展望：未來能源利用的N種可能

近日，在中國電科院主辦的第四屆中國電力發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)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(shù)研發(fā)的最新趨勢與最前沿技術(shù)。“靈活高效”“安全可靠”“綠色經(jīng)濟”等成為高頻詞匯，這也為能源行業(yè)勾勒出未來發(fā)展的路徑與方向。 能源開發(fā)與高效利用、電網(wǎng)安全與輸變電技術(shù)、電工新技術(shù)與未來電網(wǎng)，每個關(guān)鍵詞都緊扣能源電力行業(yè)未來發(fā)展脈搏。這些關(guān)鍵詞出自第四屆中國電力發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新院士論壇的三場分論壇，論壇的主旨報告“構(gòu)建新一代能源系統(tǒng)的設(shè)想”由中國電科院名譽院長、中國科學(xué)院院士周孝信帶來。中國科學(xué)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(shù)的各種可能性。 未來電網(wǎng)：靈活智能、與互聯(lián)網(wǎng)融合 電網(wǎng)作為未來重要的能源傳輸渠道，具備怎樣的特性才能適應(yīng)各種新能源發(fā)展和日益多樣的用能需求？ 中國科學(xué)院院士盧強和中國工程院院士鄭健超分別從微電網(wǎng)和大電網(wǎng)整體兩個方面提出了未來電網(wǎng)智能化的研究方向。 盧強認為，建立智能微電網(wǎng)群將使電網(wǎng)的靈活性大幅提升。他表示，未來電網(wǎng)將是大電網(wǎng)與微電網(wǎng)的結(jié)合體，即超大型骨干網(wǎng)架和分布式微電網(wǎng)的結(jié)合體。大電網(wǎng)的堅強架構(gòu)是微電網(wǎng)發(fā)展的前提條件。而微電網(wǎng)具有污染物零排放、接納清潔能源、超強調(diào)節(jié)能力的特征，恰好為大電網(wǎng)提供補充。 而微電網(wǎng)要想更好地與大電網(wǎng)融合，解決接入問題非常重要。因此他提出了智能微電網(wǎng)群的概念。智能微電網(wǎng)群能自動實現(xiàn)發(fā)電、儲電、自用電以及與外部配電網(wǎng)交互電量的趨優(yōu)化控制，優(yōu)化微電網(wǎng)內(nèi)部的保護系統(tǒng)，與此同時，控制系統(tǒng)還能實現(xiàn)微電網(wǎng)與外部配電網(wǎng)“并網(wǎng)”與“離網(wǎng)”的干擾極小化。 鄭健超對未來電網(wǎng)的特征描述是：抵抗自然災(zāi)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(huán)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(yīng)更多的運行方式與用戶需求，并將電力轉(zhuǎn)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(wǎng)發(fā)展趨勢是現(xiàn)代電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合。從技術(shù)的角度講，是現(xiàn)代電網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代信息通信技術(shù)的融合、高電壓技術(shù)與微電子技術(shù)的融合。比如交流和直流技術(shù)的融合將兩種輸電方式的優(yōu)缺點進行互補，智能化的無線傳感器將為未來電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集提供極大便利，還有換流器和傳統(tǒng)變壓器技術(shù)融合產(chǎn)生的固態(tài)智能電力變壓器，傳輸功率密度比常規(guī)變壓器大2個數(shù)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(shù)和新產(chǎn)品都是未來電子技術(shù)和電網(wǎng)技術(shù)融合的產(chǎn)物，協(xié)同增效將成為判斷新技術(shù)或新產(chǎn)品是否適應(yīng)未來趨勢的重要依據(jù)。 長期從事電網(wǎng)工程與直流輸電技術(shù)研究的中國工程院院士李立，結(jié)合頁巖氣開發(fā)，油氣資源深度開發(fā)，煤炭清潔利用，風(fēng)能和太陽能技術(shù)開發(fā)以及電動汽車、儲能技術(shù)、智能電網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，從能源技術(shù)革命的角度展望了我國能源利用的未來。 李立表示，在高度信息化的今天，未來能源的發(fā)展勢必與互聯(lián)網(wǎng)的開放性思維相碰撞，依靠大數(shù)據(jù)云計算平臺的分析，在能源生產(chǎn)、能源傳輸、能源消費方面進行突破，以實現(xiàn)能源清潔、互聯(lián)的均衡發(fā)展。在能源生產(chǎn)方面，應(yīng)大力推進煤炭等化石能源的清潔高效利用，著力發(fā)展綠色新能源，形成以清潔能源為主動力的多輪驅(qū)動能源供應(yīng)體系。在能源傳輸方面，打破傳統(tǒng)能源傳輸介質(zhì)束縛，更新能源傳輸方式。在能源消費方面，實現(xiàn)能源形式之間的相互轉(zhuǎn)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(tài)數(shù)據(jù)可以被實時采集，便于能源間的協(xié)調(diào)控制與均衡發(fā)展。 如何提升電力系統(tǒng)可靠性？ 電能是聯(lián)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(jīng)濟發(fā)展的重要保障。 如何才能提升電力系統(tǒng)可靠性？ 中國工程院院士薛禹勝認為，電網(wǎng)是電力傳輸及電力市場的物理平臺，電力系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到國家安全，這其中包括系統(tǒng)的安全性和充裕性。中國在電力安全預(yù)警防御技術(shù)上引領(lǐng)世界，但還有一些需求不能滿足。 薛禹勝認為應(yīng)該在大能源層次上研究充裕性和穩(wěn)定性的風(fēng)險。利用風(fēng)險觀點協(xié)調(diào)安全與經(jīng)濟性，安全約束不再單獨需要。而量化分析是電力系統(tǒng)約束優(yōu)化及控制優(yōu)化的基礎(chǔ)。自然環(huán)境、能源環(huán)境、經(jīng)濟環(huán)境、社會環(huán)境、人才環(huán)節(jié)、創(chuàng)新環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施、政策與監(jiān)管的擾動都會影響供電可靠性。反之，電力系統(tǒng)的充裕性與穩(wěn)定性也影響各外部環(huán)節(jié)。要從大能源觀出發(fā)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(zhuǎn)換及儲能技術(shù)的影響，同時要考慮到針對大規(guī)模可再生能源、分布式發(fā)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(wǎng)。 綜合能源網(wǎng)概念不同于智能電網(wǎng)，也有別于“EnergyInternet”（能源互聯(lián)網(wǎng)）。在此觀點下，針對現(xiàn)有電力可靠性研究不足之處，大能源觀下電力系統(tǒng)監(jiān)控與分析的概念也需要延伸，如電廠與電網(wǎng)，設(shè)備與系統(tǒng)，博弈與機理的交互影響，技術(shù)措施、經(jīng)濟領(lǐng)域與管理決策，能源、經(jīng)濟與環(huán)境的綜合分析與控制，多領(lǐng)域、跨學(xué)科的系統(tǒng)工程等。 綜合能源網(wǎng)的可靠性研究的重要方向是提高多道防線的自適應(yīng)能力，應(yīng)全面提升應(yīng)對高風(fēng)險極端事件的能力，“按風(fēng)險的準(zhǔn)則”來權(quán)衡可靠性與經(jīng)濟性，而不是“按多少年不遇的準(zhǔn)則”來確定所必須關(guān)注的災(zāi)害場景。 提升電網(wǎng)的安全系數(shù)，除了對電網(wǎng)整體的思考外，提高相關(guān)設(shè)備的安全性也是重要一環(huán)。 論壇上，中國工程院院士陳予恕就結(jié)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(yè)基礎(chǔ)和共性關(guān)鍵技術(shù)。 陳予恕認為，我國在特高壓輸變電裝備領(lǐng)域已經(jīng)創(chuàng)造了世界先進技術(shù)。輸電線路的優(yōu)化設(shè)計和安全運行，其理論基礎(chǔ)是動力學(xué)，對影響電網(wǎng)安全運行的危害之一——輸電線路導(dǎo)線舞動的分析與防治就屬于動力學(xué)范疇，對動力學(xué)的足夠重視能夠更好地為我國特高壓輸電線路技術(shù)領(lǐng)先世界先進水平創(chuàng)造條件。 此外，陳予恕還建議，目前電網(wǎng)在設(shè)計輸電線路時多數(shù)是對桿塔、基礎(chǔ)和導(dǎo)線分別進行強度、剛度和振動等計算分析，以便確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)的大小。但是在輸電線路送電過程中，它們是互相聯(lián)系耦合的一個整體，要作為一個整體系統(tǒng)進行建模分析，并將理論結(jié)果與線路實驗結(jié)果互相驗證，以便做到安全、經(jīng)濟和可靠的運行。 中國科學(xué)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(wǎng)危害的角度詳細講解了EMP威脅的應(yīng)對策略。 相比其他干擾，電磁脈沖造成的大停電難以恢復(fù)，大量一次、二次設(shè)備同時被干擾損壞，電磁脈沖輻射會首先破壞通信系統(tǒng)和控制設(shè)備，使處理事故和恢復(fù)供電更加困難，其他基礎(chǔ)設(shè)施如交通、通信、供水、金融等系統(tǒng)癱瘓，都給電力系統(tǒng)恢復(fù)帶來困難，包括燃料供應(yīng)等。 王錫凡表示電力系統(tǒng)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(xié)調(diào)、電力系統(tǒng)分析和電力系統(tǒng)規(guī)劃等方面開展研究。防護電磁脈沖主要做好三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即對電力系統(tǒng)的防護、減輕襲擊的破壞后果、電磁脈沖彈襲擊后的修復(fù)。 發(fā)電安全與電網(wǎng)安全一樣，也是保障電力系統(tǒng)安全的關(guān)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(jié)合自主研發(fā)的三代核電技術(shù)“華龍一號”，探討了如何從技術(shù)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(fā)展核電有了更多的顧慮，甚至“談核色變”。目前我國自主研發(fā)的核電技術(shù)，正在努力達到實際消除大規(guī)模放射性釋放的標(biāo)準(zhǔn)。“華龍一號”在研發(fā)過程中，非常重視安全可靠性指標(biāo)，充分借鑒了日本福島核事故經(jīng)驗反饋，貫徹了核安全縱深防御和設(shè)計可靠性原則，采用“能動與非能動結(jié)合的安全設(shè)計理念”，具備完善的嚴(yán)重事故預(yù)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(fā)新方向。它能夠為操作員提供更長的應(yīng)對時間和緩解嚴(yán)重事故后果，研發(fā)的具體目標(biāo)包括降低堆芯（燃料）熔化的風(fēng)險，緩解或消除鋯水反應(yīng)導(dǎo)致的氫爆風(fēng)險，提高事故下裂變產(chǎn)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(shù)受到了極大的關(guān)注。談及儲能，電池是目前技術(shù)水平下的首選。業(yè)界曾有人用“新能源發(fā)展被一塊電池擋住了去路”來形容電池技術(shù)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(lǐng)域技術(shù)、經(jīng)濟快速發(fā)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(huán)境適應(yīng)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(fā)展的趨勢，成為業(yè)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(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟等顯著優(yōu)勢，適用于城市微電網(wǎng)、風(fēng)光儲能電站、風(fēng)電路燈等系統(tǒng)，還能為各種電動汽車提供動能，是符合我國產(chǎn)業(yè)布局和制造水平的一種儲能電池。對于電網(wǎng)使用電池儲能，可研究的方向如超級電容器用于智能電網(wǎng)調(diào)頻；鉛炭電池用于智能電網(wǎng)的功率平滑，也適用于可再生能源、分布式電網(wǎng)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(fā)展應(yīng)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(fā)展。比如鋰離子電池，應(yīng)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(guān)；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(yīng)突破高性能超級活性碳材料技術(shù)，替代進口、降低成本。當(dāng)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(huán)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(xué)者們的關(guān)注。盧強在論壇上分享了他研究的一項電量儲能新技術(shù)——壓縮空氣機儲能，即用棄風(fēng)、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(nèi)，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(fā)電。壓縮空氣儲能有三個典型優(yōu)點：使用壽命長；環(huán)境友好，零碳排放；冷—熱—電三聯(lián)供，綜合利用效率高。新型儲能技術(shù)和智能微電網(wǎng)群兩者結(jié)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(yīng)用對象，其發(fā)展對于儲能產(chǎn)業(yè)有著關(guān)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(chǔ)設(shè)施、無線充電發(fā)展方向的新思考。他提出了發(fā)展電動汽車的三個關(guān)鍵因素：好的產(chǎn)品，好的基礎(chǔ)設(shè)施，好的商業(yè)模式。 陳清泉認為，中國電動汽車的發(fā)展涉及能源資源生產(chǎn)、交通模式、商業(yè)模式、基礎(chǔ)設(shè)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(lǐng)域交叉融合的系統(tǒng)性工程，要緊密結(jié)合智能電網(wǎng)建設(shè)，以及遠程智能信息控制、智慧型城市建設(shè)，按照大城市、城市間、小城鎮(zhèn)“點線面”三個步驟有序推進。 而電動汽車發(fā)展的核心內(nèi)容，是電池技術(shù)的進步。當(dāng)前發(fā)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?yán)m(xù)駛里程的最終發(fā)展要求。因此，動力電池的發(fā)展方式尤為重要，應(yīng)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(tǒng)化提高電池安全可靠性。下一代動力電池的研發(fā)也應(yīng)著力攻克正、負極材料和電介質(zhì)隔板的核心技術(shù)及模塊智能技術(shù)，跨領(lǐng)域聯(lián)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(fā)，形成核心知識產(chǎn)權(quán)保護體系。 智能靈活的未來電網(wǎng)、安全可靠的電力系統(tǒng)、高效經(jīng)濟的儲能技術(shù)，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。