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未來能源利用技術的N種可能

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2018/7/30     瀏覽次數:    

  7月10日,在中國電科院主辦的第四屆中國電力發展和技術創新院士論壇上,眾多與會專家為參會代表介紹了未來能源利用技術研發的最新趨勢與最前沿技術。“靈活高效”“安全可靠”“綠色經濟”等成為高頻詞匯,這也為能源行業勾勒出未來發展的路徑與方向。

  能源開發與高效利用、電網安全與輸變電技術、電工新技術與未來電網,每個關鍵詞都緊扣能源電力行業未來發展脈搏。這些關鍵詞出自第四屆中國電力發展和技術創新院士論壇的三場分論壇,論壇的主旨報告“構建新一代能源系統的設想”由中國電科院名譽院長、中國科學院院士周孝信帶來。中國科學院、中國工程院的20名院士匯集于此,用頂尖智慧探討未來能源利用技術的各種可能性。

未來電網:靈活智能、與互聯網融合

  電網作為未來重要的能源傳輸渠道,具備怎樣的特性才能適應各種新能源發展和日益多樣的用能需求?

中國科學院院士盧強和中國工程院院士鄭健超分別從微電網和大電網整體兩個方面提出了未來電網智能化的研究方向。

  盧強認為,建立智能微電網群將使電網的靈活性大幅提升。他表示,未來電網將是大電網與微電網的結合體,即超大型骨干網架和分布式微電網的結合體。大電網的堅強架構是微電網發展的前提條件。而微電網具有污染物零排放、接納清潔能源、超強調節能力的特征,恰好為大電網提供補充。

  而微電網要想更好地與大電網融合,解決接入問題非常重要。因此他提出了智能微電網群的概念。智能微電網群能自動實現發電、儲電、自用電以及與外部配電網交互電量的趨優化控制,優化微電網內部的保護系統,與此同時,控制系統還能實現微電網與外部配電網“并網”與“離網”的干擾極小化。

  鄭健超對未來電網的特征描述是:抵抗自然災害和防止人工失誤的能力將大幅增強;占地面積將變得更小,造價更低更具有競爭力,對環境的影響也將降低到公眾可接受的程度;更加靈活,允許更多的可再生能源輕松接入,適應更多的運行方式與用戶需求,并將電力轉換效率與資源利用效率最大化幾方面特征。

  鄭健超認為未來電網發展趨勢是現代電網與互聯網的融合。從技術的角度講,是現代電網技術與現代信息通信技術的融合、高電壓技術與微電子技術的融合。比如交流和直流技術的融合將兩種輸電方式的優缺點進行互補,智能化的無線傳感器將為未來電網的數據采集提供極大便利,還有換流器和傳統變壓器技術融合產生的固態智能電力變壓器,傳輸功率密度比常規變壓器大2個數量級,重量卻只有75磅(約34公斤),甚至能被裝進手提箱里,這些新技術和新產品都是未來電子技術和電網技術融合的產物,協同增效將成為判斷新技術或新產品是否適應未來趨勢的重要依據。

  長期從事電網工程與直流輸電技術研究的中國工程院院士李立浧,結合頁巖氣開發,油氣資源深度開發,煤炭清潔利用,風能和太陽能技術開發以及電動汽車、儲能技術、智能電網等關鍵技術的發展,從能源技術革命的角度展望了我國能源利用的未來。


  李立浧表示,在高度信息化的今天,未來能源的發展勢必與互聯網的開放性思維相碰撞,依靠大數據云計算平臺的分析,在能源生產、能源傳輸、能源消費方面進行突破,以實現能源清潔、互聯的均衡發展。在能源生產方面,應大力推進煤炭等化石能源的清潔高效利用,著力發展綠色新能源,形成以清潔能源為主動力的多輪驅動能源供應體系。在能源傳輸方面,打破傳統能源傳輸介質束縛,更新能源傳輸方式。在能源消費方面,實現能源形式之間的相互轉換,為消費端因地制宜地地選擇能源消費類型提供可能。同時,能源消費流量及狀態數據可以被實時采集,便于能源間的協調控制與均衡發展。

如何提升電力系統可靠性?

  電能是聯系一次能源及終端能源消費的高效、靈活而綠色的紐帶。安全可靠的電力是能源安全和經濟發展的重要保障。

如何才能提升電力系統可靠性?

  中國工程院院士薛禹勝認為,電網是電力傳輸及電力市場的物理平臺,電力系統的可靠性直接關系到國家安全,這其中包括系統的安全性和充裕性。中國在電力安全預警防御技術上引領世界,但還有一些需求不能滿足。

  薛禹勝認為應該在大能源層次上研究充裕性和穩定性的風險。利用風險觀點協調安全與經濟性,安全約束不再單獨需要。而量化分析是電力系統約束優化及控制優化的基礎。自然環境、能源環境、經濟環境、社會環境、人才環節、創新環境、基礎設施、政策與監管的擾動都會影響供電可靠性。反之,電力系統的充裕性與穩定性也影響各外部環節。要從大能源觀出發研究電力流的上下游,考慮電力與一次能源及終端電源的交互,以及在大能源變革過程中能源轉換及儲能技術的影響,同時要考慮到針對大規模可再生能源、分布式發電及儲能,需要哪些外延等問題。

基于對電力可靠性研究的思考,薛禹勝提出了一個新的名詞——綜合能源網。

  綜合能源網概念不同于智能電網,也有別于“EnergyInternet”(能源互聯網)。在此觀點下,針對現有電力可靠性研究不足之處,大能源觀下電力系統監控與分析的概念也需要延伸,如電廠與電網,設備與系統,博弈與機理的交互影響,技術措施、經濟領域與管理決策,能源、經濟與環境的綜合分析與控制,多領域、跨學科的系統工程等。

綜合能源網的可靠性研究的重要方向是提高多道防線的自適應能力,應全面提升應對高風險極端事件的能力,“按風險的準則”來權衡可靠性與經濟性,而不是“按多少年不遇的準則”來確定所必須關注的災害場景。

提升電網的安全系數,除了對電網整體的思考外,提高相關設備的安全性也是重要一環。

  論壇上,中國工程院院士陳予恕就結合“中國制造2025”分析了“特高壓輸電裝備”保障安全運行的行業基礎和共性關鍵技術。

   陳予恕認為,我國在特高壓輸變電裝備領域已經創造了世界先進技術。輸電線路的優化設計和安全運行,其理論基礎是動力學,對影響電網安全運行的危害之一——輸電線路導線舞動的分析與防治就屬于動力學范疇,對動力學的足夠重視能夠更好地為我國特高壓輸電線路技術領先世界先進水平創造條件。

此外,陳予恕還建議,目前電網在設計輸電線路時多數是對桿塔、基礎和導線分別進行強度、剛度和振動等計算分析,以便確定其結構參數的大小。但是在輸電線路送電過程中,它們是互相聯系耦合的一個整體,要作為一個整體系統進行建模分析,并將理論結果與線路實驗結果互相驗證,以便做到安全、經濟和可靠的運行。

中國科學院院士王錫凡則從大眾并不熟悉的電磁脈沖輻射(EMP)對電網危害的角度詳細講解了EMP威脅的應對策略。

相比其他干擾,電磁脈沖造成的大停電難以恢復,大量一次、二次設備同時被干擾損壞,電磁脈沖輻射會首先破壞通信系統和控制設備,使處理事故和恢復供電更加困難,其他基礎設施如交通、通信、供水、金融等系統癱瘓,都給電力系統恢復帶來困難,包括燃料供應等。

  王錫凡表示電力系統必須對電磁脈沖輻射的襲擊進行防護,把破壞后果降低到合理的程度,可以從分析和計算、試驗與仿真、組織與協調、電力系統分析和電力系統規劃等方面開展研究。防護電磁脈沖主要做好三個關鍵環節,即對電力系統的防護、減輕襲擊的破壞后果、電磁脈沖彈襲擊后的修復。

發電安全與電網安全一樣,也是保障電力系統安全的關鍵點之一。近年來,核電作為清潔高效的替代能源,越來越受到各界重視。中國工程院院士葉奇蓁結合自主研發的三代核電技術“華龍一號”,探討了如何從技術角度保障核電站安全,安全高效利用核能。

  葉奇蓁表示,在幾次大型核電事故后,人們對發展核電有了更多的顧慮,甚至“談核色變”。目前我國自主研發的核電技術,正在努力達到實際消除大規模放射性釋放的標準。“華龍一號”在研發過程中,非常重視安全可靠性指標,充分借鑒了日本福島核事故經驗反饋,貫徹了核安全縱深防御和設計可靠性原則,采用“能動與非能動結合的安全設計理念”,具備完善的嚴重事故預防與緩解措施,采用雙層安全殼,具有抗商用大飛機撞擊能力。

葉奇蓁還提到,日本福島事故之后,耐事故燃料成為核電燃料研發新方向。它能夠為操作員提供更長的應對時間和緩解嚴重事故后果,研發的具體目標包括降低堆芯(燃料)熔化的風險,緩解或消除鋯水反應導致的氫爆風險,提高事故下裂變產物的包容能力。

未來如何儲能?

  未來能源利用日趨靈活多樣,這使儲能技術受到了極大的關注。談及儲能,電池是目前技術水平下的首選。業界曾有人用“新能源發展被一塊電池擋住了去路”來形容電池技術瓶頸對能源靈活利用的限制。這樣的說法雖然有些夸張,但是儲能電池對推動各領域技術、經濟快速發展的重要性確實越來越明顯,對于電池的要求也越來越高。能量密度、功率密度、壽命、安全性、可靠性、環境適應性、制造與成本等考量因素也不斷增多。

  究竟什么類型的電池將成為未來發展的趨勢,成為業界爭論不休的問題。中國工程院院士楊裕生在此次論壇上提出了重要觀點:沒有一種新型“萬能電池”,能夠滿足目前各方面對于電池的需求。

  在楊裕生看來,鉛炭電池有著低成本、安全、原料易得、可靠、產業化技術成熟等顯著優勢,適用于城市微電網、風光儲能電站、風電路燈等系統,還能為各種電動汽車提供動能,是符合我國產業布局和制造水平的一種儲能電池。對于電網使用電池儲能,可研究的方向如超級電容器用于智能電網調頻;鉛炭電池用于智能電網的功率平滑,也適用于可再生能源、分布式電網及家用;高安全性的鋰離子電池可參與競爭。

  所以,楊裕生提出,未來電池發展應兼容并包,并將安全因素放在首位,抓住各類電池的特點,依勢發展。比如鋰離子電池,應將安全性放在首位;鋰硫電池,則需攻克壽命、功率和安全三大關;液流電池,需提高自動化程度和能量效率,降低成本;超級電容器,應突破高性能超級活性碳材料技術,替代進口、降低成本。當前研究的新型儲能電池——鋅鋰錳水系電池則可以在進一步提高其循環性能方面提升競爭力。

  除了電池,其他新型儲能方式也引起學者們的關注。盧強在論壇上分享了他研究的一項電量儲能新技術——壓縮空氣機儲能,即用棄風、棄水、棄光的電來壓縮空氣,將空氣壓縮在一個能裝200個大氣壓的容器內,等到要用的時候,再將壓縮空氣噴放出來,沖動渦輪機,帶動機組發電。壓縮空氣儲能有三個典型優點:使用壽命長;環境友好,零碳排放;冷—熱—電三聯供,綜合利用效率高。新型儲能技術和智能微電網群兩者結合,將為未來能源的靈活利用提供更大的選擇余地。

  電動汽車作為儲能電池的重要應用對象,其發展對于儲能產業有著關鍵性的影響。中國工程院院士陳清泉在此次論壇上帶來了對電動汽車、動力電池、基礎設施、無線充電發展方向的新思考。他提出了發展電動汽車的三個關鍵因素:好的產品,好的基礎設施,好的商業模式。

  陳清泉認為,中國電動汽車的發展涉及能源資源生產、交通模式、商業模式、基礎設施、智能交通、智慧城市等方面,是一項延伸范圍廣、綜合程度高、多領域交叉融合的系統性工程,要緊密結合智能電網建設,以及遠程智能信息控制、智慧型城市建設,按照大城市、城市間、小城鎮“點線面”三個步驟有序推進。

  而電動汽車發展的核心內容,是電池技術的進步。當前發展較為成熟的磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、三元材料電池均很難滿足電動汽車續駛里程的最終發展要求。因此,動力電池的發展方式尤為重要,應兼顧比能量與安全性,以提升比能量密度為主線,多角度、系統化提高電池安全可靠性。下一代動力電池的研發也應著力攻克正、負極材料和電介質隔板的核心技術及模塊智能技術,跨領域聯合開展新一代高容量鋰離子正負極材料和以鋰聚合物電池——鋰硫、鋰空氣、鈉空氣為代表的新型體系電池研發,形成核心知識產權保護體系。

  智能靈活的未來電網、安全可靠的電力系統、高效經濟的儲能技術,給未來能源利用提供了多種可能,為人們生活帶去更加靈活、高效、持久、綠色的能源。


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