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液流电池是否是可再生新能源长时储能的最优解？

分类：前沿资讯

 - 作者：罗旋

 - 发布时间：2022-03-18

【概要描述】可再生能源发电的配套储能以及电网并入的前路在何方？液流电池是否是新能源储能领域的重磅炸弹？液流电池发展的前景与挑战又是如何？

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     2021年底，许多省自治区发布了对风光电能新型储能的发展方案，其中，对储能时长提出了4小时以上的要求。

  • 国家发改委《关于增加并网规模的通知》：超过电网企业保障性并网以外的规模初期按照功率15%的挂钩比例（时长4小时以上）配建调峰能力；

  • 辽宁发改委《全省风电建设规模增补方案》：鼓励配套建设不少于风电装机规模15%（时长4小时以上）的新型储能设施；

  • 内蒙古区政府《关于加快推动新型储能发展的实施意见》：共享储能电站功率不低于5万千瓦，时长不低于4小时；

  • 河北发改委《关于风电、光伏市场化并网的通知》：要求2021并网的风光发电站配储10%-20%，时长4小时；

     在对储能时间的不断要求下，新型储能技术中的液流电池展现出独特的优势。液流电池作为一种新型二次电池，通过化学活性物质价态的可逆变化实现电池的充放电，进而达到化学能与电能相互转化的目的。
     众所周知，太阳能、风能等可再生能源发电具有不稳定、不连续、不可控等特点，大规模并网会给电网安全稳定运行带来冲击，因此也造成了大量的弃风弃光问题，发展配套储能电池系统并实现电能并网是目前新能源发电利用的重要问题。传统铅酸蓄电池，存在电池容量下降快，使用寿命短，环境污染等问题，许多铅酸蓄电池在使用1-4年后，其容量下降达一半以上，这种低效率电池早已不满足时代发展，占比也逐年下降。锂电池则作为新型电池的代表，已全面步入产业化发展阶段，锂电池储能由于其优异的比容量、高比功率、污染小、长循环寿命以及自放电小的特点，是当前电动汽车储能系统的最佳选择，但在可再生能源场景下，优势不明显，并伴随着不可忽视的安全性问题。相较之下，液流电池的优势便十分明显，液流电池优势可以概括为以下方面：
（1）储能容量大：这个特点主要取决于液流电池电解质的活性物质并非包裹在电池里面，其正负电解液是存储在外部不同储液罐中，因此可以突破常规电池容量限制，使其可以根据负荷需求对储液罐容量和电解液浓度进行不同规模设计，使其具有大规模接入电力系统的独特优势，可以适用于百千瓦到百兆瓦级的不同应用范围；

     液流电池总体结构图[1]
液流单元电池结构图[2]
（2）充放电特性优良：在目前以及成功实现应用的全钒液流电池中，由于钒离子在电化学反应中的高可逆性、低极化率，其充放电特性优异，并且其充放电切换的应答速度快，性能衰减程度小。目前，全钒液流电池充放电切换时间可达0.02s，满电解液状态下的电堆启动可控制在2 min内；
（3）输出功率可调：液流电池的输出功率可以通过对堆栈数量的增减以及堆栈面积的大小调节实现对输出功率的调节，这也使得液流电池能量输出弹性大，可以灵活适应不同的功率需求。
（4）安全性能高、寿命长：随着有关锂电池爆炸的新闻层出不穷，电池安全问题不断得到广泛关注与研究。在锂电池中由于锂枝晶生长穿破隔膜导致电路短路的结构性损伤，使得体系温度升高，并且锂电池体系中电解液为可燃的低熔点有机脂类，并且具有大量石墨负极结构，从而诱发爆炸。液流电池的储能介质则为水溶液，更为安全可靠，没有爆炸或着火的风险；并且液流电池均匀性好，目前全钒液流电池循环寿命可达到15000次以上，寿命可达10年以上，是锂电池的3-6倍；
（5）选址自由、环境友好、运维成本较低：相比于非液流储能装置对选址的较强依赖性，液流电池的选址相对自由，受地域、环境等限制相对较小。液流电池的电解液可以实现重复循环以及再生利用，因此可以很好地节约矿物资源。并且，系统可以全自动封闭运行，产生的污染也小，同时维护成本及操作成本较低。
     当然，液流电池也有它自身所存在的瓶颈与挑战，以目前应用最为广泛的全钒液流电池为例：
（1）能量密度较低：由于液流电池能量密度较低，需要一定的占地面积，但是由于安全特性高，在百兆瓦级以上规模储能装机场景下，占地面积甚至会优于锂电池。
（2）工作温度范围较小：全钒液流电池工作温度最佳工作温度在5℃～45℃，铁铬液流电池最佳工作温度为40-60℃，否则需要其它设备进行调节，增加设备运营成本。否则，一旦高于最佳温度，正极溶液中析出的沉淀物将会堵塞流道，影响烟囱工作，导致液流电池失效。
（3）综合成本较高：对全钒液流电池来说，其储能成本是锂电池的1-2倍，其中主要成本是钒电解液以及其中的关键结构离子交换膜，钒电解液的成本约占总成本四成左右。由于国内离子交换膜发展与国外先进技术存在一定差距，目前对以杜邦Nafion为代表国外进口膜的依赖性强，成本高。但由于规模化应用的逐渐展开，液流电池成本正在不断下降，预计在10年内降至1.3元/瓦时。
全钒液流电池和传统铅酸电池性能对比[3]
     目前，液流电池除了应用最广泛的全钒液流电池外，还有铁铬液流电池、全铁液流电池、锌溴液流电池、锌铁液流电池、多硫化钠-溴液流电池、锌锰液流电池等。2020 年底，国家电投成功研制的“容和一号”大容量电池堆在河北张家口战石沟250kW/1.5MWh示范项目上成功应用，国家电投对其拥有自主知识产权，并且“容和一号”铁-铬液流电池堆量产线也于今年正式投产，每条产线每年可生产5000台30kW“容和一号”电池堆，这标志着铁铬液流电池正式迈入商业化阶段。预计今年年底，国家电投在内蒙古霍林河启动的全球首个兆瓦级铁-铬液流电池储能示范项目建设也将进入投产阶段，随着铁铬液流电池的不断发展，将在可再生新能源储能上提供新的可能性。
位于张家口的全球最大规模250KW铁铬液流电池储能示范项目
总结：液流电池由于其储能能量大、充放电性质优良、输出功率可调、安全性能高、寿命长、选址自由、环境友好、运维成本较低等特点在处理不稳定、不连续、不可控新能源发电场景时，较传统铅酸电池以及新型锂电池具有强大的长时储能优势。目前来看，虽然液流电池在工作温度和综合成本上还有一定局限，但随着产业化布局以及伴随的技术提升，液流电池将势必成为可再生长时储能装置的优解。
参考文献：
[1]鲍文杰.浅析锌铁液流电池锌枝晶研究现状及展望[J].当代化工研究,2021,(23):14-16.
[2]鲍文杰.典型液流电池储能技术的概述及展望[J].科技资讯,2021,19(28):33-39.
[3]张宇,王晓丽,赵洪贵,孙旻,刁永丰. 全钒液流储能电池—新能源绿色基站电源的新选择[C].通信电源新技术论坛2011通信电源学术研讨会论文集.,2011:286-290.

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