眼下,盡管風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能光伏等新能源設(shè)施在生活中已越來越常見,但中國三分之二的社會(huì)用電量仍來自于會(huì)帶來大量碳排放的煤電。

為了優(yōu)化國家能源結(jié)構(gòu),加速發(fā)展新能源,各級(jí)政府紛紛以儲(chǔ)能為抓手推進(jìn)建設(shè)新型能源體系,許多政策和資源都向發(fā)展長時(shí)儲(chǔ)能傾斜。在各種長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)路徑中,液流電池憑借本征安全、度電成本低、靈活易部署等優(yōu)勢脫穎而出,進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的新階段。

發(fā)展新能源需引進(jìn)儲(chǔ)能做幫手

發(fā)展新能源,必須引進(jìn)儲(chǔ)能,這是由新能源間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性等特點(diǎn)決定的。

以光伏發(fā)電來說,不同的時(shí)段,不同的季節(jié),不同的天氣,光照強(qiáng)度不一樣,光伏電池的輸出電壓和電流也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)變化。對(duì)于電網(wǎng)來說,光伏發(fā)電并不是越多越好。在正午、盛夏等強(qiáng)光照條件下,光伏輸出的電壓如果大幅超過電網(wǎng)的可接受能力,可能會(huì)造成電網(wǎng)阻塞,影響正常供電。

同樣,新能源發(fā)電量不足,也會(huì)沖擊電網(wǎng)安全。以風(fēng)力發(fā)電為例,風(fēng)的速度、方向,時(shí)刻都會(huì)發(fā)生變化,一旦天氣在較短的時(shí)間內(nèi)由大風(fēng)轉(zhuǎn)為小風(fēng)、甚至靜風(fēng),而其他的電源又無法補(bǔ)充上來,就會(huì)給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來困難,甚至造成電網(wǎng)癱瘓。

因此,發(fā)展新能源,需要引進(jìn)儲(chǔ)能來做幫手。在發(fā)電量高于用電需求時(shí),將多余的電量儲(chǔ)存起來備用;當(dāng)新能源發(fā)電不足時(shí),再將先前儲(chǔ)存的電量補(bǔ)充輸送進(jìn)電網(wǎng)。通過這種削峰填谷的操作,來保障電網(wǎng)的運(yùn)行安全。這樣既能平衡電力負(fù)荷,有效緩解因新能源發(fā)電不穩(wěn)定造成的影響供電安全的問題,保障電網(wǎng)正常運(yùn)行,還能“削峰填谷”,在不同時(shí)段內(nèi)合理調(diào)配資源,滿足社會(huì)用電需求,減少損失浪費(fèi)。

4小時(shí)以上長時(shí)儲(chǔ)能成為新能源“標(biāo)配”

目前,可投入商用的儲(chǔ)能技術(shù)非常多,儲(chǔ)能時(shí)間也有長有短。對(duì)于新能源電站來說,只有配置4小時(shí)及以上的長時(shí)儲(chǔ)能產(chǎn)品,才能真正起到平衡電力負(fù)荷與削峰填谷的作用。

根據(jù)2022年,全國光伏電站平均利用1452小時(shí),全國風(fēng)力電站平均利用2259小時(shí)計(jì)算,每天的工作時(shí)長分別為4小時(shí)和6.2小時(shí)。如果電站配備的是2小時(shí)以內(nèi)的中短時(shí)儲(chǔ)能,依舊無法保護(hù)電網(wǎng)免受因新能源發(fā)電不穩(wěn)定所帶來的沖擊。

另外,短時(shí)儲(chǔ)能無法有效填補(bǔ)一天內(nèi)的用電峰谷缺口。我國用電峰谷平時(shí)間段的劃分如下: 高峰時(shí)段08:30-11:30 & 18:00-23:00;平時(shí)段07:00-08:30 & 11:30-18:00;低谷時(shí)段23:00-7:00。當(dāng)高比例使用新能源發(fā)電時(shí),如果儲(chǔ)能時(shí)長不足,會(huì)出現(xiàn)白天光照和風(fēng)能充足時(shí),電池很快充滿,無法繼續(xù)充電;到了早晚用電需求高峰時(shí),電池又很快用盡,無法補(bǔ)能的尷尬。

為此,各地政府先后出臺(tái)了一系列相關(guān)政策,要求新能源項(xiàng)目配套建設(shè)4小時(shí)以上的新型儲(chǔ)能設(shè)施。

2023年7月,山東省出臺(tái)《關(guān)于支持長時(shí)儲(chǔ)能試點(diǎn)應(yīng)用的若干措施》,要求試點(diǎn)項(xiàng)目規(guī)模不低于10萬千瓦,滿功率放電時(shí)長不低于4小時(shí),這是國內(nèi)首個(gè)支持長時(shí)儲(chǔ)能發(fā)展的地方性專項(xiàng)政策,長時(shí)儲(chǔ)能可享受優(yōu)先接入電網(wǎng)、優(yōu)先租賃、容量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)提高、減免輸配電價(jià)等優(yōu)惠政策。

同月,內(nèi)蒙古自治區(qū)出臺(tái)《關(guān)于加快新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的提案》,要求市場化的新能源項(xiàng)目按照裝機(jī)容量的15%,配置時(shí)長4小時(shí)以上的儲(chǔ)能設(shè)施。

根據(jù)這些政策內(nèi)容,可以明確看出政府對(duì)儲(chǔ)能行業(yè)的重視程度,并正在采取各種措施來解決日內(nèi)平衡調(diào)節(jié)的問題。未來,儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大,用于解決日以上甚至跨周、跨月的調(diào)節(jié)。可以預(yù)見,長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛,為我國能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和清潔能源的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。

儲(chǔ)能路徑百花齊放,誰將突出重圍?

目前在儲(chǔ)能市場應(yīng)用最多的鋰離子電池因其壽命有限且自放電率較高,長時(shí)間存儲(chǔ)將加速電池老化,只適合2小時(shí)以內(nèi)的中短時(shí)儲(chǔ)能場景,無法滿足長時(shí)儲(chǔ)能的需求。

在結(jié)構(gòu)層面,鋰離子電池將功率輸出與能量儲(chǔ)存裝置緊密結(jié)合。如果要增加儲(chǔ)能時(shí)長,就要等比例增加電池成本。因此,4小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池成本相當(dāng)于1小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的4倍。鋰離子電池在長時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域并不具備經(jīng)濟(jì)性。

圖:鋰電池與液流電池的投資成本示意

在長時(shí)儲(chǔ)能的各種技術(shù)路徑中,抽水蓄能已處于大規(guī)模商用階段,具有裝機(jī)容量大、放電時(shí)間及使用壽命長、能量轉(zhuǎn)換效率較高等優(yōu)勢,但也存在選址受限、建設(shè)周期長達(dá)8-10年等劣勢。

壓縮空氣儲(chǔ)能雖然單機(jī)容量大、儲(chǔ)能時(shí)間及使用壽命長,但是存在壓縮過程放熱損失能量、選址局限于高氣密性空間(如巖穴、廢棄礦井等)、建設(shè)周期較長(2年左右)等問題。

那么,有沒有一種長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù),既能像抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能一樣實(shí)現(xiàn)長時(shí),又能克服選址難、建設(shè)周期長的劣勢呢?

南方科技大學(xué)碳中和能源研究院院長趙天壽分析稱,長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)包含最關(guān)鍵的兩個(gè)要素,首先能量載體可以流動(dòng),同時(shí)要有相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換裝置,實(shí)現(xiàn)容量和功率解耦。液流電池就是滿足這兩個(gè)條件的優(yōu)質(zhì)之選。

圖:液流電池運(yùn)行原理

液流電池是一種新型的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù),它通過將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并存儲(chǔ)在液態(tài)電解質(zhì)中,然后在需要時(shí)將化學(xué)能重新轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行釋放。這種技術(shù)路徑最適合長時(shí)儲(chǔ)能,因?yàn)樗哂斜菊靼踩?小時(shí)以上儲(chǔ)能時(shí)長、度電成本低等特點(diǎn)。液流電池的儲(chǔ)能容量可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,具有建設(shè)周期短(3-6個(gè)月)、靈活易部署的特點(diǎn),因此它非常適合用于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng),如新能源并網(wǎng)等應(yīng)用場景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低,液流電池在未來電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

液流電池優(yōu)勢凸顯,獲國家與市場雙重認(rèn)可

目前我國液流電池主要有全釩液流電池、鋅鐵液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池等技術(shù)路線。其中,全釩液流電池是國內(nèi)商業(yè)化較早的路線之一。

聚焦全釩液流電池的大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司總經(jīng)理王曉麗談到,具備長壽命、高安全的液流電池主導(dǎo)的場景將彌補(bǔ)鋰電池的安全、長時(shí)缺陷。比如,在高安全的情況下,城市復(fù)合中心、地下儲(chǔ)能、人群密集的區(qū)域,適合液流電池;基于長壽命特征,液流電池適合于做大規(guī)模型、基礎(chǔ)設(shè)施型的建設(shè)。

鋅鐵液流電池作為后起之秀,具有原料供給量大、價(jià)格低的優(yōu)勢,近年來發(fā)展迅速。緯景儲(chǔ)能的鋅鐵液流電池具備本征安全、度電成本低、4～8小時(shí)儲(chǔ)能、大規(guī)模量產(chǎn)、壽命長、易部署、建設(shè)周期短、環(huán)境友好等特性,正在通過技術(shù)迭代與規(guī)?；慨a(chǎn)來逐步降低液流電池的儲(chǔ)能度電成本,提升新能源的經(jīng)濟(jì)性。

作為長時(shí)儲(chǔ)能代表,液流電池還得到了國家權(quán)威部門的高度認(rèn)可。在國家能源局發(fā)布的《第三批能源領(lǐng)域首臺(tái)(套)重大技術(shù)裝備(項(xiàng)目)名單》中,緯景儲(chǔ)能研發(fā)并生產(chǎn)的“鋅鐵液流新型儲(chǔ)能電池”和巨安儲(chǔ)能的“鐵基液流儲(chǔ)能系統(tǒng)”均被列入其中。

圖:第三批能源領(lǐng)域首臺(tái)(套)重大技術(shù)裝備(項(xiàng)目)名單——新型儲(chǔ)能

2023年,液流電池取得了突破性進(jìn)展,首個(gè)吉瓦時(shí)級(jí)別項(xiàng)目集采開標(biāo)、首個(gè)吉瓦級(jí)產(chǎn)能工廠投產(chǎn)等事件,為整個(gè)儲(chǔ)能行業(yè)帶來了發(fā)展的曙光。中核匯能、中國電建市政公司、國家電投相繼開啟GWh液流電池項(xiàng)目招標(biāo),對(duì)液流電池進(jìn)行大規(guī)模集采,儲(chǔ)能市場格局發(fā)生明顯變化,已從“一鋰獨(dú)大”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;百花齊放”。