新型储能技术及其应用

第1章 新能源概述 1.1 能源现状 我们所处的时代堪称“能源时代”，随着经济和社会的快速发展，能源在人们日常生活中的地位不断提升，渗透到方方面面。世界工业革命使得煤炭、石油等化石能源成为驱动社会进步的重要动力源泉，但随着环境问题的日益突出，催生了新能源技术的快速发展。本章将重点介绍一次能源、新能源的技术及储能技术的特点、分类和研究现状。 1.1.1 世界能源的分布与需求情况 世界能源结构以一次能源(化石能源)为主，2010～2019年全球一次能源消费量呈逐年上升态势，2020年略有下降，约为556.63EJ(1EJ=108J)(图1-1)，绝大部分电力都是依靠化石能源生产的。其中，中国的一次能源消费量处于一直上升状态，2020年达到151.21EJ，占全球的27.17%。化石能源开发利用的技术成熟，价格低廉，已经系统化和标准化。在今后的20多年里，石油仍是昀主要的能源，全球需求量将以年均1.9%的速度增长；煤是电力生产的主要燃料，全球发电量从2010年的21570.7TW h(1TW=1012W)增长至2019年的27001.0TW h。2020年，全球发电量有所下降，为26823.2TW h，中国占比30.2%(图1-2)。从全球来看，2020年以煤炭作为燃料的发电量占比35.1%，而中国以煤炭作为燃料的发电量占总发电量的63.2%，可见化石能源仍然是我们在地球上赖以生存和发展的能源基础。 图1-2 全球和中国发电总量 化石能源的物理特性决定其可耗竭性特点，随着全球工业的发展、社会需求的增加，有限的储量决定了各类化石能源面临消耗殆尽。《bp世界能源统计年鉴》2021年版显示，2020年底全球石油探明储量较2019年减少了20亿桶，总量为1.732万亿桶。根据2020年的全球储产比，全球石油还可以生产使用50余年。石油输出国组织(Organization of the Petroleum Exporting Countries，OPEC)拥有70.2%的全球储量。2020年全球天然气探明储量比2010年减少了2.2万亿m3，总量为188.1万亿m3。根据2020年的全球储产比，全球天然气还可以生产使用48.8年。2020年全球煤炭储量为10740亿吨，主要集中在以下少数几个国家：美国(23%)、俄罗斯(15%)、澳大利亚(14%)和中国(13%)。其中大部分(70%)储量为无烟煤和沥青。根据2020年全球储产比，全球煤炭还可以生产使用139年。从以上数据可以看出，化石能源在国家间的分布差异很大，呈现不均匀分布的状况，作为能源主体的化石能源是不可再生能源，总有枯竭的一天。 化石能源除了必将枯竭这个老问题受到全人类的特别关注外，近些年世界石油市场结构受地缘政治的影响，新一轮大调整备受关注。能源问题关系到一个国家的社会经济可持续发展的重大战略问题，世界各国将合理利用化石能源、研发清洁的新能源作为主要国策，可见能源是当今世界发展的主要命脉。 1.1.2 世界面临的环境问题情况 能源与环境问题紧密关联，化石能源的开发利用在促进经济增长和社会发展的同时，也造成了严重的环境问题。化石能源中含有大量的碳、硫等元素，使用时以化合物的形式排放到大气中(图1-3)，一方面会造成温室效应，海平面上升；另一方面引起酸雨，危害土壤、水和建筑物以及人体健康。当前，能源系统与环境系统的关联已引起人们的高度关注。 图1-3 工业废气对大气的污染 从1850年至今，美国二氧化碳排放量全球**，约5090亿吨。我国排在第二位，约2884亿吨。特别是21世纪以来，我国随着经济快速发展，二氧化碳排放量也随之增加。2020年，全球能源二氧化碳排放量达到322.8亿吨。亚太地区高达167.8亿吨，其次为美洲地区65.1亿吨。虽然我国历史人均累计碳排放量远低于发达国家，但单位国内生产总值(GDP)能耗与碳排放量远高于发达国家，如2020年我国单位GDP二氧化碳排放量为6.7吨/万美元，均远高于全球平均水平及美国、日本、德国、法国、英国等发达国家。为此，2020年9月中国提出，二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和，被称为“3060目标”。国务院制定2030年前碳排放达峰行动方案，优化产业结构和能源结构，提高新能源和清洁能源的占比，大力推进低碳能源替代高碳能源、可再生能源替代化石能源。太阳能、风能、核能、地热能等可再生能源的研发迅速展开，尤其是美国、日本、中国等国家都在大力开发新能源储能与转换技术。 1.2 新能源的开发利用 产业的发展既是整个能源供应系统的有效补充手段，也是环境治理和生态保护的重要举措，是满足人类社会可持续发展需要的*终能源选择。 1.2.1 核能的开发利用 核能(或称为原子能)是通过核反应从原子核释放的能量，有三种核反应形式：①核裂变，较重的原子核分裂释放结核能。②核聚变，较轻的原子核聚合在一起释放结核能。③核衰变，原子核自发衰变过程中释放能量。人们开发核能的途径有两条：一是重元素的裂变，如铀的裂变；二是轻元素的聚变，如氘、氚等的聚变。重元素的裂变技术已得到实际性的应用；而轻元素聚变技术也正在积极研究之中。 1. 核电站的工作原理 原子核由质子与中子组成，质子带正电、中子不带电，二者统称为核子。原子核分裂成新的原子核与其他粒子称为“裂变”，或者原子核与核子聚合成新的原子核称为“聚变”，裂变和聚变都会产生巨大的能量，这种能量称为核能。目前商业化运行的核电站都属于裂变核电站。核电站的工作原理是裂变反应能够释放出大量的热能，可以将二回路蒸汽发生器中的水转化为水蒸气，从而推动汽轮发电机组持续性发电(图1-4)。当前世界上有多种形式的反应堆，如压水反应堆、重水堆及改进型气冷堆等。压水反应堆是目前核能发电的昀常见形式，普通的水主要承担着冷却和慢化的功能，同时也是从军事反应堆基础上发展出来昀为成熟的动力堆堆型。用铀做成的核燃料在压水反应堆中发生裂变并释放出大量的热能，再利用反应堆冷却剂泵等设备将处于高压下的水导出带走热能，在蒸汽发生器二次侧产生蒸汽，推动汽轮发电机组做功，产生源源不断的电源，并通过高压电网传输到千家万户。 2021年我国的核电站共有54台机组运行。 (1)秦山核电站(我国昀大的核电站，位于浙江嘉兴，7台机组运行)； (2)大亚湾核电站(位于广东深圳，2台机组运行)(图1-5)； (3)田湾核电站(位于江苏连云港，6台机组运行)； (4)岭澳核电站(位于广东深圳，4台机组运行)； (5)红沿河核电站(位于辽宁大连，5台机组运行)； (6)宁德核电站(位于福建宁德，4台机组运行)； (7)阳江核电站(位于广东阳江，6台机组运行)； (8)福清核电站(位于福建福清，6台机组运行)； (9)方家山核电站(位于浙江嘉兴，2台机组运行)； (10)昌江核电站(位于海南昌江，2台机组运行)； (11)防城港核电站(位于广西防城港，6台机组运行)； (12)三门核电站(位于浙江台州，2台机组运行)； (13)海阳核电站(位于山东海阳，2台机组运行)。 图1-5 大亚湾核电站 2. 核电站的优点与不足 1)核电站的优点 核能发电所使用的是铀燃料，全球铀的蕴藏量丰富；核能发电不会产生温室气体；核燃料能量密度高，运输与储存都很方便；燃料费用所占的比例较低，不易受到国际经济形势的影响。 2)核电站的不足 核电站会产生放射性废料，处理工序烦琐；核电站投资成本大，财务风险系数高；核电站热效率较低，热污染较严重；核电站的反应器内有大量的放射性物质，一旦泄漏，会对生态及民众造成严重伤害。 1.2.2 风能的开发利用 风能是利用空气强烈流动而形成的动能，严格来说，是太阳能间接形式的一种。它具有可再生特性，取之不尽。 风能的利用分两种： (1)利用风力作为动力，直接带动各类机械系统，如风帆。 (2)利用风力带动发电机发电，如风力发电机。风力发电机的优点是明显的：成本低，污染少；但是缺点也是明显的：风力不稳定，受地理和季节性影响大，难以储存与传输等。 目前我国风能开发利用的现状是：风力资源丰富，可以开发的陆地风能资源大约为253GW，海洋风能资源大约为750GW。风力发电厂主要分布在新疆、内蒙古等地，如闻名全球的新疆达坂城风力发电站(图1-6)。2012年我国成为全球风电市场的“领头羊”，2020年上半年全国风电发电量为2379亿kW h，同比增长10.91%。 1.2.3 海洋能的开发利用 海洋能可以分为潮汐能、波浪能和海流能等，其中潮汐能是比较常见的。月球与太阳对地球海水的吸引力，以及地球的自转引起海水周期性地做有节奏的垂直涨落是海洋潮汐能的主要来源，是一种用之不竭、没有污染、不消耗燃料的可再生能源。据统计，全球海洋潮汐能的储藏量在27亿kW左右，每年的发电量可达33480亿kW。潮汐发电是利用潮汐水流的移动，或是潮汐海面的升降，从其中取得能量，也是一种水力发电的形式。我国在浙江的温岭市与广东的汕尾市建立了潮汐电站(图1-7)。