大連融科儲能全釩液流電池技術介紹報告

北京國際能源專家俱樂部[1]

儲能技術改變電力行業即發即用、實時平衡的傳統模式，是能源系統從化石能源向可再生能源過渡的重要技術，被認為是決定未來經濟的12大顛覆技術之一。

儲能技術的應用包括移動終端電源(手機、電腦)、汽車動力電池和電力系統儲能。在電力系統，儲能技術貫穿發、輸、配、用各環節。大規模儲能可以起到平抑可再生能源波動，給電力系統提供調頻、調峰、旋轉備用、黑啟動等輔助服務，改善供電質量，提高電網/微網/末端電網供電能力，配備應急備用電源，加強需求響應等作用。

儲能技術市場前景廣闊。著名國際咨詢機構麥肯錫預計，2025年儲能技術對全球經濟價值貢獻將超過1萬億美元。國際咨詢機構PiperJaffrey和BostonConsulting預測2020年全球儲能技術的市場容量在4000-6000億美元左右。國際權威咨詢機構PikeResearch預測液流電池在2021年電力儲能的市場份額中會占到三分之一。

2016年4月23日，北京國際能源專家俱樂部推出“清潔能源技術評估與推廣平臺(簡稱TAD)”，首選大連融科儲能技術有限公司(以下簡稱“融科”)的全釩液流電池技術進行評估與推廣。

本文就該技術的性能屬性、應用領域和實際案例作一簡單介紹。

一、儲能技術介紹

儲能技術種類繁多，機械類包括抽水蓄能(PumpedHydro)、壓縮空氣儲能(CAES)、飛輪儲能(Flywheels)等;電氣類包括超級電容(SuperCapacitors)和超導磁儲能(SMES);電化學類包括鉛酸電池(Lead-Acid)、鋰離子電池(Lithium-Ion)、鈉硫電池(NaS)、液流電池(RedoxFlow);純化學類包括合成天然氣(syntheticnaturalgas，SNG)等。

如圖1所示，各種儲能技術性能各異，目前沒有一種電池可以滿足所有的儲能需求。面向電力應用的大規模儲能技術集中在圖1右側三角區域內，包括抽水蓄能、鉛酸電池、鋰電池、液流電池。國際權威咨詢機構PikeResearch關于2011-2021年全球主流儲能技術市場預測儲能市場在2014和2017年會有明顯增長，主要拉動力分別為可再生能源儲能需求和智能電網儲能需求，全釩液流電池將占據整個電力儲能市場1/3的份額(來源：PikeResearch.2011-07.EnergyStorageontheGrid)。

圖1 儲能技術種類及在電力系統的適用規模

來源：Rastler,D.;EPRI:Alto,P.,2010，融科儲能

從儲能規模和成本上來講，液流電池比較適合大規模儲能，特別是大容量儲能，單位成本處于中游，如圖2紅色五角星所示。

圖2 電力系統對儲能技術需求及對應技術

來源：融科儲能

二、大連融科儲能技術發展有限公司介紹

大連融科儲能技術發展有限公司(www.rogkepower.com)成立于2008年，現有員工168人，是全球領先的全釩液流電池儲能方案服務商，也是全球具備全釩液流電池全產業鏈技術服務能力的企業之一。該公司以中國科學院大連化學物理研究所為核心研發團隊，自2000年開始液流電池技術的研究，于2010年建立了技術產業化平臺，成功實施了多項商業化應用示范項目，在全釩液流電池的核心技術領域擁有完整的自主知識產權。

融科儲能提供的服務涵蓋全釩液流電池關鍵材料、電堆、電池模塊、KW至百MW級電池儲能系統的供應，以及客戶定制儲能解決方案。融科儲能現有年生產能力50MW，2016年底其儲能裝備產業化基地投產后，年生產能力將擴大到300MW。產品已出口美、歐、日等發達國家，市場占有率居全球第一，尤其是釩電解液國際市場占有率達90%。

截至2015年底，融科儲能全釩液流電池儲能系統裝機總量達到12.5MW，在建項目1.2MW。融科儲能目前正在實施的、由大連市政府支持的200MW/800MWh的全釩液流電池儲能項目，已被國家能源局批準作為國家儲能示范項目。僅這一個項目的裝機容量就相當于全球目前各類液流電池儲能累計裝機總容量的20%[2]。融科儲能的釩電池技術獲得了多項獎勵，包括2014年中科院杰出成就獎、2015年國家技術發明二等獎、中國科學院十二五20項標志性重大進展成果之一、“2015中國原創技術獎”等。此外，融科儲能領軍國內液流電池標準的制定，其中已有兩項國家標準和三項行業標準頒布實施，并全面參與歐洲標準制定并成為國際電工委員會(IEC)聯合工作組牽頭人。

三、全釩液流電池介紹

(一)釩電池的技術原理

全釩液流電池，簡稱釩電池(VanadiumFlowBattery，縮寫為VFB)，是活性物質成循環流動液態的氧化還原電池技術，通過釩離子的價態變化，實現化學能與電能的往復轉換，從而實現電能存儲與釋放的一種儲能技術。該技術的研發始于上世紀80年代澳大利亞新南威爾士大學，在澳大利亞、日本、美國、德國、中國等國家都有應用驗證，用于風能系統蓄電、電站調峰、微電網儲能等。釩電池是目前受關注也是應用比例最廣的液流電池技術。

液流電池系統主要包含如下幾部分：電堆單元(見圖3中央和右上角)，電堆是由正負電極和離子傳導膜疊合而成單電池的集合體;電解液單元(見圖3兩側)，包括含有活性物質的電解液，及用于電解液盛裝和循環的儲罐、管路、閥、泵、傳感器等輔助部件;控制系統，包括用于管理整個系統的電池管理系統(見圖3上方)、功率變化單元等。

釩電池將不同價態的釩離子溶液分別作為正負極的活性物質，分別儲存在電解液儲罐中，用泵將儲存在罐中的電解質打入電堆內，使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環流動，采用離子傳導膜作為電池隔膜，電解液平行流過電極表面并發生電化學反應，通過雙電極板收集和傳導電流，實現電解液化學能與電能的轉換。

圖3 全釩液流電池工作原理圖

來源：《中國科學報》，2014-10-28第6版，融科儲能

儲能電池正極電對為VO2+/VO2+，負極電對為V2+/V3+，電極發生如下電化學反應，電池正負極標準電勢差Eθ=1.26V。

(二)釩電池的技術優勢和挑戰

釩電池是適用于電力系統的固定式大容量儲能系統。與其他儲能技術相比，釩電池具有以下主要特點:

1、安全性高，電池的儲能活性物質為含有釩離子的稀硫酸水溶液，常溫常壓運行，經過長時間運行，即使正負極活性物質發生互混，也不會發生爆炸和燃燒。運行中，電解液在電堆和電解液儲罐之間循環流動，電堆產生的熱量可以有效的排出，熱管理簡單。單體電池間一致性好。全球安裝的系統迄今為止無一發生火災。

2、循環壽命長，電池均一性好，可深度放電。由于電能儲存在電解液里面而非電極上，理論上可以無限次充放電。一定時間運行后的容量衰退可以在線或離線恢復。

3、生命周期的性價比高，約占整個成本30%~50%(根據儲能時長不同)的電解液可循環使用。

4、充放電特性良好，響應速度快，能量效率80%，可深度放電，另外釩離子的電化學可逆性高，電化學極化也小，適合大電流快速充放電，充放電切換只需0.02秒。

5、功率和容量可獨立設計，功率和容量分別由電堆和電解液的數量決定，使得設計更加靈活，儲能容量為數百千瓦時至數百兆瓦時，輸出功率為數百千瓦至數百兆瓦，尤其適合大規模儲能。

6、生命周期中環境友好，電解液可循環使用和再生利用，釩資源以及其他材料來源豐富，加工技術成熟，易于回收利用。該技術是釩資源綜合利用的重要方向。

全釩液流電池需要繼續改進和解決的問題包括:

1、離子傳導膜可影響正、負極電解液釩離子相互滲透率，影響液體電池的效率和壽命，且目前商業化的離子膜價格昂貴，亟需開發具有高選擇性、高導電性、低成本的傳導膜，實現國產化、批量化生產;

2、電解液成本所占比例高，約占總成本的30%~50%，需開發低成本電解液技術;

3、受釩離子溶解度的限制，能量密度低，大概與鉛酸電池相當，體積較大，目前還不適用于動力電池;

4、電池系統需要配置大量輔助部件，結構較為復雜，頻繁啟動停止的性能和運行可靠性有待改善;

5、系統運行溫度窗口相對較窄，在一定程度上影響儲能系統效率。

(三)融科儲能全釩電池核心技術及關鍵材料

融科儲能作為國家能源局批準的國家能源液流儲能電池技術重點實驗室，立足自主創新，截至2016年3月，已累計申請國家專利140余項件，國際專利13件項，已經獲得授權70余項。通過這些專利，融科儲能形成了覆蓋液流電池材料批量生產、模塊設計制造、系統集成與控制、工程應用等領域完整的自主知識產權體系。

融科儲能所擁有的核心技術包括：

1、高性能電解液規模化生產技術：發明了高穩定性、高反應活性的多價態釩離子電解液穩定化技術，開發出電解液在線容量恢復技術，解決了儲能系統長期運行時的容量衰減問題，實現了150MWh/年電解液產量。近兩年已對外銷售100多兆瓦時的釩電解液，全球市場占有率達90%以上。

2、高性能碳塑復合雙極板材料的制造技術：發明了韌性好、高導電性、適用于組裝大功率電堆的碳塑復合雙極板的制備方法，價格是石墨雙極板的1/40，報廢后燒掉除了二氧化碳之外，沒有其他污染物。

3、高性能非氟離子傳導膜設計與制造技術：突破“離子交換傳導”機理的束縛，原創性提出了“離子篩分傳導”機理，開發出高選擇性、高導電性、低成本的非氟離子傳導膜，環境友好，提高了釩電池的電池效率，申請國家發明專利50余件，國際專利6件，受到國際認可。

4、標準化、模塊化電池模塊技術：研制出250kW、125kW、60kW、30kW系列的“ALL-IN-ONE”全集裝箱式和半集裝箱式電池模塊產品，可單獨使用，也可通過串并聯滿足客戶對各種功率和容量儲能系統的需求，安裝方便并可在線遠程監控。

5、優異的耐久性：2007年做了加速壽命試驗證實液流電池具有優異的耐久性，正常、連續運行超1678天，超過四萬多小時，有效充放電循環是12420次。該試驗因其他原因被拆除而終止，檢測能量效率衰減只有5%，容量可通過技術手段恢復。

(四)融科儲能的全釩電池經濟性

按1MW/4MWh電池系統核算，目前全釩液流電池價格約3500～4000元/kWh。預計到2020年，隨著釩電池大規模產業化生產，電池系統的成本將下降到2500元/kWh。全釩液流電池具有規模經濟效應，儲能容量越大，設備單位投資越低。

全釩液流電池與抽水蓄能、鋰離子電池的性能比較見表1。

表1 主流儲能電池的特點比較和適用領域

來源：融科儲能。SOC=StateofCharge，也稱荷電狀態。

四、全釩液流電池應用領域

維持發電出力與用電負荷的實時平衡，保持電力系統頻率和電壓的穩定是電力系統調度工作的重要內容。這不僅要對用電負荷曲線的準確預測、對各種發電電源的預先計劃安排，而且為了保證電網頻率及電壓的穩定，還需要電力系統進行一次調頻、二次調頻，甚至為優化系統效率還要進行三次調頻。

近年來，在我國和其他國家(如德國)，風電和太陽能光伏發電等可再生能源發電發展迅猛，并網裝機容量大幅提高。這些間歇性強、波動性大的電源增加了電力系統調度運行的壓力，急需要優質調頻和調峰資源與之匹配，以降低電力系統安全穩定運行風險，提高電力系統運行的經濟性。

大電網中儲能最經濟的手段仍是抽水蓄能電站。但在抽水蓄能不具備條件而對儲能設施的體積和重量限制不多的情況下，大規模化學儲能有一定的優勢。融科儲能公司500kW級全釩液流電池儲能單元系統額定功率充放電轉換響應時間低于90ms，5MW儲能電站滿功率充放電響應時間低于1秒。相比于抽水蓄能電站和常規火力發電機組，全釩液流電池具有更高的爬坡速率和調頻效率。在風電等可再生能源發電高滲透率區域配備適量的蓄能電池，會起到更好的調頻效果。另外，全釩液流電池儲能系統的功率容量可獨立設計特性使得其方便把儲能容量配置達到5小時以上，從而不僅能夠參與系統二次調頻，同時也能夠削峰填谷，優化電力系統運行經濟性，參與三次調頻。

另外，為了滿足季節性的用電尖峰負荷(一年不超過400小時)，電力企業投入巨資，很不經濟。若在用電側大城市等負荷中心配置日平均負荷的8~10%儲能系統，進行削峰填谷，可以節約大量投資，提高系統經濟性。

綜上所述，全釩液流電池可應用于如下領域：1)作為風電和太陽能電站的配套設施，提高電網對可再生能源發電的接納能力，平抑出力波動，跟蹤發電計劃，參與系統調峰、調頻，提高供電可靠性和經濟運行能力;2)用電側需求管理，削峰填谷，用戶端需求側響應，提高用電經濟性和可靠性;3)微電網、分布式風光儲一體化項目、智能電網領域;4)其他應用領域，如代替柴油機作為備用電源，工業園區應急備用電源，偏遠地區供電、電動車充電站、通訊設備備用電源等。

總體看，在輸出功率為數百千瓦至數百兆瓦，儲能容量在2小時以上級的大規模化固定儲能場合，全液流電池儲能技術具有明顯的優勢，是大規模高效儲能技術的首選技術之一。

五、全釩液流電池應用案例

在全球范圍內，釩電池系統一共安裝了40-50套，全釩液流電池研發和制造企業主要包括：日本住友電工公司(SEI)、大連融科儲能技術發展有限公司、美國UniEnergyTechnologies公司、奧地利Gildemeister公司、北京普能世紀科技有限公司等。另外，英國REDT、韓國H2、印度Imergy、德國VanadisPower和Fraunhofer研究所近期也陸續推出了全釩液流電池產品和項目。

SEI從上世紀80年代初開始研究全釩液流電池，自2005年在日本先后建立了用于與30.6MW風力發電站匹配的4MW/6MWh全釩液流電池儲能系統，該系統從2005年開始測試，持續3年，充放電循環達到27.6萬次。2011年起SEI又先后建成兩個1MW/5MWh和15MW/60MWh釩電池儲能系統。Gildemeister公司從2002年開始研發全釩液流儲能電池，成功開發出主要有10kW/100kWh及200kW/400kWh兩種型號電池系統，產品主要與太陽能光伏電池配套，用于偏遠地區供電、電動車充電站、通訊及備用電源領域。美國UniEnergyTechnologies公司擁有混合酸型全釩液流電池技術，承擔建造了美國首個用于輸變電站側的兆瓦時級全釩液流電池儲能電站。該公司與融科儲能公司結成戰略合作聯盟，其電堆和電解液材料分別由融科提供。

融科自2013年起中國、德國、美國都已有商業化示范項目，電解液等產品已進入歐美、日本等國際市場。近幾年來，實施了包括全球較大規模的5MW/10MWh全釩液流電池儲能系統在內的近30項應用示范工程(見表2)，在國內外率先實現了產業化。當前融科儲能正在實施由大連市政府支持的200MW/800MWh全釩液流電池儲能項目，該項目已被國家能源局定為國家儲能示范項目。

表2 融科儲能公司實施的部分全釩液流電池儲能項目

來源：融科儲能

融科儲能在大規模風電接入、智能微電網、離網供電領域的典型項目介紹如下：

1)遼寧省臥牛石國電龍源儲能電站示范項目(5MW/10MWh)，配合49.5MW風力發電(33*1.5MW風機)，是投產時全球功率容量最大的釩電池儲能項目，系統采用模塊化設計，2013年3月投入運行，經過4個月的運行考核全部技術指標達到或超過設計要求。電站已穩定運行3年，累計充放電次數1586次。該示范工程的運行控制和能量管理技術在另外兩座風場儲能電站中得到推廣應用。據電力公司反應，這三座風電場利用小時數均達到2100小時以上，遠高于全網平均利用小時數1780小時。

該儲能系統的平抑風電輸出、跟蹤計劃發電、參與調頻、削峰填谷等功能，經過驗證是可行的(圖4)，提高了風電場并網點電能質量和風功率預測精度、減低了風電場棄風率。同時，全釩液流電池的安全性、運行維護的方便性、過載能力、控制系統的開放性得到初步驗證。

圖4 遼寧省臥牛石國電龍源儲能電站運行數據

來源：國網遼寧電力公司

2)大連蛇島研究中心10kW/200kWh的離網示范項目，2011年建成，配合光伏發電系統，實現離網穩定供電，解決無市電區域的工作和生活需求，該島距離大陸較遠，在成本上較海底電纜有明顯優勢。2014年6月典型數據如表3，日均系統效率達到70%。據用戶反應，有了這套儲能項目，島上用電再也沒有因為天氣的原因中斷過。

表2 大連蛇島離網示范項目2014年6月典型運行數據

來源：融科儲能

3)美國華盛頓智能電網儲能，2014年融科儲能與美國UniEnergyTechnologies公司合作，建造了美國首座兆瓦級全釩液流儲能電池電站。項目采用1MW/4MWh新型全釩液流電池(釩電解液為混合酸型)，2015年6月交付運行，接入AVISTA電力公司的微網系統，實現如下功能：移峰(電價套利，參與備用容量市場交易);提高電網靈活性(調頻、負荷跟蹤、實時風場出力控制);提高配電系統效率(無功調節、負荷管理)、延緩投資(削峰填谷)等。如下是該系統連續一個月內的移峰、調頻運行數據。

4)德國BOSCH風電儲能系統，與德國博世集團(BOSCH)合作，在德國北部風場建造了250kW/1MWh全釩液流電池儲能系統，該系統是目前歐洲最大規模的全釩液流電池系統，已并入當地智能電網，系統效率達68%以上，受到海外客戶的高度評價。另外，融科于2015年在德國紐倫堡安裝了一套60kW/120kWh的all-in-one集成系統，系統效率達70%。

[1]免責申明：本報告是北京國際能源專家俱樂部秘書處根據自己掌握的信息和大連融科儲能技術有限公司提供的材料，再結合2016年4月23日清潔能源技術評估與推廣會議討論的結果而撰寫。對于任何商業機構或個人依據本報告的結論性意見所作出的投資或其他商業決定可能導致的任何風險、損失、損害、成本支出、索賠或其他權利主張，北京國際能源專家俱樂部及其所聘的專家均不承擔任何法律責任。

[2]根據中關村儲能聯盟《儲能產業研究白皮書2016》，截至2015年底，全球累計運行儲能項目(不含抽水蓄能、壓縮空氣和儲熱)裝機規模946.8MW。