當前，新能源發(fā)電、微電網、互動式設備等大量接入電網，給電網安全穩(wěn)定運行帶來了巨大挑戰(zhàn)。應用大規(guī)模電化學儲能提升清潔能源消納和存儲能力，成為電網建設中不可或缺的一環(huán)。
我國是釩資源大國，釩儲量居世界第三位。近年來，被稱作是“現代工業(yè)味精”的小眾金屬——釩，逐漸在各行業(yè)中嶄露頭角。作為電化學電池家族中的重要一員，全釩液流電池被認為具有安全性高、壽命周期內經濟性好、廢棄后環(huán)境友好等優(yōu)點，運行過程中不降解、不損耗，在構建新型電力系統進程中將發(fā)揮重要作用。南瑞集團有限公司經過十年深耕，目前已全面掌握釩電池改性選型技術，建設完成兆瓦級釩電池電堆生產線，具備兆瓦級儲能電站設計和建設能力，技術水平居國內前列。
電化學儲能裝備的安全性至關重要
當前，我國加緊推進碳達峰、碳中和。今年3月，中央財經委員會第九次會議提出構建以新能源為主體的新型電力系統，電網企業(yè)重任在肩。
傳統電力系統向以新能源為主體的新型電力系統轉型時，電力系統電源端將發(fā)生重大轉變，電源不可控性更高。這就要求電網同步提升靈活調節(jié)能力和智能化控制水平。目前，電化學儲能是應對這一轉變的最直接、效果最好的支撐技術和基礎裝備之一，主要包含鉛酸電池、鋰離子電池、釩電池等產品類型。
據南瑞集團武漢南瑞有限責任公司（簡稱“武漢南瑞”）儲能研發(fā)負責人張杰介紹，相比其他電池類型，全釩液流電池采用以釩為主體的水系溶液作為電解質，運行或放置狀態(tài)性能穩(wěn)定，無燃燒、爆炸隱患，電池本征安全，在大規(guī)模儲能領域具有一定優(yōu)勢。
全釩液流電池還具有良好的低溫性能?！?019年1月，我們在蒙東科右中旗進行了100千瓦2小時移動式全釩液流電池儲能示范。當時臨近春節(jié)，戶外有零下20攝氏度，環(huán)境條件惡劣，而我們的設備正常運轉，解決了當地農網末端低電壓和供電容量不足問題，為當地居民春節(jié)用電提供了保障?！睆埥茏院赖卣f。
據了解，2010年，武漢南瑞立足于新能源飛速發(fā)展預期和未來電力系統及電網建設需求，將電化學儲能列為戰(zhàn)略新興產業(yè)，展開全釩液流電池儲能技術研究。經過十年深耕，武漢南瑞已全面掌握釩電池改性選型技術，具備釩電池本體設計、材料研制、系統集成能力，成功研發(fā)高功率釩電池電堆和250千瓦/500千瓦時儲能系統，申請發(fā)明、實用新型專利共70項，授權40余項。
“得益于新能源汽車發(fā)展對鋰電池市場的拉動以及鋰電池本身成本的顯著下降，現階段鋰電池儲能是主流的電化學儲能技術，這一點是市場已經接受的。”武漢南瑞儲能團隊負責人張愛芳說。同時她也表示，全釩液流電池在安全性能、持續(xù)時間和使用壽命方面具有關鍵的優(yōu)勢，結合具體場景時容量型儲能必將有一定價值預期，例如新能源發(fā)電遭遇氣候因素導致電力持續(xù)性輸出缺口或電網有調節(jié)、備用需求時，可視作長時儲能解決方案。
長時儲能優(yōu)勢有利于電網靈活調節(jié)
據相關報道，2020年12月，美國加州消防局部署了一套全釩液流電池儲能系統，用于提供緊急服務和保障當地社區(qū)電力供應。該項目是由美國加州能源委員資助，用以刺激長效非鋰儲能計劃的一部分。項目執(zhí)行后，全釩液流電池與可再生能源將在加州配套使用，以展示液流電池的卓越性能，包括削峰平谷、降低需量電費并提供備用電源。
隨著可再生能源逐步占據發(fā)電電源主體地位，穩(wěn)定電力系統發(fā)電端和受電端電力平衡，需要建立高可靠、強彈性的保障機制。充電和放電時間在4小時以上的長時儲能是一個優(yōu)選項，能為國家或區(qū)域電力網絡所需的靈活性提供有效解決方案，對新型電力系統建設起到重要“潤滑”作用。
全釩液流電池儲能十分適用于長時儲能，因為它具有兩項重要潛質：一是全釩液流電池儲能系統功率和存儲電量可獨立設計，且存儲電量的載體全釩液流電池電解液具有理論無限循環(huán)的優(yōu)勢，即全釩液流電池儲能系統電量擴增的邊際成本低，可避免產生額外設備成本；二是電池電堆日歷壽命可達20年以上，循環(huán)壽命13000次以上，電解液近乎零損耗且能無限沿用的技術特征，形成了全釩液流電池壽命周期內的成本優(yōu)勢。
“但全釩液流電池儲能要得到大規(guī)模推廣應用，獲得市場認可，沒有那么簡單。”張愛芳坦言，在受新能源汽車等儲能快速消費品市場價值傳導影響、儲能價值定位仍不清晰的當前，資本和短期利益的角逐對全釩液流儲能技術形成強力壓制?！叭绾瓮黄瞥杀鞠拗?，減小一次投資壓力，是全釩液流電池面臨的最主要問題。”她強調。
亟待突破電堆成本、創(chuàng)新商業(yè)模式
全釩液流電池儲能系統由電堆、電解液、管路系統、儲能變流器等組成，其中電堆和電解液成本占系統總成本的85%左右。降低兩者成本是業(yè)內共識。
解決電堆成本問題，關鍵是提高電池的功率密度，其次是提升關鍵材料的有效使用面積，降低材料成本。南瑞集團在2019年已將全釩液流電池單堆電流密度提高到140毫安/平方厘米，預計今年有望達到160毫安/平方厘米；研制出新一代一體化高功率電堆，依托高溫熱熔和激光焊接技術，將電堆一體化成型，達到降低接觸電阻、提高密封性能、提升電堆組裝自動化裝配效率的目的。同時，通過改進隔膜密封方式，降低隔膜使用面積和密封件數量，電堆的總成本降低了30%。這一成果為推動全釩液流電池的大規(guī)模產業(yè)化應用奠定了基礎。
另一方面，利用釩電解液不消耗、殘值高、可循環(huán)利用的特點，通過電解液租賃方式，實現對電解液成本的管理，是行業(yè)內較推崇的一種方式。張愛芳介紹，區(qū)別于鋰電池租賃，這種方式能減小租賃物損耗費用在租金中的占比，并使出租方利潤成為影響租金費用的決定因素。若進一步，電解液的獨特屬性被視作資源性保值產品，部分金融國企以購買基金或參股形式投資上游釩企業(yè)，平穩(wěn)租金，既能減少釩資源流失，提高釩金屬保有率，也有利于全釩液流電池儲能產業(yè)的高質量發(fā)展。
隨著全釩液流電池技術迭代升級，商業(yè)投融模式不斷創(chuàng)新，行業(yè)對全釩液流電池儲能的定位將更加清晰，對其效能的認識也得到提高。湖北省提出研制完善百千瓦級釩電池電堆和成套電池裝備，形成100兆瓦園區(qū)和電網級儲能成套裝備制造與電站設計、建造和運維能力，支持全釩液流電池儲能裝備產業(yè)化發(fā)展和應用示范；甘肅、四川等省份也將釩電池產業(yè)列入重點規(guī)劃；遼寧、江蘇、湖北等多地已在籌劃百兆瓦級別的全釩液流電池儲能項目。
國家能源集團北京低碳清潔能源研究院儲能技術負責人劉慶華表示：“‘十四五’時期，我國全釩液流電池將迎來非常好的大規(guī)模推廣時機。隨著各地全釩液流電池儲能示范項目落地并獲得技術驗證，未來5年內預計將是全釩液流電池從成熟走向推廣的重要窗口期。”
以產業(yè)化為重點保障電網安全可靠運行
5月25日，國家發(fā)改委正式對外公布了《關于“十四五”時期深化價格機制改革行動方案的通知》（下稱《行動方案》）?！缎袆臃桨浮诽岢?，持續(xù)深化電價改革，完善風電、光伏發(fā)電、抽水蓄能價格形成機制，建立新型儲能價格機制。屆時，儲能成本將得到疏導。
“我們預測儲能會成為提升電力系統靈活性的可調資源。十年前我們就著手布局儲能研發(fā)，并將其作為武漢南瑞的新興產業(yè)?！蔽錆h南瑞總經理、黨委書記蔡煒如是說，“近年來，從國家電網經營區(qū)應用情況來看，電化學儲能在新能源并網消納、電網運行控制等方面的作用越發(fā)顯著。”基于全釩液流電池儲能高安全、適宜長時儲能、回收和環(huán)保極具優(yōu)勢的技術特點，他對全釩液流電池的前景充滿信心。電力系統中核心的電力資產大多具有20年及以上的壽命，全釩液流電池儲能高度契合并具備替代電網部分資產投資作用，保障電網安全穩(wěn)定運行，在未來有望作為電網資產設備列入電網規(guī)劃之中。
在儲能安全性日益受到重視、大規(guī)模長周期儲能項目需求持續(xù)增長、回收和環(huán)保閉環(huán)低碳發(fā)展的要求下，武漢南瑞將堅定信心，繼續(xù)深耕全釩液流電池儲能技術，以全釩液流電池產業(yè)化作為重點任務，力爭將全釩液流電池儲能打造為技術招牌，為構建新型電力系統，實現碳達峰、碳中和目標增添助力。（武漢南瑞供圖）
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