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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)?；?，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極半電池，分別接在正負極電解液的儲罐里。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?，F(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(這一點我非常肯定)。
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。
