《中国工程院院士舒印彪:我们为什么建设电力高速公路?》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2022-02-02
  • 中国东中部地区是中国经济最发达的区域,用电负荷约占全国总用量的70%,而这些电却大多来自遥远的西部地区。我国将西部地区就地生产的煤电、风电和水电等,通过“西电东送”工程,送往几千里之外的东中部地区,满足那里旺盛的用电需求。但是过去的超高压输电技术,输电距离和输电容量都难以满足如今越来越大规模的电力输送需求。那么,用什么办法能让这些电力安全高效地传送到千里之外呢?那就需要特高压。

    特高压是目前世界上最先进的输电技术,如果把其他输电线路比喻为乡间小路,那么特高压输电线路就是电力高速公路。特高压输电是具有传输距离远、容量大、损耗低、占地少等优势的尖端技术。现在,中国是世界上首个,也是唯一一个成功掌握并实际运用特高压这项尖端技术的国家。

    我国为什么需要特高压?

    我国为什么需要特高压?我概括为8个字,就是国家需要、国情使然。所谓国家需要,就是我国经济持续增长对电力提出了大量的需求。电力是国民经济的先行官,电力的发展要与经济的发展保持同步,并适度超前。1978年,我国的全国用电量是2500亿千瓦时,到了2011年我国的用电量达到了4.7万亿千瓦时,超过了美国,一直保持世界第一。到了2020年我国的用电量达到了7.5万亿千瓦时,这40多年增长了30倍。但是中国的人均用电量水平还是不高的,人均用电量刚刚超过5000度电,这与经合组织国家相比,平均用电量只达到了他们的60%。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高,特别是全社会电气化水平的提高,我国的电力增长空间发展潜力还是比较大的,因此可以说我们仍在半途。

    所谓国情使然,进入新世纪,我国经济对电力的需求更加旺盛,对发展特高压提出了迫切的需求。从新中国成立以来到2000年我国的装机是3.2亿千瓦,但到了2010年,就达到了9.7亿千瓦。这10年间,我国的装机新增6.5亿千瓦。在这个快速发展的过程中,有73%的新增装机容量都是燃煤电站,有70%的新增煤电都布局在缺电十分严重的东中部地区。

    我国能源资源以煤炭为主,煤炭储量居世界第三位,油气相对贫乏。我国水能资源较为丰富,水能蕴藏量居世界第一位,它的技术可开发量达到6.6亿千瓦。我国风能和太阳能十分丰富,开发潜力巨大。

    我国的资源分布不平衡,主要的能源资源都在西部和西北部。我国80%以上的煤炭分布在西北、西部和北部等省区,待开发的水能资源80%都在我国的西南部。我国陆上风能资源主要在三北,就是东北、华北和西北地区,同时我国的光伏在这里也有很好的开发条件,日照时间在3200小时以上的区域都在青藏高原、新疆和甘肃等地。但是这些地区经济总量小,用电需求、用电市场不大。我国的用电需求主要在中东部地区,70%的用电负荷都集中在中东部地区,能源开发的重心和用电需求的中心两者之间距离1500公里到3000公里。这种能源资源与用电需求成逆向分布的基本国情,决定了我国需要实施远距离、大规模的西电东送。

    我国电力需求还将持续增长。从国情出发,我们在全国范围内优化能源资源配置成为必然,因此就需要发展远距离大容量、低损耗,占地省的特高压输电技术。

    特高压技术“特”在哪里?

    为了解决中国能源基地与用电中心相隔千里的难题,运用特高压完成远距离大容量输电,是必然选择。而建设这样先进的电网,实现能源互通,不仅仅是中国的发展需要,也是全球能源可持续发展的共识,从上世纪60年代开始,许多传统的电力强国花费巨大精力投入特高压技术研发,却接连无功而返。

    而对于中国而言,研究特高压更是难上加难,有太多需要从零破解的难题——崇山峻岭、沙漠狂风、电闪雷鸣,特高压输电线路不仅要面对我国复杂的地形,多变的气候,甚至还要穿越生命禁区,在如此复杂的环境中实现特高压的安全稳定运行,无疑是一项挑战极限的世界工程。从2004年至今,中国已经建成投运了33项特高压工程,线路总长达到5万公里,它们成为中国城市工业发展,居民生活用电的主要来源,同时还带动了中国装备制造业的发展,与特高压技术体系相关的方方面面,都实现了升级。特高压不仅成为中国经济发展的电力输送主动脉,也给世界上其他国家和地区,提供了可借鉴的电力输送解决方案。

    现在我国输电容量达到了2亿千瓦,特高压输电成为我国能源输送的大动脉。一是在我国西部大开发中发挥了重要作用。特高压的投资到现在我们投了5150亿元,这直接带动西部的电源投资1.3万亿元,每年为西部拉动GDP2600亿元,提供就业岗位65万个,增加税收约500亿元。二是有力支撑了东中部的用电需求。特高压输电容量占东中部用电负荷的1/4,累计输送电量达到了2万亿千瓦时,其中70%都是清洁能源,这样就相当于减少中东部发电用煤8.3亿吨,可以减少二氧化碳排放17亿吨,烟尘氮氧化物排放650万吨。同时降低了用电成本,西电东送的电价到了东部,比东部的上网电价每度要便宜5分钱,这样节省东中部的用电成本1000亿元。三是优化了我国能源结构。依靠特高压远距离大规模输送的技术优势,促进了西南水电的开发,促进了三北地区新能源的开发。这为我国新能源的发展起到了很好的促进作用,我国的水电、风电、太阳能装机规模稳居世界第一位。可再生能源的发电装机比重在2020年达到了43%,煤电占比首次在历史上降到了50%以下,10年前煤电占比还是73%。四是显著提升了我国电工领域装备的制造水平,提升了电工装备、产品的国际竞争力。特高压装备代表了电工装备的最高水平,我国特高压设备的研制,从设计、材料工艺、试验技术到产品实现了自主化和国产化,实现了世界领先。同时进一步巩固了我国电工领域产业链的安全和自主可控,一些材料和关键部件经过多年的持续努力都实现了国产化的替代。五是我国的特高压技术标准成为了国际标准。1906年成立的国际电工委员会(IEC),它是世界上成立最早的国际性电工标准化机构,过去我国都是采用IEC的标准,都是其他国家制定的。我国的标准能够成为国际标准,也是不容易的,这也是我国对国际标准的一个贡献。到现在为止,我们累计发布特高压交流和特高压直流国际标准18项,我国1000千伏交流特高压成为国际标准电压。

    特高压的未来发展前景

    在输电环节,特高压输电还要继续发挥它的网络优势和网络功能,支撑大规模新能源的并网和消纳。大家知道,新能源有随机性和季节性的特点,我国现在还没有办法控制风电和光伏。我国地域辽阔,在新能源的发电上存在着区域性和季节性的差异。为了实现多能互补、区域互递,需要一个强大的网络平台,特高压将发挥这个作用。

    在配电环节,配电网要实现广泛互联、智能互动,将大量接入分布式能源和微电网,大量接入电动汽车等储能设施。今后,我们的电动汽车会发展起来,电动汽车现在本身是一个储能装置,未来会成为一个移动储能装置。今后,电网可以向电动汽车充电,也可以反过来由电动汽车向电网送电。比如说你出国或者旅行,一段时间不在家,但是电动汽车在家里,用电低谷时候它充电到系统,高峰的时候,可以向系统卖电,能够赚到钱。大量的储能设施也将出现,这样在配电网里边就可以实现源网荷储的智能互动。

    在用电环节,用户将在新型电力系统当中改变过去的角色。新能源的发展也不再仅是专业化大公司的独有优势,我们的用户可以在自己的建筑物上,比如农村的屋顶上建设太阳能发电站。用户既是电能的使用者,同时也可以是电能的生产者,人人使用电能,人人生产电能,这将成为电力系统里一个新的景象。

    特高压的创新实践,使我国输电技术实现了从长期跟随到领先的历史性跨越,为科技自立自强树立了信心。在构建新型电力系统的过程中,我国的电力科技将不断取得新的更大突破。特高压将为实现碳达峰、碳中和目标,为构建人类命运共同体发挥重要作用。

    舒印彪,中国工程院院士,输变电工程和电力系统规划专家。现任中国华能集团有限公司董事长,兼任国际电工委员会(IEC)主席。他长期从事电网运行与电力系统规划、超/特高压输电重大工程建设和技术研发工作。他牵头完成了三峡输电系统500千伏超高压大容量输电、正负800千伏特高压直流、1000千伏特高压交流输电等关键技术研究,主持建成“西电东送”和全国电网互联等多项重大工程,攻克了直流工程系统设计、电磁瞬态抑制、交直流电网运行控制等关键核心技术难题。2018年当选第36届国际电工委员会主席,成为该组织成立以来首位担任这一职务的中国专家。主导制定了特高压系列国际标准,为推动世界电工技术发展作出了贡献。

  • 原文来源:https://newenergy.in-en.com/html/newenergy-2410997.shtml
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从2018年全球电动汽车电池企业市场份额的排名情况来看,前10名中排名第一的是宁德时代,就是CATL,第2名是日本的松下公司,第3名是比亚迪,一共10名。2018年,中国有6个锂电池企业位居动力电池世界市场占有率前十。宁德时代是百分之37.23%,稳居第一,日本松下公司只有21.54%,排名第二,但是差十几个百分点。 中国锂离子电池产量为什么能够世界第一?这要从开始来讲起。 中国锂电池研究并不晚,几乎和世界同步。1976年的圣诞节之前,科学院派遣我到西德。那个时候德国还没有统一,东德、西德是分开的。我到西德斯图加特马普固体所进修,当时我很快发现他们全所上下都在研究氮化锂晶体的性能,我感到很奇怪,为什么大家对氮化锂这么感兴趣?当时才知道氮化锂是一个离子导电的材料,据说是一种叫超离子的导体,可以用来作汽车的电池。我听到这句话之后马上在脑子里想了一下,我是不是要改方向。 他们的研究所有个开门办所,有一天对社会开放,他们就把这个氮化锂,这一个类似于扣子似的小电池摆在桌子上,旁边放了一个铅酸电池。我一看,一个铅酸电池很沉,一个扣式电池很轻。我就想这个东西的确是很有用的,所以我马上就给国内所里打报告,我说我要改行,从晶体生长改到新的学科,叫固体离子学。大概一个月以后,所里给我回信,允许我改行。回国以后,科学院非常支持把这个项目给物理所,说应该给这个年轻人建个研究室,所以很快就成立了一个固体离子学实验室。这是当时国内第一个固体离子学实验室,也是物理所最小的一个实验室。我从事的工作就是锂离子导体和锂电池研究。 1991年索尼公司宣布产业化以后,物理所迅速跟进了。当时我们就在思考怎样能够迈出产业化的第一步。我们做研究的单位是把钱变成知识,如果投资的单位是把技术变成钱。怎么想办法能把知识变成技术,就是怎么能够衔接上,我们提出了一个思路,就说能不能想办法让研究单位往前走几步,让投资单位往前走几步,我们在“桥”中间会合。所以就找了一个投资方,1993年签订了一个A型锂离子电池的研究开发协议,投资方给的经费是10万元钱,同时更重要的是派了三个人来。这三个人当时对我们有很大支持,因为当时实验室我就一个硕士生,人手很缺乏。 很快1995年第1块锂电池就从中国科学院物理所诞生了。当时的这个手机叫“大哥大”,可能年纪稍稍大一点知道,“大哥大”就是像一个砖头一样的一个手机,当时拿个“大哥大”是一种身份的象征。A型锂离子电池就是“大哥大”的电池。中国科学院鉴定以后认为,当时这个水平达到世界先进水平,可以再进一步往下走,这就是当时我们在实验室怎么样从知识变成了技术,走出了这一步。 现在有一种观点说锂电池是日本人发明的,中国在锂电池方面技术不行,只是在应用水平上比较领先。锂离子电池的发明肯定不是日本人,要不诺贝尔奖怎么是给两个美国人和一个日本人。所以说锂离子电池是日本人发明的这个话不完全对,可以说锂离子电池是日本人先产业化的,这句话是对的。 我们可以从这张图看得出来,日本人最早1991年宣布产业化,市场占有率是100%,然后一直往下掉,现在还在往下掉。连索尼公司都不做锂离子电池了,它的锂离子电池卖给了另外一个公司。韩国人跟中国人是往上走的,到2014年我们中国的动力电池、锂电市场份额已经超过了日本跟韩国,处于世界的第一位,现在还在往上升。 我们锂电池技术从目前发展的情况来看是不错的。实际上是学术界、工程界和产业界的一个合作,是研究院所和大学的通力合作,高度重视原始创新、基础研究和应用研究紧密结合,加快研究成果的产业化进程。 Goodenough(约翰·古迪纳夫)发现了普遍使用的正极材料钴酸锂还有磷酸铁锂,但这两种材料都有缺点。钴酸锂实际上只能取出0.5摩尔的锂,而磷酸铁锂实际上是个绝缘体,都有缺点。我们想办法找出它的缺点,然后通过理论计算和试验相结合进行了改性并且取得了专利权,这个专利权对于我们锂离子电池的发展起了非常重要的作用。 前几年比利时的五矿公司要到中国来收锂离子正极材料知识产权费,据说是一吨要收5万。做钴酸锂三元材料大概一吨的利润可能也不到5万,他们就到海淀知识法庭把我们告了,后来中国的做正极材料的企业联合物理所和他们庭外和解,因为我们有这个专利,所以他们再也没有提要收专利费的问题。看得出来,不是我们的原创材料,但是我们做了工作,我们也申请了我们的专利,对于保护我们自己的企业是很有好处的。 第二个例子就是磷酸铁锂。它是个绝缘体,我们通过理论计算,它是个一维的离子导体,如果说你在锂位掺上铬这种大的离子的话,就把这个锂的通道堵塞了,这样是不行的,没法用。后来就有人又提出来一个在铁位掺钠。铁位掺钠的时候,颜色变黑了,电导率也提高了几个数量级,它的离子电导率和电子电导率都挺好。所以法国和德国科学家认可这个工作,这是唯一的一条可行的路,打破了国外的原始专利对磷酸铁锂材料的垄断。这样才有我们现在各锂电池企业在相当大量地使用磷酸铁锂材料,不受国外知识产权的影响。 从这两个例子可以看得出来,虽然我们没有做原始创新,但是我们给它改性、再创新了,也是非常重要的。 刚才讲的是两个正极材料,那么现在我讲负极材料,这是我们的原始创新了。清华大学很早就申请了天然石墨做锂离子电池负极的专利。两年前,它申请了国家的发明奖,这个发明奖就等于是承认了我们用天然石墨做锂离子电池的负极是我们的知识产权。光有石墨还不行,石墨的容量是比较低的,372毫安时每克。硅的容量实际上是相当高的,那么硅能不能够作为锂离子电池的负极呢?1999年我就做了这个工作,申请了第一个专利。所以国际上第一个硅作负极的专利是我们申请的,这个是美国人也承认的。但是你要把它用上,还是相当困难的。从几百毫克到几百公斤,用了17年的时间,这17年我们走的路从文章变成技术,然后变成产品,变成市场。 我们现在的原材料基本上是已经国产化,进口的量已经相当少,同时我们的设备绝大部分也都是国产化的设备,更不用说员工的技术,现在基本上都是我们自己培养的技术。 从手机、数码产品到电动汽车、轮船,锂离子电池已经在我们生活当中扮演着越来越重要的角色。但近些年,锂电池安全问题引发的事故同样令人印象深刻。三星手机电池起 火爆 炸,电动汽车碰撞起 火甚至自燃,波音787客机发生锂离子电池起 火事故,生产生活受到新的威胁。除了安全问题,锂电池的续航能力、电池循环使用寿命有限等问题,也常常被人们所诟病。能否避免锂电池成为人们身边的“炸弹”?如何破解锂离子电池引发的各种“焦虑”? 如何破解锂离子电池引发的“焦虑”? 现在有两个问题,一个是安全问题,一个是里程问题,安全问题和里程问题都跟锂离子电池有关系。 锂离子电动车的安全事故时有发生,虽然它的安全事故并没有燃油车的事故多,但是它是个新生事物,一旦有一个锂离子电池车燃烧了或者是爆 炸了,网上马上就传开了,而且传得很快。这样锂离子电池电动车可能就会受一些影响,产销都会受一些影响。里程问题是指锂离子电池现在的能量密度还不够高,充一次电大概行驶里程也就是100多公里、200多公里。 我觉得电动汽车应该把车跟电分开,就是买车和买电池要分开。最好是买一辆电动车,我每天上班,如果是从天安门到清华或者到五环路就可以,可能也就是30公里,那是不是买一辆车能开30公里就行了?不一定非得要开100多公里、200公里,也就是说装10度电就够了。那么车子的钱加上这10度电的电池的钱肯定不会超过10万元钱,大概五、六万我就可以买一辆车。但是我要开长途车怎么办?能不能我开长途车的时候再去租电池?也就是说要专门成立一个电池的公司。 实际上我是不主张快充的,因为现在锂离子电池的机理决定了它是插入式反应,就是说你要允许离子能够有时间把它插进去。而且现在我们所用的正极材料也好,负极材料也好。负极材料用石墨,石墨是个层状结构,层状结构只有离子要对着那个层才能插进去。如果说正好那个石墨跟它离子是垂直的,它进不去,它就要转一个90度才能进去。所以你要给它一个转90度的时间,如果说你不给它一个时间,直接快充的话,它转不过去就会在石墨片上沉积下来,这样对电池寿命是不利的。同样,放电的时候,如果特别快地放电,倍率太大了也不行,它也是层状结构的。一个正级材料它回去也是一样,它是要找准那个狭缝它才能进去,如果它找不准的话也进不去,也要等着有机会它才能往里走。所以说我不主张快充,我是最希望换电池的。适当的倍率充是可以,但是特快了不行,换电模式是好,但是做起来相当困难,标准不好统一。这个一定要国家统一来考虑,如果说国家不出台政策统一考虑的话,那是很难做的。 现在蔚来公司有一种换电的模式,它从北京开到深圳,每开一步它是有地方换电,几分钟就可以换完,充电最快是大概一刻钟,就是喝一杯咖啡的时间。一刻钟已经是够快的了,换电的话它几分钟就可以换完。因为我最早参观换电是在清华,清华里头有一个换电的装置,车开上去之后就把车给顶起来,换电的装置都在地底下,很快就把它换掉了。但是这个车一定要标准化,电池一定要标准化。所以这就要求国家要统一出台政策,就是换电的政策。 我大概一个月以前,在北京打了一个出租车,从圆明园到中关村,我坐的正好是电动汽车。我就问他,这个车跑一天充几次电,他说我不充电我是换电。我说北京有换电吗?他说有,北京出租车全部是换电。就是说现在换电他不用管,你开到那儿去,就有人帮你把电换了,他们还是喜欢开电动出租车。所以将来我们解决退补以后,我觉得一个不让销路往下滑的很重要的事,就是我们是不是可以再回过来重新考虑换电的模式。 从2009年开始,我国汽车产销量连续11年位居全球第一。随之而来的则是石油消耗量剧增、空气质量恶化等一系列棘手问题。前所未有的能源危机,让新能源的开发利用迫在眉睫。对汽车来说,不管什么样的新能源,最终都是转化为电能驱动车辆,而电池作为储存电能的动力核心,其性能在新能源汽车的研发中扮演着极为关键的角色。锂离子电池能否根治“汽车病”?它能不能帮助我们构建起能源互联网,破解能源危机? “电动中国”能否破解能源危机? 我们发展电动车不是为发展电动车而发展电动车,实际上是跟我们国家的能源情况密切相关的。2004年,我们工程院接受了温家宝总理的一个任务,让我们做一个咨询项目,就是2050年中国的油气资源的情况怎么样。这个执行项目的结果大概是这样:到2050年,我国自产石油大概每年1.8亿吨是没问题的,就是说从现在开始到2050年还可以在1.8亿吨每年的这个水平。实际上这条红线就是1.8亿吨,去年大概是1.9亿吨,石油的对外依存度最好不要超过50%。2017年进口石油是4.2亿吨,国产石油1.92亿吨,对外依存度到了68.6%,已经远远超过50%了。那么我们的汽车的保有量是2.17亿辆,每千人是167辆,世界平均每千人是131辆,我们现在比世界平均水平稍稍高一点,但跟美国的每千人800辆那还差得远。汽车的油耗,如果说按照一辆车一年平均两吨油来算的话是4.3亿吨油,也就是说,我们进口4.2亿吨给汽车用掉了。最近发现了两个大油田隐藏量是10亿吨,这都是作为特大喜讯报的。我问了他们回采率是多少,他说回采率可能低于50%,大概40%。两个油田的话,也就是说两年不用进口,但是第三年还要进口,而且不可能老有像这种10亿吨的油田被发现。所以从这个可以看得出来,我们的储油现在只够40天用,而日本的储油是200天。我们国家储油希望能够是100天,这样的话,实际上我们最近几年这个储油量已经是大大增加了。 能源安全是一个很重要的事情,当时我们分了几个组,一个是电取代组、煤取代组、生物质能取代组和总体组。我是电取代组的,就是发展电动车取代进口油,这是我们电取代组的一个结论。另外要考虑全球二氧化碳的排放,因为我们是参加了《巴黎气候协定》的,中国2010年二氧化碳排放量开始急剧往上升,最近几年稍稍往下掉一点,然后又往上升了一点。中国的二氧化碳的排放量是世界第一,所以实际上我们受到的压力是相当大的。《巴黎气候协定》规定温度的升高不能高过两度,这也是大家的希望。因为现在像我们国家的西部那些雪山好像也都开始融化,你看美国排放量比我们低,本来它是第1位,那么现在我们中国第1位。因为印度现在发展很快,它如果不控制的话肯定要远超过中国。我们希望交通能够电动化,小城市是自行车、汽车、公交车,大城市多一个地铁,城市间现在有高铁,现在有飞机、有船舶。我们希望包括高铁、飞机 船舶都能够电动化,就是电动汽车、电动飞机、电动船舶,这就要靠锂电池。 最近沈阳有一个企业做了一架电动飞机,是两个座的。但实际上你们从网上看的话,2010年上海一个民营企业已经做了一个电动飞机,也是两个人的,已经试飞成功。实际上现在电动飞机做得好的是以色列人,现在做九个座位的。所以现在我们除了电动汽车,还要发展电动船舶和电动飞机。实际上现在中国已经有电动船舶了,是在广州的一个2000吨的电动船,它用的电池的量大概是八十几辆电动车的电池量,是在珠江运煤做运输的这个船。在上海也有500吨的这种船,不止一艘,有好几艘了。另外在溧阳现在已经注册了一个电动船舶的公司,那是哈理工的李革臣教授注册的一个公司。有人说电动汽车并不减少二氧化碳的排放,实际上这个电就从电网的电,从发电厂到用户,它是分高峰电和低谷电。峰电和谷电它的价格不一样,要鼓励用谷电。 另外,我们发展太阳能跟风能、水能、核能,这几种能源对二氧化碳的排放当然是相当少,但是这些能源实际上它都要储能的。原来我对太阳能没有什么印象,我参观过北京附近的张北我才知道,太阳能实际上更需要储能。就说一朵乌云来了以后,把太阳一遮,它的发电突然一下就小了,几乎就为零了。当这朵乌云一走,马上这个电流就上来了,所以它比风电更需要储能。风电,不管风来风走,我这个风叶还在那儿转。风来的时候转得快一点,风走了以后转得慢一点,所以它不像太阳能那么厉害。风电、太阳能都需要储能,所以现在有的地方弃风弃光,还有水力发电的弃水,我们弃风、弃光、弃水大概电量是1100亿度电每年,可以够600万辆电动汽车用一年。实际上你只要能够把储能搞好了,你不要增加新的发电厂,不要多烧煤,你就把这个谷电用起来就可以了。 实际上就是我们要建一个能源互联网,这个实际上已经提了好几年了。从我们目前的能源发展情况来看,现在就是肯定要发展一些风能、太阳能、水能,绿色化发展,核能不能说它完全是绿色,但它是个新能源,所以这些肯定是要发展。那么,要发展的话就肯定要把所有这些能源应该有一个网把它“网”起来,所以就是说能源互联网。 最好我买了一辆电动车,我走到哪儿我都能充电,就跟现在自行车一样,我走到哪儿只要刷一下码,有自行车在那儿,我就可以骑一辆车走。将来也能够做到这么方便,我的汽车没有电了,我走到哪儿我有一个充电桩,一刷码我就可以充,或者说换电,这就当然是更不用说了。现在说互联网的概念还有云存储的概念,实际上将来都可以把这些概念用在能源上。因为现在能源的话还是条块分割比较厉害,就是国家电网它也是国家电网有一套,然后各个地方有地方一套。比方说现在是弃风弃光,那么它可能是为了减少弃风、弃光要各个省市分摊任务,这当然是国家的一种办法,但是如果能源互联网真正实现的话,我就可以把新疆的风能、太阳能存储起来,上网就可以了,别的地方有需要就可以用了,这样就比较方便。我们现在有的地方电能很便宜,有的地方电能就很贵,如果能够把新疆的电弄到需要的地方不是挺好吗?我想能源互联网就要起这个作用。 现在清华大学新成立了一个能源互联网研究院,就是想把互联网的概念用在能源上,能够把我们国家的能源将来就是把绿色能源增加,把化石能源减少,我想这是能源互联网的一个作用。 谁才是未来的终极电池? 现在的锂离子电池是液体电解质,那么能量密度已经基本上到了极限,大概300瓦时每公斤或者350瓦时每公斤,已经到了极限。那么安全性问题时有发生,由于它一个能量密度有限,一个安全事故会发生,所以这样我们要考虑固态电池。 固态电池它是什么呢?现在我们用的是锂离子电池,更全面一点包括像镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池这些都是液态电解质的电池。固态电池可以做得跟锂离子电池一样,只不过把电解液换成是固态。它是固态,就是里头不含液态或者液态含的很少。固态电池实际上不是一个新的东西,“六五”计划、“七五”计划我们就将固态电池列入重点课题,那么科技部也是第一个把固态电池这个课题列为重大项目。固态电池的关键就是要研究固体电解质材料,固态电池它的负极是用金属锂。中间这个电解质是固体,固体电解质不是液体,那么正极可以用不含锂的正极材料,也可以用现有的这种正极材料。如果说能够找出来不含锂的正极材料,或者说容量更高的,我们就可以做出能量密度更高的固态电池,那么它的能量密度就可以大于每公斤500瓦时,那么它安全事故可以大大减小。 实际上固态电池不是说没有短路的那一天,如果固态电池有短路那一天它会不会燃烧?金属锂在空气里头可能起某种反应,但是它的量比较小,它不会爆 炸,所以安全性应该说是比现在的锂离子电池应该要安全。 固态电解质基本上我们中国人没有原始创新,比较少。既然要发展固态电池,一定要有我们的创新。常见的聚合物的材料就这么几种,PEO (聚环氧乙烷)、PP0(聚环氧丙烷)、PAN(聚丙烯腈),它们的室温离子电导率都比较低。最近青岛能源所崔光磊做了一些新的工作,他可以室温下做到10的负4次方西门子每厘米,他的电池也用上了,所以应该说有新的进展。米歇尔·阿芒德听到崔光磊的报告以后,第二天就给我发个E—MAIL,说看来中国人再一次走到了世界的前列。最近新引进的一位王雪峰博士,物理所把他引回来了,他把锂离子电池和锂氧电池混起来,他是用什么?用硫化钼作正极,二硫化钼它可以插锂进去,也可以插氧进去,形成一个新的化合物。混起来以后,它容量是相当高的。这个工作我们在物理所也申请了专利,所以这是新的一些思路,将来会对固态电池起作用。 所以我希望通过固态电池的发展来使我们国家能从跟跑、并跑一直到领跑。能够使世界市场占有率第一位的位置我们能够保持。要保持这个第一位地位的位置,我想对目前的锂离子电池的工作我们不能放松,就是有很多创新的工作、创新的成果我们要往产业化走。 日本人Kanno(菅野)我很佩服他,他一直坚持固体电解质一直没放,我觉得日本的这一点我们是值得学习的。我们的固态电池研究工作从锂离子电池开始就基本上都放掉了、停掉了,但是现在,只是现在我们又回过头来重新去做。我觉得重新去做也不晚,我们还可以,实际上还可以赶得上,从目前的趋势来看我们还是有优势。所以锂电池的工作,无论是锂电池也好、固态电池也好、还是液体电解质电池都是应该是有很多工作要鼓励创新的。除了这个以外,其他电池一定要做,比方说钠离子电池,你别看现在大家做锂离子电池都是信心满满,但是全世界开的车都用锂离子电池的话,实际上锂是不够的。昨天米歇尔·阿芒德也给了一个数据,就是说全世界10%的电动汽车都用电池来开的话,它大概需要多少电池 ?60多亿吨还是多少,量是相当大的。这样的情况下,一定要发展像钠离子电池这一类资源比较丰富的电池。另外铝离子电池、镁离子电池或者是锌离子电池这些实际上也应该做的,特别是有些工作是我们有优势,是我们在先的。 钠离子电池是我们有优势,第一辆低速电动车是我们演示的,第一个100千瓦的电站是我们演示的,然后就像锌离子电池的专利,人家也承认是中国的首先的专利。现在我们正在做锂的或者镁的固态电池,我觉得这些东西的话大家都是从头做起,我觉得是我们只要抓住时机能够不放弃,应该说是有机会走到世界前头的。 氢氧燃料电池不是电池,它实际上是个发电装置。就是说你有了氢了,我通过它加上氧我可以发电、产生电,它是个发电装置,不是电池。但是氢氧燃料电池我们一定要研究。氢它没有矿,它不像锂,锂有锂矿。中国的这个锂的资源虽然是没有南美洲那么多,但是我们还算是锂资源比较丰富的国家,但是氢你没有。你将来氢从哪儿来?有人说你电解水制氢呢?那当然是可以电解水制氢,大家都可以电解水制氢,但是电解水制氢要什么?要电。你有了电,以电解水制氢,然后氢你再把它装瓶也好,把它液化,最后你再把氢又用氢氧燃料电池去发电。就是说开始是电,最后还是电,你都是用这电去开车。 如果说能够解决太阳能光解水制氢这个问题,那么将来我们氢氧燃料电池的确是大有希望。氢氧燃料电池我们要研究,但是要大发展,就是说它要去取代锂离子电池的这个地位,不是近期的事情。 我们目前应该怎么样从锂离子电池来考虑“电动中国”的问题,就是怎么样把“电动中国”从梦想变成现实,这是一个国家的急需。这些创新性很强的研究,不管你是学人家的再创新还是我们自己的独创的,都使得我们中国锂电池由跟跑到到并跑,最终我们希望要领跑,为实现“电动中国”的这个梦想奠定基础。 .
  • 《中国工程院院士郑绵平:毕生探求尽在盐湖》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-07-27
    • “我很幸运赶上了一个需要资源的时代,是国家的大发展成就了我们这代人的矿产资源研究事业。” ——中国工程院院士、著名盐湖学家郑绵平 2020年1月云南思茅盆地野外考察 一位老人以树枝为杖,艰难行走在思茅盆地杂草丛生的小径,郑绵平的学生张雪飞应采访邀请发来这一照片,“这是郑院士正带我们做云南钾盐科考项目”,她解释说,“时间是2020年1月,春节前夕”。只有一行人背影的模糊小照,让记者联想起27年前在西藏采访时第一次见到郑院士的场景——被高原风蚀成的经典藏民面孔和难以听懂的福建口音。86岁了,还在出野外! 人在岁月中行进,会遇到多次选择,很多选择会因多个兴趣点的中途插入而走出复杂的生活轨迹,但郑绵平很专一,他所有的人生轨迹,都集中在盐湖资源的研究发现及拓展应用上。 一、让中国告别无钾盐矿床的时代 中国是农业大国,钾肥需求量大。然而由于自然禀赋复杂,在相当一段时间,“缺钾”成为国家发展的软肋之一。 上世纪50年代,百废待兴的新中国开始了找钾征程。1956年,刚刚从南京大学毕业的郑绵平坐着简陋的汽车随化工部地质普查组来到柴达木盆地。一望无边的盐碱地考验着所有来人。但是,此行采集到的样本却出现了含钾高的情况,这难道意味着什么? 中国工程院院士、著名盐湖学家 郑绵平 怀着疑问,第二年郑绵平随中国科学院的科考队再赴柴达木。有天散步,他在路边坑壁上发现了光卤石结晶矿体,这不是钾盐矿物吗?他和同事们一阵惊喜。随即,他们进行了涵盖全湖的坑探和钻探,最终圈定了120平方千米范围内断续分布的老光卤石,以及遍及察尔汗盐湖的富钾卤水。1958年,已经调到地质部矿物原料研究所的郑绵平主笔对此次考察做了详实的调查报告。在报告中,他首次估算该盐湖卤水氯化钾资源量为1.508亿吨。这一估算结果,被之后地质队的勘查报告所证实。第二年,察尔汗盐湖固体钾盐矿床依靠土法上马成功生产出了氯化钾,当年就产出几十吨的钾盐。中国从此告别了无钾盐矿床的时代。 1956年在大柴湖取样 收获了找矿的第一次喜悦,郑绵平信心大增。此后,他像着了魔一样不停地往西部盆地跑,从青海察尔汗盐湖,到西藏扎布耶盐湖,到新疆罗布泊,到四川和云南……在半个多世纪的盐湖研究生涯中,他考察过上百个盐湖,走遍青海、西藏、新疆等地的条件恶劣的高原无人区,研究领域涉及钾盐、硼、锂、铯等盐类矿产资源。 二、创新海陆并举成钾思路 钾盐的溶解度大,需要稳定环境才能得到沉积,而中国地质构造的特征是活动性大、陆块小。相对不稳定的地质背景,使得我国盐盆地具有破碎、埋深和变形的特点。 2002年无人区科考途中观察野外露头 在不断的找钾实践中,郑绵平对中国钾盐有了越来越清晰的认识:“中国地质条件复杂,不能完全套用传统教科书,要从地质实际出发解决我们自己的找矿问题。” 本着这样的思考,他主张要“海陆并举、固液并举、深浅并举”。一方面探索创新发展陆相成钾理论,提出了柴西第四系新层系承袭“砂砾型”成钾新思路;另一方面,在海相找钾上也取得了一系列突破。 在新一轮地质调查工作中,郑绵平团队在川东北发现“新型杂卤石钾盐矿”。他认为,这种杂卤石散布于岩盐层中,在深部较易溶于水,这个观点已经被企业采用水溶法溶采钾盐的生产实践所证实。 基于特提斯侏罗纪大规模成钾理论认识,他提出滇西南“二层楼”成钾模式,以此指导钻探验证,取得了侏罗系海相固体钾石盐矿重要发现。 他主持的地调项目通过研究组“油钾兼探”大量岩屑调查,终于在库车盆地发现厚层钾石盐矿层,指明了该区古近纪海相固体石盐的良好资源前景。 三、探索硼、锂产业化发展之路 盐是什么?在普通人眼中可能只是调味品的盐,在科学家眼里,则是分布广且种类多的天赐资源,藏着地球财富和地球秘密。郑绵平告诉记者,广义“盐湖”涵盖古今盐类资源,既包括深浅部、固液态的盐碱硝普通盐类,也包括钾、镁、硼和锂、铯、铷、溴、碘及盐生物等综合资源。对这种资源的价值认知和开发利用,是随着发展需求和科技进步逐步展开的。 上世纪50年代末到70年代,郑绵平盐湖研究的主战场从青海转至西藏。他先是在班戈湖研究硼酸盐,进而深入到阿里地区,发现了一批硼、钾、锂矿产及新类型的镁硼矿床。 与许多人不同的是,郑绵平不仅着力于勘查资源,而且还探索找矿成果转化和产业化道路。 上世纪70年代初,为解决西藏阿里地区经济发展问题,他曾向阿里地区行署提交阿里地区硼矿资源与开发咨询报告。这份报告当即被地方政府采纳,成为该区硼矿山建设的依据,并很快取得社会经济效益。 说起来,早在上世纪50年代察尔汗盐湖科考报告中,郑绵平就在估算卤水氯化钾资源量的同时,估算出该湖还有氯化锂资源量300万吨。 1980年,他主持盐湖队在扎布耶盐湖打钻取样,发现扎布耶盐湖的沉积物中锂的含量很高,显微镜下观察,能看到许多细小、针状的东西。这种天然的碳酸锂矿石,他起名叫“扎布耶石”。“扎布耶石”后经国际矿物学会新矿物命名委员会确认为新矿物。 1982年在扎布耶湖进行现场盐矿鉴定 (左一 郑绵平) 4年后,郑绵平带队开展扎布耶盐湖资源野外调查,从地质勘查、长期观察,到盐湖扩试,到太阳池积热析锂,再到碳化法加工提纯,研发出了扎布耶盐湖锂资源开发利用成套新技术,并实现了产业示范。2006年11月,国家西部大开发示范工程项目“西藏扎布耶锂资源产业化示范工程”通过竣工验收,该工程以郑绵平团队的核心技术为支撑,建成了我国首条盐湖提锂工业化生产线。 1984年 郑绵平(中)在扎布耶北湖观察盐藻 对于郑绵平,盐湖是实现产、学、研的结合的重要平台。从1990年起,他和团队相继在高原腹地高海拔的扎布耶、当雄错和班戈错建立了3个长期科学观测站。高海拔地区,缺氧、风寒、日烈、交通不便,他们克服种种困难,坚持30年观测,为高原盐湖开发和环境保护积累了珍贵的基础数据。 四、在全球需求盐类新资源时代呼吁拓展盐类学 盐湖研究让郑绵平获得了很多荣誉,这些荣誉包括国家科技进步一等奖、二等奖,李四光地质科学奖地质科技研究者奖和何梁何利科技进步奖等。2014年和2017年,他两次当选国际盐湖学会主席。所有荣誉的背后都是艰苦付出。因为干得太拼,郑绵平曾被人称“为盐湖而生的人”。 2005年西藏野外考察 一个地道的南方人,却迷恋西部,甘愿将一生抛洒在青藏高原,郑绵平的理解是——“我很幸运赶上了一个需要资源的时代,是国家的发展成就了我们这代人的矿产资源研究事业。” 1934年,郑绵平出生在福建漳州贫穷家庭,经历过战乱逃难。新中国成立后,在国家的救助下,他顺利完成学业并开启科研生涯。满怀赤子之心,他希望用自己的方式为祖国建设作贡献。 2005年郑绵平在西藏野外考察 耕耘盐湖事业一辈子,现任自然资源部盐湖资源与环境重点实验室主任的郑绵平有几点体会:一是要坚持不懈注重野外工作,“要多到野外调查,领悟大自然奥秘,才能取到科学真经”。二是要立足解决实际问题,“科学家不能只满足发论文,科学研究和产业化结合起来才能有更大的价值”。三是要不断开拓思路,延伸新的学科生长点。 2018年柴达木盆地野外地质考察 一直以来,郑绵平都在呼吁发展“盐湖农业”“盐类学”和“类地行星盐类学”等。自然资源部成立后,他的这种意识更加强烈。“盐湖不仅能为人类提供资源,而且是我们研究古今生态变化的天然实验室”。郑绵平认为,新时代的盐类学要适应盐资源的全球新需求,在自然资源科技领域发展中,要充分利用信息技术环境开展跨学科协同创新,构筑盐类大科学、大产业。“加强基础研究和技术创新的结合,掌握独立知识产权,才可能不被别人卡脖子,才可能走到世界学科前沿。”他说。