中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：作為解決可再生能源大規(guī)模接入、傳統(tǒng)電力系統(tǒng)削峰填谷、分布式區(qū)域能源系統(tǒng)負(fù)荷平衡的關(guān)鍵支撐技術(shù)，大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)已成為世界未來能源技術(shù)創(chuàng)新的制高點(diǎn)。由于產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)規(guī)模大，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)已成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，得到了工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)業(yè)界的重點(diǎn)關(guān)注。
2016年4月1日國(guó)家能源局頒布的《2016年能源工作指導(dǎo)意見》中明確提出“加快全釩液流電池”等領(lǐng)域技術(shù)定型。這些無疑為全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的研究開發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用的提供了重大機(jī)遇。
技術(shù)特點(diǎn)
對(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)而言，由于系統(tǒng)功率和容量大，有其自身的技術(shù)要求，主要包括以下三個(gè)方面：安全性好;生命周期的性價(jià)比高(生命周期的經(jīng)濟(jì)性好);生命周期的環(huán)境負(fù)荷小(生命周期的環(huán)境友好)。全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)能很好地滿足上述要求。
對(duì)規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)而言，由于系統(tǒng)功率和容量大，發(fā)生安全事故造成的危害和損失大，因此規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的首要要求是安全可靠性。
全釩液流電池是通過釩離子的價(jià)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能到電能的往復(fù)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)與釋放的一種儲(chǔ)能技術(shù)。與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
安全性好：全釩液流電池的儲(chǔ)能活性物質(zhì)為釩離子的水溶液，常溫常壓運(yùn)行，不會(huì)發(fā)生燃燒。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，即使離子傳導(dǎo)膜發(fā)生破裂，正負(fù)極活性物質(zhì)發(fā)生互混，也不會(huì)發(fā)生爆炸和燃燒。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電解液在電堆和電解液儲(chǔ)罐之間循環(huán)流動(dòng)，電堆產(chǎn)生的熱量可以有效排出，熱管理簡(jiǎn)單。全釩液流電池體系的技術(shù)特性使得單體電池間一致性好，消除了像鋰離子電池那樣因?yàn)橐恢滦圆疃鴮?dǎo)致的系統(tǒng)安全性問題。
循環(huán)壽命長(zhǎng)：全釩液流儲(chǔ)能電池的充放電循環(huán)壽命可達(dá)13000次以上，日歷壽命超過15年。由于全釩液流儲(chǔ)能電池的活性物質(zhì)——釩離子存在于液態(tài)的電解液中，在電池反應(yīng)過程中，釩離子僅發(fā)生價(jià)態(tài)變化，而無相變，且電極材料本身不參與反應(yīng)，因此電池壽命較長(zhǎng)。日本住友電工制造的25kW的全釩液流電池模塊在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行，充放電循環(huán)次數(shù)超過16000次。與風(fēng)電場(chǎng)配合使用的4MW/6MWh電池系統(tǒng)，在3年的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)充放電循環(huán)27萬次。在1MW/5MWh全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電解液的成本約占整個(gè)成本的45%，由于電解液可循環(huán)使用，所以生命周期的性價(jià)比高。
充放電特性良好：全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速、深度充放電而不會(huì)影響電池的使用壽命的特點(diǎn)，且各單節(jié)電池均一性良好。另外，釩離子的電化學(xué)可逆性高，電化學(xué)極化也小，因而非常適合大電流快速充放電。與傳統(tǒng)電池相比，全釩液流電池更加適應(yīng)在過充、欠充、局部SOC區(qū)間等電網(wǎng)實(shí)際工況條件下運(yùn)行的要求。
功率和容量獨(dú)立設(shè)計(jì)：全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢(shì)之一是功率和容量相互獨(dú)立。全釩液流電池的功率由電堆的規(guī)格和數(shù)量決定，容量由電解液的濃度和體積決定。因此，功率的擴(kuò)容可通過增大電堆功率和增加電堆數(shù)量實(shí)現(xiàn)，容量的提高可以通過增加電解液體積實(shí)現(xiàn)。功率和容量相互獨(dú)立，使得設(shè)計(jì)更加靈活。輸出功率范圍：kW～數(shù)百M(fèi)W，儲(chǔ)電容量范圍：10kWh~數(shù)百M(fèi)Wh。
環(huán)境友好：全釩液流電池電解質(zhì)溶液可循環(huán)使用和再生利用。電堆的關(guān)鍵材料中，電極材料為碳?xì)?，雙極板為碳板，集流板為紫銅板，端板為鋁合金板或鑄鐵版，電解液傳輸管道為工程塑料管，材料來源豐富，加工技術(shù)成熟，易于回收利用，生命周期中環(huán)境友好。
可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)控電池系統(tǒng)荷電狀態(tài)(SOC)：全釩液流電池開路電壓(OCV)高低表征儲(chǔ)能電池系統(tǒng)容量狀況。通過電化學(xué)滴定方法測(cè)定正負(fù)極電解液濃度可以準(zhǔn)確計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量狀況(SOC)，并與OCV進(jìn)行對(duì)應(yīng)，獲取儲(chǔ)能電池系統(tǒng)SOC與OCV的函數(shù)關(guān)系曲線。將函數(shù)關(guān)系曲線耦合到電池管理系統(tǒng)中，可以通過測(cè)量系統(tǒng)開路電壓對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量狀況進(jìn)行精確測(cè)算。該特性有利于電網(wǎng)進(jìn)行管理和調(diào)度。
由于受釩離子溶解度的限制，和其他電池相比，全釩液流電池儲(chǔ)能密度偏低、體積較大，不適合于動(dòng)力電池，適合用于大型固定儲(chǔ)能電站。另外，電池系統(tǒng)增加的管道、泵、閥、換熱器等輔助部件，使得全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)較為復(fù)雜。
總體看，在輸出功率為數(shù)百千瓦至數(shù)百兆瓦，儲(chǔ)能容量在3小時(shí)以上級(jí)的大規(guī)模化固定儲(chǔ)能場(chǎng)合，全液流電池儲(chǔ)能技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是大規(guī)模高效儲(chǔ)能技術(shù)的首選技術(shù)之一。
技術(shù)進(jìn)展
從2000年開始，中科院大連化學(xué)物理研究所(下稱：大連化物所)和大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司(下稱：融科儲(chǔ)能)通過產(chǎn)學(xué)研合作，在電池材料、部件、系統(tǒng)集成及工程應(yīng)用方面關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破，引領(lǐng)中國(guó)全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)走在世界前列。
1.掌握了電池關(guān)鍵材料核心技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力，產(chǎn)品性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯
在釩電解液開發(fā)方面，研發(fā)團(tuán)隊(duì)以自主生產(chǎn)的高純釩氧化物為原料，運(yùn)用專利技術(shù)工藝，實(shí)現(xiàn)了硫酸體系釩電解液產(chǎn)品、混合酸體系釩電解液產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)。目前產(chǎn)能達(dá)5萬立方米/年，能夠滿足本項(xiàng)目及國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求，已經(jīng)出口歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家，占據(jù)同類產(chǎn)品80%的市場(chǎng)份額。
在雙極板開發(fā)方面，研發(fā)團(tuán)隊(duì)突破了液流電池用高性能、低成本碳塑復(fù)合雙極板批量化制備技術(shù)，并研制出連續(xù)成型生產(chǎn)設(shè)備，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目中。
在離子傳導(dǎo)膜開發(fā)方面，突破傳統(tǒng)的“離子交換傳遞”機(jī)理的束縛，原創(chuàng)性提出了不含離子交換基團(tuán)的“離子篩分傳導(dǎo)”概念，發(fā)明了高選擇性、高導(dǎo)電性、低成本的非氟多孔離子傳導(dǎo)膜，從分子尺度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)釩離子和氫離子的篩分，擺脫了對(duì)離子交換基團(tuán)的依賴，提高了非氟膜的穩(wěn)定性和耐久性。經(jīng)10,000多次充放電循環(huán)考核，電池性能無明顯衰減，電池性能優(yōu)于全氟磺酸離子交換膜，價(jià)格不到全氟磺酸離子交換膜的20%，并實(shí)現(xiàn)中試生產(chǎn)和示范應(yīng)用。
2.掌握了全釩液流電池電堆設(shè)計(jì)、制造及批量化生產(chǎn)技術(shù)
電堆是全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件，它的性能和成本直接影響電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能和成本。大連化物所和融科儲(chǔ)能研究團(tuán)隊(duì)突破了電堆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與集成技術(shù)，在2009年成功開發(fā)的22kW級(jí)液流電池單體電堆基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步優(yōu)化創(chuàng)新。2013年，成功將電堆的額定工作電流密度由原來的80mA/cm2提高到120mA/cm2而保持能量效率80%，開發(fā)出具有國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平的31.5kW單體電堆，大幅度降低了電堆的材料成本。
3.突破兆瓦以上級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用
MW以上級(jí)液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常由上百個(gè)甚至數(shù)百個(gè)電堆構(gòu)成，儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成和控制技術(shù)直接影響到運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了模塊化設(shè)計(jì)理念，開發(fā)出可獨(dú)立控制運(yùn)行的液流電池單元儲(chǔ)能模塊和系統(tǒng)集成技術(shù)、智能控制管理技術(shù)及多系統(tǒng)耦合與控制技術(shù)。圖2為研究團(tuán)隊(duì)研制出高集成度的125kW和250kW集裝箱結(jié)構(gòu)的全釩液流電池單元儲(chǔ)能模塊，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性好，在運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝、靈活設(shè)計(jì)和環(huán)境適用性等方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的儲(chǔ)能模塊可以構(gòu)建兆瓦級(jí)大規(guī)模的電池系統(tǒng)。
4.引領(lǐng)行業(yè)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際(IEC)
液流電池標(biāo)準(zhǔn)的制定
研發(fā)團(tuán)隊(duì)帶頭人師張華民研究員推動(dòng)成立了“國(guó)家能源行業(yè)液流電池標(biāo)委會(huì)”，并任主任委員，牽頭制定的多項(xiàng)液流電池國(guó)家和能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。大連化物所和融科儲(chǔ)能公司受歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(CEN)和歐洲電化學(xué)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(CENELEC)邀請(qǐng)，作為歐洲液流電池協(xié)議的發(fā)起者之一，全面參與歐洲液流電池行業(yè)協(xié)議的制定。
另外，在張華民研究員的積極推動(dòng)下，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)IEC已提出把液流電池標(biāo)準(zhǔn)制定納入工作范圍，并成立了專門的“液流電池國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研究組”。公司副總經(jīng)理、總工程師張華民研究員是其中3名委員之一和召集人，他將液流電池的標(biāo)準(zhǔn)工作正式納入國(guó)際電工委員會(huì)工作范疇，并主持《IEC62932-2-1固定式液流電池通用要求和測(cè)試方法》國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
工程項(xiàng)目情況
在國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的大背景下，大連化物所和融科儲(chǔ)能公司針對(duì)目前存在的問題和需求，分別在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域、分布式發(fā)電及智能微網(wǎng)、無市電地區(qū)供電等領(lǐng)域開展一系列全釩液流電池工程項(xiàng)目，積累了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。典型項(xiàng)目情況如下。
1.可再生能源發(fā)電領(lǐng)域
研發(fā)團(tuán)隊(duì)于2012年在遼寧省龍?jiān)磁P牛石風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)了“5MW/10MWh全釩液流電池儲(chǔ)能應(yīng)用示范電站”。該電站于2012年成功通過遼寧電網(wǎng)和業(yè)主的驗(yàn)收，各項(xiàng)指標(biāo)全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。儲(chǔ)能電站直接接受遼寧省電力公司調(diào)度中心調(diào)度，已穩(wěn)定運(yùn)行三年多。這是目前世界上第一套實(shí)際并網(wǎng)運(yùn)行的5MW級(jí)大型工業(yè)該儲(chǔ)能電站，標(biāo)志融科儲(chǔ)能在該領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)、成套產(chǎn)品生產(chǎn)等方面處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，國(guó)際先進(jìn)水平。
在能量管理系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度下，5MW/10MWh全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：平滑風(fēng)電輸出;提高風(fēng)電場(chǎng)跟蹤計(jì)劃發(fā)電能力;風(fēng)場(chǎng)棄風(fēng)限出力情況下儲(chǔ)電，增加風(fēng)場(chǎng)收益;暫態(tài)有功出力緊急響應(yīng)、暫態(tài)電壓緊急支撐功能;接受電網(wǎng)調(diào)度，參與電網(wǎng)調(diào)頻電網(wǎng)調(diào)峰。
在5MW/10MWh全釩液流電池儲(chǔ)能電站成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上，研發(fā)團(tuán)隊(duì)又先后實(shí)施了遼寧黑山龍灣風(fēng)電場(chǎng)3MW/6MWh全釩液流電池儲(chǔ)能電站項(xiàng)目、國(guó)電和風(fēng)北鎮(zhèn)風(fēng)電場(chǎng)2MW/4MWh全釩液流電池儲(chǔ)能電站項(xiàng)目。同5MW/10MWh全釩液流電池儲(chǔ)能電站相比，電站功能更加豐富，實(shí)現(xiàn)了孤島運(yùn)行、節(jié)能降耗和黑啟動(dòng)功能，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行更加智能化，具備網(wǎng)源友好性特點(diǎn)，更加有利于電網(wǎng)與風(fēng)電場(chǎng)相互協(xié)調(diào)及管理調(diào)度，有利于電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的提高。
2.分布式發(fā)電和智能微網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用
研發(fā)團(tuán)隊(duì)于2014年6月成功實(shí)施了遼寧電科院風(fēng)/光/全釩液流電池儲(chǔ)能的智能微網(wǎng)項(xiàng)目。全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)配置為100kW/400kWh，采用集裝箱方式室外安裝。該系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行接近一年。2014年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)為中廣核青海光/儲(chǔ)智能微網(wǎng)工程提供了125kW/1MWh全釩液流電池系統(tǒng)，與光伏發(fā)電結(jié)合，為青海共和縣無市電地區(qū)提供電力供應(yīng)。作為智能微網(wǎng)中不可缺少的一部分，全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效對(duì)微網(wǎng)內(nèi)風(fēng)能和太陽能發(fā)電輸出特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，保障了微網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。針對(duì)分布式發(fā)電和智能微網(wǎng)領(lǐng)域，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還為金風(fēng)科技集團(tuán)北京亦莊風(fēng)/光/儲(chǔ)智能微網(wǎng)工程提供了200kW/800kWh全釩液流電池系統(tǒng)。
3.無市電地區(qū)供電領(lǐng)域應(yīng)用
研發(fā)團(tuán)隊(duì)在大連蛇島自然保護(hù)區(qū)實(shí)施了光/柴/儲(chǔ)離網(wǎng)供電工程。該離網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行至今已經(jīng)三年有余，運(yùn)行穩(wěn)定，用戶對(duì)整套離網(wǎng)供電系統(tǒng)運(yùn)行效果非常滿意。
在該離網(wǎng)系統(tǒng)投運(yùn)之前，蛇島上的用電主要靠柴油發(fā)電機(jī)提供，考慮成本因素一天只使用幾個(gè)小時(shí)的電，島上人員辦公和生活條件非常艱苦與不便。在離網(wǎng)系統(tǒng)投入運(yùn)行之后，不僅保證了蛇島辦公及生活設(shè)施的二十四小時(shí)連續(xù)供電，島上維護(hù)人員的生產(chǎn)及生活條件得到較大程度改善，而且基本消除了柴油發(fā)電機(jī)的使用，降低了柴油的消耗，保護(hù)了環(huán)境，同時(shí)也降低了噪音污染，有利于蛇島自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)保護(hù)。
另外，隨著國(guó)際儲(chǔ)能市場(chǎng)商業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，研發(fā)團(tuán)隊(duì)也大力拓展國(guó)際市場(chǎng)。2014年，與德國(guó)博世集團(tuán)(BOSCH)合作，在德國(guó)北部風(fēng)場(chǎng)建造了250kW/1MWh全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)是目前歐洲最大規(guī)模的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，已通過驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。
從1986年提出全釩液流電池概念至今，全釩液流電池在關(guān)鍵材料、電堆、電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成都上取得了重大進(jìn)展，大量的應(yīng)用示范不僅驗(yàn)證了技術(shù)的有效性和成熟性，也越來越多的得到了市場(chǎng)認(rèn)可，產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，整體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)化初期階段。隨著大規(guī)?？稍偕茉磻?yīng)用為全釩液流電池提供了廣闊的市場(chǎng)空間，隨著電力體制改革的深入和激勵(lì)政策的出臺(tái)，全釩液流電池將迎來第一輪市場(chǎng)爆發(fā)期。
作者單位：
張華民 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
王曉麗 大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司
原標(biāo)題:全釩液流電池儲(chǔ)能進(jìn)展與應(yīng)用
