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杨裕生院士、马志啟教授论:大力发展铬-铁液流电池
  • 要大力发展高安全、长时间储能的铬-铁液流电池中国制定了“碳达峰、碳中和”目标,新能源革命大幕开启,发展走上了快车道。储能技术是新能源发电并网和智能电网建设的瓶颈,需要加快开发多种储能技术。
  • 杨裕生,中国工程院院士,分析化学专家,近20多年主要从事高能密度二次电池、超级电容器等研究开发。
      
      马志啟,华北电力大学(保定)电力工程系教授。研究方向为化学反应工程、电化学电池。
      
      编者引言:
      
      2022年2月,《“十四五”新型储能发展实施方案》,将深入落实“推动能源消费革命,抑制不合理能源消费;推动能源供给革命,建立多元供应体系;推动能源技术革命,带动产业升级;推动能源体制革命,打通能源发展快车道”和“全方位加强国际合作,实现开放条件下能源安全“的“四个革命,一个合作”的战略部署,推向了新的高潮。
      
      作为实现双碳目标的必由之路以及推广大规模光电和风电应用的必经之路,储能是全球能源革新的关键赛道。
      
      大规模、高效率、低成本、长寿命是未来液流储能电池技术的发展方向和目标。本刊特别推荐杨裕生院士和马志啟教授的《要大力发展高安全、长时间储能的铬-铁液流电池》文章,分享专家对储能电池技术发展的认知,推动储能电池在数据中心领域的应用。
      
      杨裕生院士和马志啟教授:
      
      要大力发展高安全、长时间储能的铬-铁液流电池中国制定了“碳达峰、碳中和”目标,新能源革命大幕开启,发展走上了快车道。储能技术是新能源发电并网和智能电网建设的瓶颈,需要加快开发多种储能技术。中国已出台一系列政策推动储能技术发展,展示了大力发展先进储能技术的决心。
      
      1.大规模储能技术需考虑因素
      
      (1)必须安全第一
      
      锂离子电池近年来在国内外已建成的大规模储能电站,着火爆炸事故不断(包括磷酸铁锂电池),据不完全统计,2011-2021年达34起以上,造成巨大损失。
      
      此电池电解液使用易燃易爆的有机溶剂,决定了其非本征安全的特性。
      
      发展改革委和能源局发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》,提出了“规范管理、保障安全”的原则,但仍将存在安全隐患的锂离子电池技术描述为“成熟”的技术。
      
      科技部发布的“十四五”《“储能与智能电网技术”重点专项2021年度项目申报指南》,把锂离子电池作为储能的绝对重点技术,这与北京“4•16爆炸事件”后锂离子电池储能电站的全部叫停形成令人尴尬的对比。
      
      现在中国市场上锂离子电池安全性与此地位远不相称,究其原因,主要是未建立“安全第一”的观念,片面地看重比能量等次要指标。
      
      在锂离子电池安全技术问题解决之前,不应继续支持其大规模储能应用。
      
      (2)与可再生能源和电网配合必须长时间储能
      
      可再生能源如光伏、风电等具有波动性和间歇性,利用储能系统可以平滑输出、跟踪出力等使得可再生能源发电符合并网要求。
      
      诸多研究结果表明,新能源发电工程储能系统容量配置时长应在4h以上。
      
      中国的风、光资源与集中用电区域相距遥远,电网既要能够应对电源侧的波动和长途超高压输送,又要能够调节下游负荷的增减,采用长时间储能进行削峰填谷是必然趋势。
      
      尤其是在风、光发电成为电网主源后,如果天气连续几天阴雨或静风,更长时间的储能技术将更凸显其重要性。
      
      2.铬-铁液流电池是适合大规模储能的技术
      
      相对于电解液固定的电池,水系液流电池的主要优点是功率与容量可以分别独立设计、充放电循环寿命长、安全性好、易规模放大。
      
      20世纪70年代,美国国家航空航天局(NASA)提出铬-铁液流电池技术,80年代日本新能源与工业技术发展机构(NEDO)研发成功了10kW的储能系统,为该储能技术打下基础。
      
      20世纪90年代前后,国内开展跟随研究,但负极析氢与电解质互混关键问题未得到解决。
      
      2014年,美国硅谷公司进一步研发建成了全球第一座250kW/1MWh储能电站。
      
      10多年来国内重点研发全钒液流电池,取得可喜进步。2011年,马志啟等重启了对
      
      铬-铁液流电池储能技术的研发,研制出以2x30kW电池堆为核心的储能系统。
      
      后来国家电投集团建设完成一座250kW/1.5MWh储能示范电站,成熟度已与其他主流电化学电池储能技术相当,开启了该技术商业应用的新征程。
      
      该技术相对于全钒液流电池具有电化学环境腐蚀性弱、毒性小、工作温度宽、电解液稳定、效率高、成本低等优势。
      
      3.发展铬-铁液流电池的建议
      
      首先,储能各主管部门要建立起强烈的储能“安全第一”的观念。其次,要切实调研比较,充分认识铬-铁液流电池的本征安全、资源丰富、廉价等优势,将该技术列为“十四五”重要科技研发方向,进一步提高电堆的比功率和系统的比能量,让该技术为中国新能源迅速发展和“双碳目标”的早日实现贡献更大力量。
      
      全文发表于《科技导报》2022年第2期。
      
      编者谈谈对液流电池的认知
      
      “十三五”以来,我国电化学储能、压缩空气储能等技术创新取得长足进步。2021年底新型储能累计装机超过400万千瓦。随着技术的不断进步,新型储能产业将随之进一步发展。
      
      1.专家推荐铬-铁液流电池值得重视
      
      杨裕生院士和马志啟教授从技术比较角度出发,提出了应大力发展高安全、长时间储能的铬-铁液流电池的观点,在百花齐放的储能新技术路径中,将人们对储能技术的关注,引到了铬-铁液流电池。
      
      2.已知液流电池的种类
      
      专家推荐的铬-铁液流电池是液体电池的一个品类。液体电池的主要类别有:全钒液流电池;锂离子液流电池;锌溴液流电池;锌铈液流电池;锌镍液流电池;多硫化钠/溴液流电池;铅液流电池;铬-铁液流电池等。
      
      3.液流电池的工作原理
      
      液流电池是一种正、负极活性物质均为液体的电化学电池,其液态活性物质既为电极活性材料,又为电解质溶液,被分别储存在两个独立的储液罐中,通过外接管路与流体泵使电解质溶液流入电池堆内进行反应。
      
      在机械动力作用下,两种不同液态活性物质,分别在不同的储液罐与电池堆的闭合回路中循环流动,电池堆中间采用离子交换膜作为电池组的隔膜,电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应。系统通过双极板收集和传导电流,从而使得溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使液流电池顺利完成充电、放电和再充电。每组电池电压由能斯特方程确定,电压范围一般为1.0至2.43伏。
      
      4.液流电池的用途
      
      液流电池通常在相对较大功率(1kWh-10MWh)的固定场所的应用,比如大型或超大型数据中心或者边远地区的通信基站。
      
      (1)负载平衡——电池
      
      连接到电网,以便在非高峰时段储存电网多余的电力,并在高峰需求时段释放电力。这就是调峰,当电网用电负荷达到一定高峰时,电池通过系统转换,向电网供电,以补充电网供电能力的不足。当电网用电负荷下降时,电网通过系统转换,向电池供电,将多余的电网电能储存到电池中。
      
      这套系统特别适合风能发电或太阳能等可再生能源的储能。
      
      (2)能量转换——因为电池
      
      共享相同的电解质。因此,电解质可以给一定数量的电池充电并以不同数量放电。由于电池的电压与所用电池的数量成正比,因此电池可以充当非常强大的DC/DC转换器。此外,如果电池的数量不断变化(在输入和/或输出侧),功率转换也可以是AC/DC、AC/AC或DC-AC,其频率受开关装置的限制。
      
      (3)电动汽车——由于液流电池可以通过更换电解质快速“充电”,因此它们可用于车辆需要像内燃机汽车一样快速吸收能量的应用。在新能源汽车应用中,大多数氧化还原液体电池的常见问题是能量密度低,行驶里程短。但高溶解性卤酸盐的液流电池似乎是例外。
      
      (4)独立电源系统——应用在没有电网电源可用的移动通信基站中。液流电池的可与太阳能
    或风能电源一起使用以补偿其波动的功率水平,并与发电机一起使用以最有效地利用它来节省燃料。有消息报道,液流电池在整个加勒比地区的太阳能微电网得到了普遍的应用。
      
      编辑:Harris
      
      

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