【科学网】系统谋划，多能融合：以科技创新助力新能源产业发展
学术
2024-10-25 17:07
辽宁
在“双碳”目标背景下，加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系，必须推进新能源与化石能源的深度融合与优势互补。立足我国资源禀赋与能源安全，既要充分发挥煤炭资源在能源保供中的“压舱石”和“稳定器”作用，加快推进煤炭清洁高效利用，又要稳中求进加快建设新型能源体系，大力提升非化石能源安全替代能力。在新一轮科技革命和产业革命中，以科技创新推动新能源产业发展既是贯彻新发展理念的内在要求，也是以能源高质量发展支撑实现中国式现代化的必然选择。中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）坚持以国家需求为己任，聚焦保障国家能源安全和实现‘双碳’目标，坚持以可持续发展的能源研究为主导的战略定位，在太阳能、储能、氢能、生物质能等新能源重点领域开展前瞻布局，经20余年不懈努力，取得了一系列重要的科技成果，为我国新能源产业高质量发展提供了有力的科技支撑。太阳能是指来自太阳的辐射能量，以电磁波的形式穿过太空到达地球。太阳能是地球上生命活动的主要能量来源，是重要的清洁可再生能源。我国太阳能资源丰富，平均年辐射量约为5900MJ/m2，是世界上太阳能最丰富的地区之一。大连化物所聚焦太阳能利用的核心关键技术，在太阳能燃料合成、太阳能电池等领域持续产出重要成果。能量储存是高效、持续开发利用太阳能的重要难题。利用太阳能发电，进而电解水制备绿氢、将二氧化碳加氢转化制甲醇等液体燃料，是太阳能利用的重要方向。甲醇等液体燃料便于存储、运输与应用，由于源头上来自于太阳能，又被形象地称为“液态阳光”。其他可再生能源，如风能、水能等，也可以采用同样的原理生产含能的液体燃料，均是液态太阳能燃料的范畴。早在2001年，李灿院士着眼于能源与环境的可持续发展，前瞻性地启动了光催化分解水制氢、光电催化制氢和电催化制氢等领域的研究，并在此基础上，把太阳能转化为可稳定储存、易于运输的液体燃料。2017年，团队成功研发了一种高选择性、高稳定性的二氧化碳加氢制甲醇固溶体催化剂，并完成了匹配工艺技术开发。2020年，结合团队研发的电催化分解水制氢技术，在兰州新区完成了全球首套千吨级液态太阳能燃料合成的全流程中试项目，迈出了太阳能转化为液体燃料的关键一步。目前，团队正在与中煤集团合作推进十万吨级的工业化生产，继续书写着液态太阳能燃料的新篇章。![]()
光伏发电是太阳能利用的重要形式。电池技术是光伏制造业的核心领域，柔性钙钛矿作为新型的太阳能电池材料，具有较高的能量转换效率，成为光伏领域的前沿研究方向。刘生忠研究员团队聚焦柔性钙钛矿太阳能电池方向的研究，在柔性电池功能层材料、卷对卷功能层材料制备设备、几纳米厚度薄膜材料制备工艺等方面取得一系列进展，建成卷对卷连续制备柔性钙钛矿组件中试线，连续制备长度达到100m，制备的350mm×1050mm尺寸的大面积柔性组件效率高达17.75%，连续制备长度和效率均处于国际先进水平，实现柔性钙钛矿太阳能电池的高效、稳定与规模化试生产。![]()
千瓦级钙钛矿太阳能组件实证电站
储能是构建以新能源为主体的新型电力系统、打造清洁低碳安全高效能源体系，实现“双碳”目标的关键支撑技术。它不仅能为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种服务，还显著提升了风、光等波动性可再生能源的消纳水平，也可以支撑分布式电力及微网的发展。一般而言，储能系统在电网用电低谷时，可以利用风能、太阳能等可再生能源给电池充电，在电网用电高峰时，将储存于电池中的化学能转化为电能进行放电，也能配合常规火电、核电等电源，为电力系统运行提供调峰调频等辅助服务，提高电力系统的灵活性。大连化物所自2000年起就开始了储能领域的研究布局。从日本回国的张华民研究员以大容量、长时间储能技术为目标，基于全钒液流电池具有安全性高、可靠性好、输出功率大、储能容量规模大、寿命长、电解液可循环利用、环境友好等特点，针对关键材料、核心部件、电堆及系统的关键科学与技术问题组织攻关，为其在储能领域的规模化应用奠定了基础。2009年，从比利时留学回来的李先锋研究员加入储能技术研究团队，并承担起液流电池关键材料—离子传导膜的研发任务，开发出了高性能、低成本的离子传导膜材料，首次提出了不含离子交换基团“离子筛分传导”机理。组织团队推进研究从实验室到中试放大再到产业化运用。2022年10月，全球最大的百兆瓦级的大连液流电池储能调峰电站一期工程实现首次全负荷充放电，全钒液流电池储能技术实现了规模化应用。该电站相当于大连市的“电力银行”，可在整个电力系统中起到“削峰填谷”的作用。此外，该团队还与比利时科尔德集团控股EcoSourcen公司签订了用户侧液流电池技术许可协议，首次实现了我国液流电池储能技术向发达国家输出。他们积极领军国内外液流电池标准的制定，负责制定的第一项液流电池国际标准于2020年发布，制定国内行业标准近20项，引领了全球液流电池技术和标准的发展。![]()
能源科学与技术创新是保障国家能源安全和可持续发展的保障，新能源领域的技术创新涉及大量的学科交叉融合。大连化物所充分发挥组织化建制化优势，以开发多种能源优势互补、耦合利用关键技术为目标，于2022年获批组建能源催化转化全国重点实验室。实验室主任陈忠伟院士团队面向国家在能源革命中对低成本、高容量、高安全性、高便利性的新型电池技术的重大需求，产出了系列重要成果。自主研发了高比能氢混动力电源，该氢混动力电池比能量达到每千克600瓦时，适配该电池的工业级无人机成功试飞；构建“电化学模型+人工智能”模型框架，成功开发了新型电池智能管理系统（电池数字大脑 PBSTD Digit 1.0），实现多学科多维度在储能领域的实用化交叉融合，为电池智能管理提供新的思路与解决方案；提出一步法退役锂离子电池正极高质量再生方案和向下一代动力电池正极材料转变的新途径，使正极材料成本分别降低38.3%和73.6%，获得全新低成本高性能下一代储能电池，有望推动电池回收行业商业化快速发展。陈忠伟坦言，大连化物所是基础研究、应用研究、技术转移转化全链条贯通的综合性研究所，其科技布局与体制有效地服务于创新驱动发展的国家战略，正是其魅力所在。氢是一种来源便捷、绿色清洁的二次能源，可以广泛应用于工业、交通、建筑、发电等领域。同时，氢也是对冲高碳体系达到低碳化的重要物资，对减少二氧化碳等温室气体排放有重要的意义。氢能产业链包括制备、储运、应用等环节，各链条协同发展是发展氢能产业的关键。大连化物所在氢能制、储、用等领域加强核心技术攻关，形成了全链条的氢能技术研发体系。制氢是氢能产业链的上游环节。近年来，大连化物所组织多个科研团队开展氢气制备的关键科学和技术问题研究，实现了一系列重要的成果产出。2008年，邵志刚研究员团队开发出国内首套百千瓦级PEM电解制氢储能系统，实现产氢压力4 MPa，电解能耗4.13kWh/Nm3H2，达到国际先进水平。2018年，团队突破大气量电解槽及系统关键技术，研发出 300 kW电解槽，开发的PEM制氢系统相继交付国家电网、长江三峡、中海油等。2022年，团队开发的国内首套兆瓦级质子交换膜制氢系统和兆瓦级氢燃料电池发电系统在国家电网示范运行，促进了我国燃料电池技术在分布式发电等领域的技术进步和规模化应用。![]()
海水制氢是未来氢能产业重点发展方向，也是当前全球研究的热点。2023年，邓德会研究员团队以电解水产生的低品位废热为海水低温蒸馏制淡水的热源，创建了废热回收与利用系统，将碱性电解水制氢与海水低温淡化技术进行耦合集成，创新性地开发出海水制氢联产淡水新技术，并建成了基于铠甲催化剂的25千瓦级装置，实现以海水为原料制备出高纯氢气并联产淡水和高附加值浓海水。团队在前期工作的基础上，进一步优化了工艺过程和智能控制系统，于2024年8月底建成了250千瓦级海水制氢联产淡水装置并成功开车。![]()
安全高效的储运氢技术的缺乏，是制约氢能大规模应用的瓶颈。新型高效材料储氢技术一直是储氢研究热点。陈萍研究员团队首次将氮元素引入到储氢材料中，开创了金属氮基储氢材料新体系，实现在接近燃料电池工作温度（91℃）下释放氢，已成为当今储氢材料研究的一个重要分支，被认为是最具车载应用潜力的储氢材料体系之一，被美国能源部列为储氢目标材料体系，为攻克储氢效率低的问题开辟了新的途径。燃料电池是氢能产业链的下游应用环节之一。早在上世纪60年代中期，为满足我国航天领域的能源需求，大连化物所就开始了碱性燃料电池的研究工作，形成了100多人的研究团队，朱葆琳研究员、袁权院士、衣宝廉院士等在国内首次研制成功两型氢氧燃料电池样机，为研究所燃料电池研究夯实坚定的基础。之后，衣宝廉长期坚持这一方向，并成为我国首个该领域的院士。近年来，邵志刚研究员团队通过多年的技术迭代，最终掌握了薄层不锈钢金属双极板的高精度冲压成型工艺，较国外使用的钛金属双极板，技术难度更高，而成本大幅下降。基于该成果，团队加快推进成果转化与应用，形成了研发基地、中试基地、产业化基地的完整布局。2017年，邵志刚研究员团队与安徽明天氢能科技股份有限公司达成合作，建成国内首条万套级金属板燃料电池电堆生产线。2019年12月，搭载团队核心技术的氢燃料电池公交车正式上线。2021年，中国第一艘燃料电池游艇“蠡湖”号通过试航，我国燃料电池在船舶动力上的实船应用迈出关键一步。![]()
生物质能是指通过植物、动物和微生物等生物体的有机物质转化而来的能量，是一种可再生能源。其资源的可持续性和能源生产的灵活性为新型能源体系建设中的重要方向。大连化物所以有机化学、物理化学、工业催化和生物化工为学科基础，以可再生的生物质资源为研究对象，探索生物基燃料和绿色化学品的可持续转化方法和路线。木质纤维素是自然界中储量丰富的可再生原料。如何高质量地分离木质纤维素中“三素”（纤维素、半纤维素和木质素）以获取易于规模化利用的原料供下游转化使用，是制约其高值化利用的关键问题。王峰研究员团队在2013年就提出木质素经由“醇解-氢解”的多相催化反应过程，开创了优先转化木质素的新思路，并相继发展了加氢/转氢氢解方法制备烷基酚和芳香酮等产物、热催化和光催化一步/两步法制备芳香醛、芳香酸和芳香酯等产物，氮试剂参与解聚制备酚类异噁唑、芳香腈和非酚型芳胺产物以及联苯和芳基醚的高值化转化方法等，为木质素组分的转化利用提供技术基础。2024年，该团队针对木质素分离中易发生低值化自缩合的现象，“因势利导”地引入与木质素结构类似且具有高亲核活性的单酚化合物，设计并开发了催化木质素芳基化的三素分离（CLAF）技术，实现了在木质纤维素绿色精炼过程中三组分高效分离。该研究成果将助力生物质资源高值化利用，推动我国生物质基材料等产业高质量发展。![]()
我国是乙二醇生产和消费大国，目前乙二醇生产主要以石油乙烯或煤炭为原料，存在原料不可再生、二氧化碳排放量大、能耗高等缺点。2008年，张涛院士团队在国际上首创了纤维素直接催化转化制乙二醇新反应，为生物基乙二醇的生产提供了新途径。此后，团队从催化基础科学和技术工业应用两个维度开展了持续系统的研究工作，在反应机理和动力学研究、低成本催化剂开发、原料拓展、过程放大等方面取得系列进展，并于2022年初建成国际首套千吨级生物质催化转化制乙二醇装置，一次性打通了工艺流程，获得了工业级的生物质乙二醇产品。团队对装置流程进行了技改升级，于2023年完成72小时现场考核，乙二醇产物选择性接近80%，产品分离纯度达到99.9%，紫外透光率达到聚酯级乙二醇国家标准。2024年，张涛院士、郑明远研究员、王爱琴研究员团队与合作公司共同开发的“千吨级生物质催化转化制乙二醇中试技术”通过中国石油和化学工业联合会组织的科技成果评价，该技术有望为乙二醇产业链升级、生物基聚酯生产提供技术解决方案，对我国绿色化工产业发展具有重要意义。![]()
新能源是以清洁、低碳、安全、高效为主要特征的能源系统的重要组成部分，科技创新是推动新能源发展的关键要素。作为国家战略科技力量，大连化物所将聚焦“双碳”目标，在太阳能、储能、氢能、生物质能等关键核心领域持续加快创新成果产出与转移转化，为我国新能源产业发展提供坚强的科技支撑，为实现碳达峰、碳中和目标贡献更多的智慧与力量。
