鉅大LARGE | 點擊量：537次 | 2023年05月29日
全釩液流電池儲能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵
4月24-26日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會主辦的第九屆中國國際儲能大會在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月25日上午的“儲能電池與技術(shù)應(yīng)用（上）”專場，武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院副教授熊斌宇在會上分享了主題報告《全釩液流電池儲能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與關(guān)鍵問題》，以下為演講實錄：
熊斌宇：首先感謝大家給我這次寶貴的機會跟大家交流，我是武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院的熊斌宇。因為我這兩天也聽了很多的報告，包括鋰離子的電池，可能今天我想跟大家分享的是我博士期間和我這兩年所做的一些工作，是關(guān)于全釩液流電池儲能系統(tǒng)，可能有點小眾，但是給大家換換口味，聽了這么多鋰電池的。這個定位，因為它比較小眾，可能大家對它的了解不是特別深入，所以我可能更多的是做一些基礎(chǔ)上或者科普性的講解。
我今天的演講內(nèi)容包括三個方面：第一，儲能技術(shù)和現(xiàn)狀；第二，全釩液流電池儲能系統(tǒng)；第三，全釩液流電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和關(guān)鍵問題。
首先看一下儲能技術(shù)與現(xiàn)狀。我們的全釩液流電池可能更多的是偏向于大規(guī)模儲能的，所以說我選擇了它的應(yīng)用背景是一個電網(wǎng)，在發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、配電側(cè)，其實都可以有它的用途。這個背景可能大家也比較了解，一方面就是可再生能源大規(guī)模接入，我們要引入到穩(wěn)定性問題，再一個方面它的消納問題，所以我們也需要儲能裝置的引入。第二，我們需要儲能裝置有效緩解資源限制和負(fù)荷需求不斷增長的矛盾，延緩設(shè)備的更新和投資。第三，可能用戶側(cè)這方面也需要一個儲能裝置的引入，這樣一方面可以保證電能質(zhì)量也可以做一些削峰填谷的一個選擇。
這張圖主要是不同的儲能的技術(shù)路線，可以看到，儲能的形式有非常多種，主要分為五大類，第一種是氫儲能，第二種是機械儲能，第三種是電化學(xué)，還有電儲能和熱儲能。我今天所講的一液流電池屬于是電化學(xué)儲能，我們可以看到液流電池從縱軸來講放電時間在小時以上，可以從熱備用、輸配電、大功率輸出，都可以有它的用武之地。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
這個可能大家也比較熟悉，這是2016年的數(shù)據(jù)，就是我們儲能裝機容量的比例圖，我們電化學(xué)儲能現(xiàn)在蓬勃的發(fā)展，但是在2016年的時候依然只有3%，但是它發(fā)展的很快，可以看到下面的柱狀圖，2012年的時候它的電化學(xué)裝機容量規(guī)模是在接近600兆瓦的裝機規(guī)模，到2018年到了3600兆瓦，已經(jīng)翻了六番。為什么它可以發(fā)展這么快？我想可能有三點原因：第一點，它的成本下降非常快，可能剛才王主任也說到了，鋰電池的成本，2020年我看圖上面寫到成本大概是在1.1元/瓦時，這樣其實在幾年以前還是非常貴，可能3元左右人民幣，所以說成本的下降推動了它的蓬勃發(fā)展。第二點，電化學(xué)電池是不受到地域的限制的，比如說抽水蓄能或者是其他的方式，可能需要有水，所以說電化學(xué)可能會不受地域的限制。第三點，能量轉(zhuǎn)換效率很高，鋰電池差不多在90%以上，我的液流電池現(xiàn)在比較成熟的產(chǎn)品效率是在80%左右。這個是我們中國的儲能發(fā)展技術(shù)路線圖，我們可以大概看一下，我們國家給它從2015、2020年、2030年制定的不同的發(fā)展方向。
我的液流電池2015天的成本在7000元左右/千瓦時，2020年是在3500元/千瓦時，可能現(xiàn)在已經(jīng)可以達(dá)到制定的目標(biāo)了，2030年成本會更加低一些。
這個圖也是不同的儲能技術(shù)的參數(shù)對比，可能大家也比較熟悉，我就不過多的介紹了，它的優(yōu)勢，我可能會在后面再講一下。
其實我們談到液流電池，其實它是有非常多種的技術(shù)路線的，我今天講的是全釩液流電池，但是實際上它有非常多種電對，比如說第一個是鐵鉻，正級是鉻、負(fù)極是鉻，還有鐵鈦、全釩，還有釩溴，為什么全釩液流電池這么突出呢，主要是都是釩離子，所以不存在離子互串，這種電池在這方面比較好。等下看什么是全釩液流電池儲能系統(tǒng)。
圖四就是全釩液流電池的原理圖，也是比較比較抽象的原理圖，肯定不是實際的。有四部分組成，首先我們要有電解液，第二個就是我要有電堆，電堆是它發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方，這是它的一個核心。第三個，它有兩個儲能罐，還要有兩個電泵，這兩個電泵就是儲能罐里的電解液，它的正極是釩的四價跟五價組成的，負(fù)極是釩的二價和三價組成的，可能大家覺得這個圖為什么是花花綠的，實際上不同的釩的二、三、四、五價是不一樣的，所以畫成這樣子了。
還有電池堆的結(jié)構(gòu)，有點類似于我們?nèi)剂想姵氐慕Y(jié)構(gòu)，它是由端板、雙極板、集流板、石墨氈、離子交換膜、密封圈組成的，圖五就是一個示意圖。
它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其實跟鋰電池是一樣的，也是由EMC、BMC、PCS組成的，這個圖上面有四個大罐子，上面是電堆，還有控制系統(tǒng)，包括散熱器，下面一個圖就是微觀的，有一個散熱器。這個就是散熱功能，這個電池比較好的一點就是散熱比較簡單，不像鋰電池可能會有很復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)，只需要把電解液引出來然后進(jìn)行集中散熱就可以了。
我來講一講全釩液流電池的特點，因為我之前讀博士的時候做的這個電池，但是對它也是不求甚解，因為畢竟是在讀文章，但是我最近一段時間也是去我們國家做的最好的一個全釩液流電池廠商，加上我自己在我的實驗室里面也搭了5千瓦的小系統(tǒng)，所以我對它的理解更深刻一些。
第一點，安全性好。我們現(xiàn)在都在談安全性，因為面對電網(wǎng)，我們電網(wǎng)安全性肯定是必須要保證的，我們的安全性怎么保證？可能全釩液流電池就有獨特的特點。為什么它是安全的？因為它的電解液，它是一個水溶液，它是硫酸，可能有些廠家也有鹽酸和釩離子的混合液，所以它不會燃燒，也幾乎不可能爆炸，除非你把它過充了，你過充了可能就會有氯氣和氧氣冒出來，可能會有一些危險，你肯定管理的時候要注意。2，因為它是流動的，它電堆里面的熱量就會很快的被打出來，所以它的熱量會有效的排除，第二個熱管理，我剛才給大家展示了，兩個散熱器，也是比較簡單的。3，它的一致性，因為一個電堆里面可能有30多個單電池或者是50多個單電池串聯(lián)在一起的，我怎么樣保證它的一致性，其實就是保證進(jìn)入這個單電池里面的流量是一樣的恩就可以了，所以說我們是可以通過設(shè)計這個流場來達(dá)到它的一致性。
第二點，壽命長。充放電過程中電機材料只是一個界面，所有的反應(yīng)都是那個釩的二價到三價、三價到四價、四價到五價這樣的反應(yīng)，所以沒有一個相變的過程，不像鋰電池可能有嵌入和脫嵌的過程，所以它的電極可以一直保持穩(wěn)定。2，它的過放是沒有任何問題的，我們經(jīng)常會把這個電池電全部放掉，沒有任何問題，本身他初始狀態(tài)就是有二價和三價、三價和四價釩電池的電解液所混出來的，所以過放是沒有什么問題的，過充肯定是有問題的。
第三點，設(shè)計靈活。我的容量其實可以設(shè)計的無限大，比如說最極端的例子，比如這個儲能罐很大，電解液非常多，我們的功率是由電堆的截面積所決定的。
第四點，容量可恢復(fù)。你這個電池，剛才看到隔膜，隔膜肯定我們想它的選擇性是百分之百的，我可以把二價、三價、四價、五價的正負(fù)電解液全部隔開，但是實際中是不可能的，肯定有互串，就有自放電、容量衰減，但是容量衰減是不是就不能用呢？不是這樣的，如果有小規(guī)模容量衰減的話，其實都無所謂，比如說真正衰減到30%或者40%以后，我可能就給它做一個大的手術(shù)，我們就是正負(fù)電解液互混，互混以后就變成初始狀態(tài)，我們就又可以用了。
這個是發(fā)展歷程，首先概念是1974年NASA的Thaller提出的鐵鉻液流電池，這個技術(shù)路線最后驗證是被淘汰的。日本是跟進(jìn)最早的，日本是NEDO1980年就跟進(jìn)了全釩液流電池，現(xiàn)在日本做全釩液流電池最大的廠商是住友集團(tuán)，他們也是老大哥了，做這個做得很好。1986年是Maria，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的一個教授，他申請了VRB專利，也是全釩液流電池的第一代產(chǎn)品，或者是它的一個鼻祖。1988年就是展示了1千瓦的電堆，同時也在泰國在不同的地區(qū)有一個展示。我們國家現(xiàn)在做的比較好的就是大連融科集團(tuán)，他們10幾年一直在做這個事情，從1千萬、2千萬、2005年做到10千萬，到2015年做到33千萬的電堆。33千萬的電堆可能會有講臺一半這么大，就是它的尺寸。
這個圖就是電堆的規(guī)模，我們可以看到，這個數(shù)據(jù)還是不全的，2000年以后的數(shù)據(jù)都沒有去搜集它，可能下一步要把這個工作做好。電堆規(guī)模也是在不斷增大的。
可能大家也有疑問，既然儲能電池壽命也長、壽命也高、也比較安全，為什么它的市場份額會那么少，或者不是那么容易被產(chǎn)業(yè)接受呢？那也是他的一個致命的缺點，就是他的能量密度或者是我們所說的比能量會比較低一些，因為它的電解液差不多是在25瓦時/升，但是鋰離子電池可能200—300瓦時/升，所以說同樣一個體積，鋰電池的能量是它的10倍，所以說它很占地方。第二個，因為它確實很貴，等會兒也可以看到五氧化二釩，釩礦的價格漲的非常厲害，所以它的成本一直下不來。
這個地方是我們統(tǒng)計的，從網(wǎng)上找的一些資料，可以分享給大家。裝機容量的市場規(guī)模，我們可以看一下，雖然它的絕對值在增長，從2011年的裝機容量只有3千萬到2017年有15.6，這個統(tǒng)計可能有問題的，不可能只有這么一點。我們看一下趨勢，趨勢應(yīng)該是對的，但是綠色的線大家可以看一下，那個表示的是它的市場，在電化學(xué)儲能這里面的市場份額，它是在不斷下降的，就是我剛才說的原因，一個是它大、一個是它貴，所以對于市場來說它可能不接受。
可持續(xù)發(fā)展。我們國家釩礦的儲能，我們是一個非常富有釩的國家，所以我們也可以利用這個優(yōu)勢，我覺得這個產(chǎn)業(yè)還是有很大的發(fā)展的，還有它的裝機容量，這個地方我就不再多說了。
我們的儲能項目，目前為止大部分都是示范項目，示范項目其實日本住友，你可以看到，有15兆瓦的，都是2015年的時候，15兆瓦的，現(xiàn)在看來是不大的，我們的儲能，前兩年做的比較大的項目，湖北棗陽的光伏和全釩液流電池儲能對它的平抑波動和削峰填谷這樣的作用。這是3千瓦—12千瓦的，時間標(biāo)錯了，大概應(yīng)該是2016年左右。大連融科就是我們跟中國化物所來一起建立合作的，它的調(diào)峰儲能電站，現(xiàn)在目前的就是200兆瓦/800兆瓦時，其實它是很大規(guī)模的，現(xiàn)在正在實施，一期工程100兆瓦，現(xiàn)在正在進(jìn)行中。還有國外的有德國的、美國的這些公司，我覺得液流電池技術(shù)的優(yōu)勢我們國家應(yīng)該是走在最前列的。
這里展示一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，比較初步的一些，包括2013年的一些術(shù)語，到這兩年的安全要求，還有一些行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，安全技術(shù)規(guī)范、電解液技術(shù)等等。國外IEC的一些標(biāo)準(zhǔn)，包括通用技術(shù)、安全性。
我們可以看一下專利的水平，中國最多的，1310個專利，其他就是美國、日本，這個發(fā)展并不是特別好，同時我也搜了一下鋰電池的狀態(tài)，它的專利可能就是3000多，不受到市場的重視。
下面這個表是做的比較好的科研單位或者、大學(xué)，清華、大連化物所、中南大學(xué)、華北電力大學(xué)，后面還有相關(guān)的。
主要公司，一個是日本住友、奧地利的、中國普能、融科，美國的、德國的，還有德國研究機構(gòu)。
它的問題：
材料問題，材料電解液，電解液的能量密度怎么提高，怎么能夠讓它體積小一點，穩(wěn)定性，穩(wěn)定性問題怎么解決？高溫的時候容易沉淀。還有溶解性，溶解的比較低的話，自然能量密度就低。離子交換膜，我們其實很多科研院所也在做，當(dāng)然我不是做材料的，很多也在做離子交換膜，但是我們做的離子交換膜有一些突破，但是也歸有一些問題，包括它的可靠性、穩(wěn)定性，比如我用了這個膜以后，可能過兩年變得比較脆，很容易破掉，或者它的可塑性不是那么強，會很容易變形在里面，還有它的選擇性，如果選擇性不好直導(dǎo)致它的庫倫效率會比較低。高內(nèi)阻，內(nèi)阻就是說我的流暢怎么設(shè)計，還有就是我的材料，我的材料怎么樣去活化它，怎么樣去降低它的內(nèi)阻，這個也是關(guān)鍵性問題。
建模問題，這個電池本身有一個獨特的特性，它有漏電流或者旁路電流，因為它的結(jié)構(gòu)比如說是30多個電池一起串聯(lián)的，相鄰兩個之間電池會進(jìn)行相當(dāng)于是短路，這樣的話就會有一個漏電流產(chǎn)生，還有它的熱模型、電氣模型是怎么建立的。
運行優(yōu)化問題，第一個是流速優(yōu)化，流速優(yōu)化會直接影響它的效率。還有電堆的結(jié)構(gòu)，最終會影響它的效率和壽命。
商業(yè)化挑戰(zhàn)，一個是原料上漲，還有相對循環(huán)效率比較低，因為鋰電池一般都是90%或者90%以上，現(xiàn)在來講液流電池整個系統(tǒng)大概75%以上、80%，還是有很大德尚生空間的。
離子交換膜，最成熟的產(chǎn)品當(dāng)然是杜邦公司的，杜邦公司115、112、117，還有其他公司的，還有復(fù)合的膜，還有其他的非全氟的交換膜，都是我們研究的方向，膜的成本也非常高。
電解液，從1.5摩爾/升，到2.6摩爾/升，到下面的2.5—3摩爾/升，這樣的釩離子的電解液，它的功率密度其實是在不斷增加的。
我們自己也發(fā)了一些相關(guān)的文章，一個是漏電流建模，這個圖用的是別人的圖，但是旁邊是我們自己畫的。熱模型、電熱耦合模型，這是我們自己做的，我們考慮溫度上升對它的影響。
電堆流暢如何設(shè)計，讓它的運行方式比較好，讓它的效率比較高，其實也是一個流速優(yōu)化的問題，我怎么樣把它的能量效率提高。
最后一點我想跟大家分享的就是，為什么它推動這么困難？就是因為它的釩價非常高，從2016年的4.4萬元/噸到40萬元/噸，暴漲了10倍，所以說它現(xiàn)在的成本大概是3.5元/瓦時，現(xiàn)在這個階段它跟鋰電池是很難PK的，未來可能等待這個市場更加理性一點，我節(jié)的它的發(fā)展前途還是無量的。
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