随着我国碳达峰碳中和目标的推进,储能的发展得到了国家顶层能源战略的支持。

2023年以来,已经有27个省将储能列入政府工作重点,发展大型储能成为共识。依靠政策的有力推动,随着以风电、光伏为代表的新能源并网量越来越大,新能源的消纳问题愈发突出,对储能时长有了更高的要求。

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通常我们认为,持续放电时间不低于4小时的储能系统,就是长时储能。随着我国对新能源配储占比要求达到15%-20%之后,为缓解高峰供电压力,4小时以上并且低成本的长时储能需求成为刚需,其重要性不言而喻。

作为长期存储能源的技术,它可以通过扩大储能系统的规模来维持数小时、数天甚至数周的电力供应,同时为脱碳做出重大贡献。

一、适用于长时储能的特别技术

目前,锂离子电池是市面上最常见的储能技术,被广泛应用于动力电池储能。由于其功率和容量耦合,成本将随着时长的增加成倍增长,所以它不适合做长时储能。

众所周知,锂离子电池有三大硬伤:缺乏安全性、不耐寒、成本太高。那么有没有一项电池储能技术,既能够保留锂离子储能电池的优势,又能克服这三大硬伤?

还真有,“液流电池”或许才是可再生能源的最佳选择。

液流电池的电解液储存在电堆外部的储液罐中,通过泵输送到电堆内部,在电极处进行氧化还原反应,反应后的活性物质随着电解液流回外部储液罐。液流电池主要利用正负极两侧溶液中活性物质氧化还原状态的改变,来实现充放电。在中大型储能项目建设中,液流电池具有无可比拟的优势,且可运用于多场景。

液流电池运行原理图

长期来看,随着新能源逐步成为电力系统的主体,液流电池储能的应用场景也会有很多,功率范围将涵盖kW级的用户侧场景,到GW级的发电侧、电网侧场景,储能时长则从秒级、分钟级、小时级到跨日、跨季不等。

● 电网侧:液流电池储能产品可实现大规模存储和释放,电网方向可应用于调峰、调频及备用等,主要保障电网的稳定运行。

● 发电侧:液流电池储能产品可在在用电谷时储存电力,用电高峰时释放电力,补充用电缺口。可以充分弥补太阳能、风能等可再生能源发电的间歇性和波动性问题。

● 用户侧:当停电导致住宅、商业社区等无电可用时,液流电池储能产品可解决能源短缺并提供能源恢复,保障正常工作、生活用电。

新型储能丰富的应用场景

二、液流电池多条技术路线,谁主沉浮?

从各地发布的十四五时期新能源储能装机目标统计,至2025年发电侧储能的规划装机总规模超过67GW。而截至2021年,中国新型储能装机仅400万千瓦(中国电力规划总院数据),市场增量需求巨大。考虑到不同场景的储能需求有很大差距,未来会有多种储能技术并存,共同支撑电力系统的安全与稳定。

目前主流的液流电池技术主要有锌铁液流电池、全钒液流电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池等20多种技术路线,继全钒、铁铬后,锌铁技术路线犹如一匹黑马,以独特的技术优势与低成本,杀出重围。技术路线的不同,主要指电解质溶液主要成分的不同。

● 全钒液流电池

全钒液流电池目前在国内发展较为成熟、项目最多的技术路线之一。它是一种以钒为活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中。

成本方面,钒电解液成本约占总成本的一半,钒电解液主要成本为五氧化二钒,价格主要受到钒价波动的影响。

● 铁-铬液流电池

2023年2月28日,我国首个兆瓦级铁-铬液流电池储能示范项目在内蒙古成功试运行。此前,铁铬液流电池也在2022年北京冬奥会上为张家口的奥运场馆提供绿色电力服务。

与其他怕冷的电池相比,铁铬液流电池的运行温度范围更广,其电解液能够在﹣40℃~70℃正常工作,在极寒环境下不会受到丝毫影响,具有很强的环境适应性。

● 锌铁液流电池

锌铁液流电池由阴极、阳极电解液、电堆与智能中控组成。电解液含有特殊配方,其容量、浓度和酸碱性赋予液流电池长时存储、大容量的特性。电堆决定了液流电池的功率,它由多片单元电池紧密结合。智能中控为全面且综合性的智能模块控制系统,监测电池运行,保持其良好状态。目前,纬景储能科技有限公司研发的锌铁液流电池储能技术,成功解决了锌枝晶问题,并拥有此项技术的专利。

目前,纬景储能已经在江苏盐城、广东珠海、山东临沂、湖北宜昌、江西赣州等地区布局数个“超G工厂”,引领着新型储能规模化和产业化发展。锌铁液流电池在成本、安全、性能、环境适应性等几个方面具有优势:

第一,从成本角度看,锌、铁元素矿藏储量丰富且价格稳定。据纬景储能测算,锌铁液流电池迈入成熟期后,全生命周期度电成本可以达到0.2元/KWh。

第二,从安全角度看,锌铁液流电池采用碱性电解液,由于其水性溶液的形态储存能量,拥有0爆炸0燃烧的特性。在生命周期后也易于回收,全程无危废产生。

第三,从性能角度看,锌铁液流电池选用无毒无害的锌、铁元素组成独特配对,具有较高的能量密度与稳定性。锌铁液流电池充放电次数超过20,000次,并且使用寿命超过20年。

第四,从环境适应性看,锌铁液流电池能在-10℃至45℃环境温度下做到安全稳定运行。

总体来看,锌铁液流电池具备极安全、高经济性,并且可轻松满足长时的新型储能需求,在额定功率输出下,放电时长超过8小时。

除上述储能技术外,还有氢储能、压缩空气储能等正在向规模化应用前进,逐渐在能源革命时代崭露头角。

三、结语

储能应用场景的多样性决定了储能技术的多元化发展。在长时储能大趋势下,随着系统配储时长增加,电解液的成本占系统成本比重预计将不断上升,低成本电解液的优势未来将越发明显。液流电池与长时储能这对黄金搭档,将携手助力中国双碳目标的实现。

新型电力系统具有绿色低碳、柔性灵活、互动融合、智能高效、安全稳定的显著特征。新型电力系统构建过程中其中一个重大难题就是中大型储能缺乏。锌铁液流电池便是解决这一难题的优选技术路线,包括在风光发电配储,电网调峰调频、共享储能站、虚拟电厂等领域均有较好的应用前景。