當前，新能源發(fā)電、微電網(wǎng)、互動式設(shè)備等大量接入電網(wǎng)，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來了巨大挑戰(zhàn)。應(yīng)用大規(guī)模電化學儲能提升清潔能源消納和存儲能力，成為電網(wǎng)建設(shè)中不可或缺的一環(huán)。
我國是釩資源大國，釩儲量居世界第三位。近年來，被稱作是“現(xiàn)代工業(yè)味精”的小眾金屬——釩，逐漸在各行業(yè)中嶄露頭角。作為電化學電池家族中的重要一員，全釩液流電池被認為具有安全性高、壽命周期內(nèi)經(jīng)濟性好、廢棄后環(huán)境友好等優(yōu)點，運行過程中不降解、不損耗，在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)進程中將發(fā)揮重要作用。南瑞集團有限公司經(jīng)過十年深耕，目前已全面掌握釩電池改性選型技術(shù)，建設(shè)完成兆瓦級釩電池電堆生產(chǎn)線，具備兆瓦級儲能電站設(shè)計和建設(shè)能力，技術(shù)水平居國內(nèi)前列。
電化學儲能裝備的安全性至關(guān)重要
當前，我國加緊推進碳達峰、碳中和。今年3月，中央財經(jīng)委員會第九次會議提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，電網(wǎng)企業(yè)重任在肩。
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型時，電力系統(tǒng)電源端將發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，電源不可控性更高。這就要求電網(wǎng)同步提升靈活調(diào)節(jié)能力和智能化控制水平。目前，電化學儲能是應(yīng)對這一轉(zhuǎn)變的最直接、效果最好的支撐技術(shù)和基礎(chǔ)裝備之一，主要包含鉛酸電池、鋰離子電池、釩電池等產(chǎn)品類型。
據(jù)南瑞集團武漢南瑞有限責任公司（簡稱“武漢南瑞”）儲能研發(fā)負責人張杰介紹，相比其他電池類型，全釩液流電池采用以釩為主體的水系溶液作為電解質(zhì)，運行或放置狀態(tài)性能穩(wěn)定，無燃燒、爆炸隱患，電池本征安全，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域具有一定優(yōu)勢。
全釩液流電池還具有良好的低溫性能?！?019年1月，我們在蒙東科右中旗進行了100千瓦2小時移動式全釩液流電池儲能示范。當時臨近春節(jié)，戶外有零下20攝氏度，環(huán)境條件惡劣，而我們的設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，解決了當?shù)剞r(nóng)網(wǎng)末端低電壓和供電容量不足問題，為當?shù)鼐用翊汗?jié)用電提供了保障?！睆埥茏院赖卣f。
據(jù)了解，2010年，武漢南瑞立足于新能源飛速發(fā)展預(yù)期和未來電力系統(tǒng)及電網(wǎng)建設(shè)需求，將電化學儲能列為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，展開全釩液流電池儲能技術(shù)研究。經(jīng)過十年深耕，武漢南瑞已全面掌握釩電池改性選型技術(shù)，具備釩電池本體設(shè)計、材料研制、系統(tǒng)集成能力，成功研發(fā)高功率釩電池電堆和250千瓦/500千瓦時儲能系統(tǒng)，申請發(fā)明、實用新型專利共70項，授權(quán)40余項。
“得益于新能源汽車發(fā)展對鋰電池市場的拉動以及鋰電池本身成本的顯著下降，現(xiàn)階段鋰電池儲能是主流的電化學儲能技術(shù)，這一點是市場已經(jīng)接受的。”武漢南瑞儲能團隊負責人張愛芳說。同時她也表示，全釩液流電池在安全性能、持續(xù)時間和使用壽命方面具有關(guān)鍵的優(yōu)勢，結(jié)合具體場景時容量型儲能必將有一定價值預(yù)期，例如新能源發(fā)電遭遇氣候因素導(dǎo)致電力持續(xù)性輸出缺口或電網(wǎng)有調(diào)節(jié)、備用需求時，可視作長時儲能解決方案。
長時儲能優(yōu)勢有利于電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)
據(jù)相關(guān)報道，2020年12月，美國加州消防局部署了一套全釩液流電池儲能系統(tǒng)，用于提供緊急服務(wù)和保障當?shù)厣鐓^(qū)電力供應(yīng)。該項目是由美國加州能源委員資助，用以刺激長效非鋰儲能計劃的一部分。項目執(zhí)行后，全釩液流電池與可再生能源將在加州配套使用，以展示液流電池的卓越性能，包括削峰平谷、降低需量電費并提供備用電源。
隨著可再生能源逐步占據(jù)發(fā)電電源主體地位，穩(wěn)定電力系統(tǒng)發(fā)電端和受電端電力平衡，需要建立高可靠、強彈性的保障機制。充電和放電時間在4小時以上的長時儲能是一個優(yōu)選項，能為國家或區(qū)域電力網(wǎng)絡(luò)所需的靈活性提供有效解決方案，對新型電力系統(tǒng)建設(shè)起到重要“潤滑”作用。
全釩液流電池儲能十分適用于長時儲能，因為它具有兩項重要潛質(zhì)：一是全釩液流電池儲能系統(tǒng)功率和存儲電量可獨立設(shè)計，且存儲電量的載體全釩液流電池電解液具有理論無限循環(huán)的優(yōu)勢，即全釩液流電池儲能系統(tǒng)電量擴增的邊際成本低，可避免產(chǎn)生額外設(shè)備成本；二是電池電堆日歷壽命可達20年以上，循環(huán)壽命13000次以上，電解液近乎零損耗且能無限沿用的技術(shù)特征，形成了全釩液流電池壽命周期內(nèi)的成本優(yōu)勢。
“但全釩液流電池儲能要得到大規(guī)模推廣應(yīng)用，獲得市場認可，沒有那么簡單?！睆垚鄯继寡?，在受新能源汽車等儲能快速消費品市場價值傳導(dǎo)影響、儲能價值定位仍不清晰的當前，資本和短期利益的角逐對全釩液流儲能技術(shù)形成強力壓制?！叭绾瓮黄瞥杀鞠拗?，減小一次投資壓力，是全釩液流電池面臨的最主要問題。”她強調(diào)。
亟待突破電堆成本、創(chuàng)新商業(yè)模式
全釩液流電池儲能系統(tǒng)由電堆、電解液、管路系統(tǒng)、儲能變流器等組成，其中電堆和電解液成本占系統(tǒng)總成本的85%左右。降低兩者成本是業(yè)內(nèi)共識。
解決電堆成本問題，關(guān)鍵是提高電池的功率密度，其次是提升關(guān)鍵材料的有效使用面積，降低材料成本。南瑞集團在2019年已將全釩液流電池單堆電流密度提高到140毫安/平方厘米，預(yù)計今年有望達到160毫安/平方厘米；研制出新一代一體化高功率電堆，依托高溫熱熔和激光焊接技術(shù)，將電堆一體化成型，達到降低接觸電阻、提高密封性能、提升電堆組裝自動化裝配效率的目的。同時，通過改進隔膜密封方式，降低隔膜使用面積和密封件數(shù)量，電堆的總成本降低了30%。這一成果為推動全釩液流電池的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
另一方面，利用釩電解液不消耗、殘值高、可循環(huán)利用的特點，通過電解液租賃方式，實現(xiàn)對電解液成本的管理，是行業(yè)內(nèi)較推崇的一種方式。張愛芳介紹，區(qū)別于鋰電池租賃，這種方式能減小租賃物損耗費用在租金中的占比，并使出租方利潤成為影響租金費用的決定因素。若進一步，電解液的獨特屬性被視作資源性保值產(chǎn)品，部分金融國企以購買基金或參股形式投資上游釩企業(yè)，平穩(wěn)租金，既能減少釩資源流失，提高釩金屬保有率，也有利于全釩液流電池儲能產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。
隨著全釩液流電池技術(shù)迭代升級，商業(yè)投融模式不斷創(chuàng)新，行業(yè)對全釩液流電池儲能的定位將更加清晰，對其效能的認識也得到提高。湖北省提出研制完善百千瓦級釩電池電堆和成套電池裝備，形成100兆瓦園區(qū)和電網(wǎng)級儲能成套裝備制造與電站設(shè)計、建造和運維能力，支持全釩液流電池儲能裝備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和應(yīng)用示范；甘肅、四川等省份也將釩電池產(chǎn)業(yè)列入重點規(guī)劃；遼寧、江蘇、湖北等多地已在籌劃百兆瓦級別的全釩液流電池儲能項目。
國家能源集團北京低碳清潔能源研究院儲能技術(shù)負責人劉慶華表示：“‘十四五’時期，我國全釩液流電池將迎來非常好的大規(guī)模推廣時機。隨著各地全釩液流電池儲能示范項目落地并獲得技術(shù)驗證，未來5年內(nèi)預(yù)計將是全釩液流電池從成熟走向推廣的重要窗口期?！?/p>
以產(chǎn)業(yè)化為重點保障電網(wǎng)安全可靠運行
5月25日，國家發(fā)改委正式對外公布了《關(guān)于“十四五”時期深化價格機制改革行動方案的通知》（下稱《行動方案》）?！缎袆臃桨浮诽岢?，持續(xù)深化電價改革，完善風電、光伏發(fā)電、抽水蓄能價格形成機制，建立新型儲能價格機制。屆時，儲能成本將得到疏導(dǎo)。
“我們預(yù)測儲能會成為提升電力系統(tǒng)靈活性的可調(diào)資源。十年前我們就著手布局儲能研發(fā)，并將其作為武漢南瑞的新興產(chǎn)業(yè)?！蔽錆h南瑞總經(jīng)理、黨委書記蔡煒如是說，“近年來，從國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)應(yīng)用情況來看，電化學儲能在新能源并網(wǎng)消納、電網(wǎng)運行控制等方面的作用越發(fā)顯著?！被谌C液流電池儲能高安全、適宜長時儲能、回收和環(huán)保極具優(yōu)勢的技術(shù)特點，他對全釩液流電池的前景充滿信心。電力系統(tǒng)中核心的電力資產(chǎn)大多具有20年及以上的壽命，全釩液流電池儲能高度契合并具備替代電網(wǎng)部分資產(chǎn)投資作用，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，在未來有望作為電網(wǎng)資產(chǎn)設(shè)備列入電網(wǎng)規(guī)劃之中。
在儲能安全性日益受到重視、大規(guī)模長周期儲能項目需求持續(xù)增長、回收和環(huán)保閉環(huán)低碳發(fā)展的要求下，武漢南瑞將堅定信心，繼續(xù)深耕全釩液流電池儲能技術(shù)，以全釩液流電池產(chǎn)業(yè)化作為重點任務(wù)，力爭將全釩液流電池儲能打造為技術(shù)招牌，為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標增添助力。（武漢南瑞供圖）
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