國家電投北京和瑞儲能科技有限公司副總經理 楊林 出席論壇并發表主題演講——《鐵-鉻液流電池儲能技術最新研究進展及應用》
 

以下為演講實錄：

      儲能現在在整個電力行業的作用毋庸置疑，隨著近幾年儲能的蓬勃的發展，儲能在電力系統中或者電力系統對儲能提出的需求其實越來越明確，總結起來是兩大方面四個點：

       一是對儲能電池性能方面的要求，首先是對于高安全性的研究。剛剛汝總在介紹中提到，對于大型儲能電站安全的因素對于后期的運行維護等是非常重要的。去年國家能源局和發改委出臺一個文件，對于大中型儲能電站提出一個明確的要求，不允許再使用三元鋰和鈉流電池。今年前一段時間對這個文件做進一步的補充，對大中型儲能電站不建議不宜選擇梯次利用的動力電池。總結起來就是一句話，因為電力系統對安全的要求已經是越來越重要，這些電池技術在運行的時候存在安全隱患。如何提升電池性的本質安全對電力系統后續是非常重要的。

       二是高可靠性。我們知道電網或者電力系統對儲能的要求非常多，比如說調頻、調峰等還有一些響應，這種東西對電池的性能的要求提出比較高的要求，如何更好地響應電網的需要或者用戶的需求，這可能是儲能技術的未來發展一個趨勢。

      隨著儲能在電力行業中的應用越來越多，運行維護問題也是成為大家比較關注的話題。對于業主來說，希望是全壽期不需要維護，這當然是最理想的狀況。對于儲能電池來說是不是也是這樣，我們思考一下。如何去減少它的維護，或者即使維護或者運行也是比較傻瓜式，很簡單的東西，這對于電網，對于用戶來說更為友好。

       三是對于成本的需求或者對于經濟性的需求。儲能也是一種商品，商品是一定要經受市場的考驗。而市場考驗商品的重要就是價格或者經濟性。因此現在如何開發一種更為低成本地儲能電池，對于儲能技術來說也是比較重要，我們現在知道儲能現在的廝殺其實非常激烈，鋰電池的價格甚至跌到成本價，其他儲能技術的價格現在不得不面對這樣一種市場價格的拼殺，但是這種東西如果不能保證性能的前提下，如果只是拼價格對于儲能的發展來說其實也是不利的。

       四是對于長壽命的考驗，這個依然是經濟性的一個測算。如果循環壽命足夠長，全壽命周期的度電成本也會比較低。

       這是發電側對儲能技術發展趨勢四個方面。

       對于儲能應用的發展趨勢，現在是對于時長提出了越來越多的要求。一方面因為新能源消納的問題，傳統的可調度的發電資源漸退出調度市場。新能源發電整體的波動性或者說需求長時的儲能技術對于這方面的調節可以說是更為有利。另外一方面就是系統靈活性的需求，具備4-10小時持續放電能力的儲能系統，可以為電力系統提供更為可靠穩定地運行支撐。

       長時儲能概念美國最早提出來，因為是在前幾年白皮書對于長時儲能提出明確的概念，就是4-10小時的儲能技術。下面圖是美國國家可再生能源實驗室發布的研究報告中做的測算，結合了新能源的功率、調度運行的時間、儲能的功率、儲能的時間等做了一個測算。最后的結論就是更大功率的儲能布置，能夠消除更多的凈負荷的需求，同時儲能的時長需要其實越來越長。    

       我國這幾年的政策也在逐漸地向長時儲能這方面做引導。比如說新疆、內蒙古、甘肅、河北這四個省是比較靠前的提出在省的發展規劃或者操作指引中提出明確的要求，要求配置4小時以上的儲能技術。對于用戶側來說，大的工業用戶或者工業園區其實長時的儲能技術對他們來說比較有利，因為谷電的時長，夜間的谷電時長比較長。

       儲能技術中除了傳統的抽水蓄能和壓縮空氣，其實液流電池可以說是目前最適合長時儲能的技術路線。我們從這張圖上可以看到液流電池的功率和儲能的時長可以做一個清晰的切分，這一塊完全可以根據使用的需要來進行一個定制化的設計，它的配置上更為靈活。液流電池的建設上也不受地理環境的限制，因此在工程應用上也是更為有利。

       液流電池的應用場景和其他的儲能技術是比較類似，也是歸為幾類：發電側、電網側、用戶側，包括用的比較多的共享儲能等等。國家電投集團一直在推一個概念叫“綜合智慧零碳電廠”的概念，這個概念其實是把很多的應用場景集合在一起，但是無論怎么用，儲能在里面都是非常重要的一個環節。

       液流電池的市場也是發展比較巨大，這個是根據國家能源局的一些數據對于裝機規模來提出的概念。行業內很多調研的報告或者一些知名的專家其實也提出了一些預測，在2025年-2025年，液流電池的占比在行業內甚至能占到50%，這樣我們去估算一下液流電池的市場規模在全球可能超過萬億，在中國市場也將接近五千億。

       當然液流電池的發展方向就是朝著規模化和成本更低的方向發展。目前存在的一些問題可以主要有三點：

       第一，美國能源署分析之后得到的結論。如何有效降低關鍵部件的生產成本。我們知道在液流電池中核心部件比較多，像膜材料，雙極板材料，碳氈材料等等在液流電池成本構成中占比比較大。如何去降低這些成本，包括它的輔助系統的像泵、管道等等規模化之后，怎么提升效能，降低規模化成本，這個是電池未來發展重要考慮的因素。

        第二，亟需健全標準化的供應鏈和系統集成。在液流電池細分領域比較多，像全釩液流、鐵-鉻液流、鋅溴、鋅鐵等等所有這些電池對零部件的選型其實是不太一樣的。電池堆肯定是不一樣的，因為電化學性能不一致，對于其他輔助系統這一塊，像泵、閥門、管道等等能不能建成一個標準化的體系？這一塊也是有待行業內的同行共同努力的。

        第三，需要規模化生產制造。從現在來看，液流電池的規模在整個儲能行業的市場中占比還不是太大，它的規模也不是很大，這種狀態下生產成本必然會比較高。只有有待于規模化生產的建立之后，才從規模化上降低它的成本。當然它的總體目標就是通過一系列的技術的進步，產業的擴大，最終來降低它的成本。這是美國能源署的預測或者目標，希望在大規模部署的時候，點電池的成本降低到300美元/kWh以下。按照美國能源署，對美國市場的評估，現在對于釩礦依賴程度比較大，一些項目在重點推一些鐵基、鋅基等技術的應用。

       介紹一下鐵-鉻液流電池的技術。

       鐵-鉻液流電池從技術發源上來說是在液流電池內的鼻祖，最早在70年代美國NASA提出液流電池概念的時候，其實選用的技術就是鐵-鉻液流電池技術。后續在80年代的時候日本成功制造出10KW和60KW的原型系統，但是再往后發展鐵-鉻液流電池從大眾的視野中消失。行業內對鐵-鉻提出很多質疑或者認為技術是瓶頸的地方，我總結以下幾點：

       1、離子互串的問題，傳統的鐵-鉻正極和負極電解液是不一樣的，一面用的鐵離子，一面用的鉻離子，運行過程中存在離子的互混，它會造成電解液的交叉污染，從而降低電池的性能。

       2、析氫反應比較大，隨著電池的運行會有很多的氫氣的析出，一方面對電池的性能有影響，另外一方面對對安全性上有一些隱患。

       3、離子交換膜價格比較高，導致成本比較高。

       4、Cr離子活性比較差。

       5、電流密度低等。

       這些技術瓶頸是影響鐵-鉻發展的重要的因素。導致鐵-鉻進入中國以后沒有發展起來的原因。

       向大家報告一下，這些瓶頸在現在的鐵-鉻的應用中已經都得到了比較好的解決，離子互串的問題早在80、90年代很容易得到解決。另外一方面析氫問題和Cr離子活性差的問題，核心是Cr離子活性比較差，反應電位比較高，從而引起析氫問題。現在的技術上是通過在電解液中增加一些催化劑，通過這個催化劑提高Cr離子的反應活性，這樣一方面提高了它的活性，另外一方面減少或者抑制析氫反應。離子交換膜后面介紹中會提到，我們研發了國產化的一種膜材料，成本得到很大的降低。

       解決以上問題之后，鐵-鉻技術優勢比較明顯，包括長壽期、長時儲能、電解液成本比較低、環境好、安全性高等。

       這是從價格因素上給出的一個對比，因為鐵和鉻礦產儲量比較多，所以價格比較穩定，比較廉價。

       這是我們現在的一些實驗基地的情況，就不詳細介紹。

       這是現在重點攻克的一些技術難題，針對前面所到的鐵-鉻存在的技術瓶頸所做的一些技術。像關鍵材料，我說一下膜材料，鐵-鉻一直應用的是進口的全氟磺酸膜，現在逐漸做成國產化不含氟的磺酸膜，和進口的價格比不到1/10。

       這是現在山東濰坊建的一個鐵-鉻液流電池裝備制造基地，在去年1月份產線已經達到量產。現在電流密度達到140毫安平方厘米，在業內技術參數和其他的技術有一個對比和競爭了。

       這是模塊化的建設。

       應用案例上張家口的250KW/1.5MWh儲能系統是在2020年12月建成投運的，1MW/6MWh的鐵-鉻液流系統在內蒙古霍林河去年建成，在今年2月底正式進入試運行階段，現在還在做試運行的調試工作，預計很快得到正式的商運。

我的報告就到這里，謝謝大家！