锌铁液流电池在储能系统中的应用及展望

王少鹏,涂春雷,谢光辉,毛知新,宋晓波,万 鑫,卢 伟

(中国电建集团江西省电力建设有限公司,江西 南昌 330000)

目前,我国电力装机、电网规模,以及全社会用电量等均居世界首位。国家能源局2023年7月31日发布统计,截至2023年6月底,全国发电装机量达27.1亿kW,其中水电装机量达4.18亿kW,风电装机量达3.89亿kW,光伏发电装机量达4.7亿kW[1]。中国的能源结构调整进程不断推进,水电、风电、光伏等清洁再生能源增长很快,以风电、光伏为代表的可再生能源发展已成规模,技术装备也不断突破,各类新兴科技与应用模式也不断涌现。与此同时,电力供需局部过剩,弃风、弃光、弃水问题较为突出。风电、光伏等可再生能源规模化发展与电力系统消纳之间的矛盾日益凸显,各种可再生能源的规模化发展与新型电力系统的协调发展,已成为我国电力系统发展的重要课题,而大规模储能技术作为解决以上问题的有效方法之一,正逐渐受到越来越多的重视[2]。大规模储能技术作为稳定电能质量、提升新能源消纳的关键性技术,国家予以了高度重视[3]。

CNESA数据显示[4],截至2022年底,全世界已投运发电储能建设项目(含物理学储能、电化学储能或者熔融盐储热)的累计装机量约为237.2 GW,年增长率为15%,其中,我国建设项目的累计装机量已超过59.8 GW,年增长率为38%。

CNESA数据显示[4],中国已投运的新型储能项目累计装机规模首次突破10 GW大关,达到13.1 GW/27.1 GW·h,功率规模年增长率达128%,能量规模年增长率达141%。新型储能中,以锂离子电池为核心的电化学储能占主导地位,占比达98%。此外,压缩空气储能、液流电池、钠离子电池、飞轮等其他技术路线的项目,在规模上也有所突破,电化学储能已成为储能领域发展较为迅速的方向之一。2022年全球及我国投运电力储能项目的累计装机量分别如图1、图2所示。

图1 2022年全球投运电力储能项目的累计装机量[4]

图2 2022年中国投运电力储能项目的累计装机量[4]

1 锌铁液流电池储能技术

锌铁液流电池单电池由正极、负极和隔膜组成。如图3所示,正极发生二价铁与三价铁间的相互转化,负极发生锌的沉积和锌的溶解反应,通过隔膜实现内部离子之间的交换。锌铁液流电池通过泵将存储于电解液罐体中的储能物质循环至反应场所——电堆,进行化学能和电能之间的转化。电堆作为化学能和电能的转化场所,由若干单电池串联而成,电堆再经过串并联后形成储能系统。液流电池相比于传统电池最大的优势是能量单元独立于功率单元,也就是说可以根据项目要求,在已建好的项目中,对能量单元或功率单元进行独立扩容来实现系统规模的调整。该做法特别是在大型项目建设中有其无可比拟的优势。

表1中列出了各种储能技术的对比情况。在诸多技术里,液流电池以其安全性,系统功率容量可灵活配置,以及循环寿命长等优势受到较大关注[5-7]。

表1 各类储能技术比较

表2中列出了各种液流电池储能技术的优缺点及开路电压情况。从表中可以看出,锌铁液流电池作为液流电池的发展方向之一,有诸多优势。除此之外,锌铁液流电池相比于主流的全钒液流电池还具有如下优势。

表2 各种液流电池优缺点及开路电压汇总

1)体系方面,锌铁液流电池使用碱性体系,全钒液流电池为酸性体系。锌铁液流电池内密封及稳定性相比于全钒液流电池更利于产业化。

2)电极材料方面,锌铁液流电池使用多种材质作为电极,而全钒液流电池使用碳毡做电极、导电塑料做双极板。这样在功率密度方面锌铁液流电池体系可以比全钒液流电池体系具有更大优势,因此锌铁液流电池体系倍率性能要明显优于全钒液流电池体系。

3)电解液原料方面,钒占全球地壳含量的0.02%,而铁和锌在全球地壳中的含量分别为4.75%、0.5%。从数据可以看出,钒资源将会成为制约全钒液流电池大规模发展的一大瓶颈,近年的钒矿价格也同样印证了以上结论。

4)电解液成本方面,由于钒矿资源的限制,后期锌铁液流电池成本明显优于全钒液流电池。

5)安全角度方面,锌铁液流电池使用的锌和铁元素均为人体所需微量元素,而钒在高价态时对人体呼吸系统、神经系统、胃肠和皮肤有一定影响[9]。

综上所述,锌铁液流电池体系相比于其他电池体系,有容量配比灵活、安全性能好、系统倍率性能高等优势,相比于全钒液流电池同样具有以上优势。相关锌铁液流电池体系的研究工作已引起了诸多研究机构的广泛关注[10-11]。

2 锌铁液流电池在储能系统中的应用

普遍认为,储能可应用于电力系统的各个方面,如网侧、发电侧、用户侧等。锌铁液流电池作为储能系统的重要装备之一,其以安全、环保、倍率性能好等优势应用于储能系统,将发挥更大的作用。

2.1 锌铁液流电池应用于网侧

在输电网内接入储能装置,可增加输电网的传输能力;在配电网中接入储能系统,能够进一步提高配电网的安全性和经济效益。

用作输电网建设更新的备选措施(延缓国家电网的更新与增容),需增加重要输电管道、区段的输入能力或进一步提高国家电网运营的安全管理水平。在国家电网中,负载的增加和电力的连接(尤其是大体积新型能源发电设备的连接)都必须增加输变电设施,以改善电网的输电能力。但是,在用地、环保等因素的影响下,随着输电线路越来越紧张,对输变电装置的投入越来越高,建设周期也变长,该现状现已无法适应可再生能源发电迅速增加和负载逐渐扩大的需要。因此,大规模储能装置可以成为有效的工具,并被配置到输电网中,以增强供电系统的输出功能,从而减少对输变电装置的投入。

储能技术在配电网中的应用越来越广泛,与在输电网中的实际使用情况相似,储能技术在配电网中的应用能够降低或延缓对配电网的升级投资。布置于配电网中的储能设备在有关政策和技术法规许可的情况下,还有助于向主电网提供调频、备用和补充业务。此外,储能技术的广泛使用还有助于改善配电网运营的安全性、经济性、可靠性及提升分布式供电技术的消纳水平。

关于锌铁液流电池应用于网侧的示范项目,目前已有百兆瓦级的设计规划,还需等待实际项目落地,从而实现锌铁液流电池的大规模示范应用。

2.2 锌铁液流电池应用于发电侧

在发电侧,储能技术可一定程度上解决弃风、弃光问题,同时还可跟踪计划出力,平滑输出。

解决弃风、弃光。由于风能发电和光伏发电的功率波动性很大,尤其在中国某些较为偏远的地方,电网中往往会发生无法将风能和光伏发电完全消纳的状况。使用储能技术,可减少或防止弃风、弃光问题的出现。在可再生能源发电侧配置储能系统,当可再生能源出力能力不足或输电线路堵塞时,储能系统可以释放或者存储能量,从而缓解可再生能源出力不足或者输电线路堵塞等问题。

跟踪计划出力,平滑输出。大型的可再生能源项目纳入供电系统管理后,输送能力存在随机性、波动性,导致供电系统的稳定性受到干扰,所以需要对其发电能力进行预估,以便供电企业合理安排发电时间、减轻供电系统调峰的负担、减少供电系统储备、增加供电系统对可再生能源的消纳。同时,在集中式可再生能源发电场所配备大规模的储能设备,并对其输出能力进行检测,对储能容量进行调整,完成对储能设备和其出力情况的监控,平滑调节其输送能力,从而达到并网要求,进一步增强可再生能源发电的友好性。

锌铁液流电池已应用于江西“储能+”智慧能源示范项目。该项目包括1个200 kW/600 kW·h锌铁液流储能电池系统,该系统采用的是集装箱分体式设计,分为上下两层集装箱。下层集装箱为能量系统,设置两组阴极和阳极电解液存储罐,用于存放阴极和阳极电解液。上层集装箱为功率系统,设置堆栈系统、电气控制系统、流量控制系统等。该系统的接入,可解决部分弃风、弃光问题,同时可跟踪电力系统计划出力,平衡电力输出波动,从而增强可再生能源发电的友好性。

2.3 锌铁液流电池应用于用户侧

在应用上,储能技术可广泛应用在改善电能效率与安全性、实现分布式资源就地消纳等方面。

一是提高系统的电能效率和安全性。由于供电系统的电能网络较复杂,因此系统所获取的电能质量(电压、电流和频率等)存在着一定的波动性。较为简洁而有效的设备侧的储能设备组合形式,可为用户提供最优质的电力。当供电系统出现负载暂降等异常时,该设备组合可提高电力效率,缓解其问题;当电源网络出现问题时,该设备组合可保证重要供电设备不间断供电,进而改善供电系统的安全性与电力效率。

二是实现分布式再生能源就地消纳。针对企业客户,在配置了可再生能源开发设施的工厂及项目中建设储能系统,能够平抑可再生能源开发出现的震荡性,改善能源品质,并实现峰谷电价差套利。针对使用光伏发电的用户,应充分考虑到光伏电网需要在白天运行,而居民用电通常在夜间负荷较大的现状,选择家用储能,以更为有效地使用光伏发电,甚至做到电力自给。而且,当配电网发生故障后,家用储能也得以持续运行,从而减少电网的停电损失,并增加电源稳定性。

锌铁液流电池已应用于江苏用户侧示范项目,项目包括1套200 kW/600 kW·h集装箱式锌铁液流储能电池系统,该系统同样采用的是分体式设计,分为上下两层。下层集装箱为能量系统,上层集装箱为功率系统,设置堆栈系统、电气控制系统、流量控制系统等。堆栈系统是电池发生电化学反应的场所。电气控制系统包括高压配电箱、系统控制箱、堆栈控制箱、储能系统接地故障箱,以及各类传感器等。电气控制系统为辅助供电系统正常运行进行供电,并对电池运行情况进行检测和控制。流量控制系统包括液下泵、过滤器、管道等,为堆栈系统提供稳定、均衡的电解液。该储能系统的接入提高了用户侧系统的用电效率和安全性,同时可实现分布式可再生能源的就地消纳。

3 锌铁液流电池在储能系统中应用的展望

锌铁液流电池应用于储能系统的优势明显,主要表现为以下3点。

1)锌铁液流电池成本下降空间大。由于液流电池所用材料成本极低,且安全无污染,所以大规模应用会有很好的商业化前景。

2)锌铁液流电池倍率性能好。如前所述,可筛选锌铁液流电池电极材料,优选具备较高导电性、较强导热性及较好耐腐蚀性的材料,从而使系统可以在较高电流密度下长期运行。该液流电池可以很好地用于多种储能应用领域,如电网调峰、负荷追踪等。

3)锌铁液流电池易于检修维护。该液流电池使用的电极材料有多种选择,使得后期运维过程变得较为容易,给大规模运行带来了可能。

4 结语

锌铁液流电池作为能够大规模应用的储能电池,以其低廉的价格、优异的系统性能及材料来源广泛等优势,有望大规模商业化,其将会受到越来越多的关注。相信在不久的将来,锌铁液流电池一定可以大规模应用于储能的各个领域,大大提高能源的使用效率。