隨著我國碳達峰碳中和目標的推進,儲能的發展得到了國家頂層能源戰略的支持。

2023年以來,已經有27個省將儲能列入政府工作重點,發展大型儲能成為共識。依靠政策的有力推動,隨著以風電、光伏為代表的新能源并網量越來越大,新能源的消納問題愈發突出,對儲能時長有了更高的要求。

通常我們認為,持續放電時間不低于4小時的儲能系統,就是長時儲能。隨著我國對新能源配儲占比要求達到15%-20%之后,為緩解高峰供電壓力,4小時以上并且低成本的長時儲能需求成為剛需,其重要性不言而喻。

作為長期存儲能源的技術,它可以通過擴大儲能系統的規模來維持數小時、數天甚至數周的電力供應,同時為脫碳做出重大貢獻。

一、適用于長時儲能的特別技術

目前,鋰離子電池是市面上最常見的儲能技術,被廣泛應用于動力電池儲能。由于其功率和容量耦合,成本將隨著時長的增加成倍增長,所以它不適合做長時儲能。

眾所周知,鋰離子電池有三大硬傷:缺乏安全性、不耐寒、成本太高。 那么有沒有一項電池儲能技術,既能夠保留鋰離子儲能電池的優勢,又能克服這三大硬傷?

還真有,“液流電池”或許才是可再生能源的最佳選擇。

液流電池的電解液儲存在電堆外部的儲液罐中,通過泵輸送到電堆內部,在電極處進行氧化還原反應,反應后的活性物質隨著電解液流回外部儲液罐。液流電池主要利用正負極兩側溶液中活性物質氧化還原狀態的改變,來實現充放電。在中大型儲能項目建設中,液流電池具有無可比擬的優勢,且可運用于多場景。

液流電池運行原理圖

長期來看,隨著新能源逐步成為電力系統的主體,液流電池儲能的應用場景也會有很多,功率范圍將涵蓋kW級的用戶側場景,到GW級的發電側、電網側場景,儲能時長則從秒級、分鐘級、小時級到跨日、跨季不等。

● 電網側:液流電池儲能產品可實現大規模存儲和釋放,電網方向可應用于調峰、調頻及備用等,主要保障電網的穩定運行。

● 發電側:液流電池儲能產品可在在用電谷時儲存電力,用電高峰時釋放電力,補充用電缺口。可以充分彌補太陽能、風能等可再生能源發電的間歇性和波動性問題。

● 用戶側:當停電導致住宅、商業社區等無電可用時,液流電池儲能產品可解決能源短缺并提供能源恢復,保障正常工作、生活用電。

新型儲能豐富的應用場景

二、液流電池多條技術路線,誰主沉浮?

從各地發布的十四五時期新能源儲能裝機目標統計,至2025年發電側儲能的規劃裝機總規模超過67GW。而截至2021年,中國新型儲能裝機僅400萬千瓦(中國電力規劃總院數據),市場增量需求巨大。考慮到不同場景的儲能需求有很大差距,未來會有多種儲能技術并存,共同支撐電力系統的安全與穩定。

目前主流的液流電池技術主要有鋅鐵液流電池、全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池等20多種技術路線,繼全釩、鐵鉻后,鋅鐵技術路線猶如一匹黑馬,以獨特的技術優勢與低成本,殺出重圍。技術路線的不同,主要指電解質溶液主要成分的不同。

● 全釩液流電池

全釩液流電池目前在國內發展較為成熟、項目最多的技術路線之一。它是一種以釩為活性物質呈循環流動液態的氧化還原電池。釩電池電能以化學能的方式存儲在不同價態釩離子的硫酸電解液中。

成本方面,釩電解液成本約占總成本的一半,釩電解液主要成本為五氧化二釩,價格主要受到釩價波動的影響。

● 鐵-鉻液流電池

2023年2月28日,我國首個兆瓦級鐵-鉻液流電池儲能示范項目在內蒙古成功試運行。此前,鐵鉻液流電池也在2022年北京冬奧會上為張家口的奧運場館提供綠色電力服務。

與其他怕冷的電池相比,鐵鉻液流電池的運行溫度范圍更廣,其電解液能夠在﹣40℃~70℃正常工作,在極寒環境下不會受到絲毫影響,具有很強的環境適應性。

● 鋅鐵液流電池

鋅鐵液流電池由陰極、陽極電解液、電堆與智能中控組成。電解液含有特殊配方,其容量、濃度和酸堿性賦予液流電池長時存儲、大容量的特性。電堆決定了液流電池的功率,它由多片單元電池緊密結合。智能中控為全面且綜合性的智能模塊控制系統,監測電池運行,保持其良好狀態。目前,緯景儲能科技有限公司研發的鋅鐵液流電池儲能技術,成功解決了鋅枝晶問題,并擁有此項技術的專利。

目前,緯景儲能已經在江蘇鹽城、廣東珠海、山東臨沂、湖北宜昌、江西贛州等地區布局數個“超G工廠”,引領著新型儲能規模化和產業化發展。鋅鐵液流電池在成本、安全、性能、環境適應性等幾個方面具有優勢:

第一,從成本角度看,鋅、鐵元素礦藏儲量豐富且價格穩定。據緯景儲能測算,鋅鐵液流電池邁入成熟期后,全生命周期度電成本可以達到0.2元/KWh。

第二,從安全角度看,鋅鐵液流電池采用堿性電解液,由于其水性溶液的形態儲存能量,擁有0爆炸0燃燒的特性。在生命周期后也易于回收,全程無危廢產生。

第三,從性能角度看,鋅鐵液流電池選用無毒無害的鋅、鐵元素組成獨特配對,具有較高的能量密度與穩定性。鋅鐵液流電池充放電次數超過20,000次,并且使用壽命超過20年。

第四,從環境適應性看,鋅鐵液流電池能在-10℃至45℃環境溫度下做到安全穩定運行。

總體來看,鋅鐵液流電池具備極安全、高經濟性,并且可輕松滿足長時的新型儲能需求,在額定功率輸出下,放電時長超過8小時。

除上述儲能技術外,還有氫儲能、壓縮空氣儲能等正在向規模化應用前進,逐漸在能源革命時代嶄露頭角。

三、結語

儲能應用場景的多樣性決定了儲能技術的多元化發展。在長時儲能大趨勢下,隨著系統配儲時長增加,電解液的成本占系統成本比重預計將不斷上升,低成本電解液的優勢未來將越發明顯。液流電池與長時儲能這對黃金搭檔,將攜手助力中國雙碳目標的實現。

新型電力系統具有綠色低碳、柔性靈活、互動融合、智能高效、安全穩定的顯著特征。新型電力系統構建過程中其中一個重大難題就是中大型儲能缺乏。鋅鐵液流電池便是解決這一難題的優選技術路線,包括在風光發電配儲,電網調峰調頻、共享儲能站、虛擬電廠等領域均有較好的應用前景。