大連融科儲能全釩液流電池技術介紹報告

北京國際能源專家俱樂部[1]

儲能技術改變電力行業(yè)即發(fā)即用、實時平衡的傳統(tǒng)模式，是能源系統(tǒng)從化石能源向可再生能源過渡的重要技術，被認為是決定未來經(jīng)濟的12大顛覆技術之一。

儲能技術的應用包括移動終端電源(手機、電腦)、汽車動力電池和電力系統(tǒng)儲能。在電力系統(tǒng)，儲能技術貫穿發(fā)、輸、配、用各環(huán)節(jié)。大規(guī)模儲能可以起到平抑可再生能源波動，給電力系統(tǒng)提供調(diào)頻、調(diào)峰、旋轉(zhuǎn)備用、黑啟動等輔助服務，改善供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)/微網(wǎng)/末端電網(wǎng)供電能力，配備應急備用電源，加強需求響應等作用。

儲能技術市場前景廣闊。著名國際咨詢機構麥肯錫預計，2025年儲能技術對全球經(jīng)濟價值貢獻將超過1萬億美元。國際咨詢機構PiperJaffrey和BostonConsulting預測2020年全球儲能技術的市場容量在4000-6000億美元左右。國際權威咨詢機構PikeResearch預測液流電池在2021年電力儲能的市場份額中會占到三分之一。

2016年4月23日，北京國際能源專家俱樂部推出“清潔能源技術評估與推廣平臺(簡稱TAD)”，首選大連融科儲能技術有限公司(以下簡稱“融科”)的全釩液流電池技術進行評估與推廣。

本文就該技術的性能屬性、應用領域和實際案例作一簡單介紹。

一、儲能技術介紹

儲能技術種類繁多，機械類包括抽水蓄能(PumpedHydro)、壓縮空氣儲能(CAES)、飛輪儲能(Flywheels)等;電氣類包括超級電容(SuperCapacitors)和超導磁儲能(SMES);電化學類包括鉛酸電池(Lead-Acid)、鋰離子電池(Lithium-Ion)、鈉硫電池(NaS)、液流電池(RedoxFlow);純化學類包括合成天然氣(syntheticnaturalgas，SNG)等。

如圖1所示，各種儲能技術性能各異，目前沒有一種電池可以滿足所有的儲能需求。面向電力應用的大規(guī)模儲能技術集中在圖1右側(cè)三角區(qū)域內(nèi)，包括抽水蓄能、鉛酸電池、鋰電池、液流電池。國際權威咨詢機構PikeResearch關于2011-2021年全球主流儲能技術市場預測儲能市場在2014和2017年會有明顯增長，主要拉動力分別為可再生能源儲能需求和智能電網(wǎng)儲能需求，全釩液流電池將占據(jù)整個電力儲能市場1/3的份額(來源：PikeResearch.2011-07.EnergyStorageontheGrid)。

圖1 儲能技術種類及在電力系統(tǒng)的適用規(guī)模

來源：Rastler,D.;EPRI:Alto,P.,2010，融科儲能

從儲能規(guī)模和成本上來講，液流電池比較適合大規(guī)模儲能，特別是大容量儲能，單位成本處于中游，如圖2紅色五角星所示。

圖2 電力系統(tǒng)對儲能技術需求及對應技術

來源：融科儲能

二、大連融科儲能技術發(fā)展有限公司介紹

大連融科儲能技術發(fā)展有限公司(www.rogkepower.com)成立于2008年，現(xiàn)有員工168人，是全球領先的全釩液流電池儲能方案服務商，也是全球具備全釩液流電池全產(chǎn)業(yè)鏈技術服務能力的企業(yè)之一。該公司以中國科學院大連化學物理研究所為核心研發(fā)團隊，自2000年開始液流電池技術的研究，于2010年建立了技術產(chǎn)業(yè)化平臺，成功實施了多項商業(yè)化應用示范項目，在全釩液流電池的核心技術領域擁有完整的自主知識產(chǎn)權。

融科儲能提供的服務涵蓋全釩液流電池關鍵材料、電堆、電池模塊、KW至百MW級電池儲能系統(tǒng)的供應，以及客戶定制儲能解決方案。融科儲能現(xiàn)有年生產(chǎn)能力50MW，2016年底其儲能裝備產(chǎn)業(yè)化基地投產(chǎn)后，年生產(chǎn)能力將擴大到300MW。產(chǎn)品已出口美、歐、日等發(fā)達國家，市場占有率居全球第一，尤其是釩電解液國際市場占有率達90%。

截至2015年底，融科儲能全釩液流電池儲能系統(tǒng)裝機總量達到12.5MW，在建項目1.2MW。融科儲能目前正在實施的、由大連市政府支持的200MW/800MWh的全釩液流電池儲能項目，已被國家能源局批準作為國家儲能示范項目。僅這一個項目的裝機容量就相當于全球目前各類液流電池儲能累計裝機總?cè)萘康?0%[2]。融科儲能的釩電池技術獲得了多項獎勵，包括2014年中科院杰出成就獎、2015年國家技術發(fā)明二等獎、中國科學院十二五20項標志性重大進展成果之一、“2015中國原創(chuàng)技術獎”等。此外，融科儲能領軍國內(nèi)液流電池標準的制定，其中已有兩項國家標準和三項行業(yè)標準頒布實施，并全面參與歐洲標準制定并成為國際電工委員會(IEC)聯(lián)合工作組牽頭人。

三、全釩液流電池介紹

(一)釩電池的技術原理

全釩液流電池，簡稱釩電池(VanadiumFlowBattery，縮寫為VFB)，是活性物質(zhì)成循環(huán)流動液態(tài)的氧化還原電池技術，通過釩離子的價態(tài)變化，實現(xiàn)化學能與電能的往復轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)電能存儲與釋放的一種儲能技術。該技術的研發(fā)始于上世紀80年代澳大利亞新南威爾士大學，在澳大利亞、日本、美國、德國、中國等國家都有應用驗證，用于風能系統(tǒng)蓄電、電站調(diào)峰、微電網(wǎng)儲能等。釩電池是目前受關注也是應用比例最廣的液流電池技術。

液流電池系統(tǒng)主要包含如下幾部分：電堆單元(見圖3中央和右上角)，電堆是由正負電極和離子傳導膜疊合而成單電池的集合體;電解液單元(見圖3兩側(cè))，包括含有活性物質(zhì)的電解液，及用于電解液盛裝和循環(huán)的儲罐、管路、閥、泵、傳感器等輔助部件;控制系統(tǒng)，包括用于管理整個系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)(見圖3上方)、功率變化單元等。

釩電池將不同價態(tài)的釩離子溶液分別作為正負極的活性物質(zhì)，分別儲存在電解液儲罐中，用泵將儲存在罐中的電解質(zhì)打入電堆內(nèi)，使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動，采用離子傳導膜作為電池隔膜，電解液平行流過電極表面并發(fā)生電化學反應，通過雙電極板收集和傳導電流，實現(xiàn)電解液化學能與電能的轉(zhuǎn)換。

圖3 全釩液流電池工作原理圖

來源：《中國科學報》，2014-10-28第6版，融科儲能

儲能電池正極電對為VO2+/VO2+，負極電對為V2+/V3+，電極發(fā)生如下電化學反應，電池正負極標準電勢差Eθ=1.26V。

(二)釩電池的技術優(yōu)勢和挑戰(zhàn)

釩電池是適用于電力系統(tǒng)的固定式大容量儲能系統(tǒng)。與其他儲能技術相比，釩電池具有以下主要特點:

1、安全性高，電池的儲能活性物質(zhì)為含有釩離子的稀硫酸水溶液，常溫常壓運行，經(jīng)過長時間運行，即使正負極活性物質(zhì)發(fā)生互混，也不會發(fā)生爆炸和燃燒。運行中，電解液在電堆和電解液儲罐之間循環(huán)流動，電堆產(chǎn)生的熱量可以有效的排出，熱管理簡單。單體電池間一致性好。全球安裝的系統(tǒng)迄今為止無一發(fā)生火災。

2、循環(huán)壽命長，電池均一性好，可深度放電。由于電能儲存在電解液里面而非電極上，理論上可以無限次充放電。一定時間運行后的容量衰退可以在線或離線恢復。

3、生命周期的性價比高，約占整個成本30%~50%(根據(jù)儲能時長不同)的電解液可循環(huán)使用。

4、充放電特性良好，響應速度快，能量效率80%，可深度放電，另外釩離子的電化學可逆性高，電化學極化也小，適合大電流快速充放電，充放電切換只需0.02秒。

5、功率和容量可獨立設計，功率和容量分別由電堆和電解液的數(shù)量決定，使得設計更加靈活，儲能容量為數(shù)百千瓦時至數(shù)百兆瓦時，輸出功率為數(shù)百千瓦至數(shù)百兆瓦，尤其適合大規(guī)模儲能。

6、生命周期中環(huán)境友好，電解液可循環(huán)使用和再生利用，釩資源以及其他材料來源豐富，加工技術成熟，易于回收利用。該技術是釩資源綜合利用的重要方向。

全釩液流電池需要繼續(xù)改進和解決的問題包括:

1、離子傳導膜可影響正、負極電解液釩離子相互滲透率，影響液體電池的效率和壽命，且目前商業(yè)化的離子膜價格昂貴，亟需開發(fā)具有高選擇性、高導電性、低成本的傳導膜，實現(xiàn)國產(chǎn)化、批量化生產(chǎn);

2、電解液成本所占比例高，約占總成本的30%~50%，需開發(fā)低成本電解液技術;

3、受釩離子溶解度的限制，能量密度低，大概與鉛酸電池相當，體積較大，目前還不適用于動力電池;

4、電池系統(tǒng)需要配置大量輔助部件，結構較為復雜，頻繁啟動停止的性能和運行可靠性有待改善;

5、系統(tǒng)運行溫度窗口相對較窄，在一定程度上影響儲能系統(tǒng)效率。

(三)融科儲能全釩電池核心技術及關鍵材料

融科儲能作為國家能源局批準的國家能源液流儲能電池技術重點實驗室，立足自主創(chuàng)新，截至2016年3月，已累計申請國家專利140余項件，國際專利13件項，已經(jīng)獲得授權70余項。通過這些專利，融科儲能形成了覆蓋液流電池材料批量生產(chǎn)、模塊設計制造、系統(tǒng)集成與控制、工程應用等領域完整的自主知識產(chǎn)權體系。

融科儲能所擁有的核心技術包括：

1、高性能電解液規(guī)模化生產(chǎn)技術：發(fā)明了高穩(wěn)定性、高反應活性的多價態(tài)釩離子電解液穩(wěn)定化技術，開發(fā)出電解液在線容量恢復技術，解決了儲能系統(tǒng)長期運行時的容量衰減問題，實現(xiàn)了150MWh/年電解液產(chǎn)量。近兩年已對外銷售100多兆瓦時的釩電解液，全球市場占有率達90%以上。

2、高性能碳塑復合雙極板材料的制造技術：發(fā)明了韌性好、高導電性、適用于組裝大功率電堆的碳塑復合雙極板的制備方法，價格是石墨雙極板的1/40，報廢后燒掉除了二氧化碳之外，沒有其他污染物。

3、高性能非氟離子傳導膜設計與制造技術：突破“離子交換傳導”機理的束縛，原創(chuàng)性提出了“離子篩分傳導”機理，開發(fā)出高選擇性、高導電性、低成本的非氟離子傳導膜，環(huán)境友好，提高了釩電池的電池效率，申請國家發(fā)明專利50余件，國際專利6件，受到國際認可。

4、標準化、模塊化電池模塊技術：研制出250kW、125kW、60kW、30kW系列的“ALL-IN-ONE”全集裝箱式和半集裝箱式電池模塊產(chǎn)品，可單獨使用，也可通過串并聯(lián)滿足客戶對各種功率和容量儲能系統(tǒng)的需求，安裝方便并可在線遠程監(jiān)控。

5、優(yōu)異的耐久性：2007年做了加速壽命試驗證實液流電池具有優(yōu)異的耐久性，正常、連續(xù)運行超1678天，超過四萬多小時，有效充放電循環(huán)是12420次。該試驗因其他原因被拆除而終止，檢測能量效率衰減只有5%，容量可通過技術手段恢復。

(四)融科儲能的全釩電池經(jīng)濟性

按1MW/4MWh電池系統(tǒng)核算，目前全釩液流電池價格約3500～4000元/kWh。預計到2020年，隨著釩電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，電池系統(tǒng)的成本將下降到2500元/kWh。全釩液流電池具有規(guī)模經(jīng)濟效應，儲能容量越大，設備單位投資越低。

全釩液流電池與抽水蓄能、鋰離子電池的性能比較見表1。

表1 主流儲能電池的特點比較和適用領域

來源：融科儲能。SOC=StateofCharge，也稱荷電狀態(tài)。

四、全釩液流電池應用領域

維持發(fā)電出力與用電負荷的實時平衡，保持電力系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定是電力系統(tǒng)調(diào)度工作的重要內(nèi)容。這不僅要對用電負荷曲線的準確預測、對各種發(fā)電電源的預先計劃安排，而且為了保證電網(wǎng)頻率及電壓的穩(wěn)定，還需要電力系統(tǒng)進行一次調(diào)頻、二次調(diào)頻，甚至為優(yōu)化系統(tǒng)效率還要進行三次調(diào)頻。

近年來，在我國和其他國家(如德國)，風電和太陽能光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電發(fā)展迅猛，并網(wǎng)裝機容量大幅提高。這些間歇性強、波動性大的電源增加了電力系統(tǒng)調(diào)度運行的壓力，急需要優(yōu)質(zhì)調(diào)頻和調(diào)峰資源與之匹配，以降低電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行風險，提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

大電網(wǎng)中儲能最經(jīng)濟的手段仍是抽水蓄能電站。但在抽水蓄能不具備條件而對儲能設施的體積和重量限制不多的情況下，大規(guī)模化學儲能有一定的優(yōu)勢。融科儲能公司500kW級全釩液流電池儲能單元系統(tǒng)額定功率充放電轉(zhuǎn)換響應時間低于90ms，5MW儲能電站滿功率充放電響應時間低于1秒。相比于抽水蓄能電站和常規(guī)火力發(fā)電機組，全釩液流電池具有更高的爬坡速率和調(diào)頻效率。在風電等可再生能源發(fā)電高滲透率區(qū)域配備適量的蓄能電池，會起到更好的調(diào)頻效果。另外，全釩液流電池儲能系統(tǒng)的功率容量可獨立設計特性使得其方便把儲能容量配置達到5小時以上，從而不僅能夠參與系統(tǒng)二次調(diào)頻，同時也能夠削峰填谷，優(yōu)化電力系統(tǒng)運行經(jīng)濟性，參與三次調(diào)頻。

另外，為了滿足季節(jié)性的用電尖峰負荷(一年不超過400小時)，電力企業(yè)投入巨資，很不經(jīng)濟。若在用電側(cè)大城市等負荷中心配置日平均負荷的8~10%儲能系統(tǒng)，進行削峰填谷，可以節(jié)約大量投資，提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。

綜上所述，全釩液流電池可應用于如下領域：1)作為風電和太陽能電站的配套設施，提高電網(wǎng)對可再生能源發(fā)電的接納能力，平抑出力波動，跟蹤發(fā)電計劃，參與系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻，提高供電可靠性和經(jīng)濟運行能力;2)用電側(cè)需求管理，削峰填谷，用戶端需求側(cè)響應，提高用電經(jīng)濟性和可靠性;3)微電網(wǎng)、分布式風光儲一體化項目、智能電網(wǎng)領域;4)其他應用領域，如代替柴油機作為備用電源，工業(yè)園區(qū)應急備用電源，偏遠地區(qū)供電、電動車充電站、通訊設備備用電源等。

總體看，在輸出功率為數(shù)百千瓦至數(shù)百兆瓦，儲能容量在2小時以上級的大規(guī)?；潭▋δ軋龊?，全液流電池儲能技術具有明顯的優(yōu)勢，是大規(guī)模高效儲能技術的首選技術之一。

五、全釩液流電池應用案例

在全球范圍內(nèi)，釩電池系統(tǒng)一共安裝了40-50套，全釩液流電池研發(fā)和制造企業(yè)主要包括：日本住友電工公司(SEI)、大連融科儲能技術發(fā)展有限公司、美國UniEnergyTechnologies公司、奧地利Gildemeister公司、北京普能世紀科技有限公司等。另外，英國REDT、韓國H2、印度Imergy、德國VanadisPower和Fraunhofer研究所近期也陸續(xù)推出了全釩液流電池產(chǎn)品和項目。

SEI從上世紀80年代初開始研究全釩液流電池，自2005年在日本先后建立了用于與30.6MW風力發(fā)電站匹配的4MW/6MWh全釩液流電池儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)從2005年開始測試，持續(xù)3年，充放電循環(huán)達到27.6萬次。2011年起SEI又先后建成兩個1MW/5MWh和15MW/60MWh釩電池儲能系統(tǒng)。Gildemeister公司從2002年開始研發(fā)全釩液流儲能電池，成功開發(fā)出主要有10kW/100kWh及200kW/400kWh兩種型號電池系統(tǒng)，產(chǎn)品主要與太陽能光伏電池配套，用于偏遠地區(qū)供電、電動車充電站、通訊及備用電源領域。美國UniEnergyTechnologies公司擁有混合酸型全釩液流電池技術，承擔建造了美國首個用于輸變電站側(cè)的兆瓦時級全釩液流電池儲能電站。該公司與融科儲能公司結成戰(zhàn)略合作聯(lián)盟，其電堆和電解液材料分別由融科提供。

融科自2013年起中國、德國、美國都已有商業(yè)化示范項目，電解液等產(chǎn)品已進入歐美、日本等國際市場。近幾年來，實施了包括全球較大規(guī)模的5MW/10MWh全釩液流電池儲能系統(tǒng)在內(nèi)的近30項應用示范工程(見表2)，在國內(nèi)外率先實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。當前融科儲能正在實施由大連市政府支持的200MW/800MWh全釩液流電池儲能項目，該項目已被國家能源局定為國家儲能示范項目。

表2 融科儲能公司實施的部分全釩液流電池儲能項目

來源：融科儲能

融科儲能在大規(guī)模風電接入、智能微電網(wǎng)、離網(wǎng)供電領域的典型項目介紹如下：

1)遼寧省臥牛石國電龍源儲能電站示范項目(5MW/10MWh)，配合49.5MW風力發(fā)電(33*1.5MW風機)，是投產(chǎn)時全球功率容量最大的釩電池儲能項目，系統(tǒng)采用模塊化設計，2013年3月投入運行，經(jīng)過4個月的運行考核全部技術指標達到或超過設計要求。電站已穩(wěn)定運行3年，累計充放電次數(shù)1586次。該示范工程的運行控制和能量管理技術在另外兩座風場儲能電站中得到推廣應用。據(jù)電力公司反應，這三座風電場利用小時數(shù)均達到2100小時以上，遠高于全網(wǎng)平均利用小時數(shù)1780小時。

該儲能系統(tǒng)的平抑風電輸出、跟蹤計劃發(fā)電、參與調(diào)頻、削峰填谷等功能，經(jīng)過驗證是可行的(圖4)，提高了風電場并網(wǎng)點電能質(zhì)量和風功率預測精度、減低了風電場棄風率。同時，全釩液流電池的安全性、運行維護的方便性、過載能力、控制系統(tǒng)的開放性得到初步驗證。

圖4 遼寧省臥牛石國電龍源儲能電站運行數(shù)據(jù)

來源：國網(wǎng)遼寧電力公司

2)大連蛇島研究中心10kW/200kWh的離網(wǎng)示范項目，2011年建成，配合光伏發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)離網(wǎng)穩(wěn)定供電，解決無市電區(qū)域的工作和生活需求，該島距離大陸較遠，在成本上較海底電纜有明顯優(yōu)勢。2014年6月典型數(shù)據(jù)如表3，日均系統(tǒng)效率達到70%。據(jù)用戶反應，有了這套儲能項目，島上用電再也沒有因為天氣的原因中斷過。

表2 大連蛇島離網(wǎng)示范項目2014年6月典型運行數(shù)據(jù)

來源：融科儲能

3)美國華盛頓智能電網(wǎng)儲能，2014年融科儲能與美國UniEnergyTechnologies公司合作，建造了美國首座兆瓦級全釩液流儲能電池電站。項目采用1MW/4MWh新型全釩液流電池(釩電解液為混合酸型)，2015年6月交付運行，接入AVISTA電力公司的微網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)如下功能：移峰(電價套利，參與備用容量市場交易);提高電網(wǎng)靈活性(調(diào)頻、負荷跟蹤、實時風場出力控制);提高配電系統(tǒng)效率(無功調(diào)節(jié)、負荷管理)、延緩投資(削峰填谷)等。如下是該系統(tǒng)連續(xù)一個月內(nèi)的移峰、調(diào)頻運行數(shù)據(jù)。

4)德國BOSCH風電儲能系統(tǒng)，與德國博世集團(BOSCH)合作，在德國北部風場建造了250kW/1MWh全釩液流電池儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)是目前歐洲最大規(guī)模的全釩液流電池系統(tǒng)，已并入當?shù)刂悄茈娋W(wǎng)，系統(tǒng)效率達68%以上，受到海外客戶的高度評價。另外，融科于2015年在德國紐倫堡安裝了一套60kW/120kWh的all-in-one集成系統(tǒng)，系統(tǒng)效率達70%。

[1]免責申明：本報告是北京國際能源專家俱樂部秘書處根據(jù)自己掌握的信息和大連融科儲能技術有限公司提供的材料，再結合2016年4月23日清潔能源技術評估與推廣會議討論的結果而撰寫。對于任何商業(yè)機構或個人依據(jù)本報告的結論性意見所作出的投資或其他商業(yè)決定可能導致的任何風險、損失、損害、成本支出、索賠或其他權利主張，北京國際能源專家俱樂部及其所聘的專家均不承擔任何法律責任。

[2]根據(jù)中關村儲能聯(lián)盟《儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2016》，截至2015年底，全球累計運行儲能項目(不含抽水蓄能、壓縮空氣和儲熱)裝機規(guī)模946.8MW。