当下,在增速极快的电动汽车充电站、大功率充电桩等基础设施建设领域,特别是住宅区的私人充电桩建设,都面临着“电力增容难“的天花板,归根结底还是担心负荷功率峰值急剧上升容易造成电力系统崩溃。这种现象已经开始拖交通电气化的后腿。
以磷酸铁锂储能电池为代表的新型储能,虽然能量密度足够高,转换效率高于液流电池、压缩空气,经济性方面也最领先,但始终存在的消防安全隐患“如鲠在喉”,尤其是在人口聚集区,这种担忧会成倍放大。而且一般锂电储能时长只有2小时,面对各省市长达4小时的高峰电价时段,自然有点儿捉襟见肘。
此时,
液流电池就有了用武之地,因为不仅安全,还能提供长达3-10小时的调峰容量。
其实,同为电化学储能的一种,液流电池诞生快50年了,只不过在与锂电池的竞赛中暂时“掉队“。因为体积过大,能量密度只有锂电池的1/10,且没规模化应用,导致经济性上也不足。但瑕不掩瑜,液流电池有自己的“生存之道”。
无论是从电池产能还是从项目装机规划来看,液流电池都已经进入了GW时代。
作为液流电池的核心功率单元,电堆正在快速走向大功率和高效率,以迎合市场的降本和规模化发展趋势。
液流电池的心脏-
电堆可以称作是液流电池的心脏。
一套完整的液流电池储能系统,主要是由功率单元(电堆)、能量单元(电解液和电解液储罐)、电解液输送单元(管路、泵阀、传感器等)、电池管理系统等部分组成,其中功率单元决定系统功率的大小,而能量单元决定系统储能容量的大小,两者相互独立。
液流电池的功率只取决于电堆大小,容量只取决于电解液储量和浓度,这意味着可以灵活设计
。当需要增大储电容量时,只需要增大电解液储罐容积,或提高电解液浓度即可;如果想增大功率,只需要增加电堆功率或是增加电堆数量即可,适应性很强。
以钒电池为例,电堆是钒电池的主体部分,也是发生电化学反应的场所,主要结构包括
质子交换膜、电极、双极板、铜集流板、液流框、端板及连接件等。
据目前的公开信息,国内钒电池的电堆最大功率已经在向着128kW级别迈进。单体电堆功率的提升,可有效降低系统成本和系统体积。
在能量效率方面,液流储能科技有限公司总经理郑晓昊表示,目前,液流储能科技的全钒液流电池电堆能量效率在78%上下;而铁基液流电池代表企业巨安科技的CEO孟锦涛表示,该公司的全铁液流电池电堆效率和系统效率均在80%以上。
锌铁液流电池的代表企业是纬景储能,但该公司并未透露任何与能量效率、能量密度有关的数据。美国ZBB公司的最新数据显示,锌溴液流电池电堆能量效率能达到82%。
大连融科作为行业龙头,2013年时,其承建的5MW级全钒液流电池系统能量效率便已达到80%,2022年12月底,该公司并网的全国规模最大的液流电池储能电站,百兆瓦级的“大连液流电池储能调峰电站国家示范项目”,系统效率可达76%。
中南大学教授、北京星辰新能科技有限公司首席科学家刘素琴表示,通过在电极材料、隔膜材料、电堆结构三个方面做出优化,其研制出的全钒液流电池电堆“星辰一号”,能量效率已达到85%。
液流储能降成本的主战场
据国际可再生能源组织(IRENA)数据,钒液流电池成本主要分为电堆、电解液与周边设备成本三大块。电堆和电解液是主要成本,合计占比达到75%左右,其他构件成本占比25%左右;其中,钒电解液成本约占40%,电堆成本约占35%;电堆中,隔膜又是核心,成本约占电堆的40%。
由此可见,要降低钒电池的成本,必须从电堆和电解液这两个“大头”入手。
其中,降低电堆成本的有效途径便是提升电堆的功率和能量效率。
这与液流电池本身的技术原理有直接关系。