隨著我國碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的推進(jìn),儲(chǔ)能的發(fā)展得到了國家頂層能源戰(zhàn)略的支持。

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

通常我們認(rèn)為,持續(xù)放電時(shí)間不低于4小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng),就是長時(shí)儲(chǔ)能。隨著我國對新能源配儲(chǔ)占比要求達(dá)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時(shí)儲(chǔ)能需求成為剛需,其重要性不言而喻。

作為長期存儲(chǔ)能源的技術(shù),它可以通過擴(kuò)大儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)模來維持?jǐn)?shù)小時(shí)、數(shù)天甚至數(shù)周的電力供應(yīng),同時(shí)為脫碳做出重大貢獻(xiàn)。

一、適用于長時(shí)儲(chǔ)能的特別技術(shù)

目前,鋰離子電池是市面上最常見的儲(chǔ)能技術(shù),被廣泛應(yīng)用于動(dòng)力電池儲(chǔ)能。由于其功率和容量耦合,成本將隨著時(shí)長的增加成倍增長,所以它不適合做長時(shí)儲(chǔ)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。 那么有沒有一項(xiàng)電池儲(chǔ)能技術(shù),既能夠保留鋰離子儲(chǔ)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(chǔ)存在電堆外部的儲(chǔ)液罐中,通過泵輸送到電堆內(nèi)部,在電極處進(jìn)行氧化還原反應(yīng),反應(yīng)后的活性物質(zhì)隨著電解液流回外部儲(chǔ)液罐。液流電池主要利用正負(fù)極兩側(cè)溶液中活性物質(zhì)氧化還原狀態(tài)的改變,來實(shí)現(xiàn)充放電。在中大型儲(chǔ)能項(xiàng)目建設(shè)中,液流電池具有無可比擬的優(yōu)勢,且可運(yùn)用于多場景。

液流電池運(yùn)行原理圖

長期來看,隨著新能源逐步成為電力系統(tǒng)的主體,液流電池儲(chǔ)能的應(yīng)用場景也會(huì)有很多,功率范圍將涵蓋kW級(jí)的用戶側(cè)場景,到GW級(jí)的發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)場景,儲(chǔ)能時(shí)長則從秒級(jí)、分鐘級(jí)、小時(shí)級(jí)到跨日、跨季不等。

● 電網(wǎng)側(cè):液流電池儲(chǔ)能產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模存儲(chǔ)和釋放,電網(wǎng)方向可應(yīng)用于調(diào)峰、調(diào)頻及備用等,主要保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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

● 用戶側(cè):當(dāng)停電導(dǎo)致住宅、商業(yè)社區(qū)等無電可用時(shí),液流電池儲(chǔ)能產(chǎn)品可解決能源短缺并提供能源恢復(fù),保障正常工作、生活用電。

新型儲(chǔ)能豐富的應(yīng)用場景

二、液流電池多條技術(shù)路線,誰主沉浮?

從各地發(fā)布的十四五時(shí)期新能源儲(chǔ)能裝機(jī)目標(biāo)統(tǒng)計(jì),至2025年發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能的規(guī)劃裝機(jī)總規(guī)模超過67GW。而截至2021年,中國新型儲(chǔ)能裝機(jī)僅400萬千瓦(中國電力規(guī)劃總院數(shù)據(jù)),市場增量需求巨大?？紤]到不同場景的儲(chǔ)能需求有很大差距,未來會(huì)有多種儲(chǔ)能技術(shù)并存,共同支撐電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)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,繼全釩、鐵鉻后,鋅鐵技術(shù)路線猶如一匹黑馬,以獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢與低成本,殺出重圍。技術(shù)路線的不同,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(nèi)發(fā)展較為成熟、項(xiàng)目最多的技術(shù)路線之一。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(chǔ)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(jí)鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能示范項(xiàng)目在內(nèi)蒙古成功試運(yùn)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(yùn)場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(yùn)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(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

● 鋅鐵液流電池

鋅鐵液流電池由陰極、陽極電解液、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時(shí)存儲(chǔ)、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(jié)合。智能中控為全面且綜合性的智能模塊控制系統(tǒng),監(jiān)測電池運(yùn)行,保持其良好狀態(tài)。目前,緯景儲(chǔ)能科技有限公司研發(fā)的鋅鐵液流電池儲(chǔ)能技術(shù),成功解決了鋅枝晶問題,并擁有此項(xiàng)技術(shù)的專利。

目前,緯景儲(chǔ)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(qū)布局?jǐn)?shù)個(gè)“超G工廠”,引領(lǐng)著新型儲(chǔ)能規(guī)?；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(yīng)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(chǔ)量豐富且價(jià)格穩(wěn)定。據(jù)緯景儲(chǔ)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(dá)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(chǔ)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,全程無危廢產(chǎn)生。

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

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

總體來看,鋅鐵液流電池具備極安全、高經(jīng)濟(jì)性,并且可輕松滿足長時(shí)的新型儲(chǔ)能需求,在額定功率輸出下,放電時(shí)長超過8小時(shí)。

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

三、結(jié)語

儲(chǔ)能應(yīng)用場景的多樣性決定了儲(chǔ)能技術(shù)的多元化發(fā)展。在長時(shí)儲(chǔ)能大趨勢下,隨著系統(tǒng)配儲(chǔ)時(shí)長增加,電解液的成本占系統(tǒng)成本比重預(yù)計(jì)將不斷上升,低成本電解液的優(yōu)勢未來將越發(fā)明顯。液流電池與長時(shí)儲(chǔ)能這對黃金搭檔,將攜手助力中國雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

新型電力系統(tǒng)具有綠色低碳、柔性靈活、互動(dòng)融合、智能高效、安全穩(wěn)定的顯著特征。新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過程中其中一個(gè)重大難題就是中大型儲(chǔ)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,包括在風(fēng)光發(fā)電配儲(chǔ),電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、共享儲(chǔ)能站、虛擬電廠等領(lǐng)域均有較好的應(yīng)用前景。