中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘要：論述了當(dāng)前情況下儲(chǔ)能的現(xiàn)狀，闡述了鋅鐵液流電池的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及面臨的問(wèn)題，對(duì)鋅鐵液流電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了深入的分析并提出展望。鋅鐵液流電池具備低廉的價(jià)格、優(yōu)異的性能及原材料來(lái)源廣泛等優(yōu)勢(shì)，有望在將來(lái)的儲(chǔ)能領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，大大提高能源的使用效率。
1.鋅鐵液流電池儲(chǔ)能技術(shù)
鋅鐵液流電池單電池由正極、負(fù)極和隔膜組成。如圖1所示，正極發(fā)生二價(jià)鐵與三價(jià)鐵間的相互轉(zhuǎn)化，負(fù)極發(fā)生鋅的沉積和鋅的溶解反應(yīng)，通過(guò)隔膜實(shí)現(xiàn)內(nèi)部離子之間的交換。鋅鐵液流電池通過(guò)泵將存儲(chǔ)于電解液罐體中的儲(chǔ)能物質(zhì)循環(huán)至反應(yīng)場(chǎng)所———電堆，進(jìn)行化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)化。電堆作為化學(xué)能和電能的轉(zhuǎn)化場(chǎng)所，由若干單電池串聯(lián)而成，電堆再經(jīng)過(guò)串并聯(lián)后形成儲(chǔ)能系統(tǒng)。
液流電池相比于傳統(tǒng)電池最大的優(yōu)勢(shì)是能量單元獨(dú)立于功率單元，也就是說(shuō)可以根據(jù)項(xiàng)目要求，在已建好的項(xiàng)目中，對(duì)能量單元或功率單元進(jìn)行獨(dú)立擴(kuò)容來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)模的調(diào)整。該做法特別是在大型項(xiàng)目建設(shè)中有其無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
圖1 鋅鐵液流電池運(yùn)行原理圖
表1中列出了各種儲(chǔ)能技術(shù)的對(duì)比情況。在諸多技術(shù)里，液流電池以其安全性，系統(tǒng)功率容量可靈活配置，以及循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)受到較大關(guān)注。
表2中列出了各種液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及開(kāi)路電壓情況。從表中可以看出，鋅鐵液流電池作為液流電池的發(fā)展方向之一，有諸多優(yōu)勢(shì)。除此之外，鋅鐵液流電池相比于主流的全釩液流電池還具有如下優(yōu)勢(shì)。
1)體系方面，鋅鐵液流電池使用堿性體系，全釩液流電池為酸性體系。鋅鐵液流電池內(nèi)密封及穩(wěn)定性相比于全釩液流電池更利于產(chǎn)業(yè)化。
2)電極材料方面，鋅鐵液流電池使用多種材質(zhì)作為電極，而全釩液流電池使用碳?xì)肿鲭姌O、導(dǎo)電塑料做雙極板。這樣在功率密度方面鋅鐵液流電池體系可以比全釩液流電池體系具有更大優(yōu)勢(shì)，因此鋅鐵液流電池體系倍率性能要明顯優(yōu)于全釩液流電池體系。
3)電解液原料方面，釩占全球地殼含量的0.02%，而鐵和鋅在全球地殼中的含量分別為4.75%、0.5%。從數(shù)據(jù)可以看出，釩資源將會(huì)成為制約全釩液流電池大規(guī)模發(fā)展的一大瓶頸，近年的釩礦價(jià)格也同樣印證了以上結(jié)論。
4)電解液成本方面，由于釩礦資源的限制，后期鋅鐵液流電池成本明顯優(yōu)于全釩液流電池。
5)安全角度方面，鋅鐵液流電池使用的鋅和鐵元素均為人體所需微量元素，而釩在高價(jià)態(tài)時(shí)對(duì)人體呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、胃腸和皮膚有一定影響。
綜上所述，鋅鐵液流電池體系相比于其他電池體系，有容量配比靈活、安全性能好、系統(tǒng)倍率性能高等優(yōu)勢(shì)，相比于全釩液流電池同樣具有以上優(yōu)勢(shì)。相關(guān)鋅鐵液流電池體系的研究工作已引起了諸多研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。
2.鋅鐵液流電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用
普遍認(rèn)為，儲(chǔ)能可應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個(gè)方面，如網(wǎng)側(cè)、發(fā)電側(cè)、用戶側(cè)等。鋅鐵液流電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要裝備之一，其以安全、環(huán)保、倍率性能好等優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)，將發(fā)揮更大的作用。
2.1 鋅鐵液流電池應(yīng)用于網(wǎng)側(cè)
在輸電網(wǎng)內(nèi)接入儲(chǔ)能裝置，可增加輸電網(wǎng)的傳輸能力;在配電網(wǎng)中接入儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步提高配電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。
用作輸電網(wǎng)建設(shè)更新的備選措施(延緩國(guó)家電網(wǎng)的更新與增容)，需增加重要輸電管道、區(qū)段的輸入能力或進(jìn)一步提高國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的安全管理水平。
在國(guó)家電網(wǎng)中，負(fù)載的增加和電力的連接(尤其是大體積新型能源發(fā)電設(shè)備的連接)都必須增加輸變電設(shè)施，以改善電網(wǎng)的輸電能力。但是，在用地、環(huán)保等因素的影響下，隨著輸電線路越來(lái)越緊張，對(duì)輸變電裝置的投入越來(lái)越高，建設(shè)周期也變長(zhǎng)，該現(xiàn)狀現(xiàn)已無(wú)法適應(yīng)可再生能源發(fā)電迅速增加和負(fù)載逐漸擴(kuò)大的需要。
因此，大規(guī)模儲(chǔ)能裝置可以成為有效的工具，并被配置到輸電網(wǎng)中，以增強(qiáng)供電系統(tǒng)的輸出功能，從而減少對(duì)輸變電裝置的投入。儲(chǔ)能技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，與在輸電網(wǎng)中的實(shí)際使用情況相似，儲(chǔ)能技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用能夠降低或延緩對(duì)配電網(wǎng)的升級(jí)投資。
布置于配電網(wǎng)中的儲(chǔ)能設(shè)備在有關(guān)政策和技術(shù)法規(guī)許可的情況下，還有助于向主電網(wǎng)提供調(diào)頻、備用和補(bǔ)充業(yè)務(wù)。
此外，儲(chǔ)能技術(shù)的廣泛使用還有助于改善配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性及提升分布式供電技術(shù)的消納水平。關(guān)于鋅鐵液流電池應(yīng)用于網(wǎng)側(cè)的示范項(xiàng)目，目前已有百兆瓦級(jí)的設(shè)計(jì)規(guī)劃，還需等待實(shí)際項(xiàng)目落地，從而實(shí)現(xiàn)鋅鐵液流電池的大規(guī)模示范應(yīng)用。
2.2 鋅鐵液流電池應(yīng)用于發(fā)電側(cè)
在發(fā)電側(cè)，儲(chǔ)能技術(shù)可一定程度上解決棄風(fēng)、棄光問(wèn)題，同時(shí)還可跟蹤計(jì)劃出力，平滑輸出。解決棄風(fēng)、棄光。由于風(fēng)能發(fā)電和光伏發(fā)電的功率波動(dòng)性很大，尤其在中國(guó)某些較為偏遠(yuǎn)的地方，電網(wǎng)中往往會(huì)發(fā)生無(wú)法將風(fēng)能和光伏發(fā)電完全消納的狀況。使用儲(chǔ)能技術(shù)，可減少或防止棄風(fēng)、棄光問(wèn)題的出現(xiàn)。
在可再生能源發(fā)電側(cè)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，當(dāng)可再生能源出力能力不足或輸電線路堵塞時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以釋放或者存儲(chǔ)能量，從而緩解可再生能源出力不足或者輸電線路堵塞等問(wèn)題。跟蹤計(jì)劃出力，平滑輸出。
大型的可再生能源項(xiàng)目納入供電系統(tǒng)管理后，輸送能力存在隨機(jī)性、波動(dòng)性，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到干擾，所以需要對(duì)其發(fā)電能力進(jìn)行預(yù)估，以便供電企業(yè)合理安排發(fā)電時(shí)間、減輕供電系統(tǒng)調(diào)峰的負(fù)擔(dān)、減少供電系統(tǒng)儲(chǔ)備、增加供電系統(tǒng)對(duì)可再生能源的消納。
同時(shí)，在集中式可再生能源發(fā)電場(chǎng)所配備大規(guī)模的儲(chǔ)能設(shè)備，并對(duì)其輸出能力進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)儲(chǔ)能容量進(jìn)行調(diào)整，完成對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備和其出力情況的監(jiān)控，平滑調(diào)節(jié)其輸送能力，從而達(dá)到并網(wǎng)要求，進(jìn)一步增強(qiáng)可再生能源發(fā)電的友好性。
鋅鐵液流電池已應(yīng)用于江西“儲(chǔ)能+”智慧能源示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目包括1個(gè)200 kW/600 kW·h鋅鐵液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用的是集裝箱分體式設(shè)計(jì)，分為上下兩層集裝箱。
下層集裝箱為能量系統(tǒng)，設(shè)置兩組陰極和陽(yáng)極電解液存儲(chǔ)罐，用于存放陰極和陽(yáng)極電解液。
上層集裝箱為功率系統(tǒng)，設(shè)置堆棧系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等。該系統(tǒng)的接入，可解決部分棄風(fēng)、棄光問(wèn)題，同時(shí)可跟蹤電力系統(tǒng)計(jì)劃出力，平衡電力輸出波動(dòng)，從而增強(qiáng)可再生能源發(fā)電的友好性。
2.3 鋅鐵液流電池應(yīng)用于用戶側(cè)
在應(yīng)用上，儲(chǔ)能技術(shù)可廣泛應(yīng)用在改善電能效率與安全性、實(shí)現(xiàn)分布式資源就地消納等方面。
一是提高系統(tǒng)的電能效率和安全性。
由于供電系統(tǒng)的電能網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，因此系統(tǒng)所獲取的電能質(zhì)量(電壓、電流和頻率等)存在著一定的波動(dòng)性。較為簡(jiǎn)潔而有效的設(shè)備側(cè)的儲(chǔ)能設(shè)備組合形式，可為用戶提供最優(yōu)質(zhì)的電力。當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)載暫降等異常時(shí)，該設(shè)備組合可提高電力效率，緩解其問(wèn)題;當(dāng)電源網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，該設(shè)備組合可保證重要供電設(shè)備不間斷供電，進(jìn)而改善供電系統(tǒng)的安全性與電力效率。
二是實(shí)現(xiàn)分布式再生能源就地消納。
針對(duì)企業(yè)客戶，在配置了可再生能源開(kāi)發(fā)設(shè)施的工廠及項(xiàng)目中建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠平抑可再生能源開(kāi)發(fā)出現(xiàn)的震蕩性，改善能源品質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)峰谷電價(jià)差套利。針對(duì)使用光伏發(fā)電的用戶，應(yīng)充分考慮到光伏電網(wǎng)需要在白天運(yùn)行，而居民用電通常在夜間負(fù)荷較大的現(xiàn)狀，選擇家用儲(chǔ)能，以更為有效地使用光伏發(fā)電，甚至做到電力自給。而且，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障后，家用儲(chǔ)能也得以持續(xù)運(yùn)行，從而減少電網(wǎng)的停電損失，并增加電源穩(wěn)定性。
鋅鐵液流電池已應(yīng)用于江蘇用戶側(cè)示范項(xiàng)目，項(xiàng)目包括1套200 kW/600kW·h集裝箱式鋅鐵液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)同樣采用的是分體式設(shè)計(jì)，分為上下兩層。
下層集裝箱為能量系統(tǒng)，上層集裝箱為功率系統(tǒng)，設(shè)置堆棧系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等。堆棧系統(tǒng)是電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所。電氣控制系統(tǒng)包括高壓配電箱、系統(tǒng)控制箱、堆棧控制箱、儲(chǔ)能系統(tǒng)接地故障箱，以及各類傳感器等。電氣控制系統(tǒng)為輔助供電系統(tǒng)正常運(yùn)行進(jìn)行供電，并對(duì)電池運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)和控制。流量控制系統(tǒng)包括液下泵、過(guò)濾器、管道等，為堆棧系統(tǒng)提供穩(wěn)定、均衡的電解液。該儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入提高了用戶側(cè)系統(tǒng)的用電效率和安全性，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源的就地消納。
3.鋅鐵液流電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用的展望
鋅鐵液流電池應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)明顯，主要表現(xiàn)為以下3點(diǎn)。
1)鋅鐵液流電池成本下降空間大。由于液流電池所用材料成本極低，且安全無(wú)污染，所以大規(guī)模應(yīng)用會(huì)有很好的商業(yè)化前景。
2)鋅鐵液流電池倍率性能好。如前所述，可篩選鋅鐵液流電池電極材料，優(yōu)選具備較高導(dǎo)電性、較強(qiáng)導(dǎo)熱性及較好耐腐蝕性的材料，從而使系統(tǒng)可以在較高電流密度下長(zhǎng)期運(yùn)行。該液流電池可以很好地用于多種儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域，如電網(wǎng)調(diào)峰、負(fù)荷追蹤等。
3)鋅鐵液流電池易于檢修維護(hù)。該液流電池使用的電極材料有多種選擇，使得后期運(yùn)維過(guò)程變得較為容易，給大規(guī)模運(yùn)行帶來(lái)了可能。
4.結(jié)語(yǔ)
鋅鐵液流電池作為能夠大規(guī)模應(yīng)用的儲(chǔ)能電池，以其低廉的價(jià)格、優(yōu)異的系統(tǒng)性能及材料來(lái)源廣泛等優(yōu)勢(shì)，有望大規(guī)模商業(yè)化，其將會(huì)受到越來(lái)越多的關(guān)注。相信在不久的將來(lái)，鋅鐵液流電池一定可以大規(guī)模應(yīng)用于儲(chǔ)能的各個(gè)領(lǐng)域，大大提高能源的使用效率。
(本文作者：中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司：王少鵬，涂春雷，謝光輝，毛知新，宋曉波，萬(wàn)鑫，盧偉)
