清華大學慈松教授:未來中國的能源結構,會發生革命性的變化
6月25日,蘇州相城數字經濟創新發展論壇暨相城金控(北京)產業創新中心啟用儀式在北京舉行,該創新中心由英諾創新空間運營。此次活動上,入駐項目之一云儲新能源的創始人、清華大學電機系研究員慈松教授,圍繞《數字儲能》這一話題,生動剖析了他在能源互聯網儲能領域的獨到見解,實錄如下:
各位領導,各位朋友大家下午好,很高興今天能到創新中心跟大家分享一下之前做了十幾年的一個工作,就是數字儲能。
隨著雙碳目標的提出以及現在定性為新能源為主體的新型電力系統發展,未來中國的能源結構,會發生革命性的變化。構建以新能源為主體的新型電力系統必然推動傳統電力系統“即發即用”逐步改變為 “隨發隨用”新范式。這個革命性范式變化中的一個最核心的事情,就是儲能的問題。因為風、光發電是“靠天吃飯”,所以就要有一個巨大的像水庫的裝置把波動性能量存起來,之后變成穩定的電源,因此儲能是能源革命的關鍵性技術,也是支撐雙碳目標的核心技術。我們做的事情就是解決電化學儲能系統的行業痛點問題。
我們看到中國的電化學儲能現在占比已經超過了10%,并且儲能行業大概每年以平均30-40%的增長率在往上增長。
電池應用問題的根源來自于系統的“短板效應”。單體電池是一個電化學反應的裝置,有其特定的非線性,因此任意兩個電池單體都是不同的。然而,自電池發明200多年以來,電池成組使用范式就是固定串并聯。換句話說,不管做多大規模的電池儲能系統,其實是當成一節大電池用,因此系統中任一個故障電池單體就能把整個系統拖垮。這就是現在電池儲能缺乏安全性和經濟性的最核心問題。
從2006年我們就開始思考如何從根本上消除電池系統“短板效應”問題。如果能夠做到這一點的話,是不是經濟性的問題、安全性的問題、可靠性的問題全能解決?
萊布尼茨的本體論已經告訴我們,世界沒有兩片相同的樹葉,所以我們不可能做出兩個一樣的電池單體,也不可能有兩個電池單體工作在同樣的工況下,這就意味著在構建大規模儲能系統時,不管采用什么樣的電化學體系,電池成組首先是系統問題,其次才是電化學問題。所以我們現在要從第一性原理角度看這個問題是什么。如果點錯科技樹,那么在錯誤的方向上走得越遠,付出的代價越大。回到電池儲能系統架構問題,既然差異性是絕對的,一致性是相對的,那我們就要接納和管理這個差異性,而不是像以特斯拉為代表的傳統電池系統解決方案那樣努力避免差異性。
接下來我們將怎么接納和管理差異性?從2006年,我們將互聯網屏蔽終端差異性的技術體系引入電池領域,核心技術就是基于能量數字化和信息化的動態可重構電池網絡。由于高頻電力電子半導體材料和器件的飛速發展,我們可以把電力電子半導體當成信息系統中的模數轉化器件,直接將能量流和信息流在器件級做同頻處理,進而將電池從一個模擬能量裝置轉變成一個數字系統,因此我們做的事情可以類比于將磁盤從一個模擬信息存儲介質變成了硬盤這種數字產品,進而跟互聯網無縫對接構建云盤,支撐互聯網方式的硬盤運營模式。這也是我們堅信數字儲能是未來能源互聯網的能量運營技術演進路線。
通過研發片上系統和高速能量交換背板,我們成功地實現了微秒級能量交換。在數字儲能系統中,電池不再固定串并聯一起,電池網絡拓撲是根據電池的狀態和負荷變化動態重構。至于系統成本問題,動態可重構電池網絡本質上是一個電子系統。摩爾定律告訴我們,出貨量增大一倍,性價比提四倍,因此細粒度管控增加的成本逐步可以忽略。
值得指出的是,現在我們在做的事情是能量流和信息流在器件級的融合,與傳統電池系統疊加BMS系統的方案有著原理上的區別,這種把加性關系變成乘性關系的技術體系將爆發出幾何級數的經濟性。模擬電池系統變成數字電池系統,將會極大推動用戶側發起的能源互聯網的發展。
此外,數字儲能系統是本質安全系統。一個合格的電池儲能產品就是要讓它在合理工況下本質安全。目前大家一講電化學儲能安全就談消防,這是不對的。消防很重要,但永遠是后驗的,是第二位的。這里我希望舉一個例子來說明我們的先驗安全觀:就像你買輛車,人其實是坐在汽油上。汽油是易燃易爆品,然而汽車是安全系統。這里不是要求汽油不燃燒,而是靠油箱、油路、底盤、電控等系統級設計,把本質不安全的汽油用在本質安全的汽車。
新電池總是會衰老,電池材料層面的問題引發系統級安全問題通常是一個秒級的過程,如果能在微秒毫秒級及時阻斷充放電回路,我們將極大防止熱堆積,這就形成了一個防微杜漸式的新型安全體系。所以我們一定要靠數字化的手段,以快制慢,從根本上解決電池系統的安全問題。以摩爾定律做支撐,對物理事件的感知能力變得更精準有效,從而降低整個系統的治理成本和突發事件引起的代價,這是我們對數字化的理解。
電池數字化以后,能量將變成一種新型網絡資源。要想做電池能量運營,無外乎兩件事,一個是資產管理,一個是運維成本的降低。比如鐵塔公司的每一節電池我們都可以進行數字化改造和基于云的能量運營,實現存量電池的高效利用,構建共享經濟下的新型儲能建設和運營方式,這是前景極為廣闊的新范式。
最后談一下我們的愿景。數字儲能實際上是將電池做成透明的能量容器的核心技術。如同我們把磁盤做成透明的信息容器,構建從磁盤到硬盤到云存儲再到基于互聯網的內容服務的商業模式,我們將基于數字儲能構建儲能即服務的新型能量運營商業模式,實現用戶側發起的能源互聯網。
謝謝大家。
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