，为消费端因地制宜地地选择能源消费类型提供可能。同时，能源消费流量及状态数据可以被实时采集，便于能源间的协调控制与均衡发展。 如何提升电力系统可靠性? 电能是联系一次能源及终端能源消费的高效、灵活而绿色的纽带。安全可靠的电力是能源安全和经济发展的重要保障。 如何才能提升电力系统可靠性? 中国工程院院士薛禹胜认为，电网是电力传输及电力市场的物理平台，电力系统的可靠性直接关系到国家安全，这其中包括系统的安全性和充裕性。中国在电力安全预警防御技术上引领世界，但还有一些需求不能满足。 薛禹胜认为应该在大能源层次上研究充裕性和稳定性的风险。利用风险观点协调安全与经济性，安全约束不再单独需要。而量化分析是电力系统约束优化及控制优化的基础。自然环境、能源环境、经济环境、社会环境、人才环节、创新环境、基础设施、政策与监管的扰动都会影响供电可靠性。反之，电力系统的充裕性与稳定性也影响各外部环节。要从大能源观出发研究电力流的上下游，考虑电力与一次能源及终端电源的交互，以及在大能源变革过程中能源转换及储能技术的影响，同时要考虑到针对大规模可再生能源、分布式发电及储能，需要哪些外延等问题。 基于对电力可靠性研究的思考，薛禹胜提出了一个新的名词——综合能源网。 综合能源网概念不同于智能电网，也有别于“EnergyInternet”(能源互联网)。在此观点下，针对现有电力可靠性研究不足之处，大能源观下电力系统监控与分析的概念也需要延伸，如电厂与电网，设备与系统，博弈与机理的交互影响，技术措施、经济领域与管理决策，能源、经济与环境的综合分析与控制，多领域、跨学科的系统工程等。 综合能源网的可靠性研究的重要方向是提高多道防线的自适应能力，应全面提升应对高风险极端事件的能力，“按风险的准则”来权衡可靠性与经济性，而不是“按多少年不遇的准则”来确定所必须关注的灾害场景。 提升电网的安全系数，除了对电网整体的思考外，提高相关设备的安全性也是重要一环。 论坛上，中国工程院院士陈予恕就结合“中国制造2025”分析了“特高压输电装备”保障安全运行的行业基础和共性关键技术。 陈予恕认为，我国在特高压输变电装备领域已经创造了世界先进技术。输电线路的优化设计和安全运行，其理论基础是动力学，对影响电网安全运行的危害之一——输电线路导线舞动的分析与防治就属于动力学范畴，对动力学的足够重视能够更好地为我国特高压输电线路技术领先世界先进水平创造条件。 此外，陈予恕还建议，目前电网在设计输电线路时多数是对杆塔、基础和导线分别进行强度、刚度和振动等计算分析，以便确定其结构参数的大小。但是在输电线路送电过程中，它们是互相联系耦合的一个整体，要作为一个整体系统进行建模分析，并将理论结果与线路实验结果互相验证，以便做到安全、经济和可靠的运行。 中国科学院院士王锡凡则从大众并不熟悉的电磁脉冲辐射(EMP)对电网危害的角度详细讲解了EMP威胁的应对策略。 相比其他干扰，电磁脉冲造成的大停电难以恢复，大量一次、二次设备同时被干扰损坏，电磁脉冲辐射会首先破坏通信系统和控制设备，使处理事故和恢复供电更加困难，其他基础设施如交通、通信、供水、金融等系统瘫痪，都给电力系统恢复带来困难，包括燃料供应等。 王锡凡表示电力系统必须对电磁脉冲辐射的袭击进行防护，把破坏后果降低到合理的程度，可以从分析和计算、试验与仿真、组织与协调、电力系统分析和电力系统规划等方面开展研究。防护电磁脉冲主要做好三个关键环节，即对电力系统的防护、减轻袭击的破坏后果、电磁脉冲弹袭击后的修复。 发电安全与电网安全一样，也是保障电力系统安全的关键点之一。近年来，核电作为清洁高效的替代能源，越来越受到各界重视。中国工程院院士叶奇蓁结合自主研发的三代核电技术“华龙一号”，探讨了如何从技术角度保障核电站安全，安全高效利用核能。 叶奇蓁表示，在几次大型核电事故后，人们对发展核电有了更多的顾虑，甚至“谈核色变”。目前我国自主研发的核电技术，正在努力达到实际消除大规模放射性释放的标准。“华龙一号”在研发过程中，非常重视安全可靠性指标，充分借鉴了日本福岛核事故经验反馈，贯彻了核安全纵深防御和设计可靠性原则，采用“能动与非能动结合的安全设计理念”，具备完善的严重事故预防与缓解措施，采用双层安全壳，具有抗商用大飞机撞击能力。 叶奇蓁还提到，日本福岛事故之后，耐事故燃料成为核电燃料研发新方向。它能够为操作员提供更长的应对时间和缓解严重事故后果，研发的具体目标包括降低堆芯(燃料)熔化的风险，缓解或消除锆水反应导致的氢爆风险，提高事故下裂变产物的包容能力。 未来如何储能? 未来能源利用日趋灵活多样，这使储能技术受到了极大的关注。谈及储能，电池是目前技术水平下的首选。业界曾有人用“新能源发展被一块电池挡住了去路”来形容电池技术瓶颈对能源灵活利用的限制。这样的说法虽然有些夸张，但是储能电池对推动各领域技术、经济快速发展的重要性确实越来越明显，对于电池的要求也越来越高。能量密度、功率密度、寿命、安全性、可靠性、环境适应性、制造与成本等考量因素也不断增多。 究竟什么类型的电池将成为未来发展的趋势，成为业界争论不休的问题。中国工程院院士杨裕生在此次论坛上提出了重要观点：没有一种新型“万能电池”，能够满足目前各方面对于电池的需求。 在杨裕生看来，铅炭电池有着低成本、安全、原料易得、可靠、产业化技术成熟等显著优势，适用于城市微电网、风光储能电站、风电路灯等系统，还能为各种电动汽车提供动能，是符合我国产业布局和制造水平的一种储能电池。对于电网使用电池储能，可研究的方向如超级电容器用于智能电网调频;铅炭电池用于智能电网的功率平滑，也适用于可再生能源、分布式电网及家用;高安全性的锂离子电池可参与竞争。 所以，杨裕生提出，未来电池发展应兼容并包，并将安全因素放在首位，抓住各类电池的特点，依势发展。比如锂离子电池，应将安全性放在首位;锂硫电池，则需攻克寿命、功率和安全三大关;液流电池，需提高自动化程度和能量效率，降低成本;超级电容器，应突破高性能超级活性碳材料技术，替代进口、降低成本。当前研究的新型储能电池——锌锂锰水系电池则可以在进一步提高其循环性能方面提升竞争力。 除了电池，其他新型储能方式也引起学者们的关注。卢强在论坛上分享了他研究的一项电量储能新技术——压缩空气机储能，即用弃风、弃水、弃光的电来压缩空气，将空气压缩在一个能装200个大气压的容器内，等到要用的时候，再将压缩空气喷放出来，冲动涡轮机，带动机组发电。压缩空气储能有三个典型优点：使用寿命长;环境友好，零碳排放;冷—热—电三联供，综合利用效率高。新型储能技术和智能微电网群两者结合，将为未来能源的灵活利用提供更大的选择余地。 电动汽车作为储能电池的重要应用对象，其发展对于储能产业有着关键性的影响。中国工程院院士陈清泉在此次论坛上带来了对电动汽车、动力电池、基础设施、无线充电发展方向的新思考。他提出了发展电动汽车的三个关键因素：好的产品，好的基础设施，好的商业模式。 陈清泉认为，中国电动汽车的发展涉及能源资源生产、交通模式、商业模式、基础设施、智能交通、智慧城市等方面，是一项延伸范围广、综合程度高、多领域交叉融合的系统性工程，要紧密结合智能电网建设，以及远程智能信息控制、智慧型城市建设，按照大城市、城市间、小城镇“点线面”三个步骤有序推进。 而电动汽车发展的核心内容，是电池技术的进步。当前发展较为成熟的磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、三元材料电池均很难满足电动汽车续驶里程的最终发展要求。因此，动力电池的发展方式尤为重要，应兼顾比能量与安全性，以提升比能量密度为主线，多角度、系统化提高电池安全可靠性。下一代动力电池的研发也应着力攻克正、负极材料和电介质隔板的核心技术及模块智能技术，跨领域联合开展新一代高容量锂离子正负极材料和以锂聚合物电池——锂硫、锂空气、钠空气为代表的新型体系电池研发，形成核心知识产权保护体系。 智能灵活的未来电网、安全可靠的电力系统、高效经济的储能技术，给未来能源利用提供了多种可能，为人们生活带去更加灵活、高效、持久、绿色的能源。