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【文章】大规模长时储能与全钒液流电池产业发展

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【文章】大规模长时储能与全钒液流电池产业发展
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第5期总第337期太阳能2022年5月SOLAR ENERGYay,2022D0:10.19911/j.1003-0417.yn20220404.01文章编号:1003-0417(2022)05-14-09大规模长时储能与全钒液流电池产业发展严川伟(1.中国科学院金属研究所,沈阳110016:2.辽宁科京新材料有限公司,沈阳110172)摘要:中国己经明确了实现“双碳”目标的战略在于发展以可再生能源为主体的新型电力系统,而大规模储能是保障可再生能源利用的支撑条件,是该战略不可或缺的组成部分。全钒液流电池作为一种可靠的大规模长时储能技术,具有良好的本征安全性、技术适合性和经济性潜力,与已有的抽水蓄能、压缩空气储能等之间有着显著的互补性,具有不可替代性。历经数十年的发展,全钒液流电池技术已经达到成熟可靠的程度,具备了大规模产业化发展的条件。阐述了全钒液流电池的技术发展、产业链状态、钒资源及其市场特点等,对影响产业发展的因素进行了分析,对产业发展定位和关键工作方向提出了建议。关键词:大规模储能:长时储能:全钒液流电池:产业发展中图分类号:TK02文献标志码:A0引言中占比较高,是温室效应及相应环境问题的重随着中国碳达峰碳中和(下文简称为“双碳”要根源,发展可再生能源(风能、太阳能)并目标及其实施战略的确定,进一步强化了储能在以此替代传统能源已成为全球共识。而可再生国家能源发展战略中的重要性,也决定了储能的能源发电所固有的间歇性、波动性及不稳定性,发展将对经济社会产生重要影响。其中,全钒液必须配置相应的储能才能实现大规模、可持续流电池作为满足大规模长时储能需求的一种新型的开发利用。储能形式,其技术和产业发展受到高度关注。因此,储能及发展合适的储能技术是社会能本文旨在从技术和产业发展角度对全钒液流源发展或能源革命的必然要求,是电力发展的刚电池的背景、现状和前景做简要阐释和分析,为性需要和能源发展战略的重要内容。“双碳”战大众提供了解该技术的基本知识,为拟从事相关略是指导中国社会经济发展的原则,其不仅规定基础研究的科学工作者立题研究提供行业背景指了实现碳达峰碳中和的任务目标和时间表,还明导,为拟投身储能产业的青年人提供可能的职业确了实现的根本途径,即发展基于可再生能源的判断思路:为投资者做商业分析提供初步的专业新型电力系统川。由于储能是构建新型电力系统素材:为相关企业制定发展战略提供参考。的重要支撑,所以“双碳”战略客观上规定了储能产业发展的路线图。1储能其及在“双碳”战略下的意义尽管储能的需求是多元和系统化的,其技术能源及其消费强度是一个社会发展水平的类型、特点和适应性各自不同,如图1所示,但重要衡量指标。由于化石能源在当前能源结构在支撑可再生能源替代传统化石能源及“双碳”收稿日期:2022-04-04基金项目:国家自然科学基金资助项目(21975267)通信作者:严川伟(1963一),男,中国科学院金属研究所研究员、辽宁科京新材料有限公司首席科学家,主要从事全钒液流电池方面的研究。cwyan@imr.ac.cn(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net第5期严川伟:大规模长时储能与全钒液流电池产业发展行业观察战略意义方面,70%以上的储能需求是大规模、2.2关于大规模储能的技术长时间的容量型或能量型储能。基于研究和工程实践及其所获得的业界共识,适合于长时间、大规模的储能形式主要包括小时回级如下3类。钠硫电池1)抽水蓄能:作为最成熟可靠的储能技术,是近年来中国重点投资建设的储能形式,国内外已有众多的应用案例。甚至抽水蓄能已经作为大规模储能的标杆,经常以其能量转换效率、初始10 kW 100 kW 1 MW 10 MW 100 MW 1 GW适合的储能功率规模投资及全寿命成本等方面指标来对发展的新型储图1典型储能形式的技术特征与应用适合性能技术进行比较评判。Fig.1 Technological characteristic and using suitability of抽水蓄能的局限性主要在于其对建设选址classical ways for energy storage的要求较高(建坝条件、环境影响和淹没区移早在半个世纪前,液流电池就被认为是克服民等),一些地区可用于建大型抽水蓄能电站可再生能源(风能、太阳能)自身缺点和局限性的资源已近枯竭(如江苏省等),且建设周期漫的技术。历经数十年发展,全钒液流电池现已长(7~10年)。是最成熟、最接近产业化的液流电池技术,必将2)压缩空气储能:虽然传统的压缩空气储能成为实现“双碳”战略的现实有力的储能手段。属于成熟技术,但由于系统在运行过程中需要补充额外能源(压缩过程放热能量散失,膨胀过程吸热2大规模储能的要求与技术需用燃气燃烧予以补充),导致系统的能量转换效2.1基本要求率偏低(仅20%~50%),并且其也受资源条件限用作大规模储能的储能技术,必须满足技术制(需要利用大型地下岩洞或矿洞等作为储气库)。适合性、安全可靠性和经济性等最基本要求。但近年来针对传统压缩空气储能进行的研究)技术适合性:在技术上适用于或满足于以取得了进展,发展为新型压缩空气储能技术,主容量型为主的大规模、长时间储能的应用。要是将压缩热进行有效存储和利用,提升了能量2)安全可靠性:由于大型储能系统是电力供转换效率(可达到60%或以上)。给系统的重要环节,技术必须达到足够安全、足3)液流电池:液流电池包括多种形式,全钒够可靠(出问题的概率足够低)。毫无疑问,储液流电池是最接近产业化和规模化应用的一种。能技术本身足够安全(本征安全)是储能系统足全钒液流电池主要特点在于:本征的安全性(是够安全的重要保障。水性体系的电池),适合性(基本电池单元大、3)经济性:能够进行良性的商业化操作,在液流便于热管理、寿命长),经济性潜力大(技市场环境下能可持续地、大规模地推广应用,发术进步快,而且“天花板”足够高)。挥其功能和社会价值。当然,这不排除作为新技全钒液流电池不受地域、环境等条件的限制,术在发展初期可能获得或需要获得政府政策性扶其储能规模上限小于抽水蓄能等,但属于大规模持或补贴,但该技术最终必须走上能自我盈利和储能“赛道”的技术,其应用应该定位于大规模、独立运行的商业化轨道。长时间储能。此外,环境友好或环保性既可以作为一项独抽水蓄能、压缩空气储能和全钒液流电池3立要求,也可以合并在经济性中予以考虑。种储能技术的特性比较如表1所示。(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net行业观察太阳能2022年表13种储能技术的特性比较Table 1 Comparison of characteristics of three types of energy storage technologies项目抽水蓄能压缩空气储能全钒液流电池备注系统的能量转换效率%7075[a)新型压缩空气储能为60%或以上响应时间分钟小时分钟小时建设周期/年7.0≈10.01.50.5适合规模适合储能时间小时级~周级5-20h寿命/年30功率一容量灵活性无有[b]新型小系统可能有选址及限制受限不受限技术进步空间小有大3全钒液流电池技术的发展分的认识,形成了电极材料性能调控的基本理论3.1电池堆及其应用体系和技术工艺系统,这不仅支撑了近年来电池首先,关键性技术指标取得了大幅度提升。堆技术水平的持续提高,也能较好地满足产业进例如,工作电流密度(在约定的能量转换效率下,一步的发展需求。单位电极面积上能实现的工作电流值),当能国内经典的石墨毡电极材料产品的技术指标量转换效率为80%时(该值现已被业界约定俗已与国外先进水平相当。与此同时,随着流过式成地作为可接受的入门条件),10年前的工作电池堆技术的发展,适合于新电池结构的石墨基电流密度在70~100mA/cm2,当前己达到200新型材料也已经处于试验验证阶段。mA/cm2,提高了2~3倍,使电池堆单位千瓦制2)双极板:作为隔离相邻单体(片)电池的造成本成倍下降。导电部件,需要具有良好的化学和电化学稳定性、其次,电池堆及储能系统的可靠性获得了实良好的导电性(包括本体导电和接触导电)。碳质性改善。现在作为核心部件的电池堆出问题的基导电复合材料是适宜的材料类型。但与这类材概率已经较低,基本可以像其他传统电气设备一料的传统应用(导静电)不同,作为双极板对导样稳定地工作。电性的要求高得多,技术开发的核心在于导电和3.2电池关键材料机械性能的协同优化,而不同的工艺方式对生产)电极:是钒离子电极反应的载体(本身不效率和成本有较大影响。参加电化学反应过程),需要有很好的化学和电目前的技术和工艺可以满足产业需求。不过,化学稳定性、良好的导电性、较大的表面积和较双极板面临的技术发展挑战在于:兼容电池堆焊高的钒离子反应活性。石墨毡是技术和经济方面接工艺的应用和流过式结构趋势(双极板的基本均适宜的电极材料。功能叠加传质或辅助传质功能),以适应电池堆导电性和电化学活性是电极材料的最主要性技术发展的需要。能。人们已经对相应的影响因素及作用规律甚至3)隔膜:功能在于隔离钒离子传导氢离子,电极反应机制做了较为系统的研究,有了较为充实现电路上的离子导通。因此,需要具有良好的(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
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