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《科学时报》中国十大科技进展专题报道:打破国外垄断 完全自主产权
2010-03-22 10:27:10 | 编辑: | 【 【打印】【关闭】

 

 
中共中央政治局常委、全国人大常委会委员长吴邦国视察上海钠硫电池研制基地
 

 
中共中央政治局常委、国务院总理温家宝视察上海钠硫电池研制基地
 

 
中共中央政治局委员、上海市委书记俞正声,上海市委副书记、市长韩正,中国科学院副院长江绵恒视察上海硅酸盐所 
 

 
全国人大常委会副委员长、中国科学院院长路甬祥,中国科学院副院长施尔畏视察上海硅酸盐所 
 
 

 
全国政协副主席、科技部部长万钢视察上海硅酸盐所 
 
 

 
上海市科委主任寿子琪为上海钠硫电池研制基地揭牌
 
能源和环境问题是21世纪人类所关注的最重要的两个主题。
 
中国科学院上海硅酸盐研究所积极响应国家战略,通过和国家电网上海市电力公司强强联合,在大容量钠硫储能电池研制方面获得重要突破,成功研制出具有自主知识产权的容量为650Ah的钠硫储能单体电池,使我国成为继日本之后世界上第二个掌握大容量钠硫单体电池核心技术的国家。据悉,现已建成2兆瓦大容量钠硫单体电池中试生产示范线。研制的百千瓦级钠硫电池储能系统,将在2010年上海世博会期间展示。
 
□本报记者 黄辛
 
经济实用的电力储能技术
 
为抢占未来经济、科技发展制高点,世界各国普遍加快了新能源、新材料、节能环保等高新技术产业和新兴产业的发展。从能源供应的重要环节——电网的发展来说,智能电网成为世界电网发展的新趋势。建设智能电网,能够显著提高电网的输送能力和运行控制的灵活性,最大限度发挥电网优化配置资源的作用;能够显著提高发电设备的综合利用效率,提高能源使用效率,促进节能减排。2009年5月,国家电网公司首次向社会公布了我国“智能电网”的发展计划,预计到2020年全面建成统一的“坚强智能电网”。
 
智能电网是目前国家电网的重点建设方向,储能技术是智能电网的核心技术之一。而钠硫储能电池因其容量大、体积小、能量储存和转换效率高、寿命长、不受地域限制等优点,非常适合电力储能使用。“采用电力储能技术,可以提高电网经济性、安全性和供电可靠性,支持新能源发展。”中科院上海硅酸盐研究所所长罗宏杰教授明确指出。
 
钠硫电池是一种以金属钠作为负极,硫作为正极,陶瓷管作为电解质隔膜的二次电池。在一定的工作温度下,钠离子透过电解质隔膜与正极硫之间发生的可逆反应,形成了能量的释放和储存。
 
随着社会经济的发展,电力需求与日俱增,且电力需求峰谷差日益增大,大规模储能可经济、有效地调节电力峰谷差。同时,随着能源紧缺不断加剧,能源的供应也逐步多元化,风能、太阳能等可再生能源的发展突飞猛进,但这些能源的输出具有不稳定性,需要经过储能系统稳定后再入网。此外,电力的安全已成为各级政府重点关注的课题之一。一次大停电,即使是数秒钟,也不亚于一场大地震带来的破坏,而大容量储能可提供应急电源。“采用大规模储能装置,可以减少和延缓用于发、输、变、配电设备的投资,提高现有电力设备的利用率和供电可靠性,降低发电煤耗。”中科院上海硅酸盐所能源材料研究中心主任、上海钠硫电池研制基地技术总工程师温兆银研究员介绍说。
 
“具有极大的经济和社会效益,也能降低碳的排放。”国家电网公司副总经理栾军认为,“目前钠硫储能电池技术已走在储能技术的前沿,它的应用前景广阔,希望从应急电源、大规模工业储能应用两大短期和长远目标考虑,真正将产学研与需求联系起来。”
 
不断增大的电力昼夜峰谷差、电网安全性和电能质量的提高、风电以及太阳能发电等可再生能源的快速发展对大规模储能技术提出了越来越高的要求。“钠硫储能技术是目前最合适的解决方案。”中国科学院领导层高度关注,亲自部署,要求上海硅酸盐所根据智能电网发展趋势,尽快实现钠硫储能技术产业化,力争在国家电网中发挥技术引领作用,为我国新能源产业化结构调整提供有力的技术支撑。
 
钠硫电池迎来“第二春”
 
自从美国福特公司于1967年发明钠硫电池后,该技术已在世界上许多国家受到极大的重视和发展。钠硫电池高的比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、温度稳定性以及无自放电等方面的突出优势,使得钠硫电池成为目前最具市场活力和应用前景的储能电池。它被形象地称为“电力银行”,电能就像钱一样存在银行里,想存想取都方便自如。
 
其实上海硅酸盐所早在1968年就开始了钠硫电池研究,与国际上主要国家基本同步,“七五”及“八五”期间在国家“863”计划、中国科学院重大项目支持下,研制成功基于30Ah单体电池的6kW钠硫储能电池,并用于电动汽车进行示范,但始终未能投入规模化应用。
 
中国科学院领导高瞻远瞩,早在“十五”期间就对上海硅酸盐所的战略方向进行调整和重新部署,将能源材料与技术的研究列为其重点方向。进入本世纪,智能电网被认为是21世纪能源领域的重大科技创新和发展趋势,大容量储能是智能电网的关键技术之一,钠硫电池是大容量首选储能电池。由此,钠硫电池研发和产业化这场“没有硝烟的战争”在许多国家之间悄然展开。
 
2006年《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》和《上海中长期科学和技术发展规划纲要》相继颁发,其中都对大容量储能技术研究和产业化提出了明确的发展目标。上海硅酸盐所与上海市电力公司通力合作、联合攻关,获得了一系列的实质性成果和突破,以应用为导向,拓展其在电网中的应用,迎来了钠硫电池的“第二春”。
 
在上海市科委的支持和协调下,上海硅酸盐所随后获得了多项国家级和上海市的项目支持,承担了国家“十一五”支撑计划“大容量钠硫电池关键技术研究与钠硫电池储能系统规模化示范应用”、上海市科委重点项目(创新行动计划)“城网电池储能关键技术研究”、重大项目“大容量钠硫电池关键技术研究与兆瓦级电力储能系统示范应用”等,同时还得到了国家自然科学基金委员会,以及中科院、中国电网公司等多项支持。
 
上海硅酸盐所曾有过近30年车用钠硫电池的研究历史,然而大容量储能钠硫电池所要储存的能量,甚至电池的尺寸要比车用的电池大上20多倍。上海硅酸盐所有研究基础,但要达到新的目标,很多工作要从零开始。面对如此境况,项目团队坚定拿下“大容量储能钠硫电池”的信心与决心,以“只争朝夕、奋发有为”的精神状态,以“求真务实、真抓实干”的工作作风,群策群力,攻坚克难,全面开展“大容量储能钠硫电池”的研发工作。
 
要研制出大容量储能用钠硫电池,首先要解决的就是技术和设备问题——研发运用于智能电网的钠硫电池必须有专门的技术和设备。2006年8月,科技人员联系相关的设备生产厂家,前后共用了4个月时间,夜以继日地建设实验室,多个厂家也为他们挑灯夜战。温兆银回忆道:“最赶进度的当口,设备厂家的工人们凌晨2点还在配合我们奋战。在沈阳验收设备,我们下午抵达厂家后,连夜确定方案开工,试验完毕即踏上了返回的行程。常常一天中我们要转战两三地。”2006年12月25日,经过整个团队的不懈努力,终于成功制造出第一件陶瓷管实物样品。
 
为了高速推进钠硫电池研制项目的进展,中国科学院、上海硅酸盐所和上海市电力公司的领导耗费了大量的心血。中国科学院副院长施尔畏在百忙之中,每月都会亲临上海钠硫电池研制基地听取工作汇报,为项目团队理清思路,出谋划策。有一次施院长召开会议,从上午8点开始到下午2点结束,午饭都没有顾得上吃,一共提出了78个下阶段必须解决的问题;当初,所长罗宏杰为了项目的顺利启动,仅用一天时间就把自己的实验室腾出来给钠硫电池研究之用;主抓钠硫电池项目的副所长杨建华病倒在工作岗位上。中科院高技术局的领导也十分重视,经常下来指导工作。
 
中国科技史会记住这一天。2007年1月2日凌晨4点,中国第一只,也是世界上最大的650Ah单体钠硫电池研制成功。这是2006年12月31日到2007年1月2日,经过两天两夜不休不眠奋战的成果,这第一件大容量钠硫储能电池真可谓跨年之作,十分有纪念意义。这也标志着我国成为继日本之后世界上第二个掌握大容量钠硫单体电池核心技术的国家。温兆银回忆道:“那时成功的喜悦完全冲去我们所有的疲惫、释放了我们所有的压力。在这紧张的48小时里,无论是比我年长还是年轻的团队伙伴,都满怀热忱,一鼓作气朝着一个共同的方向不懈努力,大家的手都干肿了,但没有人叫过一声苦,喊过一次累。大容量钠硫单体电池的初战告捷证明我们的团队吃得起苦,打得起硬仗。”
 
层层难关 逐一攻破
 
然而,钠硫电池要走向成功并不能停留在实验室的作坊式制作,一种电池要取得成功,是成千上万只电池反复试验,从中探索的结果。于是,从实验室走向工程化研究是摆在科研人员面前的新课题,这是许多单纯做学问的学者从来没有尝试过的。
 
“作为我国科技‘国家队’,上海硅酸盐所无疑在钠硫电池材料及其应用研究等方面积累了雄厚的研发基础,若能与社会资源要素优化组合,无疑有足够的竞争力,能进一步研发出具有我国自主知识产权的关键技术,并形成促进产业化的比较优势。”上海市科委主任寿子琪多次表达这样的观点。2007年5月28日,为了加速推进项目的进展速度,在上海市科委的推动下,由上海硅酸盐所与上海市电力公司联合成立的上海钠硫电池研制基地在嘉定诞生了。这标志着我国钠硫电池关键技术研究,就此迈出了关键性的第一步。各项目全面快速推进,创造出了诸多惊人奇迹。
 
“我们的首要目标是研制年产能2兆瓦的钠硫电池中试线,团队的每个成员心里有压力也有自信。”温兆银说,“要建造这样一个国外也只有一家公司掌握了全套技术的中试平台,对我们绝对是一个很大的挑战”。它完全突破了普通实验室的概念,而根据当时的调研情况,这一系列具有工程化特性的设备大部分都不是在市场上可以直接采购得到的。团队开动脑筋,攻克了一个又一个难关,形成了一个又一个巧妙的构思。
 
2008年8月,团队仅用了一年的时间就突破了钠硫电池制备关键技术。他们与多家设备企业紧密合作,研制成功了一台又一台设计独特的装备,并陆续调试成功。一条年产2兆瓦单体钠硫电池的中试线终于建成了,这也是世界上除日本之外唯一的大容量钠硫电池批量化制造线。
 
2009年3月,钠硫电池中试线全线贯通并实现了稳定运行。这条中试线在以下方面取得了引人关注的突破:(1)攻克了电解质陶瓷管大尺寸、薄壁、烧成易变形的难题,批量化制备了高质量的电解质陶瓷管;(2)实现了短行程、高精度的陶瓷/金属密封的全自动连续化,这也是我国首次研制类似的装备和批量化技术;(3)解决了气氛及真空条件下的批量化金属焊接技术,实现了批量化电池的组装;(4)实现了电池性能的批量化评价技术及其相应的评价系统。
 
在整个中试线拥有的107台套装备中,有三分之二是自主创新装备。中试线的贯通,意味着钠硫电池工程化研究的突破,也为规模化生产奠定了基础。基于这条中试线,2009年9月,10千瓦钠硫储能系统实现了示范,100千瓦储能系统将在今年上海世博会期间展示。钠硫电池团队获得了多项发明,在研发过程中申请了10余项核心专利,克服了国外的垄断,拥有了中国完全的自主知识产权。
 
经过三年不断的组织和磨炼,钠硫电池团队的成员达到了63名,其中高级研究人员10名,研究生以上学历的青年研究人员超过三分之一,培养与引进结合,在生产实践中摔打磨炼,造就了一支善打硬仗、专业结构合理的研发团队。“一批年轻科技骨干已经脱颖而出”。
 
求同存异 合作双赢
 
钠硫储能电池是重大工程化项目,时间紧,任务重,要保证项目的顺利实施,需要突破传统的实验室研究的运行管理模式。上海市电力公司与上海硅酸盐所是两个文化背景完全不同的机构,如何做到合作双赢,彼此取长补短至关重要。“这是一个相当复杂的工程。”上海硅酸盐所所地合作处处长、钠硫电池基地办公室主任夏天然有切身的体会。为此,钠硫电池基地的运行实行了在双方共建管委会领导下的主任负责制,下设综合办公室、技术质量部、陶瓷制备部、电池装配部和电池模块部。采用工程化管理(做到工作流程标准、执行规范)、产业化准备(加强成本控制和中试线建设)、公司化运作(成立项目管理委员会、形成完整的治理机构),形成准公司化运作的、非独立法人的联合科研创新及孵化平台。这种准企业化的运行与管理有效促进了钠硫电池工程化发展。
 
工程性项目必须有严格的质量保证体系,因此,团队统一思想、统一认识、步调一致、密切配合,顺利设计和建立了适合自身特点的质量体系,在完成工程化研究的同时,编制了一整套符合质量体系要求的技术文件,建立了适宜的检测标准和方法等,覆盖了钠硫电池研制和生产的整个过程。通过严格的质量体系培训,把质量意识灌输到钠硫电池团队的每个成员中,在很短的时间前实现了质量的常态化管理,并在工作中不断完善,为钠硫电池项目的顺利进展打下了基础。
 
由于钠硫电池中存在高活性的钠和硫等物质,在生产与运行过程中存在安全隐患,为此,钠硫电池团队硬是靠着自己的再学习,并不断寻求外界的支持建立了多重安全体系,识别并评价研究、生产过程的危险源,提出应急控制措施,保证了钠硫电池研制和储能示范系统的安全运行。
 
现在钠硫电池研制基地形成了完整的质量控制文件,具有充分性、适宜性、可操作、可检查等特点,能真实反映每个钠硫电池的制备过程,具有可追溯性;建立了多重安全体系,识别并评价研究、生产过程的危险源,提出应急控制措施;申请了核心专利。“中试进展顺利,试制产品达到了国际先进水平,相应指标达到设计目的,中试已基本成熟,具备了产业化放大生产的条件。”杨建华感到相当自豪。
 
国家重视 领导关心
 
钠硫储能电池已列入上海市高新技术产业化的九大领域之一,作为上海新一轮的经济增长点,并将对全国新能源产业产生重要影响。基于钠硫储能电池在智能电网中的重要性以及钠硫电池研制取得的突破,钠硫电池的研究进展引起了国家和地方政府的广泛关注。
 
2009年9月12日,中共中央政治局委员、上海市委书记俞正声,市长韩正,市委常委、常务副市长杨雄,副市长艾宝俊等,在中国科学院副院长江绵恒、施尔畏的陪同下,视察了上海钠硫电池研制基地,了解项目进展。俞正声指出,钠硫储能电池在电网峰谷差调节、太阳能及风能的调节方面均有需求,可节省电厂的投资费用,和抽水储能相比具有优势,“希望加快钠硫储能电池产业化步伐,并和上海的先进制造业基地结合起来”。
 
2009年9月18日,全国政协副主席、科技部部长万钢视察了钠硫电池中试生产线。他仔细了解了钠硫电池的性能和应用领域,充分肯定了钠硫电池研发工作的进展,并希望加快储能技术产业的发展。
 
2009年11月28日,中共中央政治局常委、国务院总理温家宝亲临上海硅酸盐所,视察了自主开发的钠硫电池。温总理在临别时,对科研人员说:“我们要利用科学技术推动节能减排。希望你们把研究新材料、新能源技术与应用结合起来,推动战略性新兴产业发展,促进经济可持续发展。”
 
2010年1月30日,中共中央政治局常委、全国人大常委会委员长吴邦国视察上海硅酸盐所。吴邦国来到该研究所中试基地,看关键部件,问工艺原理,算产品成本,对智能电网储能设备研发领域取得的重大成果表示祝贺,他还亲切看望了严东生、郭景坤等知名老专家。吴邦国叮嘱研究所和企业负责人,一定要大力整合相关资源,齐心协力攻克智能电网关键技术,加快产业化进程,积极抢占发展智能电网这一战略性新兴产业的制高点。
 
“大容量钠硫储能电池研制成功”还被中国科学院院士和中国工程院院士评为2009年中国十大科技进展。
 
有关专家认为,应采取措施尽快实现钠硫储能技术产业化,力争在国家电网中发挥技术引领作用,为我国新能源产业化结构调整提供有力技术支撑。他们建议以上海硅酸盐研究所和上海市电力公司为依托单位,以上海钠硫电池研制基地为基础,经过“瘦身”和“提升”,将上海钠硫电池研制基地筹建成“大容量钠硫储能技术国家工程实验室”。国家工程实验室的建设,将成为科技成果转化基地、人才聚集基地、科技创新基地,为钠硫储能电池的产业化提供持续的技术支撑。
《科学时报》 (2010-3-9 A7 2009年中国十大科技进展专题报道)
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