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乐橙全钒液流电池研究与应用加速推进



  当前,新能源发电、微电网、互动式设备等大量接入电网,给电网安全稳定运行带来了巨大挑战。应用大规模电化学储能提升清洁能源消纳和存储能力,成为电网建设中不可或缺的一环。

  我国是钒资源大国,钒储量居世界第三位。近年来,被称作是“现代工业味精”的小众金属——钒,逐渐在各行业中崭露头角。作为电化学电池家族中的重要一员,全钒液流电池被认为具有安全性高、寿命周期内经济性好、废弃后环境友好等优点,运行过程中不降解、乐橙。不损耗,在构建新型电力系统进程中将发挥重要作用。南瑞集团有限公司经过十年深耕,目前已全面掌握钒电池改性选型技术,建设完成兆瓦级钒电池电堆生产线,具备兆瓦级储能电站设计和建设能力,技术水平居国内前列。

  当前,我国加紧推进碳达峰、碳中和。今年3月,中央财经委员会第九次会议提出构建以新能源为主体的新型电力系统,电网企业重任在肩。

  传统电力系统向以新能源为主体的新型电力系统转型时,电力系统电源端将发生重大转变,电源不可控性更高。这就要求电网同步提升灵活调节能力和智能化控制水平。目前,电化学储能是应对这一转变的最直接、效果最好的支撑技术和基础装备之一,主要包含铅酸电池、锂离子电池、钒电池等产品类型。

  据南瑞集团武汉南瑞有限责任公司(简称“武汉南瑞”)储能研发负责人张杰介绍,相比其他电池类型,全钒液流电池采用以钒为主体的水系溶液作为电解质,运行或放置状态性能稳定,无燃烧、爆炸隐患,电池本征安全,在大规模储能领域具有一定优势。

  全钒液流电池还具有良好的低温性能。“2019年1月,我们在蒙东科右中旗进行了100千瓦2小时移动式全钒液流电池储能示范。当时临近春节,户外有零下20摄氏度,环境条件恶劣,而我们的设备正常运转,解决了当地农网末端低电压和供电容量不足问题,为当地居民春节用电提供了保障。”张杰自豪地说。

  据了解,2010年,武汉南瑞立足于新能源飞速发展预期和未来电力系统及电网建设需求,将电化学储能列为战略新兴产业,展开全钒液流电池储能技术研究。经过十年深耕,武汉南瑞已全面掌握钒电池改性选型技术,具备钒电池本体设计、材料研制、系统集成能力,成功研发高功率钒电池电堆和250千瓦/500千瓦时储能系统,申请发明、实用新型专利共70项,授权40余项。

  “得益于新能源汽车发展对锂电池市场的拉动以及锂电池本身成本的显著下降,现阶段锂电池储能是主流的电化学储能技术,这一点是市场已经接受的。”武汉南瑞储能团队负责人张爱芳说。同时她也表示,全钒液流电池在安全性能、持续时间和使用寿命方面具有关键的优势,结合具体场景时容量型储能必将有一定价值预期,例如新能源发电遭遇气候因素导致电力持续性输出缺口或电网有调节、备用需求时,可视作长时储能解决方案。

  据相关报道,2020年12月,美国加州消防局部署了一套全钒液流电池储能系统,用于提供紧急服务和保障当地社区电力供应。该项目是由美国加州能源委员资助,用以刺激长效非锂储能计划的一部分。项目执行后,全钒液流电池与可再生能源将在加州配套使用,以展示液流电池的卓越性能,包括削峰平谷、降低需量电费并提供备用电源。

  随着可再生能源逐步占据发电电源主体地位,稳定电力系统发电端和受电端电力平衡,需要建立高可靠、强弹性的保障机制。充电和放电时间在4小时以上的长时储能是一个优选项,能为国家或区域电力网络所需的灵活性提供有效解决方案,对新型电力系统建设起到重要“润滑”作用。

  全钒液流电池储能十分适用于长时储能,因为它具有两项重要潜质:一是全钒液流电池储能系统功率和存储电量可独立设计,且存储电量的载体全钒液流电池电解液具有理论无限循环的优势,即全钒液流电池储能系统电量扩增的边际成本低,可避免产生额外设备成本;二是电池电堆日历寿命可达20年以上,循环寿命13000次以上,电解液近乎零损耗且能无限沿用的技术特征,形成了全钒液流电池寿命周期内的成本优势。

  “但全钒液流电池储能要得到大规模推广应用,获得市场认可,没有那么简单。”张爱芳坦言,在受新能源汽车等储能快速消费品市场价值传导影响、储能价值定位仍不清晰的当前,资本和短期利益的角逐对全钒液流储能技术形成强力压制。“如何突破成本限制,减小一次投资压力,是全钒液流电池面临的最主要问题。”她强调。

  全钒液流电池储能系统由电堆、电解液、管路系统、储能变流器等组成,其中电堆和电解液成本占系统总成本的85%左右。降低两者成本是业内共识。

  解决电堆成本问题,关键是提高电池的功率密度,其次是提升关键材料的有效使用面积,降低材料成本。南瑞集团在2019年已将全钒液流电池单堆电流密度提高到140毫安/平方厘米,预计今年有望达到160毫安/平方厘米;研制出新一代一体化高功率电堆,依托高温热熔和激光焊接技术,将电堆一体化成型,达到降低接触电阻、提高密封性能、提升电堆组装自动化装配效率的目的。同时,通过改进隔膜密封方式,降低隔膜使用面积和密封件数量,电堆的总成本降低了30%。这一成果为推动全钒液流电池的大规模产业化应用奠定了基础。

  另一方面,利用钒电解液不消耗、残值高、可循环利用的特点,通过电解液租赁方式,实现对电解液成本的管理,是行业内较推崇的一种方式。张爱芳介绍,区别于锂电池租赁,这种方式能减小租赁物损耗费用在租金中的占比,并使出租方利润成为影响租金费用的决定因素。若进一步,电解液的独特属性被视作资源性保值产品,部分金融国企以购买基金或参股形式投资上游钒企业,平稳租金,既能减少钒资源流失,提高钒金属保有率,也有利于全钒液流电池储能产业的高质量发展。

  随着全钒液流电池技术迭代升级,商业投融模式不断创新,行业对全钒液流电池储能的定位将更加清晰,对其效能的认识也得到提高。湖北省提出研制完善百千瓦级钒电池电堆和成套电池装备,形成100兆瓦园区和电网级储能成套装备制造与电站设计、建造和运维能力,支持全钒液流电池储能装备产业化发展和应用示范;甘肃、四川等省份也将钒电池产业列入重点规划;辽宁、江苏、湖北等多地已在筹划百兆瓦级别的全钒液流电池储能项目。

  国家能源集团北京低碳清洁能源研究院储能技术负责人刘庆华表示:“‘十四五’时期,我国全钒液流电池将迎来非常好的大规模推广时机。随着各地全钒液流电池储能示范项目落地并获得技术验证,未来5年内预计将是全钒液流电池从成熟走向推广的重要窗口期。”

  5月25日,国家发改委正式对外公布了《关于“十四五”时期深化价格机制改革行动方案的通知》(下称《行动方案》)。《行动方案》提出,持续深化电价改革,完善风电、光伏发电、抽水蓄能价格形成机制,建立新型储能价格机制。届时,储能成本将得到疏导。

  “我们预测储能会成为提升电力系统灵活性的可调资源。十年前我们就着手布局储能研发,并将其作为武汉南瑞的新兴产业。”武汉南瑞总经理、党委书记蔡炜如是说,“近年来,从国家电网经营区应用情况来看,电化学储能在新能源并网消纳、电网运行控制等方面的作用越发显著。”基于全钒液流电池储能高安全、适宜长时储能、回收和环保极具优势的技术特点,他对全钒液流电池的前景充满信心。电力系统中核心的电力资产大多具有20年及以上的寿命,全钒液流电池储能高度契合并具备替代电网部分资产投资作用,保障电网安全稳定运行,在未来有望作为电网资产设备列入电网规划之中。

  在储能安全性日益受到重视、大规模长周期储能项目需求持续增长、回收和环保闭环低碳发展的要求下,武汉南瑞将坚定信心,继续深耕全钒液流电池储能技术,以全钒液流电池产业化作为重点任务,力争将全钒液流电池储能打造为技术招牌,为构建新型电力系统,实现碳达峰、碳中和目标增添助力。