鮑文杰

(緯景儲(chǔ)能科技有限公司，上海 201103)

1 引言

2021-10-24，國(guó)務(wù)院正式印發(fā)《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》，其中明確了需要實(shí)現(xiàn)的“雙碳”目標(biāo)，包括構(gòu)建低碳綠色發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系、提高能源利用、降低不可再生能源的依賴(lài)，減少碳排放量，優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)等5個(gè)主要方面。在“雙碳”政策下，光伏、風(fēng)能等可再生新能源逐漸成為未來(lái)綠色能源的主力軍，但光伏、風(fēng)能比較明顯的缺點(diǎn)是不穩(wěn)定性、直接并網(wǎng)難度大，棄風(fēng)棄光比較嚴(yán)重。儲(chǔ)能技術(shù)則可以很好彌補(bǔ)太陽(yáng)能、風(fēng)能的短板，保障其電力的穩(wěn)定，降低棄光棄風(fēng)量。因此，“新能源+儲(chǔ)能”模式將成為主流趨勢(shì)，儲(chǔ)能電池也將成為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)之一[2]。

在眾多儲(chǔ)能電池中，液流電池因其可實(shí)現(xiàn)無(wú)地域限制的大規(guī)模建設(shè)，壽命長(zhǎng)、無(wú)污染、不易燃易爆、清潔環(huán)保、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢(shì)，其關(guān)注度越來(lái)越高。液流電池概念最早在1974年，被THALLER提出[3]，單個(gè)液流電池系統(tǒng)主要由電堆、電解液、管路系統(tǒng)及動(dòng)力泵、控制系統(tǒng)四部分組成。

如圖1所示，充電儲(chǔ)能時(shí)，正極發(fā)生氧化反應(yīng)，活性物質(zhì)價(jià)態(tài)升高，負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)，活性物質(zhì)價(jià)態(tài)降低，電解液將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)；放電釋能時(shí)，正極活性物質(zhì)價(jià)態(tài)降低，負(fù)極活性物質(zhì)價(jià)態(tài)升高，液流電池將它所儲(chǔ)存在電解液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能釋放出來(lái)。

圖1 液流電池充放電原理示意Fig.1 Schematic diagram of charging and discharging principle of liquid flow battery.

液流電池種類(lèi)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(diǎn)，雖然全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)是目前最為成熟的，但在這個(gè)儲(chǔ)能市場(chǎng)百家爭(zhēng)鳴的時(shí)代，仍無(wú)一個(gè)科學(xué)合理的液流電池評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，導(dǎo)致用戶(hù)端無(wú)法進(jìn)行有效的對(duì)比，選擇一款對(duì)自己性?xún)r(jià)比最高的液流電池。

針對(duì)我國(guó)目前儲(chǔ)能市場(chǎng)的需求、國(guó)家對(duì)儲(chǔ)能的政策、液流電池的特點(diǎn)等多方面進(jìn)行綜合總結(jié)分析，擬從工程化角度對(duì)液流電池評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行探討。

2 儲(chǔ)能電池的評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀

目前，還沒(méi)有任何一種液流電池能夠達(dá)到國(guó)家電網(wǎng)要求的并網(wǎng)全部條件。液流電池也是根據(jù)自身的工作原理和技術(shù)上的優(yōu)缺點(diǎn)不同，而應(yīng)用在不同需求和環(huán)境的場(chǎng)所。2020年1月，由國(guó)家能源局、國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局等聯(lián)合制定的《關(guān)于加強(qiáng)儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)化工作的實(shí)施方案》中提出了要加強(qiáng)儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作，促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)更好的發(fā)展的同時(shí)也要標(biāo)準(zhǔn)先行。同年2月，由大連化物所和大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司聯(lián)合牽頭起草制定的“固定式液流電池2-1：性能通用條件及測(cè)試方法”也正式頒布，對(duì)液流電池標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展起到了重要推進(jìn)作用[4]。但就目前行業(yè)情況而言，液流電池的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)仍然無(wú)法統(tǒng)一，因此很有必要根據(jù)實(shí)際需求對(duì)液流電池提出一種具有普遍性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

Ibrahim等人[5]根據(jù)2008年時(shí)期已經(jīng)存在的儲(chǔ)能技術(shù)狀況從技術(shù)指標(biāo)(主要包括電池功率、能量效率、結(jié)構(gòu)體積等)和經(jīng)濟(jì)成本兩個(gè)角度進(jìn)行了研究分析，提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的雛形。俞恩科等人[6]通過(guò)對(duì)多種儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了分類(lèi)及應(yīng)用的分析比較，認(rèn)為在偏遠(yuǎn)不能充分利用可再生能源的地區(qū)，可以選擇成熟的儲(chǔ)能技術(shù)；在可再生能源可以得到充分利用的地區(qū)則可以選擇比較先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)。劉世念等人[7]通過(guò)收集多種化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)及應(yīng)用數(shù)據(jù)，引入DEA(數(shù)據(jù)包絡(luò))分析法，通過(guò)計(jì)算得出量化數(shù)據(jù)，更直觀對(duì)多種化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的性能和效果進(jìn)行了比較。蘇小林等人[8]對(duì)儲(chǔ)能的應(yīng)用時(shí)間與多維度性能指標(biāo)進(jìn)行了分析比較，提出儲(chǔ)能應(yīng)在產(chǎn)品、經(jīng)濟(jì)性、控制及兼容現(xiàn)有技術(shù)等方面作為主要研究方向。閆俊辰等人[9]通過(guò)引用ESOI(全生命周期能源投入存儲(chǔ)回報(bào))作為“能量”成本的技術(shù)指標(biāo)，研究了多種儲(chǔ)能技術(shù)的ESOI，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，可以直觀表現(xiàn)出不同儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展?jié)摿χ怠？娖降热薣10]通過(guò)將儲(chǔ)能技術(shù)的安全性、成本、技術(shù)性能和環(huán)境友好性幾個(gè)方面作為研究指標(biāo)進(jìn)行了技術(shù)分析，認(rèn)為同時(shí)滿足這幾個(gè)指標(biāo)的儲(chǔ)能電池技術(shù)還需要更多的研究工作，并且在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，多種技術(shù)路線并存仍是儲(chǔ)能市場(chǎng)的主流。張明霞等人[11]針對(duì)當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)的狀況和市場(chǎng)需求進(jìn)行研究分析，認(rèn)為當(dāng)前階段應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件和示范項(xiàng)目具體需求優(yōu)先選擇儲(chǔ)能技術(shù)比較成熟的電池，未來(lái)則取會(huì)選擇使用壽命長(zhǎng)的儲(chǔ)能電池。Makarovd等[12]、方彤等[13]也都在技術(shù)方面、經(jīng)濟(jì)方面和環(huán)境方面等對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行了評(píng)價(jià)討論。

3 液流電池的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)探究

液流電池種類(lèi)繁多，每一種液流電池的技術(shù)特點(diǎn)各有不同，但從目前國(guó)家政策和儲(chǔ)能市場(chǎng)以及主要技術(shù)等方面進(jìn)行探討，大致可以將液流儲(chǔ)能電池的安全環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性成本和技術(shù)性能作為液流電池的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。

3.1 安全環(huán)保性

儲(chǔ)能的安全性主要指在產(chǎn)品的全生命周期內(nèi)，系統(tǒng)在正?；蛘吲既话l(fā)生事件的情況下仍可以良好運(yùn)轉(zhuǎn)，不會(huì)對(duì)人身安全產(chǎn)生危害[14]。安全性是液流電池甚至儲(chǔ)能系統(tǒng)的首要評(píng)價(jià)因素，因?yàn)槠渖婕暗接脩?hù)使用時(shí)的生命、人身等方面的安全，產(chǎn)品是用來(lái)服務(wù)于用戶(hù)而不是對(duì)用戶(hù)有潛在危險(xiǎn)的。導(dǎo)致儲(chǔ)能產(chǎn)品發(fā)生安全事故的因素有很多，如熱失控、漏電、漏液、漏壓、過(guò)電、電控、機(jī)械等。近幾年，全球儲(chǔ)能事故發(fā)生比較頻繁，從2017年8月至今韓國(guó)已經(jīng)有29起儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)事故；2019年美國(guó)利亞桑那州的儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生了爆炸事故造成多名消防員不同程度受傷；我國(guó)2021年4月份在北京市豐臺(tái)區(qū)大紅門(mén)集美家居市場(chǎng)的儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，而這次安全事故的發(fā)生直接導(dǎo)致1名消防員受傷，2名消防員犧牲[15]。通過(guò)多起儲(chǔ)能事故的發(fā)生地點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)多數(shù)為用戶(hù)側(cè)，因此，從儲(chǔ)能系統(tǒng)整體安全性上來(lái)看，液流儲(chǔ)能電池的安全性必須作為液流電池評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系的第一標(biāo)準(zhǔn)，不僅要制定合理的安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，也要加強(qiáng)行業(yè)內(nèi)的儲(chǔ)能產(chǎn)品自身安全把控，同時(shí)應(yīng)采取有針對(duì)性的安全處理防護(hù)措施作為電池安全事故的最后保障。楊凱[16]針對(duì)儲(chǔ)能的安全問(wèn)題研制了一款具有智能判定、啟動(dòng)功能的滅火裝置，并經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的有效性，對(duì)保障儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全具有重大意義。

儲(chǔ)能的環(huán)保性主要是指儲(chǔ)能系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)對(duì)社會(huì)環(huán)境帶來(lái)較小的負(fù)面影響。對(duì)于液流儲(chǔ)能電池來(lái)說(shuō)，要求其在大規(guī)模建設(shè)儲(chǔ)能項(xiàng)目的時(shí)候和系統(tǒng)投入到使用過(guò)程中不會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生不當(dāng)破壞，液流電池產(chǎn)品在壽命結(jié)束或者維護(hù)替換下來(lái)的時(shí)候，其使用的材料盡可能的可以繼續(xù)回收利用或者通過(guò)二次加工可再次投入使用；液流電池作為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)之一，主要靠電解液中活性化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行儲(chǔ)能，涉及到多種元素，在環(huán)保方面，則要求其使用的電解液活性物質(zhì)盡量為生活中常見(jiàn)、地殼中含量高的、容易提煉出來(lái)并且不會(huì)對(duì)環(huán)境和人產(chǎn)生危害的可回收利用元素物質(zhì)。

3.2 經(jīng)濟(jì)性成本

液流電池儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性成本影響因素較多，而且缺乏系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究，現(xiàn)階段更多的儲(chǔ)能項(xiàng)目都屬于示范性的，并不具備一定的經(jīng)濟(jì)性研究?jī)r(jià)值，所以對(duì)于其不同服務(wù)領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)性成本評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也不一樣[17-19]。JIM等人[20]通過(guò)計(jì)算各種儲(chǔ)能技術(shù)的總投資，針對(duì)不同儲(chǔ)能項(xiàng)目應(yīng)用場(chǎng)景使用全生命周期方法研究分析了儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性。該研究方法雖然可以通過(guò)對(duì)不同儲(chǔ)能技術(shù)在不同情景下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，但仍不能有效的對(duì)某一個(gè)儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較且該研究脫離了電力系統(tǒng)對(duì)其的影響，具有局限性。美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)、加州公共事業(yè)委員會(huì)、E3咨詢(xún)公司、加州能源委員會(huì)等通過(guò)合作的方式研發(fā)出了一套針對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)軟件ESVT(energy storage valuation tool)，該軟件可以輸入儲(chǔ)能技術(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析該儲(chǔ)能技術(shù)在能源、容量、輸電、配電和市場(chǎng)等條件下的凈現(xiàn)值，對(duì)比不同儲(chǔ)能技術(shù)，從宏觀上對(duì)其儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行判斷和描述[21-22]。楊裕生院士等人[23-25]在工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原則上將經(jīng)濟(jì)效果作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了YCC指數(shù)方法，通過(guò)計(jì)算出的YCC指數(shù)來(lái)判斷電化學(xué)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)是否具有經(jīng)濟(jì)可行性，該方法具有一定的指導(dǎo)性?xún)r(jià)值。劉堅(jiān)等人[26]通過(guò)對(duì)幾種典型儲(chǔ)能案例的經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行了研究分析，得出儲(chǔ)能技術(shù)作為靈活性電力系統(tǒng)資源，其經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在用戶(hù)側(cè)削峰填谷、配電側(cè)的調(diào)頻服務(wù)等領(lǐng)域。薛金花等人[27]通過(guò)敏感性分析，建立全生命周期成本模型計(jì)算儲(chǔ)能技術(shù)的各類(lèi)經(jīng)濟(jì)性成本，提出了可以有效降低用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能成本的方法，并根據(jù)用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能電池的經(jīng)濟(jì)來(lái)源詳細(xì)計(jì)算了不同電價(jià)政策下的儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，認(rèn)為在儲(chǔ)能項(xiàng)目的成本占比中，安裝成本大于更換成本和用電成本，后期維護(hù)成本最低，并且可以通過(guò)提升電解液循環(huán)效率和降低放電時(shí)長(zhǎng)來(lái)有效降低用戶(hù)側(cè)的儲(chǔ)能電池成本。邢潔等人[28]通過(guò)研究應(yīng)用在用戶(hù)側(cè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)不同模式，定量計(jì)算不同儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的可靠性指標(biāo)影響值，并通過(guò)案例計(jì)算，比較分析多種儲(chǔ)能方案可以在用戶(hù)側(cè)節(jié)省的費(fèi)用，最終得出技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性的儲(chǔ)能系統(tǒng)在用戶(hù)側(cè)的實(shí)施方案。薛金花等人[29]以?xún)?chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性為研究指標(biāo)，根據(jù)實(shí)際儲(chǔ)能示范項(xiàng)目案例建立全壽命周期成本-效益現(xiàn)值法進(jìn)行綜合效益模型分析，最后對(duì)用戶(hù)側(cè)的儲(chǔ)能市場(chǎng)模型進(jìn)行了盈虧平衡點(diǎn)預(yù)測(cè)。

3.3 技術(shù)性能

液流電池儲(chǔ)能的技術(shù)性能參數(shù)主要有庫(kù)倫效率、電壓效率、能量效率、響應(yīng)速度、充放電時(shí)長(zhǎng)、電解液利用率、循環(huán)壽命以及功率密度等[30]。目前用于評(píng)價(jià)液流電池技術(shù)性能指標(biāo)比較多的有能量效率、功率密度。能量效率是指電池在單個(gè)循環(huán)充放電過(guò)程中釋放的電能與充進(jìn)的電能之比[31]。目前液流電池主要應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的大規(guī)模儲(chǔ)能項(xiàng)目，為了更好比較，通常選用能量效率作為液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。王保國(guó)等人[32]通過(guò)總結(jié)大量典型的大規(guī)模釩液流電池中的電堆性能參數(shù)發(fā)現(xiàn)，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(chǔ)能裝備有限公司主要進(jìn)行全釩液流電池的研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、安裝，其通過(guò)和大連化物所共同研發(fā)的22 kW單堆功率的5 MW/10 MWh液流電池系統(tǒng)已并網(wǎng)運(yùn)行，單堆的能量效率達(dá)80%；其與大連熱電集團(tuán)合作建設(shè)的200 MW/800 MWh的儲(chǔ)能電站國(guó)家示范項(xiàng)目，單堆功率為32 kW，能量效率達(dá)82%。美國(guó)ZBB公司建設(shè)的2 MWh鋅溴液流電池應(yīng)急儲(chǔ)能電站示范項(xiàng)目，額定電壓為540 V，能量效率約82%[33]。在液流電池研究發(fā)展過(guò)程中，對(duì)于電堆各零部件的材料性能研究主要以庫(kù)倫效率、電壓效率、能量效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。Mazur等人[34]以庫(kù)倫效率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同厚度的不同氈進(jìn)行了耐久性測(cè)試，對(duì)比分析了1 000個(gè)充放電循環(huán)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)使用全氟磺酸膜的單電池庫(kù)倫效率下降幅度要比PAN基石墨氈的小很多，得出人造絲基氈電化學(xué)穩(wěn)定性更好。Wei等人[35]研制了3D納米結(jié)構(gòu)的空心Ti3C2Tx球修飾過(guò)的石墨碳?xì)蛛姌O并進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該電極可以大幅度提高電解液的利用率和電池能量效率。Ling等人[36]使用溶膠-凝膠法將磺酸硅加入到相轉(zhuǎn)移法制備的PVDF離子膜的基質(zhì)中，制備了一種具有更好的釩離子選擇性復(fù)合離子膜，并通過(guò)在全釩液流單電池60 mA/cm2中測(cè)試得出其庫(kù)倫效率和能量效率達(dá)90.3%、75.6%。Zeng等人[37]研制了一種用于全釩液流電池的含有磺化聚醚醚酮和改性碳碳質(zhì)泥巖復(fù)合膜，并經(jīng)過(guò)強(qiáng)酸處理，通過(guò)在高電流密度下的單電池測(cè)試發(fā)現(xiàn)庫(kù)倫效率高達(dá)99%以上并且電解液容量損失只有0.15%。隨著液流電池的不斷發(fā)展，很多液流電池研究者開(kāi)始使用燃料電池的部分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將高功率密度作為液流電池的發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)。Houser等人[38]將放電容量和功率密度作為衡量液流電池性能標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)釩液流電池的電堆結(jié)構(gòu)和零部件材料性能進(jìn)行了研究。Aaron等人[39]使用雙尺度多孔碳紙作為液流電池的電極將電池的電流密度提升到200 mw/cm2進(jìn)行充放電，發(fā)現(xiàn)其能量效率仍能保持在82%左右。Zheng等人[40]通過(guò)大量研究得出評(píng)價(jià)液流電池的性能最佳指標(biāo)是能量效率，而極化曲線和功率密度并無(wú)實(shí)際意義。不管是庫(kù)倫效率、電壓效率、電流密度還是能量效率，實(shí)際上來(lái)講都是相互關(guān)聯(lián)的，庫(kù)倫效率是能量效率與電壓效率的比值，庫(kù)倫效率等于電極面積乘以電流密度。

4 結(jié)論

隨著儲(chǔ)能行業(yè)受到國(guó)家和市場(chǎng)的重視度越來(lái)越高，液流電池的發(fā)展也越來(lái)越快，但由于液流電池的技術(shù)影響因素較多、液流電池種類(lèi)繁多、應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜多變、研究者對(duì)液流電池的研究分析指標(biāo)也各有不同，所以液流電池始終沒(méi)有一個(gè)合理、規(guī)范的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。通過(guò)對(duì)液流儲(chǔ)能電池的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探究分析，結(jié)合當(dāng)前國(guó)家儲(chǔ)能政策、市場(chǎng)需求及液流電池技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，擬提出液流儲(chǔ)能電池的評(píng)價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)從整個(gè)電池系統(tǒng)的安全環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性成本和技術(shù)性能三個(gè)方面進(jìn)行衡量比較。其中，安全環(huán)保性決定了液流儲(chǔ)能電池是否可以投入使用的首要前提；經(jīng)濟(jì)性成本將決定了液流儲(chǔ)能電池是否可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的重要因素；液流電池的儲(chǔ)能技術(shù)水平將是提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。

鮑文杰(1990- )，男，滿族，大連人，碩士，工程師，主要從事液流電池的研究與開(kāi)發(fā)工作。