正在閱讀:

目標長時儲能,“儲能界新黑馬”液流電池會主導未來嗎?

掃一掃下載界面新聞APP

目標長時儲能,“儲能界新黑馬”液流電池會主導未來嗎?

為什么長時儲能需要嘗試別的技術(shù)?原來的鋰電池不可以嗎?

文|經(jīng)緯創(chuàng)投

隨著光伏與風電的并網(wǎng)量越來越大,儲能也變得迫在眉睫。在并網(wǎng)量還比較小的時候,依賴1-4小時持續(xù)供電的磷酸鐵鋰電池,就可以實現(xiàn)削峰填谷,但如果并網(wǎng)量繼續(xù)增長,我們會不會急需超過4小時供電的新技術(shù)呢?

如果我們極限思考,假設(shè)某個地區(qū)100%的電力來自于太陽能,但一天的光照時間一般只有8小時,那就意味著另外16小時的供電需求,需要全部依賴電池。如果電池的供電時長只有4小時,那么另外12小時就只能停電了。風電這種間歇性能源也類似。

當然,現(xiàn)在我們不可能100%依賴于太陽能或風能。但碳中和、改善能源結(jié)構(gòu)的大目標存在,光伏、風電等清潔能源的占比在快速提升,長時儲能的概念應(yīng)運而生。

簡單來說,長時儲能就是指大于4小時,可以實現(xiàn)數(shù)天、數(shù)月充放電循環(huán)的儲能系統(tǒng)。而液流電池,基于特殊的構(gòu)造與工作原理,被視為最適合長時儲能的電池技術(shù)之一。

液流電池(又名氧化還原電池)的技術(shù)原理,完全不同于鋰電池等一般的離子蓄電池,液流電池是把能量儲存在電解液里面,而不是一般鋰電池、鉛蓄電池的固體正負極。并且,液流電池的正、負極都是液體的,完全獨立分離放置在堆棧外部,通過兩個循環(huán)動力泵,將正、負極電解液通過管道泵入液流電池堆棧中,并持續(xù)發(fā)生電化學反應(yīng)。

液流電池的優(yōu)缺點非常明顯,它的優(yōu)點是安全性高,可以靈活擴容,循環(huán)壽命也非常長,電解液可循環(huán)利用。但缺點是能量密度低,初裝成本還比較高。但對于長時儲能的場景來說,這些缺點不算很難克服的問題,而這些優(yōu)點則非常寶貴。

在液流電池方面,經(jīng)緯創(chuàng)投參與了中海儲能科技PreA+輪融資,而中海儲能科技累計融資了數(shù)億元人民幣。我們認為液流電池市場規(guī)模足夠大,各種技術(shù)路線未來都會有機會,占據(jù)一定的市場空間,我們正在非常積極地跟各類液流電池公司交流,也正在布局整個產(chǎn)業(yè)鏈。下面我們就來分析液流電池的應(yīng)用場景、優(yōu)缺點,以及全釩、鐵鉻等技術(shù)路徑的不同側(cè)重,以下:

  • 應(yīng)用于長時儲能的特別技術(shù)
  • 液流電池多條技術(shù)路線哪家強?

1、應(yīng)用于長時儲能的特別技術(shù)

為什么長時儲能需要嘗試別的技術(shù)?原來的鋰電池不可以嗎?

如果應(yīng)用于長時儲能,鋰電池確實有其局限性。其中最突出的問題就是安全性和循環(huán)壽命。因為要想增加儲電的容量,鋰電池就必須增加鋰的含量。但鋰是一種比較“暴躁”的金屬,隨著含量的提升,安全性風險就越大。

例如在2021年4月16日中午,北京集美大紅門25MWh直流光儲充一體化電站發(fā)生火災(zāi),隨后電站北區(qū)在毫無征兆的情況下突發(fā)爆炸,導致2名消防員犧牲,1名消防員受傷。此次事故過程符合鋰離子電池發(fā)生熱失控的典型特征。

特斯拉的Megapack儲能單元也發(fā)生過類似的事故。2021年7月30日,澳大利亞一個裝載有13噸鋰離子電池的特斯拉Megapack電池組發(fā)生火災(zāi),約有150名消防人員正在現(xiàn)場努力控制火勢蔓延至其他電池組。

據(jù)不完全統(tǒng)計,在2022年上半年全球就新增了10多起鋰電池儲能電站事故,其中約有80%采用的是三元鋰離子電池,其次是磷酸鐵鋰電池。于是,國家能源局在2022年6月發(fā)布了新的規(guī)定,對電化學儲能電站的選址和布局做了明確要求,其中明確將三元鋰電、鈉硫電池踢出了中大型電化學儲能的可選方案,對動力電池梯次利用態(tài)度是“不宜選用”。

所以對于長時儲能來說,通過增加鋰含量來增大儲電容量是很難的。并且鋰電池還有另一個缺陷,就是循環(huán)壽命不夠長。

從技術(shù)原理上來看,鋰電池的能量主要靠金屬鋰來存儲,每次充放電時,通過鋰離子的反應(yīng)來實現(xiàn),但在這個過程中,會有一小部分鋰生成固體物質(zhì),也就是“析鋰”,久而久之鋰在變少,儲電容量也就下降了。

一般鋰離子儲能電池,充放電的循環(huán)次數(shù)在5000次左右,也就是如果每天滿充滿放一次,可以用14年左右。這對于電動車的動力電池來說足夠了,但對于儲能電站來說并不夠用,儲能電站一般的壽命都是在20年以上,像最傳統(tǒng)的抽水蓄能電站都是按照30-70年壽命去設(shè)計。

特別是對于長時儲能來說,還需要考慮鋰電池儲能系統(tǒng)中電芯一致性的問題,那么系統(tǒng)層面的循環(huán)壽命往往更低,此外鋰電池的可用容量也會隨著循環(huán)次數(shù)的增加而明顯下降。

液流電池能夠很好地解決這些問題。

首先,液流電池非常安全。與一般的固態(tài)電池不同,液流電池的正極和負極,是以電解質(zhì)溶液的形式儲存于電池外部的儲罐中,通過正、負極電解質(zhì)溶液活性物質(zhì)發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng),來實現(xiàn)電能和化學能的相互轉(zhuǎn)化。

簡單來說,就是液流電池的正、負極電解液,才是用來儲存能量的,由于電解液里面是水,沒有有機溶劑,所以不會起火爆炸。

并且液流電池不會有熱量的堆積。鋰電池之所以不安全,很多時候是因為鋰電池產(chǎn)生的熱量無法散出,但液流電池的熱量可以很容易隨著電解液,從電池內(nèi)部轉(zhuǎn)移到外部去。所以液流電池無論是BMS,還是一些額外的消防措施,都可以比鋰電池低一個等級,不用太麻煩。

第二,液流電池的循環(huán)壽命非常長。由于液流電池中的電極不參與反應(yīng),屬于惰性電極,電極和雙極板等材料穩(wěn)定性好,不涉及更換問題。同時反應(yīng)過程不涉及相變,所以循環(huán)壽命可達1.5萬-2萬次,例如對于全釩液流電池來說,釩在電解液中僅發(fā)生價態(tài)變化,基本可以完全回收,且生命周期中容量衰減后可完全恢復(fù)。

第三,是靈活性。由于液流電池的功率單元與能量單元相互獨立,這就意味著可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景,來靈活設(shè)計系統(tǒng)功率與儲能時長。

一套完整的液流電池儲能系統(tǒng),主要是由功率單元(電堆)、能量單元(電解液和電解液儲罐)、電解液輸送單元(管路、泵閥、傳感器等)、電池管理系統(tǒng)等部分組成,其中功率單元決定系統(tǒng)功率的大小,而能量單元決定系統(tǒng)儲能容量的大小,兩者相互獨立。

所以液流電池的功率只取決于電堆大小,容量只取決于電解液儲量和濃度,這意味著可以靈活設(shè)計。當需要增大儲電容量時,只需要增大電解液儲罐容積,或提高電解液濃度即可;如果想增大功率,只需要增加電堆功率或是增加電堆數(shù)量即可,適應(yīng)性很強。

當然,由于液流電池的缺點在于能量密度小,所以液流電池的儲能電站一般都會占地面積偏大,選址一般在空曠的郊區(qū)。但由于安全、散熱性好,所以可以建得緊湊一些。畢竟相比于能量密度,電站的循環(huán)壽命、供電時長更加重要。

如今,液流電池的單次供電時長能到4小時以上,有的甚至能到10小時以上。這樣的時長對于未來大量使用新能源的電網(wǎng)來說,非常合適。

從應(yīng)用場景的角度來看,液流電池主要用在兩大方向上:一是新能源大型電站配儲。從2021年開始,很多地方政府都開始有硬性要求,風光電站必須要配置10%-20%的儲能設(shè)施,并且供電時長要在4小時以上。一般風電或是光伏電站,設(shè)計壽命都是在25年左右,液流電池的使用壽命正好也比較契合。

二是電網(wǎng)側(cè)的大型共享儲能電站或者調(diào)峰電站,類似于抽水蓄能這樣的獨立儲能電站。因為液流電池技術(shù)壽命長,30年沒有問題,殘值高,維護成本低,很多特性其實與抽水蓄能接近,所以中期來看可以作為抽水蓄能的補充。

當然,由于動力電池對鋰電池的拉動作用,目前新增的電化學儲能設(shè)施中大部分還是磷酸鐵鋰電池。液流電池還未大面積鋪開,所以目前前期投入成本還比較高,但我們看一項技術(shù)的前景需要把眼光放長遠,特別是那些能通過規(guī)模效應(yīng)來降低的成本。

2、液流電池多條技術(shù)路線哪家強?

目前液流電池主要有全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池、鋅鐵液流電池等20多種技術(shù)路線,目前全釩和鐵鉻技術(shù)路線討論較多。

這里技術(shù)路線的不同,主要是指電解質(zhì)溶液主要成分的不同。全釩是相對成熟、項目最多的技術(shù)路線,全釩液流電池是一種以金屬釩離子為活性物質(zhì)的液態(tài)氧化還原電池,以+4、+5 價態(tài)的釩離子溶液作為正極的活性物質(zhì),以+2、+3 價態(tài)的釩離子溶液作為負極的活性物質(zhì),分別儲存在各自的電解液儲罐中。在對電池進行充、放電時,正負極電解液在離子交換膜兩側(cè)進行氧化還原反應(yīng)。

 

第二種是以鋅基為代表的技術(shù)路線,即把鋅金屬作為電解液中的一種,組成像鋅溴、鋅鐵、鋅錳等鋅基的液流電池。為什么選用鋅基?主要是因為鋅的氧化還原性比較好,并且鋅這種元素也容易獲得。

第三種是鐵基的,比如像鐵鉻,還有全鐵等等,鐵的電化學活性比較好,并且儲量非常豐富,所以鐵鉻液流電池也是比較有潛力的一種。

 

為什么會出現(xiàn)這么多不同的技術(shù)路線?主要還是因為儲能對成本非常敏感,全釩雖然是其中最為成熟、項目最多的技術(shù)路線,但它一直有一個很核心的問題,釩的成本非常高,并且產(chǎn)能有限。

從資源的第一性原理上,全釩就存在一定的問題。中國的五氧化二釩產(chǎn)能在十幾萬噸,其中90%應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)。而1GWh的全釩液流電池,對應(yīng)需要0.8萬-1萬噸的五氧化二釩,在目前的釩供應(yīng)體系下,如果每年全釩液流電池快速上量,釩價必然暴增,并且產(chǎn)能嚴重跟不上,同時也有資源開采能力的問題。

此時就導致產(chǎn)業(yè)界去尋找更便宜和易得的金屬元素,來作為液流電池的電解質(zhì)。

 

無論是全釩還是鋅基、鐵基,在技術(shù)原理上都大同小異,都是通過金屬的得到、失去電子,來實現(xiàn)充電放電。

但有的會出現(xiàn)沉積效應(yīng)而導致壽命不足。比如鋅基液流電池比較突出的問題就是壽命短,鋅元素在充放電時,會發(fā)生鋅單質(zhì)跟鋅離子之間的轉(zhuǎn)換,鋅沉積與溶解生成枝晶,而枝晶會刺破隔膜,導致電池的壽命比較短。而全釩液流電池不會出現(xiàn)這種固態(tài)析出問題。

此外雖然鋅溴液流電池的優(yōu)點是能量密度較高,但液溴的揮發(fā)性、高毒性、強腐蝕性和易滲透性,也都導致電池在實際容量、循環(huán)壽命和安全性方面大打折扣。所以國內(nèi)最近這幾年,對鋅溴液流電池的研究和市場化都已經(jīng)不太活躍了。

最近市場上越來越熱的是鐵基液流電池,它主要是鐵的二價、三價之間轉(zhuǎn)換。鐵基最大的優(yōu)勢,就在于便宜,因為無論是鐵還是鉻,都在地球中大量存在。

但鐵基也有自己的問題,就是它的電化學活性比較差,所以功率密度弱一些。這也就意味著相同的功率密度,比如都是5000瓦的電堆,全釩可能只需要鐵基電池的1/2-1/3 大即可,這樣電堆部分的成本就低。同時,鐵基的能量效率比較低,相比于全釩要低10%左右。

鐵鉻液流電池有著波折的發(fā)展歷史。它最早由美國國家航空航天局(NASA)于1974年提出,后來在20世紀80年代,NASA將鐵鉻液流電池作為“moon project”的一部分,轉(zhuǎn)讓給日本。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機構(gòu)(NEDO)隨后于1984年和1986年推出了10KW和60KW的鐵鉻液流電池系統(tǒng)原型樣機。同期中國科學院大連化學物理研究所在1992年成功開發(fā)出270 W的小型鐵鉻液流電池電堆。

但是,由于鐵鉻液流電池的關(guān)鍵問題——陰極析氫與電解液離子互混,長期得不到解決,研究也一度止步,行業(yè)研究熱點也轉(zhuǎn)向了全釩液流電池。此后很長一段時間內(nèi),鐵鉻液流電池一度被認為是已經(jīng)淘汰的技術(shù)。

直到國家電投集團再次將其拉回人們的視野,他們采用鐵、鉻離子混合溶液作為電解液,應(yīng)對正負極鐵鉻離子互串問題;通過電極催化劑負載,應(yīng)對負極在充電時的析氫問題;通過在電池中設(shè)計安裝再平衡系統(tǒng),有效解決了電池容量衰減問題,極大提高了鐵鉻液流電池的實際使用壽命。

如今也有頭部創(chuàng)業(yè)公司,針對鐵鉻液流電池的傳統(tǒng)問題,實現(xiàn)了技術(shù)突破。例如對于析氫問題,中海儲能就基于自由基的量子點沉積技術(shù),大幅度提高電極表面的催化劑沉積水平,使催化劑實現(xiàn)的納米沉積,大幅降低了潛在的析氫反應(yīng)。

這些技術(shù)迭代,保證了鐵鉻液流電池在享受低成本的同時,不至于綜合性能被削弱。

如果進行成本測算,針對100MW / 400MWH,25年循環(huán)壽命周期測算,一天一充一放,鐵鉻液流電池最為便宜,初裝成本在7億左右,年后續(xù)維修成本約千分之三,LCOE(平準化度電成本)差不多在0.2水平。而鋰電池受制于5000次循環(huán)壽命,25年間最少應(yīng)更換一次電芯,而電芯成本占總成本60%,所以LCOE將會在0.3左右。全釩液流電池因為釩元素比較貴,會顯著高于鐵鉻,并且略高于鋰電池。全釩還有一個不確定因素是,五氧化二釩的價格是否會因產(chǎn)能不足而飆升。

所以綜合來看,鐵鉻液流電池在解決了傳統(tǒng)的析氫、反應(yīng)活性等問題之后,是一項非常有潛力的技術(shù)路線。

近年來,液流電池的落地項目也在快速增多。2022年5月,在遼寧大連,一座大型全礬液流電池儲能電站的一期工程,成功并網(wǎng)投運。這座電站目前是全球最大的液流電池儲能電站,儲電規(guī)模達到800兆瓦時,這相當于4000個家庭一個月的用電量。2022年2月,國家電投的“容和一號”鐵鉻液流電池的第一條量產(chǎn)產(chǎn)線投產(chǎn)。

這些落地項目的實際運營數(shù)據(jù),將給液流電池帶來更加真實的發(fā)展路線圖。

目前儲能業(yè)界存在幾大共識,一是鋰電產(chǎn)業(yè)鏈還是最成熟的,也是綜合性價比最高的,所以今年下半年新上的儲能項目中,鋰電還是會占到85%以上,但對于其他長時儲能技術(shù),誰越快接近鋰電的價格,誰就會越快得到市場關(guān)注。

二是在新能源占比達到15-20%之后,4小時以上的長時儲能需求成為剛需。目前在西北等風光電占比高的地方,4小時已經(jīng)成為真實需求。美國在加州等光伏占比高的地區(qū),已經(jīng)在上6-8小時的儲能,來進行調(diào)峰。而能夠?qū)崿F(xiàn)長時、大容量儲能的3個主要方向,就是抽水蓄能、空氣壓縮、液流電池,其中液流電池是唯一比較適合大規(guī)模發(fā)展的技術(shù),并且在交換膜、電堆、電解液等關(guān)鍵設(shè)備上,基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

三是隨著儲能場景的多元化,會有不同技術(shù)的并存。長期來看,隨著新能源逐步成為電力系統(tǒng)的主體,儲能的應(yīng)用場景也會有很多,功率范圍將涵蓋kW級的用戶側(cè)場景,到GW級的發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)場景,儲能時長則從秒級、分鐘級、小時級到跨日、跨季不等??紤]到不同場景的儲能需求有很大差距,未來會有多種儲能技術(shù)并存,共同支撐電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

麥肯錫在2021年底預(yù)測,長時儲能的潛在市場空間將從2025年開始大規(guī)模增長,主要是因為隨著可再生能源占比提升,2025年長時儲能全球累計裝機量將達到30-40 GW(對應(yīng)儲能容量約1TWh),累計投資額約500億美元。

 

液流電池作為有短板,但長板足夠長的技術(shù)路線,將趕上新能源賽道的爆發(fā)期,在長時儲能方面對鋰電形成挑戰(zhàn)。

References:

國泰君安:儲能行業(yè)全鐵體系為液流電池儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來新希望

國泰君安:鐵鉻液流電池儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)向前邁進,源廣流長,“鉻”顯神通

中泰證券:全釩液流電池兼顧全周期成本與安全,有望在儲能領(lǐng)域快速增長

安信證券:全釩液流電池儲能專題,海闊天空,不同“釩”響

開源證券:液流電池前景廣闊,鐵鉻方案或成為主流路線之一

西部證券:鐵鉻液流電池行業(yè)專題報告,鷹擊長空,“鉻”有不同

光大證券:安全穩(wěn)定、壽命長,釩電池長時儲能空間廣闊

本文為轉(zhuǎn)載內(nèi)容,授權(quán)事宜請聯(lián)系原著作權(quán)人。

发布评论

您至少需输入5个字

評論

暫無評論哦,快來評價一下吧!
经纬创投
界面财经号
IP属地:浙江
经纬创投公众平台,创享汇,新闻发布官方平台。

下載界面新聞

目標長時儲能,“儲能界新黑馬”液流電池會主導未來嗎?

為什么長時儲能需要嘗試別的技術(shù)?原來的鋰電池不可以嗎?

文|經(jīng)緯創(chuàng)投

隨著光伏與風電的并網(wǎng)量越來越大,儲能也變得迫在眉睫。在并網(wǎng)量還比較小的時候,依賴1-4小時持續(xù)供電的磷酸鐵鋰電池,就可以實現(xiàn)削峰填谷,但如果并網(wǎng)量繼續(xù)增長,我們會不會急需超過4小時供電的新技術(shù)呢?

如果我們極限思考,假設(shè)某個地區(qū)100%的電力來自于太陽能,但一天的光照時間一般只有8小時,那就意味著另外16小時的供電需求,需要全部依賴電池。如果電池的供電時長只有4小時,那么另外12小時就只能停電了。風電這種間歇性能源也類似。

當然,現(xiàn)在我們不可能100%依賴于太陽能或風能。但碳中和、改善能源結(jié)構(gòu)的大目標存在,光伏、風電等清潔能源的占比在快速提升,長時儲能的概念應(yīng)運而生。

簡單來說,長時儲能就是指大于4小時,可以實現(xiàn)數(shù)天、數(shù)月充放電循環(huán)的儲能系統(tǒng)。而液流電池,基于特殊的構(gòu)造與工作原理,被視為最適合長時儲能的電池技術(shù)之一。

液流電池(又名氧化還原電池)的技術(shù)原理,完全不同于鋰電池等一般的離子蓄電池,液流電池是把能量儲存在電解液里面,而不是一般鋰電池、鉛蓄電池的固體正負極。并且,液流電池的正、負極都是液體的,完全獨立分離放置在堆棧外部,通過兩個循環(huán)動力泵,將正、負極電解液通過管道泵入液流電池堆棧中,并持續(xù)發(fā)生電化學反應(yīng)。

液流電池的優(yōu)缺點非常明顯,它的優(yōu)點是安全性高,可以靈活擴容,循環(huán)壽命也非常長,電解液可循環(huán)利用。但缺點是能量密度低,初裝成本還比較高。但對于長時儲能的場景來說,這些缺點不算很難克服的問題,而這些優(yōu)點則非常寶貴。

在液流電池方面,經(jīng)緯創(chuàng)投參與了中海儲能科技PreA+輪融資,而中海儲能科技累計融資了數(shù)億元人民幣。我們認為液流電池市場規(guī)模足夠大,各種技術(shù)路線未來都會有機會,占據(jù)一定的市場空間,我們正在非常積極地跟各類液流電池公司交流,也正在布局整個產(chǎn)業(yè)鏈。下面我們就來分析液流電池的應(yīng)用場景、優(yōu)缺點,以及全釩、鐵鉻等技術(shù)路徑的不同側(cè)重,以下:

  • 應(yīng)用于長時儲能的特別技術(shù)
  • 液流電池多條技術(shù)路線哪家強?

1、應(yīng)用于長時儲能的特別技術(shù)

為什么長時儲能需要嘗試別的技術(shù)?原來的鋰電池不可以嗎?

如果應(yīng)用于長時儲能,鋰電池確實有其局限性。其中最突出的問題就是安全性和循環(huán)壽命。因為要想增加儲電的容量,鋰電池就必須增加鋰的含量。但鋰是一種比較“暴躁”的金屬,隨著含量的提升,安全性風險就越大。

例如在2021年4月16日中午,北京集美大紅門25MWh直流光儲充一體化電站發(fā)生火災(zāi),隨后電站北區(qū)在毫無征兆的情況下突發(fā)爆炸,導致2名消防員犧牲,1名消防員受傷。此次事故過程符合鋰離子電池發(fā)生熱失控的典型特征。

特斯拉的Megapack儲能單元也發(fā)生過類似的事故。2021年7月30日,澳大利亞一個裝載有13噸鋰離子電池的特斯拉Megapack電池組發(fā)生火災(zāi),約有150名消防人員正在現(xiàn)場努力控制火勢蔓延至其他電池組。

據(jù)不完全統(tǒng)計,在2022年上半年全球就新增了10多起鋰電池儲能電站事故,其中約有80%采用的是三元鋰離子電池,其次是磷酸鐵鋰電池。于是,國家能源局在2022年6月發(fā)布了新的規(guī)定,對電化學儲能電站的選址和布局做了明確要求,其中明確將三元鋰電、鈉硫電池踢出了中大型電化學儲能的可選方案,對動力電池梯次利用態(tài)度是“不宜選用”。

所以對于長時儲能來說,通過增加鋰含量來增大儲電容量是很難的。并且鋰電池還有另一個缺陷,就是循環(huán)壽命不夠長。

從技術(shù)原理上來看,鋰電池的能量主要靠金屬鋰來存儲,每次充放電時,通過鋰離子的反應(yīng)來實現(xiàn),但在這個過程中,會有一小部分鋰生成固體物質(zhì),也就是“析鋰”,久而久之鋰在變少,儲電容量也就下降了。

一般鋰離子儲能電池,充放電的循環(huán)次數(shù)在5000次左右,也就是如果每天滿充滿放一次,可以用14年左右。這對于電動車的動力電池來說足夠了,但對于儲能電站來說并不夠用,儲能電站一般的壽命都是在20年以上,像最傳統(tǒng)的抽水蓄能電站都是按照30-70年壽命去設(shè)計。

特別是對于長時儲能來說,還需要考慮鋰電池儲能系統(tǒng)中電芯一致性的問題,那么系統(tǒng)層面的循環(huán)壽命往往更低,此外鋰電池的可用容量也會隨著循環(huán)次數(shù)的增加而明顯下降。

液流電池能夠很好地解決這些問題。

首先,液流電池非常安全。與一般的固態(tài)電池不同,液流電池的正極和負極,是以電解質(zhì)溶液的形式儲存于電池外部的儲罐中,通過正、負極電解質(zhì)溶液活性物質(zhì)發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng),來實現(xiàn)電能和化學能的相互轉(zhuǎn)化。

簡單來說,就是液流電池的正、負極電解液,才是用來儲存能量的,由于電解液里面是水,沒有有機溶劑,所以不會起火爆炸。

并且液流電池不會有熱量的堆積。鋰電池之所以不安全,很多時候是因為鋰電池產(chǎn)生的熱量無法散出,但液流電池的熱量可以很容易隨著電解液,從電池內(nèi)部轉(zhuǎn)移到外部去。所以液流電池無論是BMS,還是一些額外的消防措施,都可以比鋰電池低一個等級,不用太麻煩。

第二,液流電池的循環(huán)壽命非常長。由于液流電池中的電極不參與反應(yīng),屬于惰性電極,電極和雙極板等材料穩(wěn)定性好,不涉及更換問題。同時反應(yīng)過程不涉及相變,所以循環(huán)壽命可達1.5萬-2萬次,例如對于全釩液流電池來說,釩在電解液中僅發(fā)生價態(tài)變化,基本可以完全回收,且生命周期中容量衰減后可完全恢復(fù)。

第三,是靈活性。由于液流電池的功率單元與能量單元相互獨立,這就意味著可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景,來靈活設(shè)計系統(tǒng)功率與儲能時長。

一套完整的液流電池儲能系統(tǒng),主要是由功率單元(電堆)、能量單元(電解液和電解液儲罐)、電解液輸送單元(管路、泵閥、傳感器等)、電池管理系統(tǒng)等部分組成,其中功率單元決定系統(tǒng)功率的大小,而能量單元決定系統(tǒng)儲能容量的大小,兩者相互獨立。

所以液流電池的功率只取決于電堆大小,容量只取決于電解液儲量和濃度,這意味著可以靈活設(shè)計。當需要增大儲電容量時,只需要增大電解液儲罐容積,或提高電解液濃度即可;如果想增大功率,只需要增加電堆功率或是增加電堆數(shù)量即可,適應(yīng)性很強。

當然,由于液流電池的缺點在于能量密度小,所以液流電池的儲能電站一般都會占地面積偏大,選址一般在空曠的郊區(qū)。但由于安全、散熱性好,所以可以建得緊湊一些。畢竟相比于能量密度,電站的循環(huán)壽命、供電時長更加重要。

如今,液流電池的單次供電時長能到4小時以上,有的甚至能到10小時以上。這樣的時長對于未來大量使用新能源的電網(wǎng)來說,非常合適。

從應(yīng)用場景的角度來看,液流電池主要用在兩大方向上:一是新能源大型電站配儲。從2021年開始,很多地方政府都開始有硬性要求,風光電站必須要配置10%-20%的儲能設(shè)施,并且供電時長要在4小時以上。一般風電或是光伏電站,設(shè)計壽命都是在25年左右,液流電池的使用壽命正好也比較契合。

二是電網(wǎng)側(cè)的大型共享儲能電站或者調(diào)峰電站,類似于抽水蓄能這樣的獨立儲能電站。因為液流電池技術(shù)壽命長,30年沒有問題,殘值高,維護成本低,很多特性其實與抽水蓄能接近,所以中期來看可以作為抽水蓄能的補充。

當然,由于動力電池對鋰電池的拉動作用,目前新增的電化學儲能設(shè)施中大部分還是磷酸鐵鋰電池。液流電池還未大面積鋪開,所以目前前期投入成本還比較高,但我們看一項技術(shù)的前景需要把眼光放長遠,特別是那些能通過規(guī)模效應(yīng)來降低的成本。

2、液流電池多條技術(shù)路線哪家強?

目前液流電池主要有全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池、鋅鐵液流電池等20多種技術(shù)路線,目前全釩和鐵鉻技術(shù)路線討論較多。

這里技術(shù)路線的不同,主要是指電解質(zhì)溶液主要成分的不同。全釩是相對成熟、項目最多的技術(shù)路線,全釩液流電池是一種以金屬釩離子為活性物質(zhì)的液態(tài)氧化還原電池,以+4、+5 價態(tài)的釩離子溶液作為正極的活性物質(zhì),以+2、+3 價態(tài)的釩離子溶液作為負極的活性物質(zhì),分別儲存在各自的電解液儲罐中。在對電池進行充、放電時,正負極電解液在離子交換膜兩側(cè)進行氧化還原反應(yīng)。

 

第二種是以鋅基為代表的技術(shù)路線,即把鋅金屬作為電解液中的一種,組成像鋅溴、鋅鐵、鋅錳等鋅基的液流電池。為什么選用鋅基?主要是因為鋅的氧化還原性比較好,并且鋅這種元素也容易獲得。

第三種是鐵基的,比如像鐵鉻,還有全鐵等等,鐵的電化學活性比較好,并且儲量非常豐富,所以鐵鉻液流電池也是比較有潛力的一種。

 

為什么會出現(xiàn)這么多不同的技術(shù)路線?主要還是因為儲能對成本非常敏感,全釩雖然是其中最為成熟、項目最多的技術(shù)路線,但它一直有一個很核心的問題,釩的成本非常高,并且產(chǎn)能有限。

從資源的第一性原理上,全釩就存在一定的問題。中國的五氧化二釩產(chǎn)能在十幾萬噸,其中90%應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)。而1GWh的全釩液流電池,對應(yīng)需要0.8萬-1萬噸的五氧化二釩,在目前的釩供應(yīng)體系下,如果每年全釩液流電池快速上量,釩價必然暴增,并且產(chǎn)能嚴重跟不上,同時也有資源開采能力的問題。

此時就導致產(chǎn)業(yè)界去尋找更便宜和易得的金屬元素,來作為液流電池的電解質(zhì)。

 

無論是全釩還是鋅基、鐵基,在技術(shù)原理上都大同小異,都是通過金屬的得到、失去電子,來實現(xiàn)充電放電。

但有的會出現(xiàn)沉積效應(yīng)而導致壽命不足。比如鋅基液流電池比較突出的問題就是壽命短,鋅元素在充放電時,會發(fā)生鋅單質(zhì)跟鋅離子之間的轉(zhuǎn)換,鋅沉積與溶解生成枝晶,而枝晶會刺破隔膜,導致電池的壽命比較短。而全釩液流電池不會出現(xiàn)這種固態(tài)析出問題。

此外雖然鋅溴液流電池的優(yōu)點是能量密度較高,但液溴的揮發(fā)性、高毒性、強腐蝕性和易滲透性,也都導致電池在實際容量、循環(huán)壽命和安全性方面大打折扣。所以國內(nèi)最近這幾年,對鋅溴液流電池的研究和市場化都已經(jīng)不太活躍了。

最近市場上越來越熱的是鐵基液流電池,它主要是鐵的二價、三價之間轉(zhuǎn)換。鐵基最大的優(yōu)勢,就在于便宜,因為無論是鐵還是鉻,都在地球中大量存在。

但鐵基也有自己的問題,就是它的電化學活性比較差,所以功率密度弱一些。這也就意味著相同的功率密度,比如都是5000瓦的電堆,全釩可能只需要鐵基電池的1/2-1/3 大即可,這樣電堆部分的成本就低。同時,鐵基的能量效率比較低,相比于全釩要低10%左右。

鐵鉻液流電池有著波折的發(fā)展歷史。它最早由美國國家航空航天局(NASA)于1974年提出,后來在20世紀80年代,NASA將鐵鉻液流電池作為“moon project”的一部分,轉(zhuǎn)讓給日本。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機構(gòu)(NEDO)隨后于1984年和1986年推出了10KW和60KW的鐵鉻液流電池系統(tǒng)原型樣機。同期中國科學院大連化學物理研究所在1992年成功開發(fā)出270 W的小型鐵鉻液流電池電堆。

但是,由于鐵鉻液流電池的關(guān)鍵問題——陰極析氫與電解液離子互混,長期得不到解決,研究也一度止步,行業(yè)研究熱點也轉(zhuǎn)向了全釩液流電池。此后很長一段時間內(nèi),鐵鉻液流電池一度被認為是已經(jīng)淘汰的技術(shù)。

直到國家電投集團再次將其拉回人們的視野,他們采用鐵、鉻離子混合溶液作為電解液,應(yīng)對正負極鐵鉻離子互串問題;通過電極催化劑負載,應(yīng)對負極在充電時的析氫問題;通過在電池中設(shè)計安裝再平衡系統(tǒng),有效解決了電池容量衰減問題,極大提高了鐵鉻液流電池的實際使用壽命。

如今也有頭部創(chuàng)業(yè)公司,針對鐵鉻液流電池的傳統(tǒng)問題,實現(xiàn)了技術(shù)突破。例如對于析氫問題,中海儲能就基于自由基的量子點沉積技術(shù),大幅度提高電極表面的催化劑沉積水平,使催化劑實現(xiàn)的納米沉積,大幅降低了潛在的析氫反應(yīng)。

這些技術(shù)迭代,保證了鐵鉻液流電池在享受低成本的同時,不至于綜合性能被削弱。

如果進行成本測算,針對100MW / 400MWH,25年循環(huán)壽命周期測算,一天一充一放,鐵鉻液流電池最為便宜,初裝成本在7億左右,年后續(xù)維修成本約千分之三,LCOE(平準化度電成本)差不多在0.2水平。而鋰電池受制于5000次循環(huán)壽命,25年間最少應(yīng)更換一次電芯,而電芯成本占總成本60%,所以LCOE將會在0.3左右。全釩液流電池因為釩元素比較貴,會顯著高于鐵鉻,并且略高于鋰電池。全釩還有一個不確定因素是,五氧化二釩的價格是否會因產(chǎn)能不足而飆升。

所以綜合來看,鐵鉻液流電池在解決了傳統(tǒng)的析氫、反應(yīng)活性等問題之后,是一項非常有潛力的技術(shù)路線。

近年來,液流電池的落地項目也在快速增多。2022年5月,在遼寧大連,一座大型全礬液流電池儲能電站的一期工程,成功并網(wǎng)投運。這座電站目前是全球最大的液流電池儲能電站,儲電規(guī)模達到800兆瓦時,這相當于4000個家庭一個月的用電量。2022年2月,國家電投的“容和一號”鐵鉻液流電池的第一條量產(chǎn)產(chǎn)線投產(chǎn)。

這些落地項目的實際運營數(shù)據(jù),將給液流電池帶來更加真實的發(fā)展路線圖。

目前儲能業(yè)界存在幾大共識,一是鋰電產(chǎn)業(yè)鏈還是最成熟的,也是綜合性價比最高的,所以今年下半年新上的儲能項目中,鋰電還是會占到85%以上,但對于其他長時儲能技術(shù),誰越快接近鋰電的價格,誰就會越快得到市場關(guān)注。

二是在新能源占比達到15-20%之后,4小時以上的長時儲能需求成為剛需。目前在西北等風光電占比高的地方,4小時已經(jīng)成為真實需求。美國在加州等光伏占比高的地區(qū),已經(jīng)在上6-8小時的儲能,來進行調(diào)峰。而能夠?qū)崿F(xiàn)長時、大容量儲能的3個主要方向,就是抽水蓄能、空氣壓縮、液流電池,其中液流電池是唯一比較適合大規(guī)模發(fā)展的技術(shù),并且在交換膜、電堆、電解液等關(guān)鍵設(shè)備上,基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

三是隨著儲能場景的多元化,會有不同技術(shù)的并存。長期來看,隨著新能源逐步成為電力系統(tǒng)的主體,儲能的應(yīng)用場景也會有很多,功率范圍將涵蓋kW級的用戶側(cè)場景,到GW級的發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)場景,儲能時長則從秒級、分鐘級、小時級到跨日、跨季不等??紤]到不同場景的儲能需求有很大差距,未來會有多種儲能技術(shù)并存,共同支撐電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

麥肯錫在2021年底預(yù)測,長時儲能的潛在市場空間將從2025年開始大規(guī)模增長,主要是因為隨著可再生能源占比提升,2025年長時儲能全球累計裝機量將達到30-40 GW(對應(yīng)儲能容量約1TWh),累計投資額約500億美元。

 

液流電池作為有短板,但長板足夠長的技術(shù)路線,將趕上新能源賽道的爆發(fā)期,在長時儲能方面對鋰電形成挑戰(zhàn)。

References:

國泰君安:儲能行業(yè)全鐵體系為液流電池儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來新希望

國泰君安:鐵鉻液流電池儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)向前邁進,源廣流長,“鉻”顯神通

中泰證券:全釩液流電池兼顧全周期成本與安全,有望在儲能領(lǐng)域快速增長

安信證券:全釩液流電池儲能專題,海闊天空,不同“釩”響

開源證券:液流電池前景廣闊,鐵鉻方案或成為主流路線之一

西部證券:鐵鉻液流電池行業(yè)專題報告,鷹擊長空,“鉻”有不同

光大證券:安全穩(wěn)定、壽命長,釩電池長時儲能空間廣闊

本文為轉(zhuǎn)載內(nèi)容,授權(quán)事宜請聯(lián)系原著作權(quán)人。

下载界面新闻

微信公众号

微博