Mark Peplow报道称,巨大的投资和前沿研究正在帮助中国在清洁能源技术方面率先创新

一场能源革命正如火如荼地进行着,距离中国东北城市大连市中心一小时车程的地方。在一个与世隔绝的工业区,一个崭新的工厂里,世界上最大的电池正在成型。

大连的夜景

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在像大连这样的中国城市,保持照明可能很快就会变得更加可持续

在后面的空地上,大约有120个集装箱被蓝色防水布包裹着。每一辆车都装有能储存约1MWh能量的电池,至少是充满电的电动汽车的十几倍。很快,这些集装箱将沿着海岸被运送到一个巨大的阵列中,这些阵列将由散布在大连半岛的风电场提供电力。到2019年,这个巨大的电池将有足够的容器来存储前所未有的800MWh。

这不仅使电动汽车制造商特斯拉在澳大利亚詹姆斯敦建造的129MWh锂离子电池设施相形见绌。它还依赖于一种完全不同的技术:这些是钒液流电池(VFBs),它通过溶解的钒离子的氧化还原拉锯来储存和释放能量。

顺其自然

这个耗资29亿元(3.3亿英镑)的项目是融科电力在中国各地建造的大约30个电池装置之一,融科电力是大连化学物理研究所(DICP)的分支。由于科学与政策的独特结合,商业蓬勃发展。2017年9月,中国经济规划机构呼吁大幅增加包括VFBs在内的电网规模储能设施,以平坦间歇性可再生能源供应的波峰和波谷。政府现在要求可再生能源公司在新的太阳能或风能发电能力的同时安装储能设施。

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近年来,中国的能源需求大幅增加,中国政府在可再生能源和可持续能源技术上投入了大量资金

但vfb也受益于中国在化学和材料科学方面的研究,这对提高它们的性能和降低成本至关重要。荣科电力联合创始人、总工程师张华民说,在钒液流电池领域,中国处于世界领先地位。

有一种说法(cliché)经常被提及,中国在采用其他国家发明的技术方面,比在国内创新方面做得好得多。总部位于常州的中国太阳能公司天合光能(Trina)的首席科学家弗林登(Pierre Verlinden)说,这在过去可能是真的,但现在这是一个神话。

在过去的十年里,中国已经建立了越来越多的清洁能源研究中心,他们的科学家正在进行从光伏、电池到CO等领域的前沿研究2捕获和使用。得益于惊人水平的财政支持,这些发现正以惊人的速度渗透到商业产品中。据联合国环境规划署估计,2015年中国在可再生能源领域投资了1030亿美元(770亿英镑),超过了世界总投资的三分之一。

这可能会对全球应对气候变化的斗争产生深远影响。中国目前的二氧化碳排放量占全球的四分之一以上2排放主要来自燃煤发电站。但该国现在的目标是,到2030年,非化石能源发电量占总发电量的20%,同期温室气体排放量比2010年减少一半。很明显,实现这一目标将取决于化学科学的进步:“所有这一切的关键是基础研究,”谢菲尔德大学英国二氧化碳利用中心主任彼得·斯特林(Peter Styring)说。

V代表胜利

张勇于2008年创办了融科电力,其闪闪发光的工厂于2016年11月开业。它完全由屋顶上的太阳能电池板供电,并连接到VFBs,张自豪地说。在电池组内部,员工与一群机器人并肩工作,组装和测试电池组,然后将电池组与泵、过滤器和计算机控制系统一起装入容器。

钒液流电池图

来源:©2011美国科学促进会

钒液流电池利用了过渡金属的多种氧化态

每个集装箱将连接到一对4米高的水箱,每个水箱可容纳30米3.在硫酸中溶解的钒盐。在操作过程中,这些电解质被泵送通过一对由质子交换膜隔开的半电池。当电池放电时,V2 +离子被氧化成V3 +半电池中的离子,释放电子流;与此同时,V5 +另一个半电池中的离子被还原为V4 +离子。1

vfb与其他电池相比有一些明显的优势。它们很容易放大——只要把电解液罐做大,就能储存更多的能量。在电池中堆叠更多的电池可以增加它所能提供的总功率。与大多数其他电池不同,这些属性可以独立改变,使其更容易适应可能需要更大能量缓存或更高功率输出的特定应用。锂离子电池通常只能保证使用8年,而vfb可以使用更长时间。美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)能源储存研究联合中心主任乔治·克拉布特里(George Crabtree)说:“20年的寿命并不罕见。”

钒液流电池于20世纪80年代首次开发出来,但张勇的团队进行了几项关键创新,以改善其商业前景。扩大规模的最大障碍之一是VFBs通常使用Nafion膜,这种膜价格昂贵,而且容易被钒离子堵塞。因此荣科开发了一种基于非氟化聚合物的替代膜,比Nafion便宜80%,并且具有更小的孔隙,具有更好的离子选择性。这使得质子可以快速穿过细胞膜,使穿过细胞的电流密度增加一倍,达到160mA/cm2显著提高了功率输出。2在工厂里,机械臂在一个密封的房间里迅速地将这些黑色海绵状薄膜切割成30厘米× 75厘米的矩形,用于细胞中。对材料的进一步修改有望使其电流密度超过200mA/cm2荣科副总经理徐晓波说。

与此同时,在电池堆中相邻电池之间提供电连接的2mm宽双极板以前是由昂贵且易碎的石墨制成的。因此,荣科发明了一种高导电性的碳-塑料复合板,它既便宜又灵活。他说:“在15年的时间里,看到这项技术从基础研究到商业化,我感到非常满意。”

钒液流电池

来源:©融科动力

荣科电力的钒液流电池单元已准备好存储来自可再生能源的能量,以备不时之需

他解释说,大连是建造电池阵列的理想地点。该地区位于一个多风的半岛上,约15%的电力来自风力发电,但从中国电网输送电力的陆路只有一条,因此该地区很容易停电。他说,这种电池可以作为大连的应急发电站。他补充说,抽水蓄能不太适合,因为该地区大型内陆水域相对较少。

该公司还接到了来自德国和意大利能源公司的订单,但克拉布特里对vfb能否很快征服世界持怀疑态度。他说:“它们太贵了。”十年前,VFB储能的成本估计为每千瓦时1000美元。荣科的改进使成本降低了一半,他们的目标是在未来几年内达到每千瓦时300美元。但锂离子电池也变得越来越便宜,平均价格在过去五年中从每千瓦时500多美元下降到每千瓦时150美元左右。

由于锂离子技术在消费设备和电动汽车上的应用,它的市场也比VFBs大得多,这有助于完善该技术。它已经是一个巨大的产业,现在正处于巨大增长的边缘,特斯拉位于内华达州的超级工厂和其他工厂在世界各地如雨后春笋般涌现。相比之下,克雷布特里说,VFBs仅限于电网存储应用,在能源领域仍然是一个未知数。克拉布特里说:“如果你只受经济因素的驱动,你现在还不会安装液流电池。”

不过,中国并不一定会受到纯粹经济因素的制约,在大型基础设施项目上,中国经常采取自上而下的政治决策。此外,中国的钒产量占全球供应量的一半以上。3.

克拉布特里说,像容科这样的大型示范项目对改进VFB技术至关重要,即使它们不是目前最经济的解决方案。他说:“这种经历是至关重要的,在某些时候,你真的必须去尝试一下。”与此同时,张勇认为,一旦第二代VFBs建成,成本将会下降。电解液占电池资本成本的40%左右,所以当VFB达到寿命终点时,钒可以简单地转移到一个新的单元,使其大大便宜。克拉布特里说,这是一个公平的观点,但它是否成功还需要几十年的时间。

不过,vfb并不是唯一的游戏。驻北京的独立能源顾问安德斯•霍夫(Anders Hove)说,中国正试图将电池制造业作为一个战略性产业来优先发展。克拉布特里举例说,位于深圳的电池制造商比亚迪(BYD)已经把精力集中在磷酸铁阴极锂离子电池上。尽管这些电池的功率和能量密度低于竞争对手的钴氧化物阴极锂离子电池,但它们也更便宜,续航时间更长。克拉布特里说:“中国人开始在技术上取得进步,从而生产出更好的电池。”

霍夫预测,随着中国制造商开发这些电池技术并扩大生产规模,成本可能会大幅下降。他说,人们低估了它们在中国的制造成本。

太阳能成功

关于技术创新和规模经济对可再生能源的影响,已有大量先例。就在10年前,光伏发电的成本通常超过每瓦5美元。今年,中国制造商将制造每瓦发电成本低于0.25美元的电池。弗林登说,这大大降低了成本,这是在中国进行的研究促成的。他的公司天合光能(Trina)是全球最大的光伏电池供应商之一,2016年销售了超过23GW的组件,占全球市场的10%以上。

贵州省的太阳能电池板

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中国正在大力投资太阳能,正如贵州省的这些太阳能板所显示的那样

过去10年,随着企业改进生产流程,并迅速采用太阳能技术的最新改进,中国光伏制造业以惊人的速度增长。中国目前生产了世界上大部分的太阳能光伏组件,截至2017年,全球光伏装机容量已超过300吉瓦,供应了全球近2%的电力。

中国安装的太阳能电池板数量也远远超过其他任何国家。仅在2016年,该国的太阳能装机容量就从43吉瓦跃升至77吉瓦。2016年12月,中国宣布了新的太阳能五年计划,目标是到2020年太阳能装机容量达到110吉瓦。然而,2018年1月,彭博新能源财经(Bloomberg New Energy Finance)的分析师估计,中国在2017年已经安装了足够的光伏发电容量,使其超过这一目标。

太阳能电池板也不再局限于北部和西部农村省份的大型安装;现在,它们开始覆盖全国各地的房屋和企业的屋顶,这使得电力分配更加简单。霍夫说:“在中国,这种‘分布式’太阳能有了大幅增长。”

有趣的是,中国的太阳能五年计划将Perc(钝化发射极后接触)电池列为关键的增长技术。这些电池的结构与标准PV略有不同,在电池的后面包含一层绝缘材料,如氧化铝。这有助于将未吸收的光反射回半导体,提高电池的整体效率。根据市场情报公司EnergyTrend的数据,中国的Perc电池制造产量预计将从2016年的每年15GW增长到2020年的61GW,届时将占硅太阳能电池市场的45%左右。

情况已经发生了变化——我们确实证明了创新正在中国发生

Perc电池是在上世纪80年代末开发出来的,但花了30年时间才实现广泛商业化,因为各公司一直在努力寻找沉积和塑造氧化铝层的最佳方法。2016年,天合光能研发部门——政府指定的中国光伏科学与技术国家重点实验室——制造了一个效率高达22.6%的Perc电池。不到一年之后,该模型就投入了商业生产(商业模型的效率通常比实验室冠军低一个百分点)。

提高光伏效率取决于一系列渐进的改进,比如减少硅内部的污染以抑制电子和空穴的重组,调整电池的组件和调整制造实践。弗林登说:“这需要成千上万个小步骤。”

Verlinden说,该公司还在研究交叉指背接触(IBC)电池,它提供更高的效率和更高的价格,这是拥挤场所的一个很好的选择。传统的太阳能电池板通常在电池顶部有一个电线网格来传输电流,但这些电线会阻挡一些入射光。IBC电池将这些电极移到设备的后部,以允许更多的光通过,这提高了它们的效率,但也使制造更加复杂。弗林登说:“这种电池很昂贵,所以没有必要制造效率不高的电池。”因此,该公司在2017年推出了一款IBC电池,其效率达到了创纪录的24.1%。他说:“你不能通过照搬别人的做法来做到这一点。”10年前,这里的研究基地很少,因此企业不得不进口技术。但情况已经发生了变化,我们确实证明了创新正在中国发生。

Verlinden将这一成功部分归功于中国学术界和产业界的光伏研究人员之间的合作精神,他们是微信消息应用程序的热情用户。他说:“整个光伏行业都是这样交流的,我每五分钟左右就会收到一条消息。”“有人在世界的某个地方展示了幻灯片,两分钟后它们就出现在了我的手机上。这绝对是惊人的。成千上万的人在同一个流程上工作,他们都在合作。”

下一代

然而,硅光伏电池的激增也有不利的一面。对硅电池生产线的巨额投资可能会使资源不那么密集的薄膜光伏技术(如碲化镉)更难在市场上取得进展。

但另一种新兴的薄膜技术可能会避免这种技术锁定的问题。钙钛矿太阳能电池在过去十年中突飞猛进,效率从2009年的约4%上升到2017年的22%以上。4这些电池依赖于钙钛矿结构的材料,如甲基铵碘化铅来吸收光并产生电流,通过低温溶液加工制造它们应该相对便宜。最重要的是,它们的化学成分可以被调整,以吸收与硅不同的太阳光谱部分。这意味着钙钛矿电池可以放置在硅电池上以提高其整体输出,这种“串联”安排中钙钛矿只是一种助手,而不是商业竞争对手。

根据市场情报公司Lux research的数据,中国研究人员正在推进钙钛矿的研究,截至2015年,中国发表了近四分之一的钙钛矿技术研究论文。他们已经在开发钙钛矿电池的商业生产策略。例如,如果电池以柔性形式制造,就可以使用快速高效的卷对卷生产方法进行制造。基于这一目标,由Shengzhong Liu领导的DICP团队最近开发了一种柔性钙钛矿电池,其能量转换效率为16%,是迄今为止柔性钙钛矿中最高的。这种破纪录的性能部分依赖于使用离子液体来促进细胞内的电子传递。5

Lux的分析师泰勒·奥格登(Tyler Ogden)表示,很明显,中国太阳能电池板制造商对钙钛矿很感兴趣。他说,考虑到钙钛矿与现有硅资产集成的潜力,他们很可能正在研究串联电池。

煤炭挑战

尽管中国在可再生能源方面取得了巨大进步,但中国仍然对煤炭上瘾。中国拥有超过900吉瓦的燃煤电厂,提供了中国约三分之二的电力,以及超过80%的二氧化碳2排放。尽管中国的煤炭消费量在2015年首次下降,但到2020年,计划新增200吉瓦的煤电装机容量,预测显示,到2030年,煤炭仍将占中国能源的一半以上。

燃煤发电厂

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尽管中国正在努力摆脱燃煤发电,但要摆脱对这种黑色能源的依赖还需要很长一段时间

但并不是所有的都被烧掉了。由于该国石油资源相对有限,煤炭也成为化工行业的重要原料。煤通常用氧气和蒸汽产生合成气,一种混合物还有一氧化碳。然后,合成气可以通过费托法生产液态碳氢化合物燃料,或者生产甲醇等关键化学品。

因此,该国正在大力投资碳捕获、利用和储存(CCUS)技术,这是一种可以捕获CO的技术2从化石燃料中释放出来,然后用作化学原料,或者储存在地下岩层中。斯特灵说,我们认为中国将成为这一领域快速发展的未来领导者,原因很简单,他们正在投入大量资源。

2017年,榆林市延昌CCS综合示范设施开始建设,目标是捕获约40万吨CO2每年从两个煤制化学品工厂获得。的有限公司2然后将被泵入乔家洼油田,以帮助回收石油。中国还有7个CCS项目处于早期开发阶段,并有望在未来20年成为该领域的关键参与者。国际能源署(International Energy Agency)驻法国巴黎的分析师特里斯坦•斯坦利(Tristan Stanley)说,如果CCS在任何地方得到广泛应用,那肯定是在中国。

目前典型的捕获过程使用的是与CO反应的溶剂,如单乙醇胺2形成碳氮键;随后在100-120°C分解,释放纯化的CO2适于贮存或利用的。最大的挑战之一是捕获、分离和释放CO所涉及的温度波动2以这种方式使其成为一个非常昂贵的过程,每吨CO的成本为50-100美元2消耗了工厂25-40%的能源。这实际上使其发电成本翻了一番。

因此,研究人员正在研究一系列捕获CO的其他方法2再生成本较低,例如可以物理吸附CO的多孔材料2然后在更温和的条件下释放。例如,广州中山大学的陈水霞(Shuixia Chen)领导的团队开发了一系列多孔多胺材料,可以很容易地吸附CO2在室温下,然后在90℃解吸气体。6其他人正在研究金属有机框架(MOFs),这是一种由有机支柱或链接器连接在一起的金属基节点制成的高多孔材料。MOFs的一个优点是它们的结构和化学活性是高度可调的,因此应该有可能设计出结合CO的材料2足以将其与气流分离,但同时也会释放CO2没有极端加热。利用这些设计原则,中山大学的张杰鹏(Jie-Peng Zhang)和他的同事们发现一种名为maff - x27ox的钴-唑酸盐MOF对CO的吸收量最高2并在相对温和的85°C下迅速释放。7

一旦公司2斯蒂林说,将它们储存在地下应该是最后的手段:“这基本上是垃圾填埋场处理。一个更好的选择是改造CO2他还说,大量的努力都投入到了二氧化碳的生产中2在中国的利用。

中国在这一领域的一些领先工作正在大连进行。大连清洁能源研究所位于大连市中心,2011年成立了大连清洁能源国家实验室(DNL)。DICP副主任金宇奇说,这是中国在清洁能源研究领域的第一个国家实验室。

对中国来说,煤炭是碳的主要来源

2017年10月,由DNL主任李灿(Can Li)领导的团队推出了一种氧化锌-氧化锆催化剂,可以将氢和CO转化为氢2甲醇。8这种反应之前的催化剂对甲醇的选择性很差——产生的产物混合物很混乱——或者很快就失活了。相比之下,双金属催化剂保持稳定超过500小时,并确保90%的产品是甲醇。李说,这一成功的原因之一是两种金属具有不同的功能:锌结合H2,而邻近的锆则结合并激活CO2.他说,中国在CO方面正在取得重大进展2到甲醇,”斯特灵说。

与此同时,DNL的孙坚(Jian Sun)和葛庆杰(Qingjie Ge)领导的团队开发了一种可以转化CO的催化剂2氢变成汽油范围的碳氢化合物。催化剂由氧化铁纳米颗粒组成,它们的表面布满了原子,它们被装入沸石中。这有效地提供了三个不同的催化位点,其中CO2首先还原为CO,然后氢化生成烯烃,最后在沸石内部耦合在一起。9斯特林说,这种化学反应在中国正在蓬勃发展:“合成燃料有一个巨大的市场。”

斯特林承认,从环境的角度来看,把煤留在地下会更好。但中国是世界上最大的煤炭生产国,仍然严重依赖这种燃料,因此突然停止开采煤炭是不现实的。史丹利说,对中国来说,煤炭是碳的主要来源,无论是用于能源还是化工,中国仍在大力投资利用这种国内资源。

然而,煤炭的使用方式可能会逐渐发生变化。斯特林说:“如果你用煤来生产合成气,你就有了化学工业的原料。”“虽然这并不是完全消除化石碳,但从环境的角度来看,它使化石碳得到了更好的利用,因为你从供应链中取代了化石燃料。”鉴于中国在这一领域的进步,Styring说,世界各地的研究人员与中国科学家合作推进这些技术是至关重要的。他说:“我把它当做头等大事。”

从长远来看,政府认为这是减少CO的好方法2总部位于澳大利亚墨尔本的咨询和倡导组织全球CCS研究所(Global CCS Institute)的张晓东(Tony Zhang)说。他补充说,政府在资金支持方面相当慷慨。在基础研究领域,中国正在迅速赶上。

马克·佩普罗,英国剑桥科学记者