中國儲能網(wǎng)訊：隨著全球能源結構轉型和可再生能源快速發(fā)展，儲能技術不僅承擔著提高風光發(fā)電品質和提升并網(wǎng)安全性的重任，而且成為推動新能源高效利用和促進綠色低碳發(fā)展的支撐力量。
《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》提出，加快重大技術創(chuàng)新示范，其中包括全釩液流電池等長時儲能技術的產(chǎn)業(yè)化應用。
作為長時儲能領域的“后起之秀”
全釩液流電池技術
目前處于怎樣的發(fā)展水平？
大規(guī)模商業(yè)化應用的難點是什么？
對能源行業(yè)發(fā)展又將起到何種作用？
青海油田躍北1井光儲微電網(wǎng)項目，實現(xiàn)了高原井場全天候“綠電”供應，成為高原油田零碳井場示范點。計東東 攝
儲能技術是提高光伏和風能發(fā)電品質、輸出穩(wěn)定性與并網(wǎng)安全性的必要手段，對新能源的大規(guī)模持續(xù)穩(wěn)定利用和構建新型清潔電力系統(tǒng)至關重要。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能領域的創(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)境和嚴苛條件下“光—儲—抽”離網(wǎng)應用，實現(xiàn)了邊遠井場的“綠電”供應和零碳采油，為油氣田綠色轉型和增產(chǎn)提效探索出全新的供電模式。
蓄勢而發(fā) 藏電于釩
?配備儲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
?我國已初步形成全釩液流電池全產(chǎn)業(yè)鏈自主知識產(chǎn)權體系
全釩液流電池結構和運行原理示意圖。
在我國能源結構綠色轉型進程中，構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)電側與用電側的功率相匹配才能保障電網(wǎng)的穩(wěn)定。與傳統(tǒng)火電可調節(jié)性強不同，以風能、太陽能為代表的清潔能源發(fā)電具有間歇性和不穩(wěn)定性，這種波動對傳統(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、棄風的現(xiàn)象普遍存在。
配備儲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。儲能系統(tǒng)可以將多余的電能存儲起來，在實際需要時再釋放，從而實現(xiàn)電力供需平衡，提高電網(wǎng)的安全可靠性，促進可再生能源的應用。
隨著“雙碳”戰(zhàn)略的全面推進，安全性高、存儲時間長、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儲能技術的“后起之秀”，迎來了一系列政策紅利和前所未有的發(fā)展機遇。
我國對全釩液流電池的研究始于20世紀80年代末。雖然目前尚未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用，但我國釩礦儲量居世界第一，釩電解液全球市場占有率高達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)造了得天獨厚的條件。
“十四五”以來，國家將液流電池作為發(fā)展新型儲能的重要技術路線之一，從頂層設計、技術創(chuàng)新和標準體系等多個角度，陸續(xù)推出了一系列扶持措施。今年年初，國家能源局公布的56個新型儲能試點示范項目中，有9個涉及全釩、鐵基等液流電池，總規(guī)模超過900兆瓦/4300兆瓦時。這些項目將通過納入國家重大項目庫、能源領域首臺（套）重大技術裝備清單等方式獲得支持。
目前，我國已初步形成了包括液流電池批量生產(chǎn)、模塊設計制造、系統(tǒng)集成控制在內的全釩液流電池全產(chǎn)業(yè)鏈自主知識產(chǎn)權體系，產(chǎn)品廣泛應用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、電網(wǎng)調峰填谷、分布式儲能系統(tǒng)、微電網(wǎng)系統(tǒng)、應急供電系統(tǒng)和工商業(yè)儲能等諸多領域，為解決能源供應的穩(wěn)定性和可再生能源的有效利用提供了新思路、新途徑。
技術攻關 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
?推動全釩液流電池從“可用、能用”到“好用、實用”
全釩液流電池結構拆截圖。
全釩液流電池的獨特優(yōu)勢同樣適用于為油氣行業(yè)中的大型集中式風光新能源電站配儲、分布式光儲一體化，以及勘探、鉆井、集輸、煉化等全產(chǎn)業(yè)鏈裝備供能。
近年來，中國石油積極布局光伏、風能等新能源產(chǎn)業(yè)，并組織實施重大科技創(chuàng)新項目，支持所屬企業(yè)聯(lián)合行業(yè)優(yōu)勢力量，攻關壓縮空氣儲能、液流電池、固態(tài)電池等新型儲能關鍵技術。
今年5月，中油電能公司與寶石機械公司合作建設的中國石油首個全釩液流儲能示范項目，在大慶油田臥龍一次變電所并網(wǎng)發(fā)電。該項目采用智能調控技術，通過油田用電峰谷時段差異靈活充電放電，實現(xiàn)能源最佳配置，不僅填補了中國石油在儲能領域的空白，提升了油田電網(wǎng)調節(jié)能力，而且破解了龍一聯(lián)地區(qū)因負荷不足導致的棄風問題，提升了“綠電”消納能力，為高寒地區(qū)儲能技術應用提供了技術儲備。
中國石油礦權區(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)特殊場景下對儲能的巨大需求，工程材料研究院儲能團隊經(jīng)過3年多的基礎研究，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，自主設計、集成出不同功率的全釩液流電池樣機，并在企業(yè)內部和青海油田分別建成了光儲一體化并網(wǎng)和離網(wǎng)示范電站，搭建起大功率全釩液流儲能系統(tǒng)多場景測試平臺。
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)光儲融合可靠性低等多項技術壁壘，在高海拔、極寒、純離網(wǎng)、信號弱、需24小時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)新設計的柔性直流母線微電網(wǎng)拓撲架構，通過實時遠程監(jiān)控，實現(xiàn)了無人值守邊遠井場的全天候“綠電”供應。
這個研究院將繼續(xù)在電堆結構密封可靠性、電堆集成工藝穩(wěn)定性、電池管理策略靈活性、系統(tǒng)集成應用匹配性等方面開展攻關，推動全釩液流電池從“可用、能用”到“好用、實用”。
助力儲能 未來可期
?全釩液流電池雖面臨部分技術挑戰(zhàn)和發(fā)展困境，但有潛力實現(xiàn)與鋰離子電池同等的初裝成本
?市場需求持續(xù)增加，眾多能源行業(yè)和化工行業(yè)的企業(yè)紛紛入局
報告顯示，預計到2030年，液流電池等長時儲能技術有望成熟，有潛力實現(xiàn)與鋰離子電池同等的初裝成本。
憑借高安全性、長壽命和易于擴容等優(yōu)勢，全釩液流電池在電網(wǎng)調峰調頻、電力輔助服務，用戶分布式儲能、微電網(wǎng)建設，以及偏遠地區(qū)和應急供電場景中將發(fā)揮著重要作用，應用前景十分廣闊。
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，全釩液流電池技術復雜，系統(tǒng)配套設備需求較多，釩電解液和質子交換膜等關鍵材料價格較高，導致目前兆瓦級時長4小時的儲能系統(tǒng)初次建設成本達到2000至2800元/千瓦時，在一定程度上限制了全釩液流電池大規(guī)模商業(yè)化應用的步伐。其次，技術瓶頸有待突破，全釩液流電池在大規(guī)模應用中仍存在系統(tǒng)效率長期穩(wěn)定性、電堆結構和循環(huán)管路密封性、電池管理策略和靈活調度等一系列難題。此外，產(chǎn)業(yè)鏈不夠完善，標準體系滯后，電池體積大、轉換效率低、運行過程中對環(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)展和市場推廣。
近年來，國家高度重視可再生能源與儲能技術的融合發(fā)展，相繼出臺了《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》等一系列旨在節(jié)能減排、促進液流電池行業(yè)發(fā)展的政策措施。
隨著可再生能源裝機量的增長和電網(wǎng)對清潔能源接納能力的提升，全釩液流電池的市場需求持續(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。
為進一步提高全釩液流電池在儲能市場中的占比，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研發(fā)，提高電解液利用率。同時，要大力推進上下游產(chǎn)業(yè)鏈的深度合作，確保原料供給和價格穩(wěn)定，降低系統(tǒng)造價，提升市場競爭力。
什么是全釩液流電池？
全釩液流電池是一種新型電化學儲能技術，其正極和負極均采用循環(huán)流動的釩溶液作為介質，借助氧化還原反應實現(xiàn)電能的大規(guī)模儲存與釋放。
當前，主流的儲能技術，如抽水蓄能、鋰電池和鉛蓄電池等，已難以滿足新能源裝機量持續(xù)增長及應用場景日益多樣化所帶來的儲能需求。相比之下，削峰填谷和維護電網(wǎng)穩(wěn)定能力更出色的高安全性全釩液流電池，在大規(guī)模長時儲能領域展現(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的Marria Kacos教授于1985年提出。次年，他成功申請了全球首個全釩液流電池專利，并自建了一套能效超過72%的1千瓦試驗電堆，標志著這項技術開始從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化。
我國全釩液流電池的研究始于20世紀80年代末。1995年，中國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。2006年，中國科學院大連化學物理研究所成功研制出10千瓦的全釩液流電池系統(tǒng)，使我國成為全球第4個掌握這項關鍵儲能技術的國家。2022年10月，全球首座百兆瓦級全釩液流電池儲能調峰電站在大連正式并網(wǎng)發(fā)電。目前，我國的全釩液流電池技術和產(chǎn)業(yè)在全球范圍內處于領先且占據(jù)重要地位。
【發(fā)展?jié)摿Α咳C液流電池研究與應用的持續(xù)升溫，充分彰顯了其相較于其他儲能技術的顯著優(yōu)勢。其儲能介質為釩的無機鹽水溶液，使得電池在常溫常壓下運行，無起火爆炸危險；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)不同應用場景和負載需求，靈活設計電池的功率與容量；充放電循環(huán)次數(shù)超2萬次，系統(tǒng)可穩(wěn)定運行20年以上，使用壽命是鋰電池的2倍；通過調控電解液的容積和釩離子濃度，可輕松實現(xiàn)4至10小時的長時儲能；系統(tǒng)運行時無有毒副產(chǎn)物產(chǎn)生，對環(huán)境友好且安全性高。
【資源稟賦】與鋰資源大量依賴進口不同，我國釩資源儲量和產(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。盡管當前儲能市場仍以鋰電池為主，但全釩液流電池憑借高安全性、長壽命、長時存儲以及設計靈活性等優(yōu)勢，更適合國內大規(guī)模儲能市場的需求。隨著技術的不斷突破和產(chǎn)業(yè)鏈的逐步完善，其經(jīng)濟性將持續(xù)提升，有望成為大規(guī)模長時儲能領域最具前景的發(fā)展方向之一。
本文原載于2024年11月7日《中國石油報》5版，原標題為《綠色“充電寶”引領長時儲能的創(chuàng)新力量》
