中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和可再生能源快速發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)不僅承擔(dān)著提高風(fēng)光發(fā)電品質(zhì)和提升并網(wǎng)安全性的重任，而且成為推動(dòng)新能源高效利用和促進(jìn)綠色低碳發(fā)展的支撐力量。
《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》提出，加快重大技術(shù)創(chuàng)新示范，其中包括全釩液流電池等長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
作為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域的“后起之秀”
全釩液流電池技術(shù)
目前處于怎樣的發(fā)展水平？
大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的難點(diǎn)是什么？
對(duì)能源行業(yè)發(fā)展又將起到何種作用？
青海油田躍北1井光儲(chǔ)微電網(wǎng)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了高原井場(chǎng)全天候“綠電”供應(yīng)，成為高原油田零碳井場(chǎng)示范點(diǎn)。計(jì)東東 攝
儲(chǔ)能技術(shù)是提高光伏和風(fēng)能發(fā)電品質(zhì)、輸出穩(wěn)定性與并網(wǎng)安全性的必要手段，對(duì)新能源的大規(guī)模持續(xù)穩(wěn)定利用和構(gòu)建新型清潔電力系統(tǒng)至關(guān)重要。在經(jīng)歷了鉛酸電池、鋰電池的更新迭代后，全釩液流電池正逐步成為儲(chǔ)能領(lǐng)域的創(chuàng)新力量。
10月24日，由工程材料研究院自主研制的中國(guó)石油首套全釩液流電池，在青海油田首次完成極端環(huán)境和嚴(yán)苛條件下“光—儲(chǔ)—抽”離網(wǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了邊遠(yuǎn)井場(chǎng)的“綠電”供應(yīng)和零碳采油，為油氣田綠色轉(zhuǎn)型和增產(chǎn)提效探索出全新的供電模式。
蓄勢(shì)而發(fā) 藏電于釩
?配備儲(chǔ)能是目前解決可再生能源發(fā)電不穩(wěn)定問題最有效的手段
?我國(guó)已初步形成全釩液流電池全產(chǎn)業(yè)鏈自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系
全釩液流電池結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理示意圖。
在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型進(jìn)程中，構(gòu)建以新能源為主體的新型清潔電力系統(tǒng)，是保障能源安全和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)。
電能是一種即發(fā)即用的能量，發(fā)電側(cè)與用電側(cè)的功率相匹配才能保障電網(wǎng)的穩(wěn)定。與傳統(tǒng)火電可調(diào)節(jié)性強(qiáng)不同，以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的清潔能源發(fā)電具有間歇性和不穩(wěn)定性，這種波動(dòng)對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的沖擊較大。因此，可再生能源發(fā)電雖然綠色環(huán)保，但電網(wǎng)常常消納不了，棄光、棄風(fēng)的現(xiàn)象普遍存在。
配備儲(chǔ)能是目前解決可再生能源發(fā)電不穩(wěn)定問題最有效的手段。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將多余的電能存儲(chǔ)起來，在實(shí)際需要時(shí)再釋放，從而實(shí)現(xiàn)電力供需平衡，提高電網(wǎng)的安全可靠性，促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用。
隨著“雙碳”戰(zhàn)略的全面推進(jìn)，安全性高、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、適配靈活和全生命周期度電成本低的全釩液流電池，作為大容量高效電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的“后起之秀”，迎來了一系列政策紅利和前所未有的發(fā)展機(jī)遇。
我國(guó)對(duì)全釩液流電池的研究始于20世紀(jì)80年代末。雖然目前尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，但我國(guó)釩礦儲(chǔ)量居世界第一，釩電解液全球市場(chǎng)占有率高達(dá)90%以上，優(yōu)越的資源稟賦為發(fā)展全釩液流電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的條件。
“十四五”以來，國(guó)家將液流電池作為發(fā)展新型儲(chǔ)能的重要技術(shù)路線之一，從頂層設(shè)計(jì)、技術(shù)創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)體系等多個(gè)角度，陸續(xù)推出了一系列扶持措施。今年年初，國(guó)家能源局公布的56個(gè)新型儲(chǔ)能試點(diǎn)示范項(xiàng)目中，有9個(gè)涉及全釩、鐵基等液流電池，總規(guī)模超過900兆瓦/4300兆瓦時(shí)。這些項(xiàng)目將通過納入國(guó)家重大項(xiàng)目庫(kù)、能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備清單等方式獲得支持。
目前，我國(guó)已初步形成了包括液流電池批量生產(chǎn)、模塊設(shè)計(jì)制造、系統(tǒng)集成控制在內(nèi)的全釩液流電池全產(chǎn)業(yè)鏈自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)峰填谷、分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)、微電網(wǎng)系統(tǒng)、應(yīng)急供電系統(tǒng)和工商業(yè)儲(chǔ)能等諸多領(lǐng)域，為解決能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和可再生能源的有效利用提供了新思路、新途徑。
技術(shù)攻關(guān) 落地發(fā)展
?攻克了電極活性低、電解液穩(wěn)定性差、界面阻抗高等行業(yè)難題
?推動(dòng)全釩液流電池從“可用、能用”到“好用、實(shí)用”
全釩液流電池結(jié)構(gòu)拆截圖。
全釩液流電池的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)同樣適用于為油氣行業(yè)中的大型集中式風(fēng)光新能源電站配儲(chǔ)、分布式光儲(chǔ)一體化，以及勘探、鉆井、集輸、煉化等全產(chǎn)業(yè)鏈裝備供能。
近年來，中國(guó)石油積極布局光伏、風(fēng)能等新能源產(chǎn)業(yè)，并組織實(shí)施重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目，支持所屬企業(yè)聯(lián)合行業(yè)優(yōu)勢(shì)力量，攻關(guān)壓縮空氣儲(chǔ)能、液流電池、固態(tài)電池等新型儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)。
今年5月，中油電能公司與寶石機(jī)械公司合作建設(shè)的中國(guó)石油首個(gè)全釩液流儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，在大慶油田臥龍一次變電所并網(wǎng)發(fā)電。該項(xiàng)目采用智能調(diào)控技術(shù)，通過油田用電峰谷時(shí)段差異靈活充電放電，實(shí)現(xiàn)能源最佳配置，不僅填補(bǔ)了中國(guó)石油在儲(chǔ)能領(lǐng)域的空白，提升了油田電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力，而且破解了龍一聯(lián)地區(qū)因負(fù)荷不足導(dǎo)致的棄風(fēng)問題，提升了“綠電”消納能力，為高寒地區(qū)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用提供了技術(shù)儲(chǔ)備。
中國(guó)石油礦權(quán)區(qū)位于可再生能源豐富的沙漠、戈壁和荒漠。為滿足油氣行業(yè)特殊場(chǎng)景下對(duì)儲(chǔ)能的巨大需求，工程材料研究院儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)經(jīng)過3年多的基礎(chǔ)研究，攻克了全釩液流電池電極活性低、電解液穩(wěn)定性差、界面阻抗高等行業(yè)難題，自主設(shè)計(jì)、集成出不同功率的全釩液流電池樣機(jī)，并在企業(yè)內(nèi)部和青海油田分別建成了光儲(chǔ)一體化并網(wǎng)和離網(wǎng)示范電站，搭建起大功率全釩液流儲(chǔ)能系統(tǒng)多場(chǎng)景測(cè)試平臺(tái)。
10月中旬，在青海油田油氣工藝研究院、勘探事業(yè)部和采油一廠的支持配合下，工程材料研究院打破電解液適用溫區(qū)窄、電池效率穩(wěn)定性差、離網(wǎng)光儲(chǔ)融合可靠性低等多項(xiàng)技術(shù)壁壘，在高海拔、極寒、純離網(wǎng)、信號(hào)弱、需24小時(shí)不間斷供電等極端工況下，首次采用自主研制的全釩液流電池和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的柔性直流母線微電網(wǎng)拓?fù)浼軜?gòu)，通過實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守邊遠(yuǎn)井場(chǎng)的全天候“綠電”供應(yīng)。
這個(gè)研究院將繼續(xù)在電堆結(jié)構(gòu)密封可靠性、電堆集成工藝穩(wěn)定性、電池管理策略靈活性、系統(tǒng)集成應(yīng)用匹配性等方面開展攻關(guān)，推動(dòng)全釩液流電池從“可用、能用”到“好用、實(shí)用”。
助力儲(chǔ)能 未來可期
?全釩液流電池雖面臨部分技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展困境，但有潛力實(shí)現(xiàn)與鋰離子電池同等的初裝成本
?市場(chǎng)需求持續(xù)增加，眾多能源行業(yè)和化工行業(yè)的企業(yè)紛紛入局
報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)到2030年，液流電池等長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)有望成熟，有潛力實(shí)現(xiàn)與鋰離子電池同等的初裝成本。
憑借高安全性、長(zhǎng)壽命和易于擴(kuò)容等優(yōu)勢(shì)，全釩液流電池在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、電力輔助服務(wù)，用戶分布式儲(chǔ)能、微電網(wǎng)建設(shè)，以及偏遠(yuǎn)地區(qū)和應(yīng)急供電場(chǎng)景中將發(fā)揮著重要作用，應(yīng)用前景十分廣闊。
然而，全釩液流電池并不完美，仍面臨部分技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展困境。首先，初裝成本過高，全釩液流電池技術(shù)復(fù)雜，系統(tǒng)配套設(shè)備需求較多，釩電解液和質(zhì)子交換膜等關(guān)鍵材料價(jià)格較高，導(dǎo)致目前兆瓦級(jí)時(shí)長(zhǎng)4小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)初次建設(shè)成本達(dá)到2000至2800元/千瓦時(shí)，在一定程度上限制了全釩液流電池大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的步伐。其次，技術(shù)瓶頸有待突破，全釩液流電池在大規(guī)模應(yīng)用中仍存在系統(tǒng)效率長(zhǎng)期穩(wěn)定性、電堆結(jié)構(gòu)和循環(huán)管路密封性、電池管理策略和靈活調(diào)度等一系列難題。此外，產(chǎn)業(yè)鏈不夠完善，標(biāo)準(zhǔn)體系滯后，電池體積大、轉(zhuǎn)換效率低、運(yùn)行過程中對(duì)環(huán)境溫度要求較高等問題，也影響了全釩液流電池產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展和市場(chǎng)推廣。
近年來，國(guó)家高度重視可再生能源與儲(chǔ)能技術(shù)的融合發(fā)展，相繼出臺(tái)了《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》等一系列旨在節(jié)能減排、促進(jìn)液流電池行業(yè)發(fā)展的政策措施。
隨著可再生能源裝機(jī)量的增長(zhǎng)和電網(wǎng)對(duì)清潔能源接納能力的提升，全釩液流電池的市場(chǎng)需求持續(xù)增加。在政策的扶持下，眾多能源行業(yè)和化工行業(yè)的企業(yè)紛紛入局。
為進(jìn)一步提高全釩液流電池在儲(chǔ)能市場(chǎng)中的占比，未來要深化隔膜、電極和雙極板材料、核心部件電堆等方面的技術(shù)研發(fā)，提高電解液利用率。同時(shí)，要大力推進(jìn)上下游產(chǎn)業(yè)鏈的深度合作，確保原料供給和價(jià)格穩(wěn)定，降低系統(tǒng)造價(jià)，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
什么是全釩液流電池？
全釩液流電池是一種新型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，其正極和負(fù)極均采用循環(huán)流動(dòng)的釩溶液作為介質(zhì)，借助氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能的大規(guī)模儲(chǔ)存與釋放。
當(dāng)前，主流的儲(chǔ)能技術(shù)，如抽水蓄能、鋰電池和鉛蓄電池等，已難以滿足新能源裝機(jī)量持續(xù)增長(zhǎng)及應(yīng)用場(chǎng)景日益多樣化所帶來的儲(chǔ)能需求。相比之下，削峰填谷和維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定能力更出色的高安全性全釩液流電池，在大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。
【發(fā)展歷程】全釩液流電池的概念由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Marria Kacos教授于1985年提出。次年，他成功申請(qǐng)了全球首個(gè)全釩液流電池專利，并自建了一套能效超過72%的1千瓦試驗(yàn)電堆，標(biāo)志著這項(xiàng)技術(shù)開始從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。
我國(guó)全釩液流電池的研究始于20世紀(jì)80年代末。1995年，中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所率先建成1千瓦的全釩液流電池樣機(jī)。2006年，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所成功研制出10千瓦的全釩液流電池系統(tǒng)，使我國(guó)成為全球第4個(gè)掌握這項(xiàng)關(guān)鍵儲(chǔ)能技術(shù)的國(guó)家。2022年10月，全球首座百兆瓦級(jí)全釩液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站在大連正式并網(wǎng)發(fā)電。目前，我國(guó)的全釩液流電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)處于領(lǐng)先且占據(jù)重要地位。
【發(fā)展?jié)摿Α咳C液流電池研究與應(yīng)用的持續(xù)升溫，充分彰顯了其相較于其他儲(chǔ)能技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)。其儲(chǔ)能介質(zhì)為釩的無(wú)機(jī)鹽水溶液，使得電池在常溫常壓下運(yùn)行，無(wú)起火爆炸危險(xiǎn)；電池容量取決于釩電解液的容積與釩離子濃度，輸出功率取決于電堆規(guī)模。因此，可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景和負(fù)載需求，靈活設(shè)計(jì)電池的功率與容量；充放電循環(huán)次數(shù)超2萬(wàn)次，系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行20年以上，使用壽命是鋰電池的2倍；通過調(diào)控電解液的容積和釩離子濃度，可輕松實(shí)現(xiàn)4至10小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)無(wú)有毒副產(chǎn)物產(chǎn)生，對(duì)環(huán)境友好且安全性高。
【資源稟賦】與鋰資源大量依賴進(jìn)口不同，我國(guó)釩資源儲(chǔ)量和產(chǎn)量分別占全球的39%和68%，全釩液流電池的原材料高度自給可控。盡管當(dāng)前儲(chǔ)能市場(chǎng)仍以鋰電池為主，但全釩液流電池憑借高安全性、長(zhǎng)壽命、長(zhǎng)時(shí)存儲(chǔ)以及設(shè)計(jì)靈活性等優(yōu)勢(shì)，更適合國(guó)內(nèi)大規(guī)模儲(chǔ)能市場(chǎng)的需求。隨著技術(shù)的不斷突破和產(chǎn)業(yè)鏈的逐步完善，其經(jīng)濟(jì)性將持續(xù)提升，有望成為大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域最具前景的發(fā)展方向之一。
本文原載于2024年11月7日《中國(guó)石油報(bào)》5版，原標(biāo)題為《綠色“充電寶”引領(lǐng)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的創(chuàng)新力量》
