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未來能源利用技術(shù)的N種可能

   2015-08-19 國家電網(wǎng)雜志
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核心提示:7月10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

7月10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浧,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。

李立浧表示,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)??稍偕茉?、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。



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