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2023-12-17

淺談液流電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及企業(yè)產(chǎn)業(yè)實(shí)踐

儲(chǔ)能發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)


碳中和是黨中央經(jīng)過(guò)深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策,事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體。如今,全球碳中和的共識(shí)已經(jīng)非常統(tǒng)一,各國(guó)將實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)基本認(rèn)同在2050年前后。從整體來(lái)看,業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同,能源行業(yè)減碳是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵路徑。

根據(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織預(yù)測(cè),2025年全球風(fēng)電+光伏發(fā)電量占比20%,到2050年風(fēng)電+光伏發(fā)電量占比達(dá)到67%。

中國(guó)正面臨電力系統(tǒng)的綠色低碳轉(zhuǎn)型與能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。電力結(jié)構(gòu)中,新能源電力的占比在逐漸攀升,儲(chǔ)能作為新能源電力調(diào)峰調(diào)頻的重要利器,是實(shí)現(xiàn)“碳中和”背景下能源轉(zhuǎn)型的助推器。

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目前中國(guó)新型儲(chǔ)能發(fā)展迅速。2022年,以電化學(xué)儲(chǔ)能為代表的新型儲(chǔ)能在國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能市場(chǎng)的占比已達(dá)到21.9%。在新型儲(chǔ)能中,鋰離子電池占比最大,中國(guó)鋰離子電池占新型儲(chǔ)能比重達(dá)到94.0%,液流電池占比1.2%,壓縮空氣占比1.5%。

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數(shù)據(jù)顯示,截至2023年1月,國(guó)內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)的電化學(xué)儲(chǔ)能電站累計(jì)裝機(jī)主要分布在電網(wǎng)側(cè),占比接近80%,其次是電源側(cè),占比15%,最后是用戶(hù)側(cè),占比為3%。在電源側(cè)中,風(fēng)電+光伏配儲(chǔ)占比約99%。

儲(chǔ)能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)靈活性的技術(shù)。

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電力系統(tǒng)靈活運(yùn)行能力主要指電力系統(tǒng)能夠可靠且經(jīng)濟(jì)有效地應(yīng)對(duì)全時(shí)間尺度的供需變化和不確定性,從而確保電力系統(tǒng)瞬時(shí)穩(wěn)定性、并支持長(zhǎng)期供電安全。電力系統(tǒng)靈活運(yùn)行能力既來(lái)自電力供給側(cè),還可以通過(guò)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施需求側(cè)響應(yīng)和電力存儲(chǔ)來(lái)提供系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)能力;儲(chǔ)能作為靈活的電力電量平衡技術(shù),在高比例可再生能源電力系統(tǒng)中削峰填谷、一二次調(diào)頻、電能質(zhì)量提升和電網(wǎng)支撐中將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

在政策上,儲(chǔ)能自2016年開(kāi)始被納入國(guó)家級(jí)政策規(guī)劃,2017年首份行業(yè)指導(dǎo)政策出臺(tái),國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局等《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出未來(lái)十年中國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)兩步走戰(zhàn)略。

國(guó)家能源局“十四五”規(guī)劃發(fā)展科技規(guī)劃對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)也多有提及,在該規(guī)劃中,儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)部分涉及到鈉離子電池與液態(tài)金屬電池以及鈉硫電池等;儲(chǔ)能安全技術(shù)部分則涉及研發(fā)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全預(yù)警、系統(tǒng)多級(jí)防護(hù)結(jié)構(gòu)及材料關(guān)鍵技術(shù);儲(chǔ)能示范要求開(kāi)展高功率液流電池儲(chǔ)能電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

液流電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展概況


據(jù)國(guó)家能源網(wǎng)發(fā)布,截至2023年6月底,全國(guó)已建成投運(yùn)新型儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模超過(guò)1733萬(wàn)千瓦/3580萬(wàn)千瓦時(shí),其中全釩液流電池儲(chǔ)能占1.1%。國(guó)內(nèi)液流電池儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模的增加受?chē)?guó)家政策的影響,如2017年發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)》,2023年國(guó)家能源局公布的《2023年能源領(lǐng)域擬立項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃及外文版翻譯計(jì)劃項(xiàng)目意見(jiàn)》等。

液流電池主要以五種不同的電解液組成了五個(gè)不同的液流電池技術(shù),其中全釩液流電池較為成熟,其他液流電池尚在驗(yàn)證或示范階段。這五種不同的液流電池技術(shù)具體參數(shù)如下圖所示。

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提起液流電池,就不得不提到液流電池與鋰電池之間的比較。

在技術(shù)特性上,鋰電池的優(yōu)勢(shì)在于功率性能好,劣勢(shì)在于其容量衰減明顯,液流電池則主要是容量規(guī)模大但能量效率低,壽命長(zhǎng)、容量衰減??;安全性上,液流電池不存在熱失控但存在電解液泄漏風(fēng)險(xiǎn),而鋰離子電池存在熱失控引起的起火爆炸風(fēng)險(xiǎn);在成本上,液流電池的市場(chǎng)規(guī)?;б嫔形达@現(xiàn),目前不同技術(shù)成本結(jié)構(gòu)差異較大,而鋰電池規(guī)模化效益帶來(lái)成本明顯下降,只是未來(lái)成本下降趨勢(shì)緩慢。

通過(guò)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)和單位投資成本的比較可得,液流電池更適合長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能,尤其在大于5小時(shí)的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)上更具優(yōu)勢(shì)。

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目前液流電池的產(chǎn)業(yè)鏈公司分布較完善,隨著國(guó)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能政策的發(fā)布,液流電池相關(guān)企業(yè)發(fā)展迅速。但就目前的全釩液流電池技術(shù)來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)還是領(lǐng)先于國(guó)外。

全釩液流電池技術(shù)

全釩液流電池的特點(diǎn)是易于規(guī)模化,溫度適應(yīng)性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、效率高、安全可靠,主要發(fā)展方向?yàn)楦咝屎透吣芰棵芏入姸岩约半姸殃P(guān)鍵材料低成本,隔膜關(guān)鍵材料的突破。

解決方向主要是包括電解液、電極膜和雙極板在內(nèi)的液流電池關(guān)鍵材料的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化,以及膜材料的國(guó)產(chǎn)化和離子高選擇性的制備。例如可以通過(guò)采用添加劑的方法增加電解液的溫度穩(wěn)定性,采用支持電解質(zhì)體系取代硫酸體系增加電解液的高濃度穩(wěn)定性。

全釩液流電池在國(guó)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈初步形成,關(guān)鍵膜材料尚未形成規(guī)?;a(chǎn),隨著儲(chǔ)能安全性的要求升級(jí)、儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)的增加,基于釩電池的高安全性和儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)增加邊際成本較少的特點(diǎn),釩電池在大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能中將會(huì)有出色的表現(xiàn)。

中鈉儲(chǔ)能在儲(chǔ)能技術(shù)上的研究與探索        

中鈉儲(chǔ)能目前的業(yè)務(wù)板塊主要涉及3個(gè)部分:全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的生產(chǎn)制造、儲(chǔ)能智慧運(yùn)維、儲(chǔ)能研發(fā)。          

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在全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的生產(chǎn)制造方面,中鈉儲(chǔ)能完成了全釩液流電池系統(tǒng)集成技術(shù)的突破,包括管路設(shè)計(jì)、BMS、電堆的設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化與效率的提升;在儲(chǔ)能智慧運(yùn)維方面,中鈉儲(chǔ)能搭建微電網(wǎng)可視化數(shù)字平臺(tái),一方面監(jiān)視場(chǎng)站設(shè)備的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、電量與收益統(tǒng)計(jì)、二氧化碳減排指標(biāo);另一方面對(duì)場(chǎng)站的電力設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理與調(diào)度,協(xié)同電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(EMS)參與電力輔助服務(wù);在儲(chǔ)能研發(fā)方面,中鈉儲(chǔ)能與西北大學(xué)等高校搭建產(chǎn)學(xué)研平臺(tái),進(jìn)行了寬溫區(qū)電解液的研究、釩電池的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、低成本多孔可焊接膜的研究,研發(fā)高安全、長(zhǎng)壽命、低成本電池體系。     

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中鈉儲(chǔ)能部分典型項(xiàng)目               

▍中鈉儲(chǔ)能兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電站工程示范——甘肅某光伏電站15MW配儲(chǔ)項(xiàng)目

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在甘肅張掖完成了15MW/60MWh的光伏發(fā)電配儲(chǔ)項(xiàng)目。本項(xiàng)目采用直流1500V儲(chǔ)能系統(tǒng)方案,儲(chǔ)能電池系統(tǒng)采用集裝箱布置,主要包括儲(chǔ)能電池艙、儲(chǔ)能變流升壓一體機(jī)、能量管理系統(tǒng)等設(shè)備。電池集裝箱系統(tǒng)擁有獨(dú)立的配電系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等自動(dòng)控制和安全保障系統(tǒng),采用非步入式設(shè)計(jì)。       

儲(chǔ)能系統(tǒng)與新能源場(chǎng)站配合實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲(chǔ)、能量搬移、一次調(diào)頻等應(yīng)用,同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)可接受電網(wǎng)調(diào)度,參與電網(wǎng)輔助服務(wù)。


中鈉儲(chǔ)千瓦級(jí)工商側(cè)工程示范——陜西西安風(fēng)光儲(chǔ)充一體化125kW/500kWh微電網(wǎng)項(xiàng)目

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該項(xiàng)目落地于西安國(guó)際人工智能創(chuàng)新園園區(qū)。項(xiàng)目集成光伏發(fā)電、全釩液流電池儲(chǔ)能、充電樁、風(fēng)力發(fā)電等多項(xiàng)技術(shù),項(xiàng)目運(yùn)行后既能為電動(dòng)汽車(chē)供給綠色電能,又能實(shí)現(xiàn)園區(qū)應(yīng)急照明及電梯應(yīng)急運(yùn)行。后期還可實(shí)現(xiàn)電力削峰填谷、輔助服務(wù)等功能,這將顯著提升園區(qū)電力系統(tǒng)運(yùn)行效率。

液流電池技術(shù)發(fā)展建議


長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能是未來(lái)儲(chǔ)能的重要發(fā)展方向。

專(zhuān)家指出,新能源電量占比超過(guò)20%以后,長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能將成為剛需。我國(guó)提出到2025年新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模達(dá)到3000萬(wàn)千瓦以上,2030年起全球可再生能源占比超過(guò)60%,長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能容量將達(dá)到2~3億千瓦,長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能需求約占新能源發(fā)電量的10~20%,將會(huì)成為維持系統(tǒng)平衡的重要調(diào)節(jié)手段。

隨著波動(dòng)性電源并網(wǎng)比例擴(kuò)大,電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能靈活調(diào)節(jié)要求也逐漸增多,配合新能源參與系統(tǒng)調(diào)峰的需求增加,調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)也將變?yōu)楦L(zhǎng)時(shí)間尺度的需求。

長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能可以在極端惡劣天氣下為系統(tǒng)提供持續(xù)安全可靠的電力供應(yīng),發(fā)揮應(yīng)急保供作用,能有效應(yīng)對(duì)季節(jié)性保供需求,提升系統(tǒng)事故后快速回復(fù)和應(yīng)急處置能力。因此,關(guān)于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能液流電池的發(fā)展,業(yè)內(nèi)人士提出了如下幾點(diǎn)建議:

1)發(fā)展高效率、低成本的液流電池發(fā)電技術(shù),提高電堆容量功率和轉(zhuǎn)化效率是液流電池的發(fā)展目標(biāo)。研究高穩(wěn)定性、高功率、寬溫度適應(yīng)性和隔膜關(guān)鍵材料是液流電池的主要發(fā)展方向。

2)開(kāi)展大容量、長(zhǎng)周期、多元化新型儲(chǔ)能相關(guān)技術(shù)應(yīng)用示范,從液流電池電堆本身關(guān)鍵材料的開(kāi)發(fā)做第二個(gè)市場(chǎng)的示范。

3)大力支持電源側(cè)儲(chǔ)能發(fā)展。推動(dòng)保障性并網(wǎng)新能源項(xiàng)目同步建設(shè)儲(chǔ)能設(shè)施,引導(dǎo)市場(chǎng)化并網(wǎng)新能源配套建設(shè)儲(chǔ)能設(shè)施。

4)健全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系,優(yōu)化完善儲(chǔ)能并網(wǎng)及安全方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)儲(chǔ)能健康發(fā)展。

5)為了促進(jìn)液流電池技術(shù)的發(fā)展以及大規(guī)模示范應(yīng)用,要發(fā)揮各大企業(yè)、高校研究院的專(zhuān)業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì),共同促進(jìn)液流電池技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模示范應(yīng)用。

                                                                                                                                                                                                                                         

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