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專家：某大型能源電力設(shè)計研究企業(yè)儲能技術(shù)中心主任
專家：各位領(lǐng)導(dǎo)，投資人大家好，今天我主要介紹液流電池技術(shù)在儲能中的應(yīng)用。
首先介紹液流電池綜述，從應(yīng)用場景上來看，可以看到液流電池在儲能容量幅度比較寬，最小大概有幾十千瓦，最大接近一百兆瓦。
目前國內(nèi)最大的液流電池示范項目已經(jīng)做到了100兆瓦/400兆瓦時，是由大連融科公司提供技術(shù)裝備，籌集資金在大連市做的項目，這個項目是為了保證整個大連市電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，由于大連處于遼寧電網(wǎng)的末端，它的安全性有點類似于邊緣電網(wǎng)，所以有了這么大型的一個儲能項目，可以保證電網(wǎng)在于遼寧省的主電網(wǎng)脫網(wǎng)的時候，保證大連市一些核心機構(gòu)能夠有能源供應(yīng)，能夠安全運行。
在時長上來看，液流電池可以劃歸到長時儲能領(lǐng)域。目前國內(nèi)的液流電池做較好的有三種技術(shù)路線。
第一，全釩液流電池，也是目前國內(nèi)示范項目做的最大的電池技術(shù)。
第二，鐵鉻液流，目前國內(nèi)主要從事鐵鉻液流的公司是國家電投集團中央研究院。
第三，鋅溴液流，目前國內(nèi)做鋅溴液流的公司比較少。之前安徽美能公司推廣過一段時間，但是近年來由于各種原因推廣不再那么積極，現(xiàn)在國內(nèi)做的示范項目也相對比較小。
接下來給大家介紹一下不同的儲能技術(shù)路線與液流電池的對比。不同的儲能技術(shù)有不同的特點，大家可以看下面的兩個雷達圖，首先我們來看左邊的雷達圖，從循環(huán)次數(shù)、能量密度、功率、自放電以及充放電層面與鉛碳電池、鈉硫電池與鋰電池做了一個對比，大家可以比較清晰的看到，目前液流電池最大的優(yōu)勢就是循環(huán)次數(shù)，它的循環(huán)次數(shù)可以達到15,000-20,000次，遠遠領(lǐng)先于其他儲能技術(shù)。但是它也有非常明顯的短板，就是自放電率比較高，導(dǎo)致效率比較低，一般釩液流電池的效率在70%左右，目前廠家的宣傳說他們可以做到72-73%，其實只能做到65-70%之間。在能量密度上，由于液流電池受電解液成分限制，能量密度比較低。以100兆瓦/400兆瓦時的液流電池的大型儲能項目來說，用同樣的場地，如果換做鋰電池大概可以達到800-1,000兆瓦時。
我們再看右邊的雷達圖，從建設(shè)成本、商業(yè)化、安全性電池回收以及動電成本這個層面做了對比，可以看到目前液流電池的度電成本還是比較有優(yōu)勢的，由于它循環(huán)次數(shù)比較多，所以液流電池的全生命周期度電成本現(xiàn)在在0.3元/度電以下。從安全性上來，液流電池不會像鋰電池產(chǎn)生著火爆炸的情況。在另外一個層面來講，液流電池又沒那么的安全，尤其是現(xiàn)在用到最廣泛的，大家最熟悉的全釩液流電池，它的電解液是由五氧化二釩溶于稀硫酸形成的，這種電解液它是毒性，高腐蝕性的，而且它運行的時候存在著泄露的風(fēng)險，一旦泄露對于現(xiàn)場和工作人員都會有比較大的傷害。
在商業(yè)化層面，目前全釩液流電池剛剛進入商業(yè)化的門檻，鐵鉻液流和鋅溴液流現(xiàn)在還沒有達到全釩液流的商業(yè)化的程度，還有待繼續(xù)努力。在電池的回收領(lǐng)域，全釩液流的電解液可以實現(xiàn)較好的回收，這一點要比其他的技術(shù)路線，像鋰電池、鈉硫電池以及鉛碳電池都好一些。鉛碳電池的電解液雖然不能回收，但是鉛碳電池里面占比非常高的鉛資源可以回收95%以上，在這一塊它的回收性能也是比較好的。
下面這個表格分別從能量密度、功率密度、放電時間、自放電率、循環(huán)效率以及單價做了一個對比。當(dāng)然在不同的時間節(jié)點，價格對比是有所偏差的，但整體的趨勢大家可以參考一下，給大家提供一個最新的數(shù)據(jù)，目前大規(guī)模的100兆瓦/400兆瓦時量級全釩液流電池的單位千瓦時的初投資大概是4,000元。接下來這個圖是液流電池的技術(shù)參數(shù)的對比，主要是電壓等級的對比。大家可以看到全釩液流電池的電壓等級在1.26伏，鋅溴液流的電壓等級在1.85伏，鐵鉻液流在1.18伏，電壓有什么影響？從原理上來說，滿充時的開路電壓等級越高，意味著電池的能量密度越高，就像常見的磷酸鐵鋰電池的電壓等級可以做到3.2伏，三元鋰電池可以做到3.7-4.0伏，三元鋰電池的能量密度就要高于鐵鋰電池，同樣的由于液流電池的開路電壓比較低，所以能量密度相對就比較低一些。
第二部分給大家做一下不同液流電池的對比的分析，首先介紹一下液流電池的特點，它的電解液都是水溶液，而且它的反應(yīng)場所和活性物質(zhì)的儲存場所是分開的，電堆是電堆，儲液罐是儲液罐，它們不會出現(xiàn)著火爆炸等情況，所以它的安全性是非常高的。
所有的液流電池，包括全釩液流電池，鐵鉻、鋅溴，都可以進行100%的充放電，它的充放電深度繼續(xù)即使達到100%，也不會對電池造成任何損害，反而對電池的壽命有益。這一塊是鋰電池完全不可能達到的，鋰電池的過充或者過放都會給它帶來不可逆的損害，會造成內(nèi)部的短路，甚至起火爆炸。
液流電池的容量和功率是可以獨立配置的，這也是液流電池最吸引人的地方，對于液流電池來講，它的電堆的數(shù)量決定了整個系統(tǒng)的輸出功率，它的電解液用量決定了整個液流電池系統(tǒng)的容量。舉個例子，對于1兆瓦時的項目，液流電池的容量可以是0.5兆瓦時，1兆瓦時、2兆瓦時，當(dāng)然也可以給它配置到10兆瓦時，是比較靈活的。還有一點，所有液流電池在運行時，電解液在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)可以帶走內(nèi)部的熱量，這是鋰電池沒有辦法比擬的，鋰電池的熱量疏導(dǎo)需要有專門的冷卻系統(tǒng)，對于液流電池來說，這一塊是沒那么需要的。還有，液流電池的電極材料，還有它的膜材料都是有機物，類似于塑料，尤其是對于像鋅溴液流電池來說，它的膜更為便宜，是一種微孔材料，成本更低。最后一點是液流電池的模塊化程度比較高，項目的選址自由度相對比較大一些，這些都是針對所有液流電池共同的特點。
針對不同的液流電池各有其優(yōu)缺點。首先看釩液流電池，釩液流電池的化學(xué)反應(yīng)是1價釩和2價釩的正極進行反應(yīng)，3價釩和2價釩在負(fù)極進行反應(yīng)，在反應(yīng)的過程中釩可以從3價到2價進行轉(zhuǎn)換，或者從1價到2價進行轉(zhuǎn)換。整個電子的交換是通過電極來實現(xiàn)，然后中間的隔膜又可以交換質(zhì)子，也叫氫離子，形成循環(huán)過程。整個過程的效率由于要受到外驅(qū)動泵的功耗影響，效率比較低，但它的安全系數(shù)比較高，中間這層膜即使被刺破，或者說出現(xiàn)一些問題，也不會產(chǎn)生像鋰電池內(nèi)部短路著火的情況，它最多就是電解液混合之后，重新再制備電解液，然后整個電堆它不會完全的損壞，而在鋰電池里面，如果隔膜出現(xiàn)了問題，基本上整個電池就廢掉了。
全釩液流的電池堆由端板、雙極板、集流板、石墨氈、離子交換膜以及密封圈組成。離子交換膜是目前國產(chǎn)化方面做的還比較差的設(shè)備，其他方面的零部件國產(chǎn)化已經(jīng)做得較好，進口的離子交換膜的價格大概是國產(chǎn)的4-5倍，未來隨著國產(chǎn)化膜推廣的越來越來越廣泛，應(yīng)用的越來越多，國產(chǎn)化的離子交換膜會逐步取代進口的離子交換膜。全釩液流電池的電堆結(jié)構(gòu)和氫能領(lǐng)域氫燃料電池的電堆結(jié)構(gòu)是高度相似的，甚至離子交換膜都幾乎一模一樣，也就是說離子交換膜在氫燃料電池里面取得突破，尤其是國產(chǎn)化應(yīng)用，國產(chǎn)化離子交換膜的效率、壽命都提升，它的技術(shù)應(yīng)用可以直接遷移到全釩液流電池，所以這兩者的發(fā)展是聯(lián)系非常緊密的。
這個是全釩液流電池的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，它里面包含了有電池管理系統(tǒng)，主要是BMS(BatteryManagementSystem，電池管理系統(tǒng))，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，也叫逆變器，能量管理系統(tǒng)，是一套軟件管理系統(tǒng)。這邊就是它的電堆以及它的儲液罐。左下方圖是一個已經(jīng)組裝好的獨立的單體全釩液流電池系統(tǒng)的示意圖，包含了換熱裝置、電堆、BMS、循環(huán)泵。循環(huán)泵是整個液流電池里自耗功比較大的部件，循環(huán)泵的存在導(dǎo)致了液流電池的效率比較低。同時還有過濾器、正極儲罐和負(fù)極儲罐。右邊是整個系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，大家可以看一下。
全釩液流的技術(shù)特點總結(jié)：首先電解液是為釩粒子的水溶液，不燃燒不爆炸，電解液是由五氧化二釩溶于稀硫酸形成的，熱量可以有效的排出，大家可以看到在這一塊有一個換熱器，電解液反應(yīng)之后，經(jīng)過換熱器可以有效的將熱量排出，這種熱量的排出的效果會遠好于鋰電池的傳熱效果。單體電池間的一致性比較好，其次壽命長，在充放電的過程中，它的電極材料只是提供界面，不參與反應(yīng)，可長期保持穩(wěn)定狀態(tài)，深充深放對電池性能也沒有不利的影響，甚至對它有正向的影響。
溫度對容量的影響可恢復(fù)，但是又不絕對，全釩液流的運行溫度一般在10-40度之間，如果溫度過高會析出一些沉淀物，這些沉淀物經(jīng)過循環(huán)會附著在質(zhì)子交換膜上，進而降低整個系統(tǒng)的效率。而且液流電池設(shè)計靈活，功率和容量獨立設(shè)計。容量可恢復(fù)，它的微量副反應(yīng)造成的價態(tài)失衡是可以通過氧化還原進行調(diào)整恢復(fù)的。另外一點，釩離子遷移造成的體積濃度的失衡也可以通過正負(fù)極溶液的體積濃度再次均衡，然后來進行恢復(fù)，但是這是有一定限度的，就像我剛剛提到溫度的影響，對于全釩液流電池儲能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，尤其是對于容量的影響還是比較大的。所以全釩液流電池的運行一般在溫度的要求會比鋰電池更嚴(yán)苛一些。
這是全釩液流電池儲能系統(tǒng)的發(fā)展歷程，最早是1974年提出的，目前我們已經(jīng)可以做到單體200千瓦以上的電堆了，規(guī)模是目前所有的液流電池里面最大的。
第二部分介紹一下鐵鉻液流儲能系統(tǒng)，鐵鉻液流電池儲能系統(tǒng)的特點是長壽命，生命周期比較長，循環(huán)次數(shù)大于20,000次，次數(shù)現(xiàn)在各家各說各的，但是究竟能不能達到還不好說。其次它環(huán)境友好，安全性高，電解液以及正負(fù)極的材料的毒性和腐蝕性弱，這個優(yōu)點是相對于全釩液流相比的，而且可再生，安全穩(wěn)定，高效率，它的直流側(cè)效率大于80%，交流側(cè)大于70%，行業(yè)領(lǐng)先。我實事求是的給大家做個介紹，鐵鉻液流在實驗平臺上很難跑出來大于70%的效率。各種液流電池都有缺點，大家都喜歡做一些比較美化的宣傳。
鐵鉻液流適應(yīng)性比較強，這是它獨特的優(yōu)勢，比全釩液流好，它的工作溫度可以在零下20-70度，這是相對全釩液流它特別大的一個優(yōu)勢，然后它易于規(guī)模化，它的定制化比較容易，易于擴容，這是所有液流電池的特點。最后是低成本，更多的是全壽命周期的度電成本。在投資方面，鐵鉻液流和全釩液流差不多，現(xiàn)在都貴于鋰電池，尤其是磷酸鐵鋰，現(xiàn)在最主流的電池儲能系統(tǒng)。鐵鉻液流電堆和全釩液流高度相似，中間也要用到離子交換膜，離子交換膜也是目前在發(fā)展液流電池，尤其是全釩液流和鐵鉻液流的時候，比較受卡脖子的一項技術(shù)。
其他像端板、雙極板、電極、板框、集流板這些方面，包括電解質(zhì)溶液，儲罐系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)、工藝系統(tǒng)已經(jīng)都可以做到國產(chǎn)化，但是質(zhì)子交換膜的國產(chǎn)化做的比較一般。
鐵鉻液流電池成本的構(gòu)成。在300兆瓦的產(chǎn)能下，我們可以看到電堆占到整個電池系統(tǒng)成本的46%。全釩液流電池的電堆包含電解液在整個項目里的價格占比要占到60%，比鐵鉻液流更多一些，因為全釩液流的價格相對比鐵鉻液流更貴一些。我們再看電堆的成本，電堆里面質(zhì)子交換膜是非常大的一塊成本，質(zhì)子交換膜占到了整個電堆的30%，其次是電極以及雙極板，這兩塊目前國內(nèi)已經(jīng)比較好的實現(xiàn)了國產(chǎn)化，尤其是借助于氫燃料電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的建立，這一塊是可以和氫燃料電池進行技術(shù)遷移以及技術(shù)復(fù)用，產(chǎn)品復(fù)用。
鐵鉻液流有一個特別大的優(yōu)勢是資源特別豐富，成本比較低廉。我們做了一個對比，鐵鉻液流的的關(guān)鍵材料是鉻鐵礦，全釩液流鋰電池需要五氧化二釩，鋰電池需要碳酸鋰。我們可以看一下在4-5年的區(qū)間內(nèi)這些關(guān)鍵原材料的價格情況，可以看到鉻鐵礦非常便宜，每千克只用16.7元，而且常年非常穩(wěn)定，我們再看一下，全釩液流用到的五氧化二釩波動非常的大，最大的時候一年有10倍的波動，我記得在2019-2021年之間，他曾經(jīng)從每噸4萬元左右漲到了每噸50萬元左右，因為它是一個伴生礦，它的儲量不太穩(wěn)定，所以它的價格波動非常的大。鉻鐵礦相對來說儲量比較大，5.1億噸，它有專門的專用礦，產(chǎn)量也比較穩(wěn)定，增產(chǎn)能力也比較強，所以它價格比較穩(wěn)定，這一塊也是鐵鉻液流發(fā)展的一個比較大的優(yōu)勢。
第三部分給大家介紹一下鋅溴液流，鋅溴液流最早由一個石油公司發(fā)明的，是一種高性能、低成本、大容量的儲能系統(tǒng)，它的電解液為溴化鋅溶液，電池被隔膜分割為正極半電池和負(fù)極半電池，分別接在正負(fù)極電解液的儲罐里。在循環(huán)泵的作用下，電解液在儲罐和電池構(gòu)成的閉合回路中運行，同時發(fā)生氧化還原反應(yīng)。鋅溴液流和釩電池的特色都是正負(fù)極的溶液，各自在獨立運行，不存在交叉污染的問題，但是鐵鉻液流就存在交叉污染的問題。
鋅溴液流的技術(shù)特點如下：首先它可以做到比較低的成本，包括電極、隔膜材料在內(nèi)的電池的關(guān)鍵部件多為塑料，不含貴金屬，且可回收利用，尤其是它的隔膜是一種微孔膜，不是質(zhì)子交換膜，國產(chǎn)化更容易一些，它的電解液為溴化鋅溶液，價格低廉且容易獲得。其次是它的長壽命的優(yōu)勢，正負(fù)極電解液的均為溴化鋅溶液，不存在電解液交叉污染，電解液的理論使用壽命無限。這只是電解液的使用壽命，如果把整個電堆來考慮進來，循環(huán)次數(shù)上鋅溴液流要低于全釩液流和鐵鉻液流，它的電堆的深充深放的循環(huán)次數(shù)大于3,000次，比起全釩液流和鐵鉻液流要低不少，全釩液流宣稱能夠達到15,000-20,000次，鐵鉻液流也宣稱能夠達到20,000次以上，但是它們都沒有經(jīng)過長周期的驗證。在模塊化方面大家都比較類似，都可以做模塊化的設(shè)計，功率和容量都相對獨立，這是所有液流電池的特點。以模塊化作為組成單元，可以擴展到兆瓦級的系統(tǒng)，現(xiàn)在鋅溴液流單體大概模塊能做到幾十千瓦，比起全釩液流和鐵鉻液流都有一點差距，因為現(xiàn)在大家對鋅溴液流的投入不多，不但不多，也可以說是越來越少了。
鋅溴液流自身存在一些比較大的問題，首先鋅溴液流的溴是易揮發(fā)的溶液，這個問題比較難以解決，其次是溴有腐蝕性和穿透性，它的腐蝕性不是由它的酸堿性來導(dǎo)致的，是溴的穿透性帶來的腐蝕。另外在反應(yīng)的時候，鋅所在的電極容易產(chǎn)生一些鋅枝晶，可以刺穿隔膜降低整個電池的性能。
同樣，之前提到的全釩夜流也有自己的問題，全釩液流的一個比較大的問題是它的2價態(tài)的釩，就是它的正極和負(fù)極溶液都存在2價釩，容易在空氣中氧化，氧化之后就會造成系統(tǒng)容量衰減。如何去保持2價釩溶液在全釩液流電池系統(tǒng)中的穩(wěn)定運行是一個特別重要的技術(shù)。目前全釩液流電池的企業(yè)通常的做法是在溶液罐里通入氮氣、氬氣等一些惰性氣體進行保護，也有在溶液罐內(nèi)部的電解液表面覆蓋一層難溶的礦物油，保護惰性氣體不再出去，減少外界的空氣的進入。全釩液流電池還有一個較大的問題是5價釩離子的溶解性比較低，溫度大于45℃就會產(chǎn)生結(jié)晶，不可逆的生成五氧化二釩，會損傷質(zhì)子交換膜，而質(zhì)子交換膜又是液流電池里比較貴的部件。
鋅溴液流電池的電堆模塊，電堆模塊主要包括了電堆、電解液、模塊管理系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)。目前做的比較標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)能做到5千瓦/20千瓦時，相比目前儲能大規(guī)模應(yīng)用的領(lǐng)域，規(guī)模相對的確小了一些。鋅溴液流電池系統(tǒng)基于它的電堆也可以組裝成兆瓦級的儲能系統(tǒng)，相對來說做的可以比較靈活，易于安裝。對于一個40尺的定制集裝箱，它的額定功率為250千瓦，容量1兆瓦時，容量比起鋰電池概少了5-6倍，鋰電池用40尺高箱可以做到5兆瓦時，鋅溴液流只能做到1兆瓦時，差距還是比較大的。另外它的電堆循環(huán)壽命為3,000次，電解液就只是按照6,000次來考慮，現(xiàn)在已經(jīng)低于一線廠家鋰電池組成的鋰電池儲能系統(tǒng)的循環(huán)壽命，鋰電池在80%放電深度下，已經(jīng)可以做到6,000-8,000次了。現(xiàn)在鋅溴液流已經(jīng)落后比較多，所以近幾年國內(nèi)幾乎沒怎么去發(fā)展鋅溴液流技術(shù)路線，創(chuàng)業(yè)公司一般也不會選這種技術(shù)路線。
第三部分給大家介紹一下液流電池的發(fā)展現(xiàn)狀以及示范項目。
首先介紹一下全釩液流電池的發(fā)展現(xiàn)狀，目前全釩液流電池的典型的示范項目如下，大家可以看到日本住友公司在日本前些年做了一些，北京普能公司收購了一家加拿大VRB公司，VRB在全釩液流里相當(dāng)于鼻祖公司之一，北京普能公司把它收購了之后，在2010年左右做了一些項目，近期北京普能公司的項目比較少，公司發(fā)展遇到了一些問題。大連融科做了不少的項目，最大的項目是200兆瓦/400兆瓦時，這個項目現(xiàn)在已經(jīng)完成一期100兆瓦/400兆瓦時建設(shè)，2022年才基本上完成。這個項目從策劃到完成花了5年的時間，也可以看到全釩液流電池項目的融資和建設(shè)整體推進還是比較慢的。我們做個對比，一個同等規(guī)模的，例如100兆瓦/400兆瓦時的鋰電池儲能項目，最多需要6-8個月就可以搞定。剩下的是一些國外公司的在國外做的一些全釩液流電池項目。
在全釩液流電池的標(biāo)準(zhǔn)方面，中國在這一塊是走在前列的，很多標(biāo)準(zhǔn)都是大連融科公司牽頭執(zhí)行的，甚至一些國際的標(biāo)準(zhǔn)也是由中國公司來牽頭執(zhí)行和制定的。目前在標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域，尤其在釩液流電池領(lǐng)域，中國公司是處于領(lǐng)先的。再從液流電池專利受理量來看，中國公司是遠遠領(lǐng)先的，當(dāng)然這個數(shù)據(jù)相對來說老了一點，不過大家看趨勢也能看出來，中國公司的專利數(shù)量累計已經(jīng)是美國的4倍左右，現(xiàn)在差距只會更大。第三名是日本，可以看到前三名基本上是現(xiàn)在做液流電池做的最多的三個國家。但總體上說液流電池技術(shù)路線最重視的是中國，國外的廠家或者公司近些年來都在做轉(zhuǎn)型，對液流電池的投入沒那么大了。
這一部分是全釩液流電池的研究機構(gòu)以及參與的公司。首先上面這一塊是科研機構(gòu)，大家可以看到國內(nèi)的參與的科研機構(gòu)非常多，其中最知名的就是中科院大連化學(xué)物理研究所，還有中國工程物理研究院，中國電力科學(xué)研究院以及清華大學(xué)、中南大學(xué)和有華北電力大學(xué)。參與的公司主要是大連融科公司、日本住友、中國普能，還有奧地利以及美國、德國的一些公司，但現(xiàn)在國外公司在液流電池的產(chǎn)品迭代以及發(fā)展方面已經(jīng)被中國公司超越了。
接下來介紹目前規(guī)模最大的液流電池項目，在全釩液流、鋅溴解流以及鐵鉻液流里是最大的。這個項目建設(shè)于大連市沙河口區(qū)，屬于典型的城市中心區(qū)域的大容量儲能電站。從建設(shè)的規(guī)劃上來說，它屬于電網(wǎng)側(cè)的儲能項目，它的周邊有工廠、學(xué)校、住宅，對電池的安全性要求是非常高的，對環(huán)境的影響也還要做反復(fù)的評估，才會被允許施工，所以這個項目雖然策劃的比較早，但是它的建設(shè)周期比較慢，建設(shè)周期比較慢還由于它的資金籌措的方面的困難。因為電站建設(shè)在城市中心，受用地限制，電站采用了多層布置，一層布置了電解液罐，二層的布置電池堆，頂層布置了逆變器，220千伏的配電裝置以及主變壓器配置在一層的廠房之內(nèi)。
這是整個廠房的具體的布置圖，這些罐子就是電解液的罐子，左下角是配電以及升壓裝置。整個廠房的設(shè)計要考慮到防爆，在液流電池的運行過程中可能會有一些氫氣的析出，大家知道氫氣它是非常不穩(wěn)定的，在4-75%的濃度下，都可能會發(fā)生閃爆，所以防爆設(shè)計是所有液流電池都要考慮的。這個是整個廠房的跨度，大家可以看到這個跨度大概是130米左右。
接下來是電池的配置，首先它有250千瓦的電池電堆，每兩組電池電堆配置一臺500千瓦的逆變器組成一個單元，48個單元組成一個24兆瓦/96兆瓦時的分區(qū)。此次工程設(shè)置了3個24兆瓦/96兆瓦時的分區(qū)。400千瓦的電堆由每兩組電池電堆配置一臺1,000千瓦的逆變器組成一個單元，35個單元組成一個28兆瓦/112兆瓦時的分區(qū)，本工程設(shè)置了一個28兆瓦/112兆瓦的分區(qū)，一共加起來大概是400兆瓦時。這是我們電解液儲罐，大家可以看到電解液罐非常的大，乘用車相比都顯得比較渺小了。這是在頂樓做的預(yù)制艙室的逆變器。
下面大容量的釩液流儲能電站一些比較主要的功能，首先它可以為整個大連電網(wǎng)提供黑啟動服務(wù)，也就是大連市的電網(wǎng)如果由于事故原因和遼寧省的主網(wǎng)發(fā)生斷網(wǎng)的話，大連市可以依靠液流電池系統(tǒng)提供黑啟動功能，將大連市的電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)重新啟動。
啟動方式現(xiàn)在已經(jīng)將它的路線規(guī)劃好了，就是向臨近的北海電廠提供啟動電源，北海電廠順利啟動以后，再為大連電網(wǎng)陸續(xù)提供啟動電源，為什么要它來啟動北海電廠，再讓北海電廠去啟動？因為北海電廠的總體功率更大一些，但它所需要的啟動功率比較小，因為液流電池就正好合適。北海電廠是一個傳統(tǒng)的天然氣發(fā)電廠，功率大概在300-500兆瓦，作為電網(wǎng)的保安電源啟動整個電網(wǎng)的速度會更快一些。目前這種啟動方案已經(jīng)通過了電網(wǎng)公司的審查，通過電網(wǎng)公司的審查意味著什么？意味著這套大容量的釩液流儲能電站，它將能夠每年拿到黑啟動的服務(wù)費用，大概在800-1,000萬元左右。
這是釩液流電池儲能站的一些設(shè)計關(guān)注點。
布置占地設(shè)計分為單層布置和雙層布置，因為用地限制我們考慮雙層布置，雙層布置也有不好的地方，萬一出現(xiàn)電解液大規(guī)模的泄露，造成的損害會更大一點。第二個項目設(shè)計的關(guān)注點是電解液的工作溫度區(qū)間，電解液工作區(qū)間有一個表格，在15-25℃的時候，交流側(cè)的效率是可以做到大于71%，25-35℃交流側(cè)的效率可以做到大于73.5%，35-40℃大于75%，但是溫度不能更高了，如果大于45℃，就會出現(xiàn)五氧化二釩的結(jié)晶析出的現(xiàn)象，造成整個電站效率急劇下降。釩液流電池的電壓水平比較低，通過多個環(huán)節(jié)才能將電壓提升到需要的電壓水平。一般上電網(wǎng)大規(guī)模的并網(wǎng)電壓最起碼要升壓到35千伏，再通過35千伏的升壓器升壓到220千伏進行并網(wǎng)。
電站的設(shè)計還要考慮到防火風(fēng)險，釩液流電池的防火要考慮的主要是變壓器的防火，電線電纜的防火，DD模塊以及PCS功率模塊的防火。這一塊大家不要小看，雖然是一些功率模塊，但功率模塊由于運行的功耗比較高，所以也可能會產(chǎn)生火災(zāi)，電池本身的火災(zāi)風(fēng)險是極低的，這和鋰電池相比是差異比較大的。
在防爆方面釩液流電池的爆炸風(fēng)險主要來自于電池充電過程中產(chǎn)生少量的氫氣，整個項目的設(shè)計也采取了一些措施，首先對氫氣進行定期的有組織的排放，然后設(shè)置氫氣的探測器，實時監(jiān)測氫氣的濃度異常。這基本上是所有液流電池項目的標(biāo)配，然后對儲能車間進行爆炸危險區(qū)的劃分，對于處于爆炸危險區(qū)的設(shè)備選擇防爆型，防爆型設(shè)備它不會有氫氣析出，也不會惡化有氫氣環(huán)境，如果不選用防爆型的設(shè)備的話，很可能如果有氫氣析出并且達到閃爆點，它有可能發(fā)生閃爆，對整個項目發(fā)生產(chǎn)生不可逆的影響。
在環(huán)境影響方面主要是電解液的污染風(fēng)險，電解液是酸性的溶液，儲罐產(chǎn)生破裂又有高毒性，所以整個廠房要考慮酸溶液、高毒性溶液的滲透以及排放問題。防護措施就要考慮到電解液廢液的收集，以及電解液溢出的多級防護，不讓電解液流出到廠房之外，然后還有電解液池的防滲透，同時還要監(jiān)測地下水，看看電解液是不是已經(jīng)滲透入了地下水，造成了一些污染。在噪音方面主要來自于電解液泵、變壓器以及斷路器的噪音，這些噪音相對來說比較低，不用過多的考慮。
釩液流儲能電站經(jīng)過相應(yīng)的設(shè)計，實際運行存在一些比較大的問題。它的優(yōu)勢是有目共睹的，有安全性高，循環(huán)壽命長，環(huán)境友好等特點，但是它的價格還比較高。目前即使做到這么大規(guī)模，單位千瓦時的初投資在4,000元左右，其次相應(yīng)的大型項目的落地很少，大部分的項目還都是示范項目，缺乏商業(yè)運行的項目，整個項目的盈利模式嚴(yán)重受到政策的影響。未來液流電池如果能夠比較好的參與到電力輔助服務(wù)市場的話，獲取一些深度調(diào)峰等，包括黑啟動的費用，它未來的盈利相對來說應(yīng)該比較好。此外釩液流電池也可以參與到新能源配儲的項目中來，如果租賃出去能夠獲得一筆租賃費用，也是一個不錯的選擇。
接下來介紹一下鐵鉻液流電池，鐵鉻液流電池首套百千瓦級電池系統(tǒng)2020年左右在張家口實施，技術(shù)提供方是國家電投集團下屬的中央研究院，這系統(tǒng)功率是250千瓦，系統(tǒng)容量是1.5兆瓦時，對應(yīng)儲能時間是6小時，單堆的功率是31.25千瓦。大家可以看到單堆的功率比起釩液流電池還是有比較大的差距的，釩液流電池單堆的功率已經(jīng)可以做到400千瓦，是它的10倍左右，它的DC/DC轉(zhuǎn)換效率大于80%，宣傳的成分更多一些，在我們真正運行的時候，無論是全釩液流或者是鐵鉻液流，或者說是鋅溴液流，真正的效率都低于70%。
目前鐵鉻液流還處于發(fā)展的初期，相對于全釩液流的商業(yè)成熟度要差一些。目前國家電投中央研究研究院推出的成熟產(chǎn)品，電堆是31.25千瓦的，接下來馬上要推出的是60千瓦以及45千瓦的電堆。從單個電堆的規(guī)模來看，和全釩液流還有比較大的差距，什么時候能夠到單個電堆達到200-400千瓦級別？我預(yù)計在十四五期間有這樣的可能性，但是還需要付出很多努力，因為鐵鉻液流它本身存在的問題比較多，包括它的能量密度，兩種正負(fù)極溶液的混流問題，都會是未來要面對的比較難以解決的問題。
鐵鉻液流項目其實和全釩液流高度類似，都是通過積木式拼接的方式，做到功率和容量的靈活性。我們可以通過不同的拼裝做出不同的時長，或者相同功率不同時長，相同時長不同功率的一些模塊，這是液流電池的特點，但是每個液流電池都有這樣的特點。這個是鐵鉻液流電池做用戶側(cè)儲能，通過峰谷差套利的假想。當(dāng)峰谷差達到0.75元/度電時，資本金內(nèi)部收益率的可以達到8%，相對來說估算理想的一些，第一他們將鐵鉻液流的循環(huán)壽命假設(shè)的比較長，其實目前鐵鉻液流的電解液，包括電堆的循環(huán)次數(shù)沒有廠家宣傳的這么好，如果按照廠家的宣傳的設(shè)置去做項目的話，很可能這個項目是不太成功的，尤其像大家看看投資回收期已經(jīng)達到了10.2年，短的也要7.7年。對于一個液流電池項目來說，越到后期運維成本越高，后面的投入其實是比較多的。
用新能源配置儲能的方式配置液流電池的收益率相對也沒那么高，而且很多項目的假設(shè)工況也比較理想化，而且這些收益率的前提都有0.7元/度電的補貼，這個補貼有點類似于深度調(diào)峰，但這個補貼有點太過于理想化了，目前是拿不到的，如果沒有補貼的話，這樣的項目是不具備可投資性的。
針對鐵鉻液流目前的發(fā)展路線，大家主要關(guān)注的公司是國家電投中央研究院的下屬公司和瑞儲能。這個公司在2022年已經(jīng)將產(chǎn)線擴大到每年300兆瓦級別，2025年要建成GW級的產(chǎn)線，但是不是能建成？我感覺有一定的難度，除非在下游的應(yīng)用中的需求量非常大，才可能把產(chǎn)量增產(chǎn)到1GWh，否則的話建一個1GWh的產(chǎn)線，如果沒有下游銷售的驅(qū)動的話，它建成之后整個項目的營收不會太好，存在虧損的可能性很大。本來鐵鉻液流在液流電池里面就不太占優(yōu)勢，它的能量密度比全釩液流還要再低一些，循環(huán)效率比全釩液流也要低一些，即使大家建設(shè)同樣規(guī)模的項目，它每年的現(xiàn)金流也會少一些。所以與全釩液流相比，它的優(yōu)勢不大，而且技術(shù)成熟度和商業(yè)成熟度都要遜色于全釩液流。同時做鐵鉻液流的公司，在國內(nèi)還沒有形成比較廣泛的態(tài)勢，做的比較少。像全釩液流，目前國內(nèi)有5-6家公司做的都不錯，鐵鉻液流大概只有1-2家在做，主要是國電投集團中央研究院在做。
第三部分再簡單介紹一下鋅溴液流，因為鋅溴液流在國內(nèi)項目中，基本上銷聲匿跡了，唯一做的規(guī)模比較大的是2017-2018年，在黃河水電百兆瓦光伏發(fā)電市政基地的20兆瓦項目，總體儲能是16.7兆瓦時，里面包含三元鋰電池，磷酸鐵鋰電池，1兆瓦時鋅溴液流電池，全釩液流電池，這個項目大家是同臺競技，真正比拼誰能做得好。接入方式是經(jīng)過逆變器直流側(cè)和交流側(cè)接入儲能系統(tǒng)，也有的是經(jīng)過35千伏的交流側(cè)接入的儲能系統(tǒng)，比如像三元鋰電池、磷酸鐵鋰和鋅溴液流是通過35千伏的交流才接入到儲能系統(tǒng)。運行下來鋅溴液流電池的循環(huán)效率低于60%，是所有液流電池里面效率最低的。
此外鋅溴液流還在格爾木華能拓日光伏電站做了一個5兆瓦/6兆瓦時的復(fù)合儲能系統(tǒng)，這個儲能系統(tǒng)用到更多的是4兆瓦/0.5小時的鋰電池儲能單元，另外用了一些1兆瓦/4小時的鋅溴液流電池系統(tǒng)，混合儲能系統(tǒng)主要起到的作用就是減少棄光，減少限制發(fā)電的情況。同時有了這套儲能系統(tǒng)之后，他們還能跟蹤計劃出力情況，提高電站實際出力和光功率預(yù)測曲線的準(zhǔn)確度，這一塊做得好的話，是可以增加新能源場站的收入的。當(dāng)然它也具備平滑功率波動、提高發(fā)電質(zhì)量等作用，也能夠參加電網(wǎng)的輔助服務(wù)，這要看當(dāng)?shù)氐碾娏o助服務(wù)市場建設(shè)的如何。
鋅溴液流在國內(nèi)做的項目能夠找到的也就剩下這幾個了，規(guī)模都相對比較小，都是百千瓦時級別的。
從示范項目的角度來說，鋅溴液流是國內(nèi)做的最少的，在近幾年逐漸的銷售匿跡了，目前在液流電領(lǐng)域，曝光度最高的，大家最關(guān)注的首推釩液流電池，其次是鐵鉻液流電池。鋅溴液流電池我個人認(rèn)為未來是沒有什么發(fā)展前景的，由于電堆規(guī)模以及它自身存在一些非常嚴(yán)重的問題，比如剛剛提到的溴蒸發(fā)的問題，溴的穿透性帶來的腐蝕問題，以及它的反應(yīng)過程中的鋅枝晶問題，現(xiàn)在都沒有得到很好的解決。同時由于在這方面投入的公司越來越少，它的研發(fā)進度非常的慢，這個技術(shù)在國內(nèi)可以說已經(jīng)淘汰掉了。
最后一塊給大家再介紹一下液流電池未來的發(fā)展趨勢。這是國家科技部頒布出來的電化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展路線圖，重點關(guān)注的也是全釩液流電池。路線圖是2015年左右頒布的，規(guī)劃2020年要實現(xiàn)全釩液流3,500元/千瓦時的投資，然后要做兆瓦/兆瓦時級別項目的推廣應(yīng)用，以及10兆瓦/10兆瓦時至百兆瓦時的示范應(yīng)用基本上都做到了，除了單位千瓦時的出投資。
到2030年，發(fā)展目標(biāo)是要達到循環(huán)壽命20年，按照一天一次充放，一年按300次，10年3,000次，只要達到6,000次就可以有20年的壽命。對于電堆來說達到6,000次問題不大，但是每千瓦時達到2,000元的成本，現(xiàn)在來看難度還比較大，主要是由于電解液以及電堆占到整個項目投資的一半以上，電解液的成本主要受限于五氧化二釩礦產(chǎn)，五氧化二釩的價格非常的不穩(wěn)定。
根據(jù)目前和做液流電池廠家的深度溝通，他們現(xiàn)在想去通過和生產(chǎn)五氧化二釩礦產(chǎn)的企業(yè)深度綁定，簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，來鎖定一些產(chǎn)能，進而保證五氧化二釩的價格的穩(wěn)定，保障電解液價格的穩(wěn)定。他們通過這種方式，希望在未來的2-3年之內(nèi)，將電解液的成本降低為目前的一半，這個幅度已經(jīng)非常的大了。如果將電解液的成本降低到目前的一半，最終它反映在整個項目上，反映在整個項目的這個出投資上，大概可以做到每千瓦時3,000元。
如果想繼續(xù)降低到2,000元左右的話，那也就意味著只降低電解液成本已經(jīng)不夠，即使在3,000元的水平將電解液再降低一半也達不到2,000元，還需要其他的像電堆本體，像施工、輔材等成本降低，但是這些成本的降低難度是非常高的，像人工成本、施工安裝成本，電堆本體成本，像離子交換膜成本降低起來非常的困難，所以2030年達到每千瓦時的工程造價降低到2,000元的目標(biāo)我認(rèn)為是非常難實現(xiàn)的。2030年能夠降低到2,500-3,000元/千瓦時級別，對于液流電池，尤其是全釩液流電池來說就已經(jīng)非常好了。
Q&A
1.鐵鉻液流和全釩液流如何對比？為什么鐵鉻成熟度很低？全釩電池與鋰流電池的比較？
鐵鉻液流與全釩液流的對比主要看：單體電堆的功率，目前全釩做到了200-400千瓦，鐵鉻液流不足100千瓦，技術(shù)成熟度差不少。再看運行期間的安全性，鐵鉻液流有難以解決的負(fù)極“析氫”問題，而全釩沒有。整體上來說，全釩的技術(shù)優(yōu)勢更大。
全釩液流與鋰電池比，全面落后，主要在三點：
a)同等功率/容量規(guī)模的項目，全釩的初投資是鋰電池的2倍；
b)全釩的電到電效率比鋰電池低了20%左右；
c)全釩的運行維護更復(fù)雜，對溫度更敏感，運維難度大。
2.政策上不讓鋰電池和鈉硫電池應(yīng)用在中大型儲能站，但全釩液流也有不足，專家對中大型儲能方式和全釩液流電池前景怎么看？
首先糾正一個小誤解，政策上禁止的三元鋰電池，而不是鋰電池。實際上，是支持鼓勵磷酸鐵鋰電池參與電力系統(tǒng)應(yīng)用的，大家不要被誤導(dǎo)。由于液流電池在成本，效率，產(chǎn)業(yè)成熟度方面的缺點，未來4-5年中大型儲能項目的最大增量仍是磷酸鐵鋰電池技術(shù)路線，而不會是，也絕不可能是液流電池(這一點我非?？隙?。
3.全釩液流電池和鐵鉻液流電池的電池材料體系怎么樣？有哪些材料和零部件供應(yīng)商？
全釩液流電池與鐵鉻液流電池都未形成完善的供應(yīng)體系，都處于發(fā)展初期。供應(yīng)商并不固定。
4.大連項目的可復(fù)制性？大連項目二期什么時間實施呢？
大連100MW/400MWh儲能項目在工程上并不難，可以復(fù)制，但沒人復(fù)制，為什么？因為這是一個地方性的支持性項目，其他省市并沒有液流電池企業(yè)需要支持。由于大連一期項目并未實現(xiàn)確定收益預(yù)期，二期項目遙遙無期。
5.請問硫基的液流電池發(fā)展前景如何？針對鋅溴電池的問題，有沒有什么在研究的解決方法去降低溴的腐蝕性？
硫基液流電池目前處于實驗室階段，距離應(yīng)用還比較遙遠。鋅溴液流電池由于本身較低的效率(比釩液流更低)和技術(shù)參數(shù)的劣勢，幾乎上已經(jīng)被市場淘汰了。
