全釩液流電池技術(shù)助力儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)

張華民

作為人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，能源是事關(guān)國計(jì)民生的戰(zhàn)略性資源。隨著我國社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增加?；茉吹拇罅肯脑斐闪藝?yán)重的環(huán)境污染，重度霧霾天氣頻發(fā)，嚴(yán)重影響人們的身體健康和生存環(huán)境。

最近，國家提出了推動(dòng)能源消費(fèi)革命、推動(dòng)能源供給革命、推動(dòng)能源技術(shù)革命、推動(dòng)能源體制革命的戰(zhàn)略思想。大力推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整，提高化石能源利用效率，普及應(yīng)用可再生能源，是實(shí)現(xiàn)我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，也是解決我國能源安全和環(huán)境污染，落實(shí)節(jié)能減排、提高全社會(huì)綠色低碳化水平國策的戰(zhàn)略需求。

但是，風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控等特性，大規(guī)模并入電網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重沖擊，造成大量棄風(fēng)、棄光。

然而大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)可以有效解決可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性等問題，實(shí)現(xiàn)平滑功率輸出、跟蹤計(jì)劃發(fā)電，從而提高電網(wǎng)對(duì)可再生能源發(fā)電的消納能力，解決棄風(fēng)、棄光問題。同時(shí)，對(duì)電網(wǎng)調(diào)平、調(diào)峰也會(huì)發(fā)揮重要作用。

為滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需要，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)研究開發(fā)出多種儲(chǔ)能技術(shù)，摸索出了各種儲(chǔ)能技術(shù)及其適用范圍，這些儲(chǔ)能技術(shù)具有各自的特點(diǎn)和適用領(lǐng)域。一般說來，風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的功率和可逆存儲(chǔ)容量有較高的要求。抽水儲(chǔ)能技術(shù)、液流電池技術(shù)、鋰離子電池技術(shù)、超級(jí)鉛酸電池技術(shù)等在大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

八大技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與其他大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)相比，全釩液流電池技術(shù)具有眾多優(yōu)勢(shì)。

第一，全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，可循環(huán)利用，生命周期內(nèi)環(huán)境負(fù)荷小、環(huán)境友好。全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能介質(zhì)為電解質(zhì)水溶液，安全性高。

第二，全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率和儲(chǔ)能容量相互獨(dú)立，設(shè)計(jì)和安置靈活。輸出功率的大小由電堆的大小和數(shù)量決定，而儲(chǔ)能容量的大小由電解質(zhì)溶液中釩離子的濃度和體積決定。全釩液流電池系統(tǒng)的輸出功率在數(shù)百千瓦至數(shù)百兆瓦范圍，儲(chǔ)能容量在數(shù)百千瓦時(shí)至數(shù)百兆瓦時(shí)范圍。

第三，全釩液流電池的工作原理是通過電解液中釩離子價(jià)態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。反應(yīng)的可逆性好，無相變化，電解液在電池內(nèi)部的電極內(nèi)連續(xù)流動(dòng)，充放電狀態(tài)切換響應(yīng)迅速。充放電循環(huán)次數(shù)在15000次以上，使用年數(shù)在15年到20年，生命周期的性價(jià)比高。

第四，全釩液流電池中正負(fù)極電解質(zhì)溶液均為同種元素，電解質(zhì)溶液可以通過在線再生反復(fù)循環(huán)使用。電堆及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是由碳材料、塑料和金屬材料組合而成的，當(dāng)全釩液流電池系統(tǒng)廢棄時(shí)，金屬材料可以持續(xù)使用，碳材料、塑料可以作為燃料來加以利用。因此，全釩液流電池系統(tǒng)全生命周期內(nèi)環(huán)境負(fù)荷較小、環(huán)境非常友好。

第五，價(jià)格便宜。近年來，隨著全釩液流電池材料技術(shù)和電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，電池性能不斷提高，電堆的能量效率可保持在80%以上，工作電流密度由原來的60-80mA/c㎡提高到150mA/c㎡。電池的功率密度提高了1倍，而且在此條件下，成本大幅度降低。盡管研究開發(fā)周期很短，國家的投入很低，對(duì)于1MW/5MW規(guī)模的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已由2013年的7000元/kWh下降到2016年3500元/kWh。而且，充放電循環(huán)次數(shù)在16000次以上，所以，其生命周期的成本是非常低的。

第六，全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)集成和規(guī)模放大。全釩液流電池電堆是由多個(gè)單電池按壓濾機(jī)方式疊合而成。全釩液流電池單個(gè)電堆的額定輸出功率一般20千瓦到40千瓦之間；全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常是由多個(gè)單元儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊組成，單元儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊額定輸出功率一般在100千瓦到300千瓦之間。與其它類型的電池相比，全釩液流電池電堆和電池單元儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊額定輸出功率大，便于全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成和規(guī)模放大。

第七，具有較強(qiáng)的過載能力和深放電能力。全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電解質(zhì)溶液通過循環(huán)泵在電堆內(nèi)循環(huán)，電解質(zhì)溶液活性物質(zhì)擴(kuò)散的影響較小；而且，電極反應(yīng)活性高，活化極化較小。所以，全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有很好的過載能力。而且，全釩液流電池放電沒有記憶效應(yīng)，具有很好的深放電能力。

第八，液流電池的能量密度偏低，全釩液流電池更適于固定式的大規(guī)模儲(chǔ)能電站。

產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用看好

液流電池的概念是由L.H.Thaller（NASA Lewis Research Center， Cleveland， United States ）于1974年提出的，該類電池通過正、負(fù)極電解質(zhì)溶液中的活性物質(zhì)在電極上發(fā)生可逆氧化還原反應(yīng)（即價(jià)態(tài)的可逆變化）實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。

充電時(shí)，正極發(fā)生氧化反應(yīng)、活性物質(zhì)價(jià)態(tài)升高；負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)、活性物質(zhì)價(jià)態(tài)降低；放電過程與之相反。

液流電池的正極和負(fù)極電解質(zhì)溶液儲(chǔ)存于外部的儲(chǔ)罐中，通過泵和管路輸送到電池內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)。從理論上講，不同氧化還原電堆可以組成多種液流電池。

全釩液流電池則是以不同價(jià)態(tài)的釩離子作為活性物質(zhì)，通過釩離子價(jià)態(tài)變化實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)變。

大規(guī)模電池儲(chǔ)能技術(shù)需要滿足一些基本的要求，即安全性高；生命周期的性價(jià)比高；經(jīng)濟(jì)性好；生命周期的環(huán)境負(fù)荷低，環(huán)境友好等。

相比之下，在眾多的儲(chǔ)能技術(shù)中，液流電池儲(chǔ)能技術(shù)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、蓄電容量大、選址自由、可深度放電、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為大規(guī)模高效儲(chǔ)能的首選技術(shù)之一。而在眾多液流電池中，全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)是產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用最多的液流電池儲(chǔ)能技術(shù)。