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严川伟:全钒液流储能电池的技术进步及效用分析

文章来源:钒电池 点击量:77 时间:2020-10-18

927日,由国家电网有限公司发起成立的中国综合能源服务产业创新发展联盟、中电联售电与综合能源服务分会联合举办的中国综合能源服务产业高峰论坛暨云博会在北京钓鱼台国宾馆隆重召开。当天下午,在“储能与综合能源服务”分论坛上,中科院金属所研究员、教授严川伟发表了主旨演讲。作为从事全钒液流电池研究20年的老兵,对钒电池的技术进步及效用进行了详尽的分析。

严川伟认为,钒电池是最成熟的液流电池,基于全钒液流电池商业化开发条件,技术性能与成本已达到可规模发展的水平。

以下是演讲实录:

对一个从事技术研究的人来说,没有什么比他所从事的技术发展到什么阶段、有没有未来、能不能对社会有作用更值得关注的了。作为从事全钒液流电池研究二十年老兵,有机会跟大家分享一下对这个电池的发展的观点和认识。也分三个话题。

一、储能:电力发展产物、能源革命需要

首先储能不是时尚的东西、一个可有可无的,而是它是电力发展必然的产物,也是能源革命所必须的,应该指出储能是大的产业、也是大的市场、也是国家能源战略一个重要的支撑。

这个市场是非常巨大,比如说在2030年全球市场就可以达到2000亿美元以上,这其中长时间储能是主要需求,比如70%储能需求是4小时以上,这个主要来源于可再生能源对化石能源的替代、以及可再生能源它本身波动性、随机性所导致的。

我们讲储能这个概念是狭义的概念,因为储能这个概念现在比泛化,手机电池也叫储能,我们讲的针对电力需求大规模储能,大规模储能要求显而易见两方面,第一个方面安全可靠,作为规模电力供给的重要环节,不是一家一户事,必须可靠,这个从事电力人都很好理解这一点;第二经济性要好,能够赚钱,能够实现良性的事业化运行,否则它是不可持续的。

那么作为大规模储能一个手段、一种技术,全钒液流电池它的特点主要有几个方面:

1、安全,它是水体系本征安全,不是经过努力使着它安全一点,而是它本身具有安全基因。

2、适大规模储能,因为它单元大,一个电力做到几十千瓦没有问题,液流循环,对热的管理是天然的优势,再就是寿命长,循环寿命达万次或者更高。

3、技术经济潜力大,我们只能这么讲,技术已经取得很大的进展,达到很好的指标,我一会儿再讲。现在看来它的天花板非常高,现在远远没有达到,空间非常大。

4、资源丰富,它的主要资源、核心资源钒非常丰富,储量巨大,每年产量足够发展规模储能技术。

所以全钒液流电池它应该是满足大规模储能产业化比较理想的一种技术。它用作规模储能可以满足不同的储能需要,因为储能有多种需要、多种形式,至少能量型和功率型,比如满足主要大型可再生能源并网、调峰、用户电价管理等,在这些方面,长时间大规模容量型的储能它是最擅长、最合适,其他也能做,就没有那么突出比较优势。

中国拥有最丰富的钒资源,钒资源不是稀有元素,到处都有,分布很大没有地域限制,很多地方都有。

中国探明钒资源占全球的一半以上,主要有几个来源:第一个来自液晶副产品,70%以上钒都是这个来源;第二个来源是煤矿,这个量特别大特别丰富;第三固废的回收、电场一部分炉渣灰、还有船用的重油渣、还有炼化催化剂的回收这个量比较大,每年可以获得钒达到1万吨以上,甚至达到两三万吨都是有可能的,关键这种来源有可能非常非常廉价、经济性特别好的来源。

全钒液流电池已经被研究几十年,作为一种工程应用的电池,进行各种系统性实验,技术原则性还是系统可靠性、还是经济性进行一系列实验验证。

这里列了当前在规划当中的、正在实施或者已经实施的一些项目。这里我们也举一些已经做的电站例子。

第一个就是日本住友电工,它是最早工程化开发的,至今已经有30多年,北海道这个项目是在运行全球最大的项目现在还是有全负荷、全指标实际运行。

第二个例子就是北京普能,在2011年的时候投运的风光储输示范,以及最近枣阳第一期项目,当然在国外做了大量海外项目。国网南瑞是国网从事电池研究的机构,无论技术还是更高层面做了系统部署取得很好的效果。大连融科现在正在收尾阶段100兆瓦项目在年底投运,应该是历史性的标志,成功没有什么问题,因为做了大量前期铺设已经有良好的基础。

二、技术进步及效应

在我们国家研究基本有几个模式:第一个乱研究没有目标;第二个就是以发论文为导向的研究;第三个以问题为目标,把问题解决的研究,应该讲全钒液流电池这个研究主要体现在第三方面,聚焦了焦点,比如可靠性是关键,像其他电器设备一样稳定工作,住问题的概率足够低,另一个成本,如何实现商业操作,实现良性可持续发展,从材料、从系统、从结构角度降低成本。

现在技术已经趋于成熟,这个在十年前不可想象的,尤其最近这两三年技术突飞猛进,超过了我们业内每个人想象,进入加速期。现在能够支撑应用,并且已经形成完整的研发体系,能够支撑产业化发展能力和条件,已经没有不可逾越难关或者瓶颈。

从技术发展轨迹来讲,工作电流密度是综合表征也代表一个水平,比如十年前我们称之为第一代,密度50毫安左右,最多3060左右,五年前第二代达到100毫安/平方厘米左右,当前称为第三代达到150200毫安/平方厘米左右,可以预期在不远未来会达到更高,达到300毫安/平方厘米以上,这种发展速度对其他电池来说很难有的的状态。

储能成本演化分析,对于成本是我们技术工作者优先关注的一个点,这方面都是作为重要的一个工作内容进行系统性评价,每年或者一定时间对它重新评估、进行整理,这是我们最近计算结果。

现在锂电池一度电成本大概2000元左右,对于全钒液流电池如果达到200毫安,4小时接近2000元,进一步发展6小时都会低于2000元,成本下降还是非常明显,还是指日可待的。

这是国内某个企业进行相关分析,也可以看出短期内成本可以跟锂电池成本一致,比如在一两年内,六小时系统成本预计低于锂电池。产业链基本形成,或者说形成初步产业链经过最近几年发展,比如电堆与系统集成,北京普能、国网南瑞等,极板有危害南海、大连融科、辽宁科京,隔膜有江苏科学润、辽宁科京等。

建立初步的标准体系,包括国家标准、能源行业标准、电力标准、地方标准等等,还有国际标准。正在突破钒源问题,因为90%钒用在钢铁冶金上,那个是固有的“江湖”,没有进一步推动全钒液流电池向前发展的动力,因为那个“江湖”利润是封闭循环很好。

所以我们有一个原则或者策略,就是“再造江湖”解决增量问题,这方面有很多实际动作,比如北京普能上游延伸,在东南亚生产钒,已经达到千吨级,近期还能达到万吨级。国网南瑞推动融资租赁,上海电气向上游延伸,湖南银峰专注石煤钒源。

这个图是几天一个事件,意义除了解决钒源,利用阿克苏当地资源解决生产问题,地方上把能够做的储能都加上,不仅仅弃光一项,所有调峰、调频等等都加上,即便电池比较低的工作功率工作,也可以实现良性商业运行,这个意义非常重要的。

大规模、安全性是钒电池的优点,这里不得不提所谓竞争定位问题,我认为根本不存在竞争,因为储能需求多层次、多类型,不同大小,不同技术各有优劣式,比如锂电池成本已经做的很低,技术充分成熟,也可以做比较大的规模,相对全钒液流电池来讲,锂电池规模应该是较少一点,或者全钒液流电池应该做更大规模的。

鉴于安全重要性,我们在这里再补充提醒大家思考几个方面问题,因为我们正在把储能产业、事业向前进,不得不进行相应思考。比方我们经常听到一些火灾、事故等等,当然韩国火灾是比较典型,可能在管理上有问题,无论怎么说大约有1000座左右的储能电站,在不长时间之内就发生将近30起火灾事故,每座电站火灾概率是1.5%,这个太高了,应该是惊人的高,不允许的。

电动车最近这些年发展起来,就在几年前出问题概率应该是千分之一,传统燃油车是千万分之几,什么概念?天天跟汽车打交道,受到汽车伤害风险跟我们差多少?百分之零,做到绝对安全。我们储能需要安全、电力系统需要安全,具体做到什么程度?要什么方式、什么技术?值得我们关注。总的来说,大规模储能系统出问题概率应该比较低。

三、总结与展望

最后一个话题,钒电池是最成熟的液流电池,技术性能与成本已达到可规模发展的水平,基于全钒液流电池商业化开发条件,技术与商业化发展的潜力巨大。

谢谢!