液流储能电池的评价标准

随着国家对储能越来越重视、市场对储能的需求越来越大,液流储能电池也迎来一个快速发展的时期。

但由于液流储能电池种类繁多、应用场景多变、技术影响因素较多等原因,始终没有一个合理、规范的液流电池评价标准体系来明确其发展方向。

本文首先对储能电池的评价标准现状进行了阐述,从安全环保性、经济性成本和技术性能三个方面对液流储能电池进行了评价标准的探究,并在最后从工程化角度拟提出一套液流储能电池的评价标准体系,为液流储能电池明确未来发展方向提供了参考价值。

1.液流电池介绍

在众多储能电池中,液流电池因其可实现无地域限制的大规模建设,寿命长、无污染、不易燃易爆、清洁环保、设计灵活等优势,其关注度越来越高。液流电池概念最早在1974年,被THALLER提出,单个液流电池系统主要由电堆、电解液、管路系统及动力泵、控制系统四部分组成。

如图１所示,充电储能时,正极发生氧化反应,活性物质价态升高,负极发生还原反应,活性物质价态降低,电解液将电能转化成化学能储存起来;

放电释能时,正极活性物质价态降低,负极活性物质价态升高,液流电池将它所储存在电解液中的化学能转化成电能释放出来。

液流电池种类繁多,有全钒液流电池、锌溴液流电池、锌铁液流电池、锌锰液流电池、铁铬液流电池、多硫化钠－溴液流电池等,每一种液流电池都有其各自的特点。

虽然全钒液流电池储能技术是目前最为成熟的,但在这个储能市场百家争鸣的时代,仍无一个科学合理的液流电池评价标准体系,导致用户端无法进行有效的对比,选择一款对自己性价比最高的液流电池。

２储能电池的评价研究现状

目前,还没有任何一种液流电池能够达到国家电网要求的并网全部条件。液流电池也是根据自身的工作原理和技术上的优缺点不同,而应用在不同需求和环境的场所。

2020年1月,由国家能源局、国家市场监督管理总局等联合制定的«关于加强储能标准化工作的实施方案»中提出了要加强储能标准化建设工作,促进储能产业更好的发展的同时也要标准先行。

同年2月,由大连化物所和大连融科储能技术发展有限公司联合牵头起草制定的“固定式液流电池2Ｇ1:性能通用条件及测试方法”也正式颁布,对液流电池标准化发展起到了重要推进作用。

但就目前行业情况而言,液流电池的评价标准仍然无法统一,因此很有必要根据实际需求对液流电池提出一种具有普遍性的评价标准。

３液流电池的评价标准探究

液流电池种类繁多,每一种液流电池的技术特点各有不同,但从目前国家政策和储能市场以及主要技术等方面进行探讨,大致可以将液流储能电池的安全环保性、经济性成本和技术性能作为液流电池的评价标准指标。

3.1安全环保性

储能的安全性主要指在产品的全生命周期内,系统在正常或者偶然发生事件的情况下仍可以良好运转,不会对人身安全产生危害。安全性是液流电池甚至储能系统的首要评价因素,因为其涉及到用户使用时的生命、人身等方面的安全,产品是用来服务于用户而不是对用户有潜在危险的。

导致储能产品发生安全事故的因素有很多,如热失控、漏电、漏液、漏压、过电、电控、机械等。

近几年,全球储能事故发生比较频繁,从2017年８月至今韩国已经有29起储能电站发生火灾事故;2019年美国利亚桑那州的储能系统发生了爆炸事故造成多名消防员不同程度受伤;我国2021年４月份在北京市丰台区大红门集美家居市场的储能电站发生火灾爆炸事故,而这次安全事故的发生直接导致1名消防员受伤,2名消防员牺牲。

通过多起储能事故的发生地点可以发现多数为用户侧,因此,从储能系统整体安全性上来看,液流储能电池的安全性必须作为液流电池评价标准体系的第一标准,不仅要制定合理的安全标准规范体系,也要加强行业内的储能产品自身安全把控,同时应采取有针对性的安全处理防护措施作为电池安全事故的最后保障。

储能的环保性主要是指储能系统在全生命周期内对社会环境带来较小的负面影响。

对于液流储能电池来说,要求其在大规模建设储能项目的时候和系统投入到使用过程中不会对周围环境产生不当破坏,液流电池产品在寿命结束或者维护替换下来的时候,其使用的材料尽可能的可以继续回收利用或者通过二次加工可再次投入使用;

液流电池作为电化学储能技术之一,主要靠电解液中活性化学物质进行储能,涉及到多种元素,在环保方面,则要求其使用的电解液活性物质尽量为生活中常见、地壳中含量高的、容易提炼出来并且不会对环境和人产生危害的可回收利用元素物质。

3.2经济性成本

液流电池储能的经济性成本影响因素较多,而且缺乏系统的技术经济性研究,现阶段更多的储能项目都属于示范性的,并不具备一定的经济性研究价值,所以对于其不同服务领域的经济性成本评价标准也不一样[17G19]。

JIM等人通过计算各种储能技术的总投资,针对不同储能项目应用场景使用全生命周期方法研究分析了储能技术的经济可行性。

该研究方法虽然可以通过对不同储能技术在不同情景下进行经济性比较,但仍不能有效的对某一个储能项目进行经济性比较且该研究脱离了电力系统对其的影响,具有局限性。

3.3技术性能

液流电池储能的技术性能参数主要有库伦效率、电压效率、能量效率、响应速度、充放电时长、电解液利用率、循环寿命以及功率密度等。

目前用于评价液流电池技术性能指标比较多的有能量效率、功率密度。能量效率是指电池在单个循环充放电过程中释放的电能与充进的电能之比。

目前液流电池主要应用于偏远地区的大规模储能项目,为了更好比较,通常选用能量效率作为液流电池储能系统的评价指标。

王保国等人通过总结大量典型的大规模钒液流电池中的电堆性能参数发现,电堆的功率虽然不断提升,但其能量效率仍然保持在８０％以上。

大连融科储能装备有限公司主要进行全钒液流电池的研发设计、生产制造、安装,其通过和大连化物所共同研发的22kW单堆功率的5MW/10MWh液流电池系统已并网运行,单堆的能量效率达80%;

其与大连热电集团合作建设的200MW/800MWh的储能电站国家示范项目,单堆功率为32kW,能量效率达82％。美国ZBB公司建设的2MWh锌溴液流电池应急储能电站示范项目,额定电压为540V,能量效率约82%。

在液流电池研究发展过程中,对于电堆各零部件的材料性能研究主要以库伦效率、电压效率、能量效率作为评价指标。

不管是库伦效率、电压效率、电流密度还是能量效率,实际上来讲都是相互关联的,库伦效率是能量效率与电压效率的比值,库伦效率等于电极面积乘以电流密度。

４结论

随着储能行业受到国家和市场的重视度越来越高,液流电池的发展也越来越快,但由于液流电池的技术影响因素较多、液流电池种类繁多、应用场景复杂多变、研究者对液流电池的研究分析指标也各有不同,所以液流电池始终没有一个合理、规范的评价标准体系。

通过对液流储能电池的评价标准进行了探究分析,结合当前国家储能政策、市场需求及液流电池技术发展状况,拟提出液流储能电池的评价体系标准应当从整个电池系统的安全环保性、经济性成本和技术性能三个方面进行衡量比较。

其中,安全环保性决定了液流储能电池是否可以投入使用的首要前提;经济性成本将决定了液流储能电池是否可以实现大规模商业化的重要因素;液流电池的储能技术水平将是提高产品竞争力的关键因素。

参考资料：浅谈液流储能电池的评价标准；作者：鲍文杰

原文始发于微信公众号（艾邦储能与充电）：液流储能电池的评价标准