中國儲能網(wǎng)訊：儲能——新能源的“孿生兄弟”
能源，是與國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和國家安全緊密相關(guān)的重大話題。當(dāng)前，擺在我們面前的現(xiàn)實矛盾是一直依賴的化石能源日益枯竭，且傳統(tǒng)能源利用方式引起的環(huán)境惡化日趨嚴(yán)重。一個典型的例子是近年來霧霾天氣在我國出現(xiàn)得日益頻繁，已經(jīng)嚴(yán)重影響了國民健康，這也使得人們對清潔能源的需求更為迫切。因此，節(jié)約化石能源、提高化石能源利用效率、實現(xiàn)節(jié)能減排以及研究開發(fā)和大規(guī)?？稍偕茉?，實現(xiàn)能源多樣化成為世界各國能源發(fā)展戰(zhàn)略的共識。
在哥本哈根世界氣候大會上，美國作為發(fā)達國家的代表承諾2020年溫室氣體比2005年減排17%，我國作為發(fā)展中國家的代表承諾2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值碳減排40%~45%。新能源和節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)已被定為我國的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。
在相關(guān)政策的大力推動下，我國新能源產(chǎn)業(yè)有了較快發(fā)展。尤其是風(fēng)能、太陽能發(fā)電裝機容量大幅增加。據(jù)統(tǒng)計，2013年，我國新增風(fēng)電裝機容量16088.7兆瓦，同比增長24.1%，截至2013年末，累計裝機容量91412.89兆瓦，同比增長21.4%。新增裝機和累計裝機兩項數(shù)據(jù)均居世界第一。據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2013年末，累計并網(wǎng)太陽能裝機容量14790兆瓦。僅2013年，我國太陽能新增并網(wǎng)裝機容量11300兆瓦，年度新增裝機容量為全球第一。
但是，可再生能源的快速發(fā)展給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來一定挑戰(zhàn)。風(fēng)能、太陽能發(fā)電輸出具有隨機性、間歇性的非穩(wěn)態(tài)特性，對于電網(wǎng)側(cè)來說，不像火力發(fā)電廠那樣能夠按照發(fā)電計劃輸出功率，滿足電網(wǎng)負荷與發(fā)電平衡的調(diào)度需求。因此，大規(guī)?？稍偕茉醇胁⒕W(wǎng)對電網(wǎng)調(diào)峰和運行穩(wěn)定性產(chǎn)生較大沖擊，造成部分已建成的新能源設(shè)施不能如期并網(wǎng)運行，不僅給設(shè)施投資建設(shè)企業(yè)造成巨大損失，而且造成大量的“棄風(fēng)”和“棄光”，嚴(yán)重影響新能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。風(fēng)能、太陽能等可再生能源的并網(wǎng)消納已經(jīng)成為發(fā)展的瓶頸問題。
儲能技術(shù)是電力系統(tǒng)發(fā)展歷程中一直渴望的技術(shù)，它可將間歇的、不穩(wěn)定、不可控的可再生能源變成穩(wěn)定、可控，高電能質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)能源，真正實現(xiàn)清潔能源、穩(wěn)定電力的美好愿景。
為此，儲能技術(shù)也和新能源、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一起并稱為第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)，是能源互聯(lián)網(wǎng)時代的電能存儲器。當(dāng)前，美國、日本等發(fā)達國家都在集國家之力，從資金、政策等方面為大型工業(yè)儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造條件，力爭在第三次能源變革中占據(jù)先機。2012年，美國能源部制定了詳細的儲能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。美國加州儲能法案規(guī)劃2020年儲能裝機容量將達到最大電力負荷的5%，并制定了諸如儲能電價、稅收減免等激勵政策，推動儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。日本政府在2013年度啟動首批能源特別追加預(yù)算，投入286億日元（約3.6億美元），實施大規(guī)模儲能技術(shù)在間歇式電源接入、電網(wǎng)調(diào)峰、分布式供電領(lǐng)域用應(yīng)用示范驗證。據(jù)國際權(quán)威資訊機構(gòu)麥肯錫預(yù)測，2025年儲能技術(shù)對全球經(jīng)濟價值貢獻將超過1萬億美元，市場前景廣闊。
液流電池——儲能大家族中的中堅力量
在儲能大家族中，按照技術(shù)類型劃分，主要包括物理儲能和化學(xué)儲能。各種儲能技術(shù)具有不同的技術(shù)特點和應(yīng)用領(lǐng)域。物理儲能主要包括抽水儲能、壓縮空氣儲能。這兩種儲能技術(shù)具有規(guī)模大、壽命長、安全可靠、運行費用低的優(yōu)點，建設(shè)規(guī)模一般在百兆瓦級以上，儲能時長從幾小時到幾天。其中抽水儲能是目前在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的儲能方式，全球總裝機容量達127吉瓦，占儲能總裝機容量的99%。但兩種儲能方式都需要特殊的地理條件和配套設(shè)施，建設(shè)的局限性較大?；瘜W(xué)儲能相比于物理儲能具備系統(tǒng)簡單、安裝便捷以及運行方式靈活等優(yōu)點，建設(shè)規(guī)模一般在千瓦～百兆瓦級別，液流電池、鋰電池、鈉硫電池、鉛炭電池是目前電力系統(tǒng)用儲能的主流技術(shù)。
液流電池是由美國科學(xué)家thallerl.h.（nasalewisresearchcenter）于1974年提出的一種電化學(xué)儲能技術(shù)。液流電池是通過活性物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。充電時，正極發(fā)生氧化反應(yīng)，活性物質(zhì)價態(tài)升高；負極發(fā)生還原反應(yīng)，活性物質(zhì)價態(tài)降低。放電時則正好相反，正極發(fā)生還原反應(yīng)，活性物質(zhì)價態(tài)降低；負極發(fā)生氧化反應(yīng)，活性物質(zhì)價態(tài)升高。與傳統(tǒng)二次電池直接采用活性物質(zhì)做電極不同，液流儲能電池的電極均為惰性電極，只為電極反應(yīng)提供反應(yīng)場所，活性物質(zhì)通常以離子狀態(tài)存儲于電解液中。正極和負極電解液分別裝在兩個儲罐中，通過送液泵實現(xiàn)電解液在管路系統(tǒng)中的循環(huán)。運行過程中，全液態(tài)液流電池氧化還原反應(yīng)表現(xiàn)為離子價態(tài)的變化，沉積型液流電池表現(xiàn)為金屬的沉積與溶出。
從外觀看，液流電池儲能系統(tǒng)包括如下幾部分：電堆單元，由正負電極和離子傳導(dǎo)膜疊合而成單電池的集合體；電解液單元，包括含有活性物質(zhì)的電解液，及用于電解液盛裝和循環(huán)的儲罐、管路、閥、泵、傳感器等輔助部件；控制系統(tǒng)，包括用于管理整個系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)、功率變化單元等。就像汽車的發(fā)動機燃燒汽油發(fā)電，液流電池可通過在電堆里轉(zhuǎn)化電解液發(fā)電。不同的是，電解液不會被消耗掉，能夠進行往復(fù)充放電。
根據(jù)發(fā)生反應(yīng)的電對不同，液流電池可以分為：全釩液流電池、鋅溴液流電池、多硫化鈉/溴液流電池、鋅/鎳液流電池、鐵/鉻液流電池、釩/多鹵化物液流電池、鋅/鈰液流電池、半液流電池。雖然各自的電化學(xué)體系不同，但都具備以下特點。
1.功率和容量相互獨立，輸出功率由電池模塊的大小和數(shù)量決定，儲能容量由電解液的濃度和體積決定，故可實現(xiàn)功率與容量的獨立設(shè)計；
2.能量轉(zhuǎn)化效率高，啟動速度快；
3.具有很強的過載能力和深度放電能力；
4.部件多為廉價的碳材料、工程塑料，材料來源豐富，易于回收。
不同的液流電池又各具特點。其中，全釩液流電池正負極活性物質(zhì)都是釩離子，只是價態(tài)不同，具有更安全、壽命更長、效率更高的優(yōu)勢，是目前應(yīng)用最廣，最具產(chǎn)業(yè)化前景的液流電池，已經(jīng)成為液流電池家族中的掌門人，具有高安全性、長壽命、高可靠性、綠色環(huán)保等優(yōu)點，吸引了政府和電力行業(yè)的高度關(guān)注。
在實踐考驗中成長起來的液流電池
液流電池發(fā)展至今，實施的各類項目有百余項，累計裝機容量約達40兆瓦。應(yīng)用領(lǐng)域遍布電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用各個環(huán)節(jié)。液流電池的發(fā)展歷經(jīng)了從實驗室到企業(yè)、從樣機到標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品、從示范應(yīng)用到商用推廣、規(guī)模從小到大、功能從單一到綜合，目前已經(jīng)處于產(chǎn)業(yè)化的初期階段。
以目前應(yīng)用較多的全釩液流電池為例，在其發(fā)展初期，多以數(shù)千瓦到數(shù)十千瓦規(guī)格的電池系統(tǒng)開發(fā)為主，主要面向于以風(fēng)—光—儲或光—儲方式，為離網(wǎng)或弱電網(wǎng)地區(qū)的通訊基站、邊遠地區(qū)、邊防海島供電。前加拿大vrb公司、大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司（以下簡稱融科儲能）、奧地利的gildermester公司都推出了典型產(chǎn)品。
隨著智能微網(wǎng)和大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電技術(shù)發(fā)展，百千瓦級到兆瓦級的電池系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)得到快速發(fā)展。日本住友電工公司（sei）作為液流電池行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，自上個世紀(jì)80年代就開始進行全釩液流電池技術(shù)的研究，并且將液流電池作為其整個集團在能源領(lǐng)域的經(jīng)濟增長點。在2005年建立了4兆瓦/6兆瓦時全釩液流電池儲能系統(tǒng)，這是國際上首套兆瓦級全釩液流電池儲能系統(tǒng)示范工程，與30.6兆瓦風(fēng)力發(fā)電站匹配，用于風(fēng)電平滑輸出并網(wǎng)和調(diào)幅調(diào)頻的示范驗證實驗。該系統(tǒng)運行了3年時間，最為頻繁的電堆的充放電循環(huán)達到27萬次。該項目充分驗證了全釩液流電池優(yōu)異的耐久性，并證明了全釩液流電池是適合風(fēng)力發(fā)電的儲能設(shè)備。2012年，sei應(yīng)用其新一代技術(shù)，以城市智能微電網(wǎng)為目標(biāo)市場，在橫濱建造了一座由200千瓦聚光型太陽能發(fā)電設(shè)備（cpv）和一套1兆瓦/5兆瓦時全釩液流電池儲能系統(tǒng)構(gòu)成的并與外部商業(yè)電網(wǎng)連接的電站?？梢詫崿F(xiàn)：調(diào)節(jié)電網(wǎng)對工廠供電量；提高受天氣影響的cpv的供電穩(wěn)定性，實現(xiàn)太陽能發(fā)電的有計劃使用；對于橫濱制作所內(nèi)的削峰填谷運作以及事先制定用電計劃，隨著電力負載的變化對放電量進行調(diào)整。
我國從上世紀(jì)80年代末期開始全釩液流電池的基礎(chǔ)研究工作。2000年開始，在以中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所為代表的研究單位的共同努力下，我國全釩液流電池儲能技術(shù)進入快速發(fā)展時期。在市場的驅(qū)動力作用下，成長出一批以科研院所技術(shù)為基礎(chǔ)，以全釩液流電池產(chǎn)品化和市場化為目標(biāo)的新興企業(yè)，如最具代表性的融科儲能。
融科儲能與大連化物所堅持緊密的產(chǎn)學(xué)研合作模式，2012年，設(shè)計集成出當(dāng)前全球最大規(guī)模的5兆瓦/10兆瓦時全釩液流電池系統(tǒng)，并在龍源電力股份有限公司位于遼寧省沈陽市法庫縣臥牛石風(fēng)電場（50兆瓦）實施商業(yè)應(yīng)用。該系統(tǒng)已穩(wěn)定運行一年半時間，運行效果得到電網(wǎng)公司、新能源運營商以及國內(nèi)外同行的高度認可，標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)、成套產(chǎn)品生產(chǎn)等方面處于世界前列。同時，示范工程的建設(shè)和應(yīng)用證明了兆瓦級全釩液流電池儲能系統(tǒng)技術(shù)的成熟，開啟了大規(guī)模全釩液流電池儲能商業(yè)應(yīng)用的新篇章。
此后，融科儲能相繼又實施了位于錦州的風(fēng)電并網(wǎng)用3兆瓦/6兆瓦時儲能項目和國電和風(fēng)2兆瓦/4兆瓦時儲能項目，這些項目不僅能實現(xiàn)風(fēng)電的穩(wěn)定輸出和調(diào)度的可控性，而且豐富了儲能的多種有益價值，包括節(jié)能降耗、黑啟動、孤島運行、諧波處理等，為用戶帶來更多收益，是探索儲能商業(yè)模式的重要案例。
在項目的成功案例和各國政策導(dǎo)向下，未來的幾年內(nèi)，將有一定數(shù)量的液流電池項目進入電力市場。美國unienergytechnologies（uet）公司得到了美國能源部（doe）的大力支持，在華盛頓清潔基金的支持下，建立3兆瓦項目用于電網(wǎng)側(cè)變電站，延緩變電站擴容帶來的建設(shè)投資，并且提高電網(wǎng)的利用效率。日本sei公司與北海道電力公司合作，在日本政府的支持下，將在2015年建成15兆瓦/60兆瓦時全釩液流電池電站，用于解決北海道局部區(qū)域大規(guī)模太陽能電站并網(wǎng)帶來的調(diào)峰和電能質(zhì)量壓力。另外，奧地利gildmeister公司、英國redt公司、印度deya公司等也將在近期推出多個全釩液流電池項目。
另外，液流電池的另一個成員——鋅/溴液流電池，在zbb、primuspower、premiumpower、redflow和安徽美能、百能匯通等企業(yè)的努力下，在技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用上也取得實質(zhì)性進展。
主導(dǎo)國際標(biāo)準(zhǔn)贏得市場先機
所謂產(chǎn)業(yè)發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)先行，中科院大連化學(xué)物理研究所研究員張華民充分認識到標(biāo)準(zhǔn)的重要性，在引領(lǐng)國內(nèi)外液流電池技術(shù)發(fā)展的同時，也積極推進國內(nèi)外液流電池技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。早在2009年初，張華民與電器工業(yè)協(xié)會聯(lián)合，開始籌備液流電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會。到2012年，國家能源局正式批準(zhǔn)成立能源行業(yè)液流電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（編號nea/tc23），現(xiàn)已制定了全釩液流電池術(shù)語、關(guān)鍵材料測試方法及電池系統(tǒng)通用技術(shù)條件等4項國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并發(fā)布實施，為我國液流電池研發(fā)單位及生產(chǎn)廠商提供了統(tǒng)一的檢測評價標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范液流電池市場。2013年初，經(jīng)多次努力，推動國際電工委員會（iec）成立了液流電池工作組，并提議啟動液流電池術(shù)語、通用技術(shù)條件和安全三項行業(yè)急需的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的制定。
2014年4月，iec討論決定由張華民作為負責(zé)人代表中國牽頭制定iec62932-2-1flowbatterysystemsforstationaryapplications-part2-1:performancegeneralrequirements&methodsoftest（《固定式領(lǐng)域用液流電池第2-1部分：性能一般要求及試驗方法》）。該標(biāo)準(zhǔn)編制過程中，多次與行業(yè)內(nèi)企業(yè)、用戶、科研院所研究和討論，充分采用了我國液流電池技術(shù)先進的研究成果，結(jié)合了我國液流電池技術(shù)試驗研究數(shù)據(jù)和應(yīng)用經(jīng)驗。同時，充分融合了我國已經(jīng)發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《nb/t42040-2014全釩液流電池通用技術(shù)條件》內(nèi)容。一方面保證了國際標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的一致性，減少未來國際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化過程的技術(shù)差異；另一方面，通過引導(dǎo)國際標(biāo)準(zhǔn)方向，降低未來的國際貿(mào)易壁壘風(fēng)險，為我國參與國際儲能競爭贏得先機。該國際標(biāo)準(zhǔn)是國際首項囊括液流電池技術(shù)和質(zhì)量指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，是目前液流電池商業(yè)化交易過程中唯一的參考標(biāo)準(zhǔn)，填補了國際液流電池標(biāo)準(zhǔn)的空白，是開拓液流電池國際標(biāo)準(zhǔn)化工作的重要里程碑。該標(biāo)準(zhǔn)的成功實施對促進國內(nèi)外液流電池的產(chǎn)業(yè)化進程，推動新能源、節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)揮重要作用。
隨著經(jīng)濟全球化的不斷深入，標(biāo)準(zhǔn)競爭已成為繼產(chǎn)品競爭、品牌競爭之后市場競爭的重要形式，標(biāo)準(zhǔn)化已成為促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展、推動對外貿(mào)易、規(guī)范市場秩序的重要措施。把我國液流電池技術(shù)領(lǐng)先的優(yōu)勢擴大到產(chǎn)業(yè)層面，極大地提升了中國在國際液流電池標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的話語權(quán)與核心競爭力。占領(lǐng)液流電池領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)和市場制高點具有重要意義。
未來——技術(shù)提升、成本降低、政策引導(dǎo)是關(guān)鍵
液流電池儲能產(chǎn)業(yè)的廣闊前景是毋庸置疑的，但目前要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化仍然任重道遠，面臨著技術(shù)、成本、市場、政策等多方面的挑戰(zhàn)。正如2013年習(xí)近平總書記在大連考察融科儲能液流電池項目時指出：“儲能是個重大課題?！?
能量密度偏低、可靠性和穩(wěn)定性有待提升、成本尚不能滿足市場要求，這些對液流電池技術(shù)開發(fā)提出了進一步要求。以突破制約液流儲能電池普及應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題和工程技術(shù)基礎(chǔ)問題為目的，科技部在2010年啟動了“大規(guī)模高效液流電池儲能技術(shù)的基礎(chǔ)研究”項目。項目由中科院大連化學(xué)物理研究所牽頭，集合了包括清華大學(xué)、中南大學(xué)、華中科技大學(xué)等的大學(xué)研究團隊，又有金屬研究所等中國科學(xué)院的研究單位和解放軍防化研究院的總裝備部的研究機構(gòu)，還有以大規(guī)模高效液流儲能電池產(chǎn)業(yè)化為主的大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司和液流電池儲能技術(shù)的潛在用戶——國家電網(wǎng)下屬的中國電力科學(xué)研究院。研究團隊歷時近5年的協(xié)同攻關(guān)，在深入研究的基礎(chǔ)上，在液流電池反應(yīng)機理和調(diào)控機制、材料的構(gòu)效關(guān)系、材料的組分設(shè)計與制備方法等科學(xué)基礎(chǔ)理論方面取得重大突破；形成高性能、低成本液流儲能電池關(guān)鍵材料的規(guī)模制備工藝；提出了大功率、高效、高比功率液流儲能電池系統(tǒng)的實現(xiàn)方法；建立了發(fā)電、儲電、電能變換、用電多體系的系統(tǒng)耦合和綜合能量管理控制策略的理論體系和方法；獲得一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的原始創(chuàng)新成果，培養(yǎng)和造就一批液流電池儲能技術(shù)的學(xué)術(shù)帶頭人和高素質(zhì)研究人才團隊；提高我國在大規(guī)模高效液流電池儲能技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)研究水平和技術(shù)創(chuàng)新能力?？梢哉f，我國目前液流電池的國際領(lǐng)先態(tài)勢得益于“973”項目及時部署與高質(zhì)量實施。進一步地針對液流電池可靠性提高、成本降低的工程化技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用示范項目的開展，對推進液流電池產(chǎn)業(yè)化尤為重要。另外，液流電池儲能是隨著新能源發(fā)展、智能電網(wǎng)建設(shè)應(yīng)運而生的一個新興行業(yè)，市場認知度低、產(chǎn)業(yè)鏈不完整，形成了一定市場開拓風(fēng)險。并且，儲能帶給用戶的是綜合效益，很多往往難以量化，在一定程度上制約了用戶認同并使用液流電池。各國儲能應(yīng)用的商業(yè)化市場和經(jīng)濟運行模式還不具備。需要從整個電力系統(tǒng)綜合考慮，形成并實施可再生能源發(fā)電峰谷電價、儲能電價，利用價格杠桿推動優(yōu)化電力系統(tǒng)運行模式的調(diào)整，使得電力系統(tǒng)中發(fā)、輸、儲、用各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)運行，從而充分體現(xiàn)儲能所產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟效益和社會效益。在滿足儲能建設(shè)和運行成本的基礎(chǔ)上，進一步形成對儲能行業(yè)的激勵環(huán)境，大力推進以技術(shù)驗證和商業(yè)模式探索為目的的各類儲能示范應(yīng)用項目，促進儲能產(chǎn)業(yè)的健康、蓬勃發(fā)展。
新能源的發(fā)展為儲能開辟了廣闊的應(yīng)用市場。液流電池因其特有的技術(shù)優(yōu)勢已成為儲能領(lǐng)域的中堅力量。但對于仍處于“黎明前的黑暗”之中的液流電池企業(yè)和研究機構(gòu)來說，需要持續(xù)加強技術(shù)開發(fā)，提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量，降低成本，練好內(nèi)功。另外，加強政策引導(dǎo)，建立儲能行業(yè)激勵機制，是刺激儲能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的外部推手。
今年6月，在中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組會議上，習(xí)近平總書記強調(diào)，面對能源供需格局新變化、國際能源發(fā)展新趨勢，保障國家能源安全，必須推動能源生產(chǎn)和消費革命，并就推動能源生產(chǎn)和消費革命提出五點要求，要求抑制不合理能源消費，推動能源供給革命，建立多元供應(yīng)體系，立足國內(nèi)多元供應(yīng)保安全。這無疑給包括儲能在內(nèi)的整個能源界打了一劑強心針，也使得越來越多的人確信，儲能產(chǎn)業(yè)的前景日益明朗。相信，液流電池的明天會更美好。
