隨著國(guó)家對(duì)儲(chǔ)能越來(lái)越重視、市場(chǎng)對(duì)儲(chǔ)能的需求越來(lái)越大,液流儲(chǔ)能電池也迎來(lái)一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。

但由于液流儲(chǔ)能電池種類(lèi)繁多、應(yīng)用場(chǎng)景多變、技術(shù)影響因素較多等原因,始終沒(méi)有一個(gè)合理、規(guī)范的液流電池評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系來(lái)明確其發(fā)展方向。

本文首先對(duì)儲(chǔ)能電池的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述,從安全環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性成本和技術(shù)性能三個(gè)方面對(duì)液流儲(chǔ)能電池進(jìn)行了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的探究,并在最后從工程化角度擬提出一套液流儲(chǔ)能電池的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系,為液流儲(chǔ)能電池明確未來(lái)發(fā)展方向提供了參考價(jià)值。

1.液流電池介紹

在眾多儲(chǔ)能電池中,液流電池因其可實(shí)現(xiàn)無(wú)地域限制的大規(guī)模建設(shè),壽命長(zhǎng)、無(wú)污染、不易燃易爆、清潔環(huán)保、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢(shì),其關(guān)注度越來(lái)越高。液流電池概念最早在1974年,被THALLER提出,單個(gè)液流電池系統(tǒng)主要由電堆、電解液、管路系統(tǒng)及動(dòng)力泵、控制系統(tǒng)四部分組成。

如圖１所示,充電儲(chǔ)能時(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,電解液將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái);

放電釋能時(shí),正極活性物質(zhì)價(jià)態(tài)降低,負(fù)極活性物質(zhì)價(jià)態(tài)升高,液流電池將它所儲(chǔ)存在電解液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能釋放出來(lái)。

液流電池種類(lèi)繁多,有全釩液流電池、鋅溴液流電池、鋅鐵液流電池、鋅錳液流電池、鐵鉻液流電池、多硫化鈉－溴液流電池等,每一種液流電池都有其各自的特點(diǎn)。

雖然全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)是目前最為成熟的,但在這個(gè)儲(chǔ)能市場(chǎng)百家爭(zhēng)鳴的時(shí)代,仍無(wú)一個(gè)科學(xué)合理的液流電池評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系,導(dǎo)致用戶(hù)端無(wú)法進(jìn)行有效的對(duì)比,選擇一款對(duì)自己性?xún)r(jià)比最高的液流電池。

２儲(chǔ)能電池的評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀

目前,還沒(méi)有任何一種液流電池能夠達(dá)到國(guó)家電網(wǎng)要求的并網(wǎng)全部條件。液流電池也是根據(jù)自身的工作原理和技術(shù)上的優(yōu)缺點(diǎn)不同,而應(yīng)用在不同需求和環(huán)境的場(chǎng)所。

2020年1月,由國(guó)家能源局、國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局等聯(lián)合制定的?關(guān)于加強(qiáng)儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)化工作的實(shí)施方案?中提出了要加強(qiáng)儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作,促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)更好的發(fā)展的同時(shí)也要標(biāo)準(zhǔn)先行。

同年2月,由大連化物所和大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司聯(lián)合牽頭起草制定的“固定式液流電池2Ｇ1:性能通用條件及測(cè)試方法”也正式頒布,對(duì)液流電池標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展起到了重要推進(jìn)作用。

但就目前行業(yè)情況而言,液流電池的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)仍然無(wú)法統(tǒng)一,因此很有必要根據(jù)實(shí)際需求對(duì)液流電池提出一種具有普遍性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

３液流電池的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)探究

液流電池種類(lèi)繁多,每一種液流電池的技術(shù)特點(diǎn)各有不同,但從目前國(guó)家政策和儲(chǔ)能市場(chǎng)以及主要技術(shù)等方面進(jìn)行探討,大致可以將液流儲(chǔ)能電池的安全環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性成本和技術(shù)性能作為液流電池的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。

3.1安全環(huán)保性

儲(chǔ)能的安全性主要指在產(chǎn)品的全生命周期內(nèi),系統(tǒng)在正常或者偶然發(fā)生事件的情況下仍可以良好運(yùn)轉(zhuǎn),不會(huì)對(duì)人身安全產(chǎn)生危害。安全性是液流電池甚至儲(chǔ)能系統(tǒng)的首要評(píng)價(jià)因素,因?yàn)槠渖婕暗接脩?hù)使用時(shí)的生命、人身等方面的安全,產(chǎn)品是用來(lái)服務(wù)于用戶(hù)而不是對(duì)用戶(hù)有潛在危險(xiǎn)的。

導(dǎo)致儲(chǔ)能產(chǎn)品發(fā)生安全事故的因素有很多,如熱失控、漏電、漏液、漏壓、過(guò)電、電控、機(jī)械等。

近幾年,全球儲(chǔ)能事故發(fā)生比較頻繁,從2017年８月至今韓國(guó)已經(jīng)有29起儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)事故;2019年美國(guó)利亞桑那州的儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生了爆炸事故造成多名消防員不同程度受傷;我國(guó)2021年４月份在北京市豐臺(tái)區(qū)大紅門(mén)集美家居市場(chǎng)的儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)爆炸事故,而這次安全事故的發(fā)生直接導(dǎo)致1名消防員受傷,2名消防員犧牲。

通過(guò)多起儲(chǔ)能事故的發(fā)生地點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)多數(shù)為用戶(hù)側(cè),因此,從儲(chǔ)能系統(tǒng)整體安全性上來(lái)看,液流儲(chǔ)能電池的安全性必須作為液流電池評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系的第一標(biāo)準(zhǔn),不僅要制定合理的安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系,也要加強(qiáng)行業(yè)內(nèi)的儲(chǔ)能產(chǎn)品自身安全把控,同時(shí)應(yīng)采取有針對(duì)性的安全處理防護(hù)措施作為電池安全事故的最后保障。

儲(chǔ)能的環(huán)保性主要是指儲(chǔ)能系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)對(duì)社會(huì)環(huán)境帶來(lái)較小的負(fù)面影響。

對(duì)于液流儲(chǔ)能電池來(lái)說(shuō),要求其在大規(guī)模建設(shè)儲(chǔ)能項(xiàng)目的時(shí)候和系統(tǒng)投入到使用過(guò)程中不會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生不當(dāng)破壞,液流電池產(chǎn)品在壽命結(jié)束或者維護(hù)替換下來(lái)的時(shí)候,其使用的材料盡可能的可以繼續(xù)回收利用或者通過(guò)二次加工可再次投入使用;

液流電池作為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)之一,主要靠電解液中活性化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行儲(chǔ)能,涉及到多種元素,在環(huán)保方面,則要求其使用的電解液活性物質(zhì)盡量為生活中常見(jiàn)、地殼中含量高的、容易提煉出來(lái)并且不會(huì)對(duì)環(huán)境和人產(chǎn)生危害的可回收利用元素物質(zhì)。

3.2經(jīng)濟(jì)性成本

液流電池儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性成本影響因素較多,而且缺乏系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究,現(xiàn)階段更多的儲(chǔ)能項(xiàng)目都屬于示范性的,并不具備一定的經(jīng)濟(jì)性研究?jī)r(jià)值,所以對(duì)于其不同服務(wù)領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)性成本評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也不一樣[17G19]。

JIM等人通過(guò)計(jì)算各種儲(chǔ)能技術(shù)的總投資,針對(duì)不同儲(chǔ)能項(xiàng)目應(yīng)用場(chǎng)景使用全生命周期方法研究分析了儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性。

該研究方法雖然可以通過(guò)對(duì)不同儲(chǔ)能技術(shù)在不同情景下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較,但仍不能有效的對(duì)某一個(gè)儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較且該研究脫離了電力系統(tǒng)對(duì)其的影響,具有局限性。

3.3技術(shù)性能

液流電池儲(chǔ)能的技術(shù)性能參數(shù)主要有庫(kù)倫效率、電壓效率、能量效率、響應(yīng)速度、充放電時(shí)長(zhǎng)、電解液利用率、循環(huán)壽命以及功率密度等。

目前用于評(píng)價(jià)液流電池技術(shù)性能指標(biāo)比較多的有能量效率、功率密度。能量效率是指電池在單個(gè)循環(huán)充放電過(guò)程中釋放的電能與充進(jìn)的電能之比。

目前液流電池主要應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的大規(guī)模儲(chǔ)能項(xiàng)目,為了更好比較,通常選用能量效率作為液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

王保國(guó)等人通過(guò)總結(jié)大量典型的大規(guī)模釩液流電池中的電堆性能參數(shù)發(fā)現(xiàn),電堆的功率雖然不斷提升,但其能量效率仍然保持在８０％以上。

大連融科儲(chǔ)能裝備有限公司主要進(jìn)行全釩液流電池的研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、安裝,其通過(guò)和大連化物所共同研發(fā)的22kW單堆功率的5MW/10MWh液流電池系統(tǒng)已并網(wǎng)運(yùn)行,單堆的能量效率達(dá)80%;

其與大連熱電集團(tuán)合作建設(shè)的200MW/800MWh的儲(chǔ)能電站國(guó)家示范項(xiàng)目,單堆功率為32kW,能量效率達(dá)82％。美國(guó)ZBB公司建設(shè)的2MWh鋅溴液流電池應(yīng)急儲(chǔ)能電站示范項(xiàng)目,額定電壓為540V,能量效率約82%。

在液流電池研究發(fā)展過(guò)程中,對(duì)于電堆各零部件的材料性能研究主要以庫(kù)倫效率、電壓效率、能量效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

不管是庫(kù)倫效率、電壓效率、電流密度還是能量效率,實(shí)際上來(lái)講都是相互關(guān)聯(lián)的,庫(kù)倫效率是能量效率與電壓效率的比值,庫(kù)倫效率等于電極面積乘以電流密度。

４結(jié)論

隨著儲(chǔ)能行業(yè)受到國(guó)家和市場(chǎng)的重視度越來(lái)越高,液流電池的發(fā)展也越來(lái)越快,但由于液流電池的技術(shù)影響因素較多、液流電池種類(lèi)繁多、應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜多變、研究者對(duì)液流電池的研究分析指標(biāo)也各有不同,所以液流電池始終沒(méi)有一個(gè)合理、規(guī)范的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。

通過(guò)對(duì)液流儲(chǔ)能電池的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探究分析,結(jié)合當(dāng)前國(guó)家儲(chǔ)能政策、市場(chǎng)需求及液流電池技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r,擬提出液流儲(chǔ)能電池的評(píng)價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)從整個(gè)電池系統(tǒng)的安全環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性成本和技術(shù)性能三個(gè)方面進(jìn)行衡量比較。

其中,安全環(huán)保性決定了液流儲(chǔ)能電池是否可以投入使用的首要前提;經(jīng)濟(jì)性成本將決定了液流儲(chǔ)能電池是否可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的重要因素;液流電池的儲(chǔ)能技術(shù)水平將是提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。

參考資料：淺談液流儲(chǔ)能電池的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；作者：鮑文杰

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