淺談液流儲能電池的評價標準①

鮑文杰

(緯景儲能科技有限公司，上海 201103)

1 引言

2021-10-24，國務院正式印發《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，其中明確了需要實現的“雙碳”目標，包括構建低碳綠色發展經濟體系、提高能源利用、降低不可再生能源的依賴，減少碳排放量，優化生態系統等5個主要方面。在“雙碳”政策下，光伏、風能等可再生新能源逐漸成為未來綠色能源的主力軍，但光伏、風能比較明顯的缺點是不穩定性、直接并網難度大，棄風棄光比較嚴重。儲能技術則可以很好彌補太陽能、風能的短板，保障其電力的穩定，降低棄光棄風量。因此，“新能源+儲能”模式將成為主流趨勢，儲能電池也將成為實現碳達峰、碳中和目標的重要環節之一[2]。

在眾多儲能電池中，液流電池因其可實現無地域限制的大規模建設，壽命長、無污染、不易燃易爆、清潔環保、設計靈活等優勢，其關注度越來越高。液流電池概念最早在1974年，被THALLER提出[3]，單個液流電池系統主要由電堆、電解液、管路系統及動力泵、控制系統四部分組成。

如圖1所示，充電儲能時，正極發生氧化反應，活性物質價態升高，負極發生還原反應，活性物質價態降低，電解液將電能轉化成化學能儲存起來；放電釋能時，正極活性物質價態降低，負極活性物質價態升高，液流電池將它所儲存在電解液中的化學能轉化成電能釋放出來。

圖1 液流電池充放電原理示意Fig.1 Schematic diagram of charging and discharging principle of liquid flow battery.

液流電池種類繁多，有全釩液流電池、鋅溴液流電池、鋅鐵液流電池、鋅錳液流電池、鐵鉻液流電池、多硫化鈉-溴液流電池等，每一種液流電池都有其各自的特點，雖然全釩液流電池儲能技術是目前最為成熟的，但在這個儲能市場百家爭鳴的時代，仍無一個科學合理的液流電池評價標準體系，導致用戶端無法進行有效的對比，選擇一款對自己性價比最高的液流電池。

針對我國目前儲能市場的需求、國家對儲能的政策、液流電池的特點等多方面進行綜合總結分析，擬從工程化角度對液流電池評價標準體系進行探討。

2 儲能電池的評價研究現狀

目前，還沒有任何一種液流電池能夠達到國家電網要求的并網全部條件。液流電池也是根據自身的工作原理和技術上的優缺點不同，而應用在不同需求和環境的場所。2020年1月，由國家能源局、國家市場監督管理總局等聯合制定的《關于加強儲能標準化工作的實施方案》中提出了要加強儲能標準化建設工作，促進儲能產業更好的發展的同時也要標準先行。同年2月，由大連化物所和大連融科儲能技術發展有限公司聯合牽頭起草制定的“固定式液流電池2-1：性能通用條件及測試方法”也正式頒布，對液流電池標準化發展起到了重要推進作用[4]。但就目前行業情況而言，液流電池的評價標準仍然無法統一，因此很有必要根據實際需求對液流電池提出一種具有普遍性的評價標準。

Ibrahim等人[5]根據2008年時期已經存在的儲能技術狀況從技術指標(主要包括電池功率、能量效率、結構體積等)和經濟成本兩個角度進行了研究分析，提出了儲能系統評價標準的雛形。俞恩科等人[6]通過對多種儲能技術進行了分類及應用的分析比較，認為在偏遠不能充分利用可再生能源的地區，可以選擇成熟的儲能技術；在可再生能源可以得到充分利用的地區則可以選擇比較先進的儲能技術。劉世念等人[7]通過收集多種化學儲能技術的關鍵指標及應用數據，引入DEA(數據包絡)分析法，通過計算得出量化數據，更直觀對多種化學儲能技術的性能和效果進行了比較。蘇小林等人[8]對儲能的應用時間與多維度性能指標進行了分析比較，提出儲能應在產品、經濟性、控制及兼容現有技術等方面作為主要研究方向。閆俊辰等人[9]通過引用ESOI(全生命周期能源投入存儲回報)作為“能量”成本的技術指標，研究了多種儲能技術的ESOI，計算方法簡單，可以直觀表現出不同儲能技術的發展潛力值。繆平等人[10]通過將儲能技術的安全性、成本、技術性能和環境友好性幾個方面作為研究指標進行了技術分析，認為同時滿足這幾個指標的儲能電池技術還需要更多的研究工作，并且在相當長的一段時間內，多種技術路線并存仍是儲能市場的主流。張明霞等人[11]針對當前儲能技術的狀況和市場需求進行研究分析，認為當前階段應根據實際條件和示范項目具體需求優先選擇儲能技術比較成熟的電池，未來則取會選擇使用壽命長的儲能電池。Makarovd等[12]、方彤等[13]也都在技術方面、經濟方面和環境方面等對儲能電池進行了評價討論。

3 液流電池的評價標準探究

液流電池種類繁多，每一種液流電池的技術特點各有不同，但從目前國家政策和儲能市場以及主要技術等方面進行探討，大致可以將液流儲能電池的安全環保性、經濟性成本和技術性能作為液流電池的評價標準指標。

3.1 安全環保性

儲能的安全性主要指在產品的全生命周期內，系統在正常或者偶然發生事件的情況下仍可以良好運轉，不會對人身安全產生危害[14]。安全性是液流電池甚至儲能系統的首要評價因素，因為其涉及到用戶使用時的生命、人身等方面的安全，產品是用來服務于用戶而不是對用戶有潛在危險的。導致儲能產品發生安全事故的因素有很多，如熱失控、漏電、漏液、漏壓、過電、電控、機械等。近幾年，全球儲能事故發生比較頻繁，從2017年8月至今韓國已經有29起儲能電站發生火災事故；2019年美國利亞桑那州的儲能系統發生了爆炸事故造成多名消防員不同程度受傷；我國2021年4月份在北京市豐臺區大紅門集美家居市場的儲能電站發生火災爆炸事故，而這次安全事故的發生直接導致1名消防員受傷，2名消防員犧牲[15]。通過多起儲能事故的發生地點可以發現多數為用戶側，因此，從儲能系統整體安全性上來看，液流儲能電池的安全性必須作為液流電池評價標準體系的第一標準，不僅要制定合理的安全標準規范體系，也要加強行業內的儲能產品自身安全把控，同時應采取有針對性的安全處理防護措施作為電池安全事故的最后保障。楊凱[16]針對儲能的安全問題研制了一款具有智能判定、啟動功能的滅火裝置，并經過大量實驗驗證了該裝置的有效性，對保障儲能系統的安全具有重大意義。

儲能的環保性主要是指儲能系統在全生命周期內對社會環境帶來較小的負面影響。對于液流儲能電池來說，要求其在大規模建設儲能項目的時候和系統投入到使用過程中不會對周圍環境產生不當破壞，液流電池產品在壽命結束或者維護替換下來的時候，其使用的材料盡可能的可以繼續回收利用或者通過二次加工可再次投入使用；液流電池作為電化學儲能技術之一，主要靠電解液中活性化學物質進行儲能，涉及到多種元素，在環保方面，則要求其使用的電解液活性物質盡量為生活中常見、地殼中含量高的、容易提煉出來并且不會對環境和人產生危害的可回收利用元素物質。

3.2 經濟性成本

液流電池儲能的經濟性成本影響因素較多，而且缺乏系統的技術經濟性研究，現階段更多的儲能項目都屬于示范性的，并不具備一定的經濟性研究價值，所以對于其不同服務領域的經濟性成本評價標準也不一樣[17-19]。JIM等人[20]通過計算各種儲能技術的總投資，針對不同儲能項目應用場景使用全生命周期方法研究分析了儲能技術的經濟可行性。該研究方法雖然可以通過對不同儲能技術在不同情景下進行經濟性比較，但仍不能有效的對某一個儲能項目進行經濟性比較且該研究脫離了電力系統對其的影響，具有局限性。美國電力研究協會、加州公共事業委員會、E3咨詢公司、加州能源委員會等通過合作的方式研發出了一套針對儲能技術的經濟性評價軟件ESVT(energy storage valuation tool)，該軟件可以輸入儲能技術的相關數據，通過分析該儲能技術在能源、容量、輸電、配電和市場等條件下的凈現值，對比不同儲能技術，從宏觀上對其儲能技術的經濟性進行判斷和描述[21-22]。楊裕生院士等人[23-25]在工程技術經濟學原則上將經濟效果作為評價指標，提出了YCC指數方法，通過計算出的YCC指數來判斷電化學儲能電池系統是否具有經濟可行性，該方法具有一定的指導性價值。劉堅等人[26]通過對幾種典型儲能案例的經濟成本進行了研究分析，得出儲能技術作為靈活性電力系統資源，其經濟性主要體現在用戶側削峰填谷、配電側的調頻服務等領域。薛金花等人[27]通過敏感性分析，建立全生命周期成本模型計算儲能技術的各類經濟性成本，提出了可以有效降低用戶側儲能成本的方法，并根據用戶側儲能電池的經濟來源詳細計算了不同電價政策下的儲能技術經濟可行性，認為在儲能項目的成本占比中，安裝成本大于更換成本和用電成本，后期維護成本最低，并且可以通過提升電解液循環效率和降低放電時長來有效降低用戶側的儲能電池成本。邢潔等人[28]通過研究應用在用戶側的儲能系統不同模式，定量計算不同儲能系統安裝地點的可靠性指標影響值，并通過案例計算，比較分析多種儲能方案可以在用戶側節省的費用，最終得出技術經濟可行性的儲能系統在用戶側的實施方案。薛金花等人[29]以儲能技術應用的經濟可行性為研究指標，根據實際儲能示范項目案例建立全壽命周期成本-效益現值法進行綜合效益模型分析，最后對用戶側的儲能市場模型進行了盈虧平衡點預測。

3.3 技術性能

液流電池儲能的技術性能參數主要有庫倫效率、電壓效率、能量效率、響應速度、充放電時長、電解液利用率、循環壽命以及功率密度等[30]。目前用于評價液流電池技術性能指標比較多的有能量效率、功率密度。能量效率是指電池在單個循環充放電過程中釋放的電能與充進的電能之比[31]。目前液流電池主要應用于偏遠地區的大規模儲能項目，為了更好比較，通常選用能量效率作為液流電池儲能系統的評價指標。王保國等人[32]通過總結大量典型的大規模釩液流電池中的電堆性能參數發現，電堆的功率雖然不斷提升，但其能量效率仍然保持在80%以上。大連融科儲能裝備有限公司主要進行全釩液流電池的研發設計、生產制造、安裝，其通過和大連化物所共同研發的22 kW單堆功率的5 MW/10 MWh液流電池系統已并網運行，單堆的能量效率達80%；其與大連熱電集團合作建設的200 MW/800 MWh的儲能電站國家示范項目，單堆功率為32 kW，能量效率達82%。美國ZBB公司建設的2 MWh鋅溴液流電池應急儲能電站示范項目，額定電壓為540 V，能量效率約82%[33]。在液流電池研究發展過程中，對于電堆各零部件的材料性能研究主要以庫倫效率、電壓效率、能量效率作為評價指標。Mazur等人[34]以庫倫效率作為衡量標準，對不同厚度的不同氈進行了耐久性測試，對比分析了1 000個充放電循環數據后發現使用全氟磺酸膜的單電池庫倫效率下降幅度要比PAN基石墨氈的小很多，得出人造絲基氈電化學穩定性更好。Wei等人[35]研制了3D納米結構的空心Ti3C2Tx球修飾過的石墨碳氈電極并進行了測試驗證，發現該電極可以大幅度提高電解液的利用率和電池能量效率。Ling等人[36]使用溶膠-凝膠法將磺酸硅加入到相轉移法制備的PVDF離子膜的基質中，制備了一種具有更好的釩離子選擇性復合離子膜，并通過在全釩液流單電池60 mA/cm2中測試得出其庫倫效率和能量效率達90.3%、75.6%。Zeng等人[37]研制了一種用于全釩液流電池的含有磺化聚醚醚酮和改性碳碳質泥巖復合膜，并經過強酸處理，通過在高電流密度下的單電池測試發現庫倫效率高達99%以上并且電解液容量損失只有0.15%。隨著液流電池的不斷發展，很多液流電池研究者開始使用燃料電池的部分評價標準，將高功率密度作為液流電池的發展標準。Houser等人[38]將放電容量和功率密度作為衡量液流電池性能標準，對釩液流電池的電堆結構和零部件材料性能進行了研究。Aaron等人[39]使用雙尺度多孔碳紙作為液流電池的電極將電池的電流密度提升到200 mw/cm2進行充放電，發現其能量效率仍能保持在82%左右。Zheng等人[40]通過大量研究得出評價液流電池的性能最佳指標是能量效率，而極化曲線和功率密度并無實際意義。不管是庫倫效率、電壓效率、電流密度還是能量效率，實際上來講都是相互關聯的，庫倫效率是能量效率與電壓效率的比值，庫倫效率等于電極面積乘以電流密度。

4 結論

隨著儲能行業受到國家和市場的重視度越來越高，液流電池的發展也越來越快，但由于液流電池的技術影響因素較多、液流電池種類繁多、應用場景復雜多變、研究者對液流電池的研究分析指標也各有不同，所以液流電池始終沒有一個合理、規范的評價標準體系。通過對液流儲能電池的評價標準進行了探究分析，結合當前國家儲能政策、市場需求及液流電池技術發展狀況，擬提出液流儲能電池的評價體系標準應當從整個電池系統的安全環保性、經濟性成本和技術性能三個方面進行衡量比較。其中，安全環保性決定了液流儲能電池是否可以投入使用的首要前提；經濟性成本將決定了液流儲能電池是否可以實現大規模商業化的重要因素；液流電池的儲能技術水平將是提高產品競爭力的關鍵因素。

鮑文杰(1990- )，男，滿族，大連人，碩士，工程師，主要從事液流電池的研究與開發工作。