鉅大LARGE | 點擊量：6170次 | 2019年02月21日
全釩液流電池儲能進展與應用介紹
作為解決可再生能源大規模接入、傳統電力系統削峰填谷、分布式區域能源系統負荷平衡的關鍵支撐技術，大容量儲能技術已成為世界未來能源技術創新的制高點。由于產業鏈長、產業規模大，儲能產業已成為戰略性新興產業，得到了工業發達國家產業界的重點關注。
2016年4月1日國家能源局頒布的《2016年能源工作指導意見》中明確提出“加快全釩液流電池”等領域技術定型。這些無疑為全釩液流電池儲能技術的研究開發和商業化應用的提供了重大機遇。
技術特點
對于大規模儲能技術而言，由于系統功率和容量大，有其自身的技術要求，主要包括以下三個方面：安全性好;生命周期的性價比高(生命周期的經濟性好);生命周期的環境負荷小(生命周期的環境友好)。全釩液流電池儲能技術能很好地滿足上述要求。
對規模儲能技術而言，由于系統功率和容量大，發生安全事故造成的危害和損失大，因此規模儲能技術的首要要求是安全可靠性。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
全釩液流電池是通過釩離子的價態變化，實現化學能到電能的往復轉換，從而實現電能存儲與釋放的一種儲能技術。與其他儲能技術相比，全釩液流電池儲能技術具有以下優點：
安全性好：全釩液流電池的儲能活性物質為釩離子的水溶液，常溫常壓運行，不會發生燃燒。經過長時間運行，即使離子傳導膜發生破裂，正負極活性物質發生互混，也不會發生爆炸和燃燒。系統運行過程中，電解液在電堆和電解液儲罐之間循環流動，電堆產生的熱量可以有效排出，熱管理簡單。全釩液流電池體系的技術特性使得單體電池間一致性好，消除了像鋰離子電池那樣因為一致性差而導致的系統安全性問題。
循環壽命長：全釩液流儲能電池的充放電循環壽命可達13000次以上，日歷壽命超過15年。由于全釩液流儲能電池的活性物質——釩離子存在于液態的電解液中，在電池反應過程中，釩離子僅發生價態變化，而無相變，且電極材料本身不參與反應，因此電池壽命較長。日本住友電工制造的25kW的全釩液流電池模塊在實驗室中運行，充放電循環次數超過16000次。與風電場配合使用的4MW/6MWh電池系統，在3年的應用中實現充放電循環27萬次。在1MW/5MWh全釩液流電池儲能系統中，電解液的成本約占整個成本的45%，由于電解液可循環使用，所以生命周期的性價比高。
充放電特性良好：全釩液流電池儲能系統具有快速、深度充放電而不會影響電池的使用壽命的特點，且各單節電池均一性良好。另外，釩離子的電化學可逆性高，電化學極化也小，因而非常適合大電流快速充放電。與傳統電池相比，全釩液流電池更加適應在過充、欠充、局部SOC區間等電網實際工況條件下運行的要求。
功率和容量獨立設計：全釩液流電池儲能系統的顯著優勢之一是功率和容量相互獨立。全釩液流電池的功率由電堆的規格和數量決定，容量由電解液的濃度和體積決定。因此，功率的擴容可通過增大電堆功率和增加電堆數量實現，容量的提高可以通過增加電解液體積實現。功率和容量相互獨立，使得設計更加靈活。輸出功率范圍：kW～數百MW，儲電容量范圍：10kWh~數百MWh。
環境友好：全釩液流電池電解質溶液可循環使用和再生利用。電堆的關鍵材料中，電極材料為碳氈，雙極板為碳板，集流板為紫銅板，端板為鋁合金板或鑄鐵版，電解液傳輸管道為工程塑料管，材料來源豐富，加工技術成熟，易于回收利用，生命周期中環境友好。
可實時、準確監控電池系統荷電狀態(SOC)：全釩液流電池開路電壓(OCV)高低表征儲能電池系統容量狀況。通過電化學滴定方法測定正負極電解液濃度可以準確計算儲能系統的容量狀況(SOC)，并與OCV進行對應，獲取儲能電池系統SOC與OCV的函數關系曲線。將函數關系曲線耦合到電池管理系統中，可以通過測量系統開路電壓對儲能系統容量狀況進行精確測算。該特性有利于電網進行管理和調度。
由于受釩離子溶解度的限制，和其他電池相比，全釩液流電池儲能密度偏低、體積較大，不適合于動力電池，適合用于大型固定儲能電站。另外，電池系統增加的管道、泵、閥、換熱器等輔助部件，使得全釩液流電池儲能系統較為復雜。
總體看，在輸出功率為數百千瓦至數百兆瓦，儲能容量在3小時以上級的大規模化固定儲能場合，全液流電池儲能技術具有明顯的優勢，是大規模高效儲能技術的首選技術之一。
技術進展
從2000年開始，中科院大連化學物理研究所(下稱：大連化物所)和大連融科儲能技術發展有限公司(下稱：融科儲能)通過產學研合作，在電池材料、部件、系統集成及工程應用方面關鍵技術方面取得重大突破，引領中國全釩液流電池儲能技術走在世界前列。
1.掌握了電池關鍵材料核心技術與產業化生產能力，產品性價比優勢明顯
在釩電解液開發方面，研發團隊以自主生產的高純釩氧化物為原料，運用專利技術工藝，實現了硫酸體系釩電解液產品、混合酸體系釩電解液產品的規?；a。目前產能達5萬立方米/年，能夠滿足本項目及國內外市場需求，已經出口歐、美、日等發達國家，占據同類產品80%的市場份額。
在雙極板開發方面，研發團隊突破了液流電池用高性能、低成本碳塑復合雙極板批量化制備技術，并研制出連續成型生產設備，已經實現批量化生產廣泛應用于工程項目中。
在離子傳導膜開發方面，突破傳統的“離子交換傳遞”機理的束縛，原創性提出了不含離子交換基團的“離子篩分傳導”概念，發明了高選擇性、高導電性、低成本的非氟多孔離子傳導膜，從分子尺度上實現了對釩離子和氫離子的篩分，擺脫了對離子交換基團的依賴，提高了非氟膜的穩定性和耐久性。經10,000多次充放電循環考核，電池性能無明顯衰減，電池性能優于全氟磺酸離子交換膜，價格不到全氟磺酸離子交換膜的20%，并實現中試生產和示范應用。
2.掌握了全釩液流電池電堆設計、制造及批量化生產技術
電堆是全釩液流電池儲能系統的核心部件，它的性能和成本直接影響電池儲能系統的性能和成本。大連化物所和融科儲能研究團隊突破了電堆的結構設計與集成技術，在2009年成功開發的22kW級液流電池單體電堆基礎上，通過進一步優化創新。2013年，成功將電堆的額定工作電流密度由原來的80mA/cm2提高到120mA/cm2而保持能量效率80%，開發出具有國內外領先水平的31.5kW單體電堆，大幅度降低了電堆的材料成本。
3.突破兆瓦以上級儲能系統設計集成技術，實現了全釩液流電池儲能技術的商業化應用
MW以上級液流電池儲能系統通常由上百個甚至數百個電堆構成，儲能系統的集成和控制技術直接影響到運行的可靠性和穩定性。研究團隊創新性地提出了模塊化設計理念，開發出可獨立控制運行的液流電池單元儲能模塊和系統集成技術、智能控制管理技術及多系統耦合與控制技術。圖2為研究團隊研制出高集成度的125kW和250kW集裝箱結構的全釩液流電池單元儲能模塊，實現了工業化生產。產品的可靠性、穩定性好，在運輸、現場安裝、靈活設計和環境適用性等方面都具有顯著優勢。應用標準的儲能模塊可以構建兆瓦級大規模的電池系統。
4.引領行業、國家標準和國際(IEC)
液流電池標準的制定
研發團隊帶頭人師張華民研究員推動成立了“國家能源行業液流電池標委會”，并任主任委員，牽頭制定的多項液流電池國家和能源行業標準填補了國內空白。大連化物所和融科儲能公司受歐洲標準委員會(CEN)和歐洲電化學技術標準委員會(CENELEC)邀請，作為歐洲液流電池協議的發起者之一，全面參與歐洲液流電池行業協議的制定。
另外，在張華民研究員的積極推動下，國際電工委員會(IEC)IEC已提出把液流電池標準制定納入工作范圍，并成立了專門的“液流電池國際標準研究組”。公司副總經理、總工程師張華民研究員是其中3名委員之一和召集人，他將液流電池的標準工作正式納入國際電工委員會工作范疇，并主持《IEC62932-2-1固定式液流電池通用要求和測試方法》國際標準。
工程項目情況
在國家能源結構調整的大背景下，大連化物所和融科儲能公司針對目前存在的問題和需求，分別在可再生能源發電領域、分布式發電及智能微網、無市電地區供電等領域開展一系列全釩液流電池工程項目，積累了豐富的應用經驗。典型項目情況如下。
1.可再生能源發電領域
研發團隊于2012年在遼寧省龍源臥牛石風電場建設了“5MW/10MWh全釩液流電池儲能應用示范電站”。該電站于2012年成功通過遼寧電網和業主的驗收，各項指標全部達到設計要求。儲能電站直接接受遼寧省電力公司調度中心調度，已穩定運行三年多。這是目前世界上第一套實際并網運行的5MW級大型工業該儲能電站，標志融科儲能在該領域技術研發、成套產品生產等方面處于國內領先，國際先進水平。
在能量管理系統的統一調度下，5MW/10MWh全釩液流電池儲能系統實現了以下功能：平滑風電輸出;提高風電場跟蹤計劃發電能力;風場棄風限出力情況下儲電，增加風場收益;暫態有功出力緊急響應、暫態電壓緊急支撐功能;接受電網調度，參與電網調頻電網調峰。
在5MW/10MWh全釩液流電池儲能電站成功運行的基礎上，研發團隊又先后實施了遼寧黑山龍灣風電場3MW/6MWh全釩液流電池儲能電站項目、國電和風北鎮風電場2MW/4MWh全釩液流電池儲能電站項目。同5MW/10MWh全釩液流電池儲能電站相比，電站功能更加豐富，實現了孤島運行、節能降耗和黑啟動功能，風電場運行更加智能化，具備網源友好性特點，更加有利于電網與風電場相互協調及管理調度，有利于電網接納風電能力的提高。
2.分布式發電和智能微網領域應用
研發團隊于2014年6月成功實施了遼寧電科院風/光/全釩液流電池儲能的智能微網項目。全釩液流電池儲能系統配置為100kW/400kWh，采用集裝箱方式室外安裝。該系統已經穩定運行接近一年。2014年，研發團隊為中廣核青海光/儲智能微網工程提供了125kW/1MWh全釩液流電池系統，與光伏發電結合，為青海共和縣無市電地區提供電力供應。作為智能微網中不可缺少的一部分，全釩液流電池儲能系統能夠有效對微網內風能和太陽能發電輸出特性進行調節，保障了微網運行穩定性。針對分布式發電和智能微網領域，研發團隊還為金風科技集團北京亦莊風/光/儲智能微網工程提供了200kW/800kWh全釩液流電池系統。
3.無市電地區供電領域應用
研發團隊在大連蛇島自然保護區實施了光/柴/儲離網供電工程。該離網系統運行至今已經三年有余，運行穩定，用戶對整套離網供電系統運行效果非常滿意。
在該離網系統投運之前，蛇島上的用電主要靠柴油發電機提供，考慮成本因素一天只使用幾個小時的電，島上人員辦公和生活條件非常艱苦與不便。在離網系統投入運行之后，不僅保證了蛇島辦公及生活設施的二十四小時連續供電，島上維護人員的生產及生活條件得到較大程度改善，而且基本消除了柴油發電機的使用，降低了柴油的消耗，保護了環境，同時也降低了噪音污染，有利于蛇島自然保護區的生態保護。
另外，隨著國際儲能市場商業化進程的不斷加快，研發團隊也大力拓展國際市場。2014年，與德國博世集團(BOSCH)合作，在德國北部風場建造了250kW/1MWh全釩液流電池儲能系統。該系統是目前歐洲最大規模的全釩液流電池儲能系統，已通過驗收，實現并網運行。
從1986年提出全釩液流電池概念至今，全釩液流電池在關鍵材料、電堆、電池系統設計與集成都上取得了重大進展，大量的應用示范不僅驗證了技術的有效性和成熟性，也越來越多的得到了市場認可，產業鏈逐步完善，整體產業已經進入市場化初期階段。隨著大規模可再生能源應用為全釩液流電池提供了廣闊的市場空間，隨著電力體制改革的深入和激勵政策的出臺，全釩液流電池將迎來第一輪市場爆發期。
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