隨著國家對儲能越來越重視、市場對儲能的需求越來越大,液流儲能電池也迎來一個快速發展的時期。

但由于液流儲能電池種類繁多、應用場景多變、技術影響因素較多等原因,始終沒有一個合理、規范的液流電池評價標準體系來明確其發展方向。

本文首先對儲能電池的評價標準現狀進行了闡述,從安全環保性、經濟性成本和技術性能三個方面對液流儲能電池進行了評價標準的探究,并在最后從工程化角度擬提出一套液流儲能電池的評價標準體系,為液流儲能電池明確未來發展方向提供了參考價值。

1.液流電池介紹

在眾多儲能電池中,液流電池因其可實現無地域限制的大規模建設,壽命長、無污染、不易燃易爆、清潔環保、設計靈活等優勢,其關注度越來越高。液流電池概念最早在1974年,被THALLER提出,單個液流電池系統主要由電堆、電解液、管路系統及動力泵、控制系統四部分組成。

如圖１所示,充電儲能時,正極發生氧化反應,活性物質價態升高,負極發生還原反應,活性物質價態降低,電解液將電能轉化成化學能儲存起來;

放電釋能時,正極活性物質價態降低,負極活性物質價態升高,液流電池將它所儲存在電解液中的化學能轉化成電能釋放出來。

液流電池種類繁多,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。

雖然全釩液流電池儲能技術是目前最為成熟的,但在這個儲能市場百家爭鳴的時代,仍無一個科學合理的液流電池評價標準體系,導致用戶端無法進行有效的對比,選擇一款對自己性價比最高的液流電池。

２儲能電池的評價研究現狀

目前,還沒有任何一種液流電池能夠達到國家電網要求的并網全部條件。液流電池也是根據自身的工作原理和技術上的優缺點不同,而應用在不同需求和環境的場所。

2020年1月,由國家能源局、國家市場監督管理總局等聯合制定的?關于加強儲能標準化工作的實施方案?中提出了要加強儲能標準化建設工作,促進儲能產業更好的發展的同時也要標準先行。

同年2月,由大連化物所和大連融科儲能技術發展有限公司聯合牽頭起草制定的“固定式液流電池2Ｇ1:性能通用條件及測試方法”也正式頒布,對液流電池標準化發展起到了重要推進作用。

但就目前行業情況而言,液流電池的評價標準仍然無法統一,因此很有必要根據實際需求對液流電池提出一種具有普遍性的評價標準。

３液流電池的評價標準探究

液流電池種類繁多,每一種液流電池的技術特點各有不同,但從目前國家政策和儲能市場以及主要技術等方面進行探討,大致可以將液流儲能電池的安全環保性、經濟性成本和技術性能作為液流電池的評價標準指標。

3.1安全環保性

儲能的安全性主要指在產品的全生命周期內,系統在正常或者偶然發生事件的情況下仍可以良好運轉,不會對人身安全產生危害。安全性是液流電池甚至儲能系統的首要評價因素,因為其涉及到用戶使用時的生命、人身等方面的安全,產品是用來服務于用戶而不是對用戶有潛在危險的。

導致儲能產品發生安全事故的因素有很多,如熱失控、漏電、漏液、漏壓、過電、電控、機械等。

近幾年,全球儲能事故發生比較頻繁,從2017年８月至今韓國已經有29起儲能電站發生火災事故;2019年美國利亞桑那州的儲能系統發生了爆炸事故造成多名消防員不同程度受傷;我國2021年４月份在北京市豐臺區大紅門集美家居市場的儲能電站發生火災爆炸事故,而這次安全事故的發生直接導致1名消防員受傷,2名消防員犧牲。

通過多起儲能事故的發生地點可以發現多數為用戶側,因此,從儲能系統整體安全性上來看,液流儲能電池的安全性必須作為液流電池評價標準體系的第一標準,不僅要制定合理的安全標準規范體系,也要加強行業內的儲能產品自身安全把控,同時應采取有針對性的安全處理防護措施作為電池安全事故的最后保障。

儲能的環保性主要是指儲能系統在全生命周期內對社會環境帶來較小的負面影響。

對于液流儲能電池來說,要求其在大規模建設儲能項目的時候和系統投入到使用過程中不會對周圍環境產生不當破壞,液流電池產品在壽命結束或者維護替換下來的時候,其使用的材料盡可能的可以繼續回收利用或者通過二次加工可再次投入使用;

液流電池作為電化學儲能技術之一,主要靠電解液中活性化學物質進行儲能,涉及到多種元素,在環保方面,則要求其使用的電解液活性物質盡量為生活中常見、地殼中含量高的、容易提煉出來并且不會對環境和人產生危害的可回收利用元素物質。

3.2經濟性成本

液流電池儲能的經濟性成本影響因素較多,而且缺乏系統的技術經濟性研究,現階段更多的儲能項目都屬于示范性的,并不具備一定的經濟性研究價值,所以對于其不同服務領域的經濟性成本評價標準也不一樣[17G19]。

JIM等人通過計算各種儲能技術的總投資,針對不同儲能項目應用場景使用全生命周期方法研究分析了儲能技術的經濟可行性。

該研究方法雖然可以通過對不同儲能技術在不同情景下進行經濟性比較,但仍不能有效的對某一個儲能項目進行經濟性比較且該研究脫離了電力系統對其的影響,具有局限性。

3.3技術性能

液流電池儲能的技術性能參數主要有庫倫效率、電壓效率、能量效率、響應速度、充放電時長、電解液利用率、循環壽命以及功率密度等。

目前用于評價液流電池技術性能指標比較多的有能量效率、功率密度。能量效率是指電池在單個循環充放電過程中釋放的電能與充進的電能之比。

目前液流電池主要應用于偏遠地區的大規模儲能項目,為了更好比較,通常選用能量效率作為液流電池儲能系統的評價指標。

王保國等人通過總結大量典型的大規模釩液流電池中的電堆性能參數發現,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。

大連融科儲能裝備有限公司主要進行全釩液流電池的研發設計、生產制造、安裝,其通過和大連化物所共同研發的22kW單堆功率的5MW/10MWh液流電池系統已并網運行,單堆的能量效率達80%;

其與大連熱電集團合作建設的200MW/800MWh的儲能電站國家示范項目,單堆功率為32kW,能量效率達82％。美國ZBB公司建設的2MWh鋅溴液流電池應急儲能電站示范項目,額定電壓為540V,能量效率約82%。

在液流電池研究發展過程中,對于電堆各零部件的材料性能研究主要以庫倫效率、電壓效率、能量效率作為評價指標。

不管是庫倫效率、電壓效率、電流密度還是能量效率,實際上來講都是相互關聯的,庫倫效率是能量效率與電壓效率的比值,庫倫效率等于電極面積乘以電流密度。

４結論

隨著儲能行業受到國家和市場的重視度越來越高,液流電池的發展也越來越快,但由于液流電池的技術影響因素較多、液流電池種類繁多、應用場景復雜多變、研究者對液流電池的研究分析指標也各有不同,所以液流電池始終沒有一個合理、規范的評價標準體系。

通過對液流儲能電池的評價標準進行了探究分析,結合當前國家儲能政策、市場需求及液流電池技術發展狀況,擬提出液流儲能電池的評價體系標準應當從整個電池系統的安全環保性、經濟性成本和技術性能三個方面進行衡量比較。

其中,安全環保性決定了液流儲能電池是否可以投入使用的首要前提;經濟性成本將決定了液流儲能電池是否可以實現大規模商業化的重要因素;液流電池的儲能技術水平將是提高產品競爭力的關鍵因素。

參考資料：淺談液流儲能電池的評價標準；作者：鮑文杰

原文始發于微信公眾號（艾邦儲能與充電）：液流儲能電池的評價標準