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钒电池最接近商业化、铁铬液流电池仅国家电投在做、锌溴液流电池已销售匿迹
日期:2022-08-07   [复制链接]
责任编辑:sy_gujianing 打印收藏评论(0)[订阅到邮箱]
从应用场景上来看,可以看到液流电池在储能容量幅度比较宽,最小大概有几十千瓦,最大接近一百兆瓦。

目前国内最大的液流电池示范项目已经做到了100兆瓦/400兆瓦时,是由大连融科公司提供技术装备,筹集资金在大连市做的项目,这个项目是为了保证整个大连市电网的安全稳定,由于大连处于辽宁电网的末端,它的安全性有点类似于边缘电网,所以有了这么大型的一个储能项目,可以保证电网在于辽宁省的主电网脱网的时候,保证大连市一些核心机构能够有能源供应,能够安全运行。

在时长上来看,液流电池可以划归到长时储能领域。目前国内的液流电池做较好的有三种技术路线。

第一,全钒液流电池,也是目前国内示范项目做的最大的电池技术。

第二,铁铬液流,目前国内主要从事铁铬液流的公司是国家电投集团中央研究院。

第三,锌溴液流,目前国内做锌溴液流的公司比较少。之前安徽美能公司推广过一段时间,但是近年来由于各种原因推广不再那么积极,现在国内做的示范项目也相对比较小。

接下来给大家介绍一下不同的储能技术路线与液流电池的对比。不同的储能技术有不同的特点,大家可以看下面的两个雷达图,首先我们来看左边的雷达图,从循环次数、能量密度、功率、自放电以及充放电层面与铅碳电池、钠硫电池与锂电池做了一个对比,大家可以比较清晰的看到,目前液流电池最大的优势就是循环次数,它的循环次数可以达到15,000-20,000次,远远领先于其他储能技术。但是它也有非常明显的短板,就是自放电率比较高,导致效率比较低,一般钒液流电池的效率在70%左右,目前厂家的宣传说他们可以做到72-73%,其实只能做到65-70%之间。在能量密度上,由于液流电池受电解液成分限制,能量密度比较低。以100兆瓦/400兆瓦时的液流电池的大型储能项目来说,用同样的场地,如果换做锂电池大概可以达到800-1,000兆瓦时。

我们再看右边的雷达图,从建设成本、商业化、安全性电池回收以及动电成本这个层面做了对比,可以看到目前液流电池的度电成本还是比较有优势的,由于它循环次数比较多,所以液流电池的全生命周期度电成本现在在0.3元/度电以下。从安全性上来,液流电池不会像锂电池产生着火爆炸的情况。在另外一个层面来讲,液流电池又没那么的安全,尤其是现在用到最广泛的,大家最熟悉的全钒液流电池,它的电解液是由五氧化二钒溶于稀硫酸形成的,这种电解液它是毒性,高腐蚀性的,而且它运行的时候存在着泄露的风险,一旦泄露对于现场和工作人员都会有比较大的伤害。

在商业化层面,目前全钒液流电池刚刚进入商业化的门槛,铁铬液流和锌溴液流现在还没有达到全钒液流的商业化的程度,还有待继续努力。在电池的回收领域,全钒液流的电解液可以实现较好的回收,这一点要比其他的技术路线,像锂电池、钠硫电池以及铅碳电池都好一些。铅碳电池的电解液虽然不能回收,但是铅碳电池里面占比非常高的铅资源可以回收95%以上,在这一块它的回收性能也是比较好的。

下面这个表格分别从能量密度、功率密度、放电时间、自放电率、循环效率以及单价做了一个对比。当然在不同的时间节点,价格对比是有所偏差的,但整体的趋势大家可以参考一下,给大家提供一个最新的数据,目前大规模的100兆瓦/400兆瓦时量级全钒液流电池的单位千瓦时的初投资大概是4,000元。接下来这个图是液流电池的技术参数的对比,主要是电压等级的对比。大家可以看到全钒液流电池的电压等级在1.26伏,锌溴液流的电压等级在1.85伏,铁铬液流在1.18伏,电压有什么影响?从原理上来说,满充时的开路电压等级越高,意味着电池的能量密度越高,就像常见的磷酸铁锂电池的电压等级可以做到3.2伏,三元锂电池可以做到3.7-4.0伏,三元锂电池的能量密度就要高于铁锂电池,同样的由于液流电池的开路电压比较低,所以能量密度相对就比较低一些。

第二部分给大家做一下不同液流电池的对比的分析,首先介绍一下液流电池的特点,它的电解液都是水溶液,而且它的反应场所和活性物质的储存场所是分开的,电堆是电堆,储液罐是储液罐,它们不会出现着火爆炸等情况,所以它的安全性是非常高的。

所有的液流电池,包括全钒液流电池,铁铬、锌溴,都可以进行100%的充放电,它的充放电深度继续即使达到100%,也不会对电池造成任何损害,反而对电池的寿命有益。这一块是锂电池完全不可能达到的,锂电池的过充或者过放都会给它带来不可逆的损害,会造成内部的短路,甚至起火爆炸。

液流电池的容量和功率是可以独立配置的,这也是液流电池最吸引人的地方,对于液流电池来讲,它的电堆的数量决定了整个系统的输出功率,它的电解液用量决定了整个液流电池系统的容量。举个例子,对于1兆瓦时的项目,液流电池的容量可以是0.5兆瓦时,1兆瓦时、2兆瓦时,当然也可以给它配置到10兆瓦时,是比较灵活的。还有一点,所有液流电池在运行时,电解液在系统内部循环可以带走内部的热量,这是锂电池没有办法比拟的,锂电池的热量疏导需要有专门的冷却系统,对于液流电池来说,这一块是没那么需要的。还有,液流电池的电极材料,还有它的膜材料都是有机物,类似于塑料,尤其是对于像锌溴液流电池来说,它的膜更为便宜,是一种微孔材料,成本更低。最后一点是液流电池的模块化程度比较高,项目的选址自由度相对比较大一些,这些都是针对所有液流电池共同的特点。

针对不同的液流电池各有其优缺点。首先看钒液流电池,钒液流电池的化学反应是1价钒和2价钒的正极进行反应,3价钒和2价钒在负极进行反应,在反应的过程中钒可以从3价到2价进行转换,或者从1价到2价进行转换。整个电子的交换是通过电极来实现,然后中间的隔膜又可以交换质子,也叫氢离子,形成循环过程。整个过程的效率由于要受到外驱动泵的功耗影响,效率比较低,但它的安全系数比较高,中间这层膜即使被刺破,或者说出现一些问题,也不会产生像锂电池内部短路着火的情况,它最多就是电解液混合之后,重新再制备电解液,然后整个电堆它不会完全的损坏,而在锂电池里面,如果隔膜出现了问题,基本上整个电池就废掉了。

全钒液流的电池堆由端板、双极板、集流板、石墨毡、离子交换膜以及密封圈组成。离子交换膜是目前国产化方面做的还比较差的设备,其他方面的零部件国产化已经做得较好,进口的离子交换膜的价格大概是国产的4-5倍,未来随着国产化膜推广的越来越来越广泛,应用的越来越多,国产化的离子交换膜会逐步取代进口的离子交换膜。全钒液流电池的电堆结构和氢能领域氢燃料电池的电堆结构是高度相似的,甚至离子交换膜都几乎一模一样,也就是说离子交换膜在氢燃料电池里面取得突破,尤其是国产化应用,国产化离子交换膜的效率、寿命都提升,它的技术应用可以直接迁移到全钒液流电池,所以这两者的发展是联系非常紧密的。

这个是全钒液流电池的系统结构图,它里面包含了有电池管理系统,主要是BMS(BatteryManagementSystem,电池管理系统),功率转换系统,也叫逆变器,能量管理系统,是一套软件管理系统。这边就是它的电堆以及它的储液罐。左下方图是一个已经组装好的独立的单体全钒液流电池系统的示意图,包含了换热装置、电堆、BMS、循环泵。循环泵是整个液流电池里自耗功比较大的部件,循环泵的存在导致了液流电池的效率比较低。同时还有过滤器、正极储罐和负极储罐。右边是整个系统的内部结构图,大家可以看一下。

全钒液流的技术特点总结:首先电解液是为钒粒子的水溶液,不燃烧不爆炸,电解液是由五氧化二钒溶于稀硫酸形成的,热量可以有效的排出,大家可以看到在这一块有一个换热器,电解液反应之后,经过换热器可以有效的将热量排出,这种热量的排出的效果会远好于锂电池的传热效果。单体电池间的一致性比较好,其次寿命长,在充放电的过程中,它的电极材料只是提供界面,不参与反应,可长期保持稳定状态,深充深放对电池性能也没有不利的影响,甚至对它有正向的影响。

温度对容量的影响可恢复,但是又不绝对,全钒液流的运行温度一般在10-40度之间,如果温度过高会析出一些沉淀物,这些沉淀物经过循环会附着在质子交换膜上,进而降低整个系统的效率。而且液流电池设计灵活,功率和容量独立设计。容量可恢复,它的微量副反应造成的价态失衡是可以通过氧化还原进行调整恢复的。另外一点,钒离子迁移造成的体积浓度的失衡也可以通过正负极溶液的体积浓度再次均衡,然后来进行恢复,但是这是有一定限度的,就像我刚刚提到温度的影响,对于全钒液流电池储能系统的安全稳定运行,尤其是对于容量的影响还是比较大的。所以全钒液流电池的运行一般在温度的要求会比锂电池更严苛一些。

这是全钒液流电池储能系统的发展历程,最早是1974年提出的,目前我们已经可以做到单体200千瓦以上的电堆了,规模是目前所有的液流电池里面最大的。

第二部分介绍一下铁铬液流储能系统,铁铬液流电池储能系统的特点是长寿命,生命周期比较长,循环次数大于20,000次,次数现在各家各说各的,但是究竟能不能达到还不好说。其次它环境友好,安全性高,电解液以及正负极的材料的毒性和腐蚀性弱,这个优点是相对于全钒液流相比的,而且可再生,安全稳定,高效率,它的直流侧效率大于80%,交流侧大于70%,行业领先。我实事求是的给大家做个介绍,铁铬液流在实验平台上很难跑出来大于70%的效率。各种液流电池都有缺点,大家都喜欢做一些比较美化的宣传。

铁铬液流适应性比较强,这是它独特的优势,比全钒液流好,它的工作温度可以在零下20-70度,这是相对全钒液流它特别大的一个优势,然后它易于规模化,它的定制化比较容易,易于扩容,这是所有液流电池的特点。最后是低成本,更多的是全寿命周期的度电成本。在投资方面,铁铬液流和全钒液流差不多,现在都贵于锂电池,尤其是磷酸铁锂,现在最主流的电池储能系统。铁铬液流电堆和全钒液流高度相似,中间也要用到离子交换膜,离子交换膜也是目前在发展液流电池,尤其是全钒液流和铁铬液流的时候,比较受卡脖子的一项技术。

其他像端板、双极板、电极、板框、集流板这些方面,包括电解质溶液,储罐系统、仪控系统、工艺系统已经都可以做到国产化,但是质子交换膜的国产化做的比较一般。

铁铬液流电池成本的构成。在300兆瓦的产能下,我们可以看到电堆占到整个电池系统成本的46%。全钒液流电池的电堆包含电解液在整个项目里的价格占比要占到60%,比铁铬液流更多一些,因为全钒液流的价格相对比铁铬液流更贵一些。我们再看电堆的成本,电堆里面质子交换膜是非常大的一块成本,质子交换膜占到了整个电堆的30%,其次是电极以及双极板,这两块目前国内已经比较好的实现了国产化,尤其是借助于氢燃料电池相关产业链的建立,这一块是可以和氢燃料电池进行技术迁移以及技术复用,产品复用。

铁铬液流有一个特别大的优势是资源特别丰富,成本比较低廉。我们做了一个对比,铁铬液流的的关键材料是铬铁矿,全钒液流锂电池需要五氧化二钒,锂电池需要碳酸锂。我们可以看一下在4-5年的区间内这些关键原材料的价格情况,可以看到铬铁矿非常便宜,每千克只用16.7元,而且常年非常稳定,我们再看一下,全钒液流用到的五氧化二钒波动非常的大,最大的时候一年有10倍的波动,我记得在2019-2021年之间,他曾经从每吨4万元左右涨到了每吨50万元左右,因为它是一个伴生矿,它的储量不太稳定,所以它的价格波动非常的大。铬铁矿相对来说储量比较大,5.1亿吨,它有专门的专用矿,产量也比较稳定,增产能力也比较强,所以它价格比较稳定,这一块也是铁铬液流发展的一个比较大的优势。

第三部分给大家介绍一下锌溴液流,锌溴液流最早由一个石油公司发明的,是一种高性能、低成本、大容量的储能系统,它的电解液为溴化锌溶液,电池被隔膜分割为正极半电池和负极半电池,分别接在正负极电解液的储罐里。在循环泵的作用下,电解液在储罐和电池构成的闭合回路中运行,同时发生氧化还原反应。锌溴液流和钒电池的特色都是正负极的溶液,各自在独立运行,不存在交叉污染的问题,但是铁铬液流就存在交叉污染的问题。

锌溴液流的技术特点如下:首先它可以做到比较低的成本,包括电极、隔膜材料在内的电池的关键部件多为塑料,不含贵金属,且可回收利用,尤其是它的隔膜是一种微孔膜,不是质子交换膜,国产化更容易一些,它的电解液为溴化锌溶液,价格低廉且容易获得。其次是它的长寿命的优势,正负极电解液的均为溴化锌溶液,不存在电解液交叉污染,电解液的理论使用寿命无限。这只是电解液的使用寿命,如果把整个电堆来考虑进来,循环次数上锌溴液流要低于全钒液流和铁铬液流,它的电堆的深充深放的循环次数大于3,000次,比起全钒液流和铁铬液流要低不少,全钒液流宣称能够达到15,000-20,000次,铁铬液流也宣称能够达到20,000次以上,但是它们都没有经过长周期的验证。在模块化方面大家都比较类似,都可以做模块化的设计,功率和容量都相对独立,这是所有液流电池的特点。以模块化作为组成单元,可以扩展到兆瓦级的系统,现在锌溴液流单体大概模块能做到几十千瓦,比起全钒液流和铁铬液流都有一点差距,因为现在大家对锌溴液流的投入不多,不但不多,也可以说是越来越少了。

锌溴液流自身存在一些比较大的问题,首先锌溴液流的溴是易挥发的溶液,这个问题比较难以解决,其次是溴有腐蚀性和穿透性,它的腐蚀性不是由它的酸碱性来导致的,是溴的穿透性带来的腐蚀。另外在反应的时候,锌所在的电极容易产生一些锌枝晶,可以刺穿隔膜降低整个电池的性能。

同样,之前提到的全钒夜流也有自己的问题,全钒液流的一个比较大的问题是它的2价态的钒,就是它的正极和负极溶液都存在2价钒,容易在空气中氧化,氧化之后就会造成系统容量衰减。如何去保持2价钒溶液在全钒液流电池系统中的稳定运行是一个特别重要的技术。目前全钒液流电池的企业通常的做法是在溶液罐里通入氮气、氩气等一些惰性气体进行保护,也有在溶液罐内部的电解液表面覆盖一层难溶的矿物油,保护惰性气体不再出去,减少外界的空气的进入。全钒液流电池还有一个较大的问题是5价钒离子的溶解性比较低,温度大于45℃就会产生结晶,不可逆的生成五氧化二钒,会损伤质子交换膜,而质子交换膜又是液流电池里比较贵的部件。

锌溴液流电池的电堆模块,电堆模块主要包括了电堆、电解液、模块管理系统以及辅助系统。目前做的比较标准的系统能做到5千瓦/20千瓦时,相比目前储能大规模应用的领域,规模相对的确小了一些。锌溴液流电池系统基于它的电堆也可以组装成兆瓦级的储能系统,相对来说做的可以比较灵活,易于安装。对于一个40尺的定制集装箱,它的额定功率为250千瓦,容量1兆瓦时,容量比起锂电池概少了5-6倍,锂电池用40尺高箱可以做到5兆瓦时,锌溴液流只能做到1兆瓦时,差距还是比较大的。另外它的电堆循环寿命为3,000次,电解液就只是按照6,000次来考虑,现在已经低于一线厂家锂电池组成的锂电池储能系统的循环寿命,锂电池在80%放电深度下,已经可以做到6,000-8,000次了。现在锌溴液流已经落后比较多,所以近几年国内几乎没怎么去发展锌溴液流技术路线,创业公司一般也不会选这种技术路线。

第三部分给大家介绍一下液流电池的发展现状以及示范项目。

首先介绍一下全钒液流电池的发展现状,目前全钒液流电池的典型的示范项目如下,大家可以看到日本住友公司在日本前些年做了一些,北京普能公司收购了一家加拿大VRB公司,VRB在全钒液流里相当于鼻祖公司之一,北京普能公司把它收购了之后,在2010年左右做了一些项目,近期北京普能公司的项目比较少,公司发展遇到了一些问题。大连融科做了不少的项目,最大的项目是200兆瓦/400兆瓦时,这个项目现在已经完成一期100兆瓦/400兆瓦时建设,2022年才基本上完成。这个项目从策划到完成花了5年的时间,也可以看到全钒液流电池项目的融资和建设整体推进还是比较慢的。我们做个对比,一个同等规模的,例如100兆瓦/400兆瓦时的锂电池储能项目,最多需要6-8个月就可以搞定。剩下的是一些国外公司的在国外做的一些全钒液流电池项目。

在全钒液流电池的标准方面,中国在这一块是走在前列的,很多标准都是大连融科公司牵头执行的,甚至一些国际的标准也是由中国公司来牵头执行和制定的。目前在标准领域,尤其在钒液流电池领域,中国公司是处于领先的。再从液流电池专利受理量来看,中国公司是远远领先的,当然这个数据相对来说老了一点,不过大家看趋势也能看出来,中国公司的专利数量累计已经是美国的4倍左右,现在差距只会更大。第三名是日本,可以看到前三名基本上是现在做液流电池做的最多的三个国家。但总体上说液流电池技术路线最重视的是中国,国外的厂家或者公司近些年来都在做转型,对液流电池的投入没那么大了。

这一部分是全钒液流电池的研究机构以及参与的公司。首先上面这一块是科研机构,大家可以看到国内的参与的科研机构非常多,其中最知名的就是中科院大连化学物理研究所,还有中国工程物理研究院,中国电力科学研究院以及清华大学、中南大学和有华北电力大学。参与的公司主要是大连融科公司、日本住友、中国普能,还有奥地利以及美国、德国的一些公司,但现在国外公司在液流电池的产品迭代以及发展方面已经被中国公司超越了。

接下来介绍目前规模最大的液流电池项目,在全钒液流、锌溴解流以及铁铬液流里是最大的。这个项目建设于大连市沙河口区,属于典型的城市中心区域的大容量储能电站。从建设的规划上来说,它属于电网侧的储能项目,它的周边有工厂、学校、住宅,对电池的安全性要求是非常高的,对环境的影响也还要做反复的评估,才会被允许施工,所以这个项目虽然策划的比较早,但是它的建设周期比较慢,建设周期比较慢还由于它的资金筹措的方面的困难。因为电站建设在城市中心,受用地限制,电站采用了多层布置,一层布置了电解液罐,二层的布置电池堆,顶层布置了逆变器,220千伏的配电装置以及主变压器配置在一层的厂房之内。

这是整个厂房的具体的布置图,这些罐子就是电解液的罐子,左下角是配电以及升压装置。整个厂房的设计要考虑到防爆,在液流电池的运行过程中可能会有一些氢气的析出,大家知道氢气它是非常不稳定的,在4-75%的浓度下,都可能会发生闪爆,所以防爆设计是所有液流电池都要考虑的。这个是整个厂房的跨度,大家可以看到这个跨度大概是130米左右。

接下来是电池的配置,首先它有250千瓦的电池电堆,每两组电池电堆配置一台500千瓦的逆变器组成一个单元,48个单元组成一个24兆瓦/96兆瓦时的分区。此次工程设置了3个24兆瓦/96兆瓦时的分区。400千瓦的电堆由每两组电池电堆配置一台1,000千瓦的逆变器组成一个单元,35个单元组成一个28兆瓦/112兆瓦时的分区,本工程设置了一个28兆瓦/112兆瓦的分区,一共加起来大概是400兆瓦时。这是我们电解液储罐,大家可以看到电解液罐非常的大,乘用车相比都显得比较渺小了。这是在顶楼做的预制舱室的逆变器。

下面大容量的钒液流储能电站一些比较主要的功能,首先它可以为整个大连电网提供黑启动服务,也就是大连市的电网如果由于事故原因和辽宁省的主网发生断网的话,大连市可以依靠液流电池系统提供黑启动功能,将大连市的电网发电系统重新启动。

启动方式现在已经将它的路线规划好了,就是向临近的北海电厂提供启动电源,北海电厂顺利启动以后,再为大连电网陆续提供启动电源,为什么要它来启动北海电厂,再让北海电厂去启动?因为北海电厂的总体功率更大一些,但它所需要的启动功率比较小,因为液流电池就正好合适。北海电厂是一个传统的天然气发电厂,功率大概在300-500兆瓦,作为电网的保安电源启动整个电网的速度会更快一些。目前这种启动方案已经通过了电网公司的审查,通过电网公司的审查意味着什么?意味着这套大容量的钒液流储能电站,它将能够每年拿到黑启动的服务费用,大概在800-1,000万元左右。

这是钒液流电池储能站的一些设计关注点。

布置占地设计分为单层布置和双层布置,因为用地限制我们考虑双层布置,双层布置也有不好的地方,万一出现电解液大规模的泄露,造成的损害会更大一点。第二个项目设计的关注点是电解液的工作温度区间,电解液工作区间有一个表格,在15-25℃的时候,交流侧的效率是可以做到大于71%,25-35℃交流侧的效率可以做到大于73.5%,35-40℃大于75%,但是温度不能更高了,如果大于45℃,就会出现五氧化二钒的结晶析出的现象,造成整个电站效率急剧下降。钒液流电池的电压水平比较低,通过多个环节才能将电压提升到需要的电压水平。一般上电网大规模的并网电压最起码要升压到35千伏,再通过35千伏的升压器升压到220千伏进行并网。

电站的设计还要考虑到防火风险,钒液流电池的防火要考虑的主要是变压器的防火,电线电缆的防火,DD模块以及PCS功率模块的防火。这一块大家不要小看,虽然是一些功率模块,但功率模块由于运行的功耗比较高,所以也可能会产生火灾,电池本身的火灾风险是极低的,这和锂电池相比是差异比较大的。

在防爆方面钒液流电池的爆炸风险主要来自于电池充电过程中产生少量的氢气,整个项目的设计也采取了一些措施,首先对氢气进行定期的有组织的排放,然后设置氢气的探测器,实时监测氢气的浓度异常。这基本上是所有液流电池项目的标配,然后对储能车间进行爆炸危险区的划分,对于处于爆炸危险区的设备选择防爆型,防爆型设备它不会有氢气析出,也不会恶化有氢气环境,如果不选用防爆型的设备的话,很可能如果有氢气析出并且达到闪爆点,它有可能发生闪爆,对整个项目发生产生不可逆的影响。

在环境影响方面主要是电解液的污染风险,电解液是酸性的溶液,储罐产生破裂又有高毒性,所以整个厂房要考虑酸溶液、高毒性溶液的渗透以及排放问题。防护措施就要考虑到电解液废液的收集,以及电解液溢出的多级防护,不让电解液流出到厂房之外,然后还有电解液池的防渗透,同时还要监测地下水,看看电解液是不是已经渗透入了地下水,造成了一些污染。在噪音方面主要来自于电解液泵、变压器以及断路器的噪音,这些噪音相对来说比较低,不用过多的考虑。

钒液流储能电站经过相应的设计,实际运行存在一些比较大的问题。它的优势是有目共睹的,有安全性高,循环寿命长,环境友好等特点,但是它的价格还比较高。目前即使做到这么大规模,单位千瓦时的初投资在4,000元左右,其次相应的大型项目的落地很少,大部分的项目还都是示范项目,缺乏商业运行的项目,整个项目的盈利模式严重受到政策的影响。未来液流电池如果能够比较好的参与到电力辅助服务市场的话,获取一些深度调峰等,包括黑启动的费用,它未来的盈利相对来说应该比较好。此外钒液流电池也可以参与到新能源配储的项目中来,如果租赁出去能够获得一笔租赁费用,也是一个不错的选择。

接下来介绍一下铁铬液流电池,铁铬液流电池首套百千瓦级电池系统2020年左右在张家口实施,技术提供方是国家电投集团下属的中央研究院,这系统功率是250千瓦,系统容量是1.5兆瓦时,对应储能时间是6小时,单堆的功率是31.25千瓦。大家可以看到单堆的功率比起钒液流电池还是有比较大的差距的,钒液流电池单堆的功率已经可以做到400千瓦,是它的10倍左右,它的DC/DC转换效率大于80%,宣传的成分更多一些,在我们真正运行的时候,无论是全钒液流或者是铁铬液流,或者说是锌溴液流,真正的效率都低于70%。

目前铁铬液流还处于发展的初期,相对于全钒液流的商业成熟度要差一些。目前国家电投中央研究研究院推出的成熟产品,电堆是31.25千瓦的,接下来马上要推出的是60千瓦以及45千瓦的电堆。从单个电堆的规模来看,和全钒液流还有比较大的差距,什么时候能够到单个电堆达到200-400千瓦级别?我预计在十四五期间有这样的可能性,但是还需要付出很多努力,因为铁铬液流它本身存在的问题比较多,包括它的能量密度,两种正负极溶液的混流问题,都会是未来要面对的比较难以解决的问题。

铁铬液流项目其实和全钒液流高度类似,都是通过积木式拼接的方式,做到功率和容量的灵活性。我们可以通过不同的拼装做出不同的时长,或者相同功率不同时长,相同时长不同功率的一些模块,这是液流电池的特点,但是每个液流电池都有这样的特点。这个是铁铬液流电池做用户侧储能,通过峰谷差套利的假想。当峰谷差达到0.75元/度电时,资本金内部收益率的可以达到8%,相对来说估算理想的一些,第一他们将铁铬液流的循环寿命假设的比较长,其实目前铁铬液流的电解液,包括电堆的循环次数没有厂家宣传的这么好,如果按照厂家的宣传的设置去做项目的话,很可能这个项目是不太成功的,尤其像大家看看投资回收期已经达到了10.2年,短的也要7.7年。对于一个液流电池项目来说,越到后期运维成本越高,后面的投入其实是比较多的。

用新能源配置储能的方式配置液流电池的收益率相对也没那么高,而且很多项目的假设工况也比较理想化,而且这些收益率的前提都有0.7元/度电的补贴,这个补贴有点类似于深度调峰,但这个补贴有点太过于理想化了,目前是拿不到的,如果没有补贴的话,这样的项目是不具备可投资性的。

针对铁铬液流目前的发展路线,大家主要关注的公司是国家电投中央研究院的下属公司和瑞储能。这个公司在2022年已经将产线扩大到每年300兆瓦级别,2025年要建成GW级的产线,但是不是能建成?我感觉有一定的难度,除非在下游的应用中的需求量非常大,才可能把产量增产到1GWh,否则的话建一个1GWh的产线,如果没有下游销售的驱动的话,它建成之后整个项目的营收不会太好,存在亏损的可能性很大。本来铁铬液流在液流电池里面就不太占优势,它的能量密度比全钒液流还要再低一些,循环效率比全钒液流也要低一些,即使大家建设同样规模的项目,它每年的现金流也会少一些。所以与全钒液流相比,它的优势不大,而且技术成熟度和商业成熟度都要逊色于全钒液流。同时做铁铬液流的公司,在国内还没有形成比较广泛的态势,做的比较少。像全钒液流,目前国内有5-6家公司做的都不错,铁铬液流大概只有1-2家在做,主要是国电投集团中央研究院在做。

第三部分再简单介绍一下锌溴液流,因为锌溴液流在国内项目中,基本上销声匿迹了,唯一做的规模比较大的是2017-2018年,在黄河水电百兆瓦光伏发电市政基地的20兆瓦项目,总体储能是16.7兆瓦时,里面包含三元锂电池,磷酸铁锂电池,1兆瓦时锌溴液流电池,全钒液流电池,这个项目大家是同台竞技,真正比拼谁能做得好。接入方式是经过逆变器直流侧和交流侧接入储能系统,也有的是经过35千伏的交流侧接入的储能系统,比如像三元锂电池、磷酸铁锂和锌溴液流是通过35千伏的交流才接入到储能系统。运行下来锌溴液流电池的循环效率低于60%,是所有液流电池里面效率最低的。

此外锌溴液流还在格尔木华能拓日光伏电站做了一个5兆瓦/6兆瓦时的复合储能系统,这个储能系统用到更多的是4兆瓦/0.5小时的锂电池储能单元,另外用了一些1兆瓦/4小时的锌溴液流电池系统,混合储能系统主要起到的作用就是减少弃光,减少限制发电的情况。同时有了这套储能系统之后,他们还能跟踪计划出力情况,提高电站实际出力和光功率预测曲线的准确度,这一块做得好的话,是可以增加新能源场站的收入的。当然它也具备平滑功率波动、提高发电质量等作用,也能够参加电网的辅助服务,这要看当地的电力辅助服务市场建设的如何。

锌溴液流在国内做的项目能够找到的也就剩下这几个了,规模都相对比较小,都是百千瓦时级别的。

从示范项目的角度来说,锌溴液流是国内做的最少的,在近几年逐渐的销售匿迹了,目前在液流电领域,曝光度最高的,大家最关注的首推钒液流电池,其次是铁铬液流电池。锌溴液流电池我个人认为未来是没有什么发展前景的,由于电堆规模以及它自身存在一些非常严重的问题,比如刚刚提到的溴蒸发的问题,溴的穿透性带来的腐蚀问题,以及它的反应过程中的锌枝晶问题,现在都没有得到很好的解决。同时由于在这方面投入的公司越来越少,它的研发进度非常的慢,这个技术在国内可以说已经淘汰掉了。

最后一块给大家再介绍一下液流电池未来的发展趋势。这是国家科技部颁布出来的电化学储能技术发展路线图,重点关注的也是全钒液流电池。路线图是2015年左右颁布的,规划2020年要实现全钒液流3,500元/千瓦时的投资,然后要做兆瓦/兆瓦时级别项目的推广应用,以及10兆瓦/10兆瓦时至百兆瓦时的示范应用基本上都做到了,除了单位千瓦时的出投资。

到2030年,发展目标是要达到循环寿命20年,按照一天一次充放,一年按300次,10年3,000次,只要达到6,000次就可以有20年的寿命。对于电堆来说达到6,000次问题不大,但是每千瓦时达到2,000元的成本,现在来看难度还比较大,主要是由于电解液以及电堆占到整个项目投资的一半以上,电解液的成本主要受限于五氧化二钒矿产,五氧化二钒的价格非常的不稳定。

根据目前和做液流电池厂家的深度沟通,他们现在想去通过和生产五氧化二钒矿产的企业深度绑定,签订战略合作协议,来锁定一些产能,进而保证五氧化二钒的价格的稳定,保障电解液价格的稳定。他们通过这种方式,希望在未来的2-3年之内,将电解液的成本降低为目前的一半,这个幅度已经非常的大了。如果将电解液的成本降低到目前的一半,最终它反映在整个项目上,反映在整个项目的这个出投资上,大概可以做到每千瓦时3,000元。

如果想继续降低到2,000元左右的话,那也就意味着只降低电解液成本已经不够,即使在3,000元的水平将电解液再降低一半也达不到2,000元,还需要其他的像电堆本体,像施工、辅材等成本降低,但是这些成本的降低难度是非常高的,像人工成本、施工安装成本,电堆本体成本,像离子交换膜成本降低起来非常的困难,所以2030年达到每千瓦时的工程造价降低到2,000元的目标我认为是非常难实现的。2030年能够降低到2,500-3,000元/千瓦时级别,对于液流电池,尤其是全钒液流电池来说就已经非常好了。

原标题:钒电池最接近商业化、铁铬液流电池仅国家电投在做、锌溴液流电池已销售匿迹
 
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