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全钒液流电池储能开启产业化征程

作者:樊桐杰 来源:中国能源报 时间:2019-09-05 浏览:

中国储能电站网讯:据相关机构统计,截至目前,我国已投运全钒液流电池储能项目累计规模仅次于锂离子电池、铅蓄电池两种传统的电化学储能技术,约占全国电化学储能规模的4%,占全球全钒液流电池储能规模的17.8%。全球氧化还原液流电池市场规模预计将从2018年的1.3亿美元增长到2025年的3.7亿美元。在大量生产或开发的液流电池中,全钒液流电池将占据70%的市场份额。

十年了,安装在张华民家的全钒液流电池储能装置依然平稳运行着。“这是我们的第一套原理样机,足以说明全钒液流电池的稳定、安全可靠、长寿命。”张华民告诉记者。

张华民是中国科学院大连化学物理研究所(简称“中科院大连化物所”)储能技术研究部的首席研究员,为了验证团队研发的全钒液流电池性能,2009年,他在自己家中安装了这套全钒液流储能装置,不仅起到了检验实验成果的作用,还为家庭用电提供了清洁能源,展示了全钒液流储能技术与可再生能源相结合的良好应用前景。

简单来说,全钒液流电池采用含有钒离子的水溶液作为储能介质,通过其价态的变化,实现化学能和电能之间的转换,从而完成充放电的过程。

据赛迪智库统计,截至目前,我国已投运全钒液流电池储能项目累计规模仅次于锂离子电池、铅蓄电池两种传统的电化学储能技术,约占全国电化学储能规模的4%,占全球全钒液流电池储能规模的17.8%。

用中国标准为世界“充电”

“从2000年开始,中科院大连化物所就开始研究液流电池储能技术。目前,中科院大连化物所与融科储能合作团队已形成了包括液流电池关键材料设计制造、电堆及电池储能系统设计集成、储能系统智能控制、工程应用及运行管理等在内的完整自主知识产权体系,获得了200多项授权专利。”张华民说。

产业发展需要标准引领。依托技术领先优势和在国内外的学术影响力,张华民全面负责国家能源行业液流电池标准及国际液流电池标准的制定,用中国标准为世界“充电”。“主持国际标准制定,说明我国液流电池技术处于国际领先水平。”中国化学与物理电源行业协会储能应用分会秘书长刘勇说。

与其他储能技术相比,全钒液流电池优势明显:一是安全性高,储能介质是钒的化合物的水溶液,电池均匀性好,不会发生爆炸。二是容量大,储能容量可达数百千瓦时至数百兆瓦时,适合大规模储能。三是循环寿命长,电池充放电循环次数在15000次以上,使用年数在15年到20年。四是环境友好,电解液可以反复循环使用。

“全钒液流电池的核心部件是电堆,类似于中央处理器,电堆的核心材料包括电解液、离子传导膜等。怎样使材料的性能更好、价格更低,我们一直在努力。”张华民表示,通过电池关键材料和电堆结构设计技术创新,科研团队解决了电池内阻较大的难题,在保证能量密度不低于80%的前提条件下,使电池的工作电流密度由每平方厘米80毫安提高到300毫安,功率密度因此增加近四倍,电堆材料成本降低了70%左右。

“全钒液流电池的电解液性能衰减较慢,通过在线或离线再生后可循环使用,且电解液中钒的价值永远存在,其寿命原理上讲是半永久性的。因此,从电池制造、使用到报废后电池系统的无害化处理,放在整个生命周期来看,它的成本其实并不高。”张华民如此回应外界对于全钒液流电池成本较高的误解。他表示,科研团队还将继续开发高性能材料,设计高性能电堆,未来全钒液流电池的成本有望进一步下降。

产学研无缝衔接和全产业链布局

“我国钒资源丰富,主要集中在四川、湖南、湖北、陕西、河北等省份。从原料基地打造、技术平台建设,到储能产品开发、智能装备生产制造,再到工程化应用等,我国全钒液流电池产业链格局已逐步建立和完善。”刘勇说。

在此前召开的全国发电侧储能技术与应用高层研讨会上,陕西省液流储能创新中心首席科学家赖勤志博士指出,全钒液流电池产业内部已组建产业联盟,实现了产学研无缝衔接。上游资源保障方面,共有五个钒矿基地,现有储量可以完全满足联盟内部的全钒液流电池需求。市场推广方面,有大连融科储能、北京普能、上海电气等企业,共同推动液流电池的示范应用和商业化运营推广。

不止科研机构、生产企业,电力设计院也积极参与到液流电池储能项目中,促进储能技术应用和发展。

以大连液流电池储能调峰电站为例。该项目是国家首个大型化学储能示范项目,也是目前全球在建规模最大的钒液流电池储能电站,一期建设规模100兆瓦/400兆瓦时。电站采用全钒液流电池作为储能元件,中科院大连化物所提供技术支持,大连融科储能承建,中国能建设计集团东北电力设计院设计。“储能电站运行过程中的控制和安全尤为重要,相关设备的配置及控制策略的制定均需考虑这两个方面。”东北院该项目主管总工裴玉峰说,“针对这些特点,东北院开展了多项专题研究,提出了创新设计理念和方法。在控制方面,与蓄电池制造商、控制系统制造商合作开发出适用于蓄电池储能电站的综合运行管理系统。在安全方面,采用‘纵深防御’的设计理念,设置多重措施防止气体、液体泄漏和扩散。”

已进入产业化推广阶段

研究机构QY Research公司的调查报告显示,全球氧化还原液流电池市场规模预计将从2018年的1.3亿美元增长到2025年的3.7亿美元。在大量生产或开发的液流电池中,全钒液流电池将占据70%的市场份额。

“我国全钒液流电池储能已进入产业化推广阶段。”张华民表示。在国电张北风光储输示范工程、国电龙源沈阳卧牛石风电场等大型风光发电基地,都配置了5兆瓦/10兆瓦时全钒液流电池储能示范项目,有效解决了调幅调频、瞬态干扰的问题,促进了可再生能源消纳,保障了电网安全稳定运行。

利用全钒液流电池,不仅可以建设大型储能电站,还可以根据不同的应用场景,建设不同规模的小型电站。“现在全钒液流电池储能技术已经更新到第二代产品。我们攻克了电堆设计集成技术,发明了大功率、高功率密度电堆结构设计方法,研发出32千瓦大功率液流电池单体电堆,并进一步突破制造技术,实现了批量化生产,走向海外市场。集成后的储能装置更加小巧,成本也大幅降低。”张华民介绍说。

站在储能行业的角度,刘勇指出,大规模、高效率、低成本、长寿命、易回收是未来液流储能电池技术的发展方向,需要进一步加强电解液、离子交换膜、电极材料以及电池结构的设计和研究,从而提高液流电池可靠性。储能要以市场需求为导向,根据不同应用场景发展相适应的新技术。

张华民表示,在攻克全钒液流电池的同时,中科院大连化物所也在积极布局液流电池新体系的开发,比如锌溴液流电池、锌铁液流电池等,主要用于用户侧储能。“也许不久的将来,随着技术的进步,家庭户用型可再生能源的储能装置,也能既安全、又低成本的走进我们的生活。”  

关键字:全钒液流电池储能

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