長(cháng)時(shí)儲能——液流電池的逆戰

隨著(zhù)我國碳達峰碳中和目標的推進(jìn),儲能的發(fā)展得到了國家頂層能源戰略的支持。

2023年以來(lái),已經(jīng)有27個(gè)省將儲能列入政府工作重點(diǎn),發(fā)展大型儲能成為共識。依靠政策的有力推動(dòng),隨著(zhù)以風(fēng)電、光伏為代表的新能源并網(wǎng)量越來(lái)越大,新能源的消納問(wèn)題愈發(fā)突出,對儲能時(shí)長(cháng)有了更高的要求。

通常我們認為,持續放電時(shí)間不低于4小時(shí)的儲能系統,就是長(cháng)時(shí)儲能。隨著(zhù)我國對新能源配儲占比要求達到15%-20%之后,為緩解高峰供電壓力,4小時(shí)以上并且低成本的長(cháng)時(shí)儲能需求成為剛需,其重要性不言而喻。

作為長(cháng)期存儲能源的技術(shù),它可以通過(guò)擴大儲能系統的規模來(lái)維持數小時(shí)、數天甚至數周的電力供應,同時(shí)為脫碳做出重大貢獻。

一、適用于長(cháng)時(shí)儲能的特別技術(shù)

目前,鋰離子電池是市面上最常見(jiàn)的儲能技術(shù),被廣泛應用于動(dòng)力電池儲能。由于其功率和容量耦合,成本將隨著(zhù)時(shí)長(cháng)的增加成倍增長(cháng),所以它不適合做長(cháng)時(shí)儲能。

眾所周知,鋰離子電池有三大硬傷:缺乏安全性、不耐寒、成本太高。那么有沒(méi)有一項電池儲能技術(shù),既能夠保留鋰離子儲能電池的優(yōu)勢,又能克服這三大硬傷?

還真有,“液流電池”或許才是可再生能源的最佳選擇。

液流電池的電解液儲存在電堆外部的儲液罐中,通過(guò)泵輸送到電堆內部,在電極處進(jìn)行氧化還原反應,反應后的活性物質(zhì)隨著(zhù)電解液流回外部?jì)σ汗?。液流電池主要利用正負極兩側溶液中活性物質(zhì)氧化還原狀態(tài)的改變,來(lái)實(shí)現充放電。在中大型儲能項目建設中,液流電池具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢,且可運用于多場(chǎng)景。

液流電池運行原理圖

長(cháng)期來(lái)看,隨著(zhù)新能源逐步成為電力系統的主體,液流電池儲能的應用場(chǎng)景也會(huì )有很多,功率范圍將涵蓋kW級的用戶(hù)側場(chǎng)景,到GW級的發(fā)電側、電網(wǎng)側場(chǎng)景,儲能時(shí)長(cháng)則從秒級、分鐘級、小時(shí)級到跨日、跨季不等。

● 電網(wǎng)側:液流電池儲能產(chǎn)品可實(shí)現大規模存儲和釋放,電網(wǎng)方向可應用于調峰、調頻及備用等,主要保障電網(wǎng)的穩定運行。

● 發(fā)電側:液流電池儲能產(chǎn)品可在在用電谷時(shí)儲存電力,用電高峰時(shí)釋放電力,補充用電缺口?？梢猿浞謴浹a太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性問(wèn)題。

● 用戶(hù)側:當停電導致住宅、商業(yè)社區等無(wú)電可用時(shí),液流電池儲能產(chǎn)品可解決能源短缺并提供能源恢復,保障正常工作、生活用電。

新型儲能豐富的應用場(chǎng)景

二、液流電池多條技術(shù)路線(xiàn),誰(shuí)主沉浮?

從各地發(fā)布的十四五時(shí)期新能源儲能裝機目標統計,至2025年發(fā)電側儲能的規劃裝機總規模超過(guò)67GW。而截至2021年,中國新型儲能裝機僅400萬(wàn)千瓦(中國電力規劃總院數據),市場(chǎng)增量需求巨大?？紤]到不同場(chǎng)景的儲能需求有很大差距,未來(lái)會(huì )有多種儲能技術(shù)并存,共同支撐電力系統的安全與穩定。

目前主流的液流電池技術(shù)主要有鋅鐵液流電池、全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池等20多種技術(shù)路線(xiàn),繼全釩、鐵鉻后,鋅鐵技術(shù)路線(xiàn)猶如一匹黑馬,以獨特的技術(shù)優(yōu)勢與低成本,殺出重圍。技術(shù)路線(xiàn)的不同,主要指電解質(zhì)溶液主要成分的不同。

● 全釩液流電池

全釩液流電池目前在國內發(fā)展較為成熟、項目最多的技術(shù)路線(xiàn)之一。它是一種以釩為活性物質(zhì)呈循環(huán)流動(dòng)液態(tài)的氧化還原電池。釩電池電能以化學(xué)能的方式存儲在不同價(jià)態(tài)釩離子的硫酸電解液中。

成本方面,釩電解液成本約占總成本的一半,釩電解液主要成本為五氧化二釩,價(jià)格主要受到釩價(jià)波動(dòng)的影響。

● 鐵-鉻液流電池

2023年2月28日,我國首個(gè)兆瓦級鐵-鉻液流電池儲能示范項目在內蒙古成功試運行。此前,鐵鉻液流電池也在2022年北京冬奧會(huì )上為張家口的奧運場(chǎng)館提供綠色電力服務(wù)。

與其他怕冷的電池相比,鐵鉻液流電池的運行溫度范圍更廣,其電解液能夠在﹣40℃~70℃正常工作,在極寒環(huán)境下不會(huì )受到絲毫影響,具有很強的環(huán)境適應性。

● 鋅鐵液流電池

鋅鐵液流電池由陰極、陽(yáng)極電解液、電堆與智能中控組成。電解液含有特殊配方,其容量、濃度和酸堿性賦予液流電池長(cháng)時(shí)存儲、大容量的特性。電堆決定了液流電池的功率,它由多片單元電池緊密結合。智能中控為全面且綜合性的智能模塊控制系統,監測電池運行,保持其良好狀態(tài)。目前,緯景儲能科技有限公司研發(fā)的鋅鐵液流電池儲能技術(shù),成功解決了鋅枝晶問(wèn)題,并擁有此項技術(shù)的專(zhuān)利。

目前,緯景儲能已經(jīng)在江蘇鹽城、廣東珠海、山東臨沂、湖北宜昌、江西贛州等地區布局數個(gè)“超G工廠(chǎng)”,引領(lǐng)著(zhù)新型儲能規?；彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展。鋅鐵液流電池在成本、安全、性能、環(huán)境適應性等幾個(gè)方面具有優(yōu)勢:

第一,從成本角度看,鋅、鐵元素礦藏儲量豐富且價(jià)格穩定。據緯景儲能測算,鋅鐵液流電池邁入成熟期后,全生命周期度電成本可以達到0.2元/KWh。

第二,從安全角度看,鋅鐵液流電池采用堿性電解液,由于其水性溶液的形態(tài)儲存能量,擁有0爆炸0燃燒的特性。在生命周期后也易于回收,全程無(wú)危廢產(chǎn)生。

第三,從性能角度看,鋅鐵液流電池選用無(wú)毒無(wú)害的鋅、鐵元素組成獨特配對,具有較高的能量密度與穩定性。鋅鐵液流電池充放電次數超過(guò)20,000次,并且使用壽命超過(guò)20年。

第四,從環(huán)境適應性看,鋅鐵液流電池能在-10℃至45℃環(huán)境溫度下做到安全穩定運行。

總體來(lái)看,鋅鐵液流電池具備極安全、高經(jīng)濟性,并且可輕松滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)的新型儲能需求,在額定功率輸出下,放電時(shí)長(cháng)超過(guò)8小時(shí)。

除上述儲能技術(shù)外,還有氫儲能、壓縮空氣儲能等正在向規?；瘧们斑M(jìn),逐漸在能源革命時(shí)代嶄露頭角。

三、結語(yǔ)

儲能應用場(chǎng)景的多樣性決定了儲能技術(shù)的多元化發(fā)展。在長(cháng)時(shí)儲能大趨勢下,隨著(zhù)系統配儲時(shí)長(cháng)增加,電解液的成本占系統成本比重預計將不斷上升,低成本電解液的優(yōu)勢未來(lái)將越發(fā)明顯。液流電池與長(cháng)時(shí)儲能這對黃金搭檔,將攜手助力中國雙碳目標的實(shí)現。

新型電力系統具有綠色低碳、柔性靈活、互動(dòng)融合、智能高效、安全穩定的顯著(zhù)特征。新型電力系統構建過(guò)程中其中一個(gè)重大難題就是中大型儲能缺乏。鋅鐵液流電池便是解決這一難題的優(yōu)選技術(shù)路線(xiàn),包括在風(fēng)光發(fā)電配儲,電網(wǎng)調峰調頻、共享儲能站、虛擬電廠(chǎng)等領(lǐng)域均有較好的應用前景。