鋅鐵液流電池在儲能系統中的應用及展望

王少鵬,涂春雷,謝光輝,毛知新,宋曉波,萬 鑫,盧 偉

(中國電建集團江西省電力建設有限公司,江西 南昌 330000)

目前,我國電力裝機、電網規模,以及全社會用電量等均居世界首位。國家能源局2023年7月31日發布統計,截至2023年6月底,全國發電裝機量達27.1億kW,其中水電裝機量達4.18億kW,風電裝機量達3.89億kW,光伏發電裝機量達4.7億kW[1]。中國的能源結構調整進程不斷推進,水電、風電、光伏等清潔再生能源增長很快,以風電、光伏為代表的可再生能源發展已成規模,技術裝備也不斷突破,各類新興科技與應用模式也不斷涌現。與此同時,電力供需局部過剩,棄風、棄光、棄水問題較為突出。風電、光伏等可再生能源規?；l展與電力系統消納之間的矛盾日益凸顯,各種可再生能源的規?；l展與新型電力系統的協調發展,已成為我國電力系統發展的重要課題,而大規模儲能技術作為解決以上問題的有效方法之一,正逐漸受到越來越多的重視[2]。大規模儲能技術作為穩定電能質量、提升新能源消納的關鍵性技術,國家予以了高度重視[3]。

CNESA數據顯示[4],截至2022年底,全世界已投運發電儲能建設項目(含物理學儲能、電化學儲能或者熔融鹽儲熱)的累計裝機量約為237.2 GW,年增長率為15%,其中,我國建設項目的累計裝機量已超過59.8 GW,年增長率為38%。

CNESA數據顯示[4],中國已投運的新型儲能項目累計裝機規模首次突破10 GW大關,達到13.1 GW/27.1 GW·h,功率規模年增長率達128%,能量規模年增長率達141%。新型儲能中,以鋰離子電池為核心的電化學儲能占主導地位,占比達98%。此外,壓縮空氣儲能、液流電池、鈉離子電池、飛輪等其他技術路線的項目,在規模上也有所突破,電化學儲能已成為儲能領域發展較為迅速的方向之一。2022年全球及我國投運電力儲能項目的累計裝機量分別如圖1、圖2所示。

圖1 2022年全球投運電力儲能項目的累計裝機量[4]

圖2 2022年中國投運電力儲能項目的累計裝機量[4]

1 鋅鐵液流電池儲能技術

鋅鐵液流電池單電池由正極、負極和隔膜組成。如圖3所示,正極發生二價鐵與三價鐵間的相互轉化,負極發生鋅的沉積和鋅的溶解反應,通過隔膜實現內部離子之間的交換。鋅鐵液流電池通過泵將存儲于電解液罐體中的儲能物質循環至反應場所——電堆,進行化學能和電能之間的轉化。電堆作為化學能和電能的轉化場所,由若干單電池串聯而成,電堆再經過串并聯后形成儲能系統。液流電池相比于傳統電池最大的優勢是能量單元獨立于功率單元,也就是說可以根據項目要求,在已建好的項目中,對能量單元或功率單元進行獨立擴容來實現系統規模的調整。該做法特別是在大型項目建設中有其無可比擬的優勢。

表1中列出了各種儲能技術的對比情況。在諸多技術里,液流電池以其安全性,系統功率容量可靈活配置,以及循環壽命長等優勢受到較大關注[5-7]。

表1 各類儲能技術比較

表2中列出了各種液流電池儲能技術的優缺點及開路電壓情況。從表中可以看出,鋅鐵液流電池作為液流電池的發展方向之一,有諸多優勢。除此之外,鋅鐵液流電池相比于主流的全釩液流電池還具有如下優勢。

表2 各種液流電池優缺點及開路電壓匯總

1)體系方面,鋅鐵液流電池使用堿性體系,全釩液流電池為酸性體系。鋅鐵液流電池內密封及穩定性相比于全釩液流電池更利于產業化。

2)電極材料方面,鋅鐵液流電池使用多種材質作為電極,而全釩液流電池使用碳氈做電極、導電塑料做雙極板。這樣在功率密度方面鋅鐵液流電池體系可以比全釩液流電池體系具有更大優勢,因此鋅鐵液流電池體系倍率性能要明顯優于全釩液流電池體系。

3)電解液原料方面,釩占全球地殼含量的0.02%,而鐵和鋅在全球地殼中的含量分別為4.75%、0.5%。從數據可以看出,釩資源將會成為制約全釩液流電池大規模發展的一大瓶頸,近年的釩礦價格也同樣印證了以上結論。

4)電解液成本方面,由于釩礦資源的限制,后期鋅鐵液流電池成本明顯優于全釩液流電池。

5)安全角度方面,鋅鐵液流電池使用的鋅和鐵元素均為人體所需微量元素,而釩在高價態時對人體呼吸系統、神經系統、胃腸和皮膚有一定影響[9]。

綜上所述,鋅鐵液流電池體系相比于其他電池體系,有容量配比靈活、安全性能好、系統倍率性能高等優勢,相比于全釩液流電池同樣具有以上優勢。相關鋅鐵液流電池體系的研究工作已引起了諸多研究機構的廣泛關注[10-11]。

2 鋅鐵液流電池在儲能系統中的應用

普遍認為,儲能可應用于電力系統的各個方面,如網側、發電側、用戶側等。鋅鐵液流電池作為儲能系統的重要裝備之一,其以安全、環保、倍率性能好等優勢應用于儲能系統,將發揮更大的作用。

2.1 鋅鐵液流電池應用于網側

在輸電網內接入儲能裝置,可增加輸電網的傳輸能力;在配電網中接入儲能系統,能夠進一步提高配電網的安全性和經濟效益。

用作輸電網建設更新的備選措施(延緩國家電網的更新與增容),需增加重要輸電管道、區段的輸入能力或進一步提高國家電網運營的安全管理水平。在國家電網中,負載的增加和電力的連接(尤其是大體積新型能源發電設備的連接)都必須增加輸變電設施,以改善電網的輸電能力。但是,在用地、環保等因素的影響下,隨著輸電線路越來越緊張,對輸變電裝置的投入越來越高,建設周期也變長,該現狀現已無法適應可再生能源發電迅速增加和負載逐漸擴大的需要。因此,大規模儲能裝置可以成為有效的工具,并被配置到輸電網中,以增強供電系統的輸出功能,從而減少對輸變電裝置的投入。

儲能技術在配電網中的應用越來越廣泛,與在輸電網中的實際使用情況相似,儲能技術在配電網中的應用能夠降低或延緩對配電網的升級投資。布置于配電網中的儲能設備在有關政策和技術法規許可的情況下,還有助于向主電網提供調頻、備用和補充業務。此外,儲能技術的廣泛使用還有助于改善配電網運營的安全性、經濟性、可靠性及提升分布式供電技術的消納水平。

關于鋅鐵液流電池應用于網側的示范項目,目前已有百兆瓦級的設計規劃,還需等待實際項目落地,從而實現鋅鐵液流電池的大規模示范應用。

2.2 鋅鐵液流電池應用于發電側

在發電側,儲能技術可一定程度上解決棄風、棄光問題,同時還可跟蹤計劃出力,平滑輸出。

解決棄風、棄光。由于風能發電和光伏發電的功率波動性很大,尤其在中國某些較為偏遠的地方,電網中往往會發生無法將風能和光伏發電完全消納的狀況。使用儲能技術,可減少或防止棄風、棄光問題的出現。在可再生能源發電側配置儲能系統,當可再生能源出力能力不足或輸電線路堵塞時,儲能系統可以釋放或者存儲能量,從而緩解可再生能源出力不足或者輸電線路堵塞等問題。

跟蹤計劃出力,平滑輸出。大型的可再生能源項目納入供電系統管理后,輸送能力存在隨機性、波動性,導致供電系統的穩定性受到干擾,所以需要對其發電能力進行預估,以便供電企業合理安排發電時間、減輕供電系統調峰的負擔、減少供電系統儲備、增加供電系統對可再生能源的消納。同時,在集中式可再生能源發電場所配備大規模的儲能設備,并對其輸出能力進行檢測,對儲能容量進行調整,完成對儲能設備和其出力情況的監控,平滑調節其輸送能力,從而達到并網要求,進一步增強可再生能源發電的友好性。

鋅鐵液流電池已應用于江西“儲能+”智慧能源示范項目。該項目包括1個200 kW/600 kW·h鋅鐵液流儲能電池系統,該系統采用的是集裝箱分體式設計,分為上下兩層集裝箱。下層集裝箱為能量系統,設置兩組陰極和陽極電解液存儲罐,用于存放陰極和陽極電解液。上層集裝箱為功率系統,設置堆棧系統、電氣控制系統、流量控制系統等。該系統的接入,可解決部分棄風、棄光問題,同時可跟蹤電力系統計劃出力,平衡電力輸出波動,從而增強可再生能源發電的友好性。

2.3 鋅鐵液流電池應用于用戶側

在應用上,儲能技術可廣泛應用在改善電能效率與安全性、實現分布式資源就地消納等方面。

一是提高系統的電能效率和安全性。由于供電系統的電能網絡較復雜,因此系統所獲取的電能質量(電壓、電流和頻率等)存在著一定的波動性。較為簡潔而有效的設備側的儲能設備組合形式,可為用戶提供最優質的電力。當供電系統出現負載暫降等異常時,該設備組合可提高電力效率,緩解其問題;當電源網絡出現問題時,該設備組合可保證重要供電設備不間斷供電,進而改善供電系統的安全性與電力效率。

二是實現分布式再生能源就地消納。針對企業客戶,在配置了可再生能源開發設施的工廠及項目中建設儲能系統,能夠平抑可再生能源開發出現的震蕩性,改善能源品質,并實現峰谷電價差套利。針對使用光伏發電的用戶,應充分考慮到光伏電網需要在白天運行,而居民用電通常在夜間負荷較大的現狀,選擇家用儲能,以更為有效地使用光伏發電,甚至做到電力自給。而且,當配電網發生故障后,家用儲能也得以持續運行,從而減少電網的停電損失,并增加電源穩定性。

鋅鐵液流電池已應用于江蘇用戶側示范項目,項目包括1套200 kW/600 kW·h集裝箱式鋅鐵液流儲能電池系統,該系統同樣采用的是分體式設計,分為上下兩層。下層集裝箱為能量系統,上層集裝箱為功率系統,設置堆棧系統、電氣控制系統、流量控制系統等。堆棧系統是電池發生電化學反應的場所。電氣控制系統包括高壓配電箱、系統控制箱、堆?？刂葡?、儲能系統接地故障箱,以及各類傳感器等。電氣控制系統為輔助供電系統正常運行進行供電,并對電池運行情況進行檢測和控制。流量控制系統包括液下泵、過濾器、管道等,為堆棧系統提供穩定、均衡的電解液。該儲能系統的接入提高了用戶側系統的用電效率和安全性,同時可實現分布式可再生能源的就地消納。

3 鋅鐵液流電池在儲能系統中應用的展望

鋅鐵液流電池應用于儲能系統的優勢明顯,主要表現為以下3點。

1)鋅鐵液流電池成本下降空間大。由于液流電池所用材料成本極低,且安全無污染,所以大規模應用會有很好的商業化前景。

2)鋅鐵液流電池倍率性能好。如前所述,可篩選鋅鐵液流電池電極材料,優選具備較高導電性、較強導熱性及較好耐腐蝕性的材料,從而使系統可以在較高電流密度下長期運行。該液流電池可以很好地用于多種儲能應用領域,如電網調峰、負荷追蹤等。

3)鋅鐵液流電池易于檢修維護。該液流電池使用的電極材料有多種選擇,使得后期運維過程變得較為容易,給大規模運行帶來了可能。

4 結語

鋅鐵液流電池作為能夠大規模應用的儲能電池,以其低廉的價格、優異的系統性能及材料來源廣泛等優勢,有望大規模商業化,其將會受到越來越多的關注。相信在不久的將來,鋅鐵液流電池一定可以大規模應用于儲能的各個領域,大大提高能源的使用效率。