國(guó)家電投北京和瑞儲(chǔ)能科技有限公司副總經(jīng)理 楊林 出席論壇并發(fā)表主題演講——《鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能技術(shù)最新研究進(jìn)展及應(yīng)用》
 

以下為演講實(shí)錄：

      儲(chǔ)能現(xiàn)在在整個(gè)電力行業(yè)的作用毋庸置疑，隨著近幾年儲(chǔ)能的蓬勃的發(fā)展，儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中或者電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能提出的需求其實(shí)越來越明確，總結(jié)起來是兩大方面四個(gè)點(diǎn)：

       一是對(duì)儲(chǔ)能電池性能方面的要求，首先是對(duì)于高安全性的研究。剛剛?cè)昕傇诮榻B中提到，對(duì)于大型儲(chǔ)能電站安全的因素對(duì)于后期的運(yùn)行維護(hù)等是非常重要的。去年國(guó)家能源局和發(fā)改委出臺(tái)一個(gè)文件，對(duì)于大中型儲(chǔ)能電站提出一個(gè)明確的要求，不允許再使用三元鋰和鈉流電池。今年前一段時(shí)間對(duì)這個(gè)文件做進(jìn)一步的補(bǔ)充，對(duì)大中型儲(chǔ)能電站不建議不宜選擇梯次利用的動(dòng)力電池。總結(jié)起來就是一句話，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)對(duì)安全的要求已經(jīng)是越來越重要，這些電池技術(shù)在運(yùn)行的時(shí)候存在安全隱患。如何提升電池性的本質(zhì)安全對(duì)電力系統(tǒng)后續(xù)是非常重要的。

       二是高可靠性。我們知道電網(wǎng)或者電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的要求非常多，比如說調(diào)頻、調(diào)峰等還有一些響應(yīng)，這種東西對(duì)電池的性能的要求提出比較高的要求，如何更好地響應(yīng)電網(wǎng)的需要或者用戶的需求，這可能是儲(chǔ)能技術(shù)的未來發(fā)展一個(gè)趨勢(shì)。

      隨著儲(chǔ)能在電力行業(yè)中的應(yīng)用越來越多，運(yùn)行維護(hù)問題也是成為大家比較關(guān)注的話題。對(duì)于業(yè)主來說，希望是全壽期不需要維護(hù)，這當(dāng)然是最理想的狀況。對(duì)于儲(chǔ)能電池來說是不是也是這樣，我們思考一下。如何去減少它的維護(hù)，或者即使維護(hù)或者運(yùn)行也是比較傻瓜式，很簡(jiǎn)單的東西，這對(duì)于電網(wǎng)，對(duì)于用戶來說更為友好。

       三是對(duì)于成本的需求或者對(duì)于經(jīng)濟(jì)性的需求。儲(chǔ)能也是一種商品，商品是一定要經(jīng)受市場(chǎng)的考驗(yàn)。而市場(chǎng)考驗(yàn)商品的重要就是價(jià)格或者經(jīng)濟(jì)性。因此現(xiàn)在如何開發(fā)一種更為低成本地儲(chǔ)能電池，對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)來說也是比較重要，我們現(xiàn)在知道儲(chǔ)能現(xiàn)在的廝殺其實(shí)非常激烈，鋰電池的價(jià)格甚至跌到成本價(jià)，其他儲(chǔ)能技術(shù)的價(jià)格現(xiàn)在不得不面對(duì)這樣一種市場(chǎng)價(jià)格的拼殺，但是這種東西如果不能保證性能的前提下，如果只是拼價(jià)格對(duì)于儲(chǔ)能的發(fā)展來說其實(shí)也是不利的。

       四是對(duì)于長(zhǎng)壽命的考驗(yàn)，這個(gè)依然是經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)測(cè)算。如果循環(huán)壽命足夠長(zhǎng)，全壽命周期的度電成本也會(huì)比較低。

       這是發(fā)電側(cè)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)四個(gè)方面。

       對(duì)于儲(chǔ)能應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)在是對(duì)于時(shí)長(zhǎng)提出了越來越多的要求。一方面因?yàn)樾履茉聪{的問題，傳統(tǒng)的可調(diào)度的發(fā)電資源漸退出調(diào)度市場(chǎng)。新能源發(fā)電整體的波動(dòng)性或者說需求長(zhǎng)時(shí)的儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于這方面的調(diào)節(jié)可以說是更為有利。另外一方面就是系統(tǒng)靈活性的需求，具備4-10小時(shí)持續(xù)放電能力的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以為電力系統(tǒng)提供更為可靠穩(wěn)定地運(yùn)行支撐。

       長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能概念美國(guó)最早提出來，因?yàn)槭窃谇皫啄臧灼鴮?duì)于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能提出明確的概念，就是4-10小時(shí)的儲(chǔ)能技術(shù)。下面圖是美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的研究報(bào)告中做的測(cè)算，結(jié)合了新能源的功率、調(diào)度運(yùn)行的時(shí)間、儲(chǔ)能的功率、儲(chǔ)能的時(shí)間等做了一個(gè)測(cè)算。最后的結(jié)論就是更大功率的儲(chǔ)能布置，能夠消除更多的凈負(fù)荷的需求，同時(shí)儲(chǔ)能的時(shí)長(zhǎng)需要其實(shí)越來越長(zhǎng)。    

       我國(guó)這幾年的政策也在逐漸地向長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能這方面做引導(dǎo)。比如說新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、河北這四個(gè)省是比較靠前的提出在省的發(fā)展規(guī)劃或者操作指引中提出明確的要求，要求配置4小時(shí)以上的儲(chǔ)能技術(shù)。對(duì)于用戶側(cè)來說，大的工業(yè)用戶或者工業(yè)園區(qū)其實(shí)長(zhǎng)時(shí)的儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)他們來說比較有利，因?yàn)楣入姷臅r(shí)長(zhǎng)，夜間的谷電時(shí)長(zhǎng)比較長(zhǎng)。

       儲(chǔ)能技術(shù)中除了傳統(tǒng)的抽水蓄能和壓縮空氣，其實(shí)液流電池可以說是目前最適合長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的技術(shù)路線。我們從這張圖上可以看到液流電池的功率和儲(chǔ)能的時(shí)長(zhǎng)可以做一個(gè)清晰的切分，這一塊完全可以根據(jù)使用的需要來進(jìn)行一個(gè)定制化的設(shè)計(jì)，它的配置上更為靈活。液流電池的建設(shè)上也不受地理環(huán)境的限制，因此在工程應(yīng)用上也是更為有利。

       液流電池的應(yīng)用場(chǎng)景和其他的儲(chǔ)能技術(shù)是比較類似，也是歸為幾類：發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)，包括用的比較多的共享儲(chǔ)能等等。國(guó)家電投集團(tuán)一直在推一個(gè)概念叫“綜合智慧零碳電廠”的概念，這個(gè)概念其實(shí)是把很多的應(yīng)用場(chǎng)景集合在一起，但是無論怎么用，儲(chǔ)能在里面都是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

       液流電池的市場(chǎng)也是發(fā)展比較巨大，這個(gè)是根據(jù)國(guó)家能源局的一些數(shù)據(jù)對(duì)于裝機(jī)規(guī)模來提出的概念。行業(yè)內(nèi)很多調(diào)研的報(bào)告或者一些知名的專家其實(shí)也提出了一些預(yù)測(cè)，在2025年-2025年，液流電池的占比在行業(yè)內(nèi)甚至能占到50%，這樣我們?nèi)ス浪阋幌乱毫麟姵氐氖袌?chǎng)規(guī)模在全球可能超過萬億，在中國(guó)市場(chǎng)也將接近五千億。

       當(dāng)然液流電池的發(fā)展方向就是朝著規(guī)?；统杀靖偷姆较虬l(fā)展。目前存在的一些問題可以主要有三點(diǎn)：

       第一，美國(guó)能源署分析之后得到的結(jié)論。如何有效降低關(guān)鍵部件的生產(chǎn)成本。我們知道在液流電池中核心部件比較多，像膜材料，雙極板材料，碳?xì)植牧系鹊仍谝毫麟姵爻杀緲?gòu)成中占比比較大。如何去降低這些成本，包括它的輔助系統(tǒng)的像泵、管道等等規(guī)?；螅趺刺嵘?，降低規(guī)?；杀?，這個(gè)是電池未來發(fā)展重要考慮的因素。

        第二，亟需健全標(biāo)準(zhǔn)化的供應(yīng)鏈和系統(tǒng)集成。在液流電池細(xì)分領(lǐng)域比較多，像全釩液流、鐵-鉻液流、鋅溴、鋅鐵等等所有這些電池對(duì)零部件的選型其實(shí)是不太一樣的。電池堆肯定是不一樣的，因?yàn)殡娀瘜W(xué)性能不一致，對(duì)于其他輔助系統(tǒng)這一塊，像泵、閥門、管道等等能不能建成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的體系？這一塊也是有待行業(yè)內(nèi)的同行共同努力的。

        第三，需要規(guī)模化生產(chǎn)制造。從現(xiàn)在來看，液流電池的規(guī)模在整個(gè)儲(chǔ)能行業(yè)的市場(chǎng)中占比還不是太大，它的規(guī)模也不是很大，這種狀態(tài)下生產(chǎn)成本必然會(huì)比較高。只有有待于規(guī)?；a(chǎn)的建立之后，才從規(guī)模化上降低它的成本。當(dāng)然它的總體目標(biāo)就是通過一系列的技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)大，最終來降低它的成本。這是美國(guó)能源署的預(yù)測(cè)或者目標(biāo)，希望在大規(guī)模部署的時(shí)候，點(diǎn)電池的成本降低到300美元/kWh以下。按照美國(guó)能源署，對(duì)美國(guó)市場(chǎng)的評(píng)估，現(xiàn)在對(duì)于釩礦依賴程度比較大，一些項(xiàng)目在重點(diǎn)推一些鐵基、鋅基等技術(shù)的應(yīng)用。

       介紹一下鐵-鉻液流電池的技術(shù)。

       鐵-鉻液流電池從技術(shù)發(fā)源上來說是在液流電池內(nèi)的鼻祖，最早在70年代美國(guó)NASA提出液流電池概念的時(shí)候，其實(shí)選用的技術(shù)就是鐵-鉻液流電池技術(shù)。后續(xù)在80年代的時(shí)候日本成功制造出10KW和60KW的原型系統(tǒng)，但是再往后發(fā)展鐵-鉻液流電池從大眾的視野中消失。行業(yè)內(nèi)對(duì)鐵-鉻提出很多質(zhì)疑或者認(rèn)為技術(shù)是瓶頸的地方，我總結(jié)以下幾點(diǎn)：

       1、離子互串的問題，傳統(tǒng)的鐵-鉻正極和負(fù)極電解液是不一樣的，一面用的鐵離子，一面用的鉻離子，運(yùn)行過程中存在離子的互混，它會(huì)造成電解液的交叉污染，從而降低電池的性能。

       2、析氫反應(yīng)比較大，隨著電池的運(yùn)行會(huì)有很多的氫氣的析出，一方面對(duì)電池的性能有影響，另外一方面對(duì)對(duì)安全性上有一些隱患。

       3、離子交換膜價(jià)格比較高，導(dǎo)致成本比較高。

       4、Cr離子活性比較差。

       5、電流密度低等。

       這些技術(shù)瓶頸是影響鐵-鉻發(fā)展的重要的因素。導(dǎo)致鐵-鉻進(jìn)入中國(guó)以后沒有發(fā)展起來的原因。

       向大家報(bào)告一下，這些瓶頸在現(xiàn)在的鐵-鉻的應(yīng)用中已經(jīng)都得到了比較好的解決，離子互串的問題早在80、90年代很容易得到解決。另外一方面析氫問題和Cr離子活性差的問題，核心是Cr離子活性比較差，反應(yīng)電位比較高，從而引起析氫問題?，F(xiàn)在的技術(shù)上是通過在電解液中增加一些催化劑，通過這個(gè)催化劑提高Cr離子的反應(yīng)活性，這樣一方面提高了它的活性，另外一方面減少或者抑制析氫反應(yīng)。離子交換膜后面介紹中會(huì)提到，我們研發(fā)了國(guó)產(chǎn)化的一種膜材料，成本得到很大的降低。

       解決以上問題之后，鐵-鉻技術(shù)優(yōu)勢(shì)比較明顯，包括長(zhǎng)壽期、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能、電解液成本比較低、環(huán)境好、安全性高等。

       這是從價(jià)格因素上給出的一個(gè)對(duì)比，因?yàn)殍F和鉻礦產(chǎn)儲(chǔ)量比較多，所以價(jià)格比較穩(wěn)定，比較廉價(jià)。

       這是我們現(xiàn)在的一些實(shí)驗(yàn)基地的情況，就不詳細(xì)介紹。

       這是現(xiàn)在重點(diǎn)攻克的一些技術(shù)難題，針對(duì)前面所到的鐵-鉻存在的技術(shù)瓶頸所做的一些技術(shù)。像關(guān)鍵材料，我說一下膜材料，鐵-鉻一直應(yīng)用的是進(jìn)口的全氟磺酸膜，現(xiàn)在逐漸做成國(guó)產(chǎn)化不含氟的磺酸膜，和進(jìn)口的價(jià)格比不到1/10。

       這是現(xiàn)在山東濰坊建的一個(gè)鐵-鉻液流電池裝備制造基地，在去年1月份產(chǎn)線已經(jīng)達(dá)到量產(chǎn)。現(xiàn)在電流密度達(dá)到140毫安平方厘米，在業(yè)內(nèi)技術(shù)參數(shù)和其他的技術(shù)有一個(gè)對(duì)比和競(jìng)爭(zhēng)了。

       這是模塊化的建設(shè)。

       應(yīng)用案例上張家口的250KW/1.5MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)是在2020年12月建成投運(yùn)的，1MW/6MWh的鐵-鉻液流系統(tǒng)在內(nèi)蒙古霍林河去年建成，在今年2月底正式進(jìn)入試運(yùn)行階段，現(xiàn)在還在做試運(yùn)行的調(diào)試工作，預(yù)計(jì)很快得到正式的商運(yùn)。

我的報(bào)告就到這里，謝謝大家！