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低碳院刘庆华:液流电池储能低成本化关键路径探索

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2020-10-19 浏览:
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中国储能网讯:9月24—26日,由中国化学与物理电源行业协会联合200余家机构共同支持的第十届中国国际储能大会在深圳鹏瑞莱佛士酒店召开。此次大会主题是“共建储能生态链,开启应用新时代”。 来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的1621人参加了本届大会。本次大会由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会、中国科学院电工研究所储能技术组和中国储能网联合承办。  

在25日下午的“新型储能技术及应用 ”专场,国家能源集团北京低碳清洁能源研究院储能技术部经理刘庆华分享了主题报告《液流电池储能低成本化关键路径探索》。会务组对发言人的演讲速记做了梳理,方便大家会后交流、学习,以下是速记全文:

刘庆华:感谢主持人,我来自国家能源集团北京低碳清洁能源研究院,很高兴有机会跟大家探讨液流电池技术。今天重点探讨液流电池如何实现低成本化,这里包括前期的探索和思考。

主要包括以下两部分内容:液流电池发展现状和液流电池低成本化路径探索。

最近两天的会议上,大家一直在讨论储能的价值和定位。价值不仅仅体现在价格上,大家形成的共识,首先是从顶层设计角度来讲,储能技术推动整个世界能源的清洁化、电气化、高效化、智能化,破解能源、资源和环境约束,是实现全球能源转型升级的核心技术之一。它不仅仅是有利可图的市场成员,它已经上升到能源转型,成为关键的角色之一。

目前可再生能源、新能源在快速发展,这一过程中出现很多需要解决的问题和挑战。电网在升级,用户侧用能方式在不断发生变化。前期大家提出的概念是社会在经历再电气化的过程,交通领域也出现了再电气化的形态,储能不会缺席。从能源利用效率和破解弃风、弃光、弃水和低谷电消纳方面,实现能源供给的“安全、自主、可控”。储能是未来能源技术创新的主要引擎之一。“十四五”期间把储能行业打造成新经济增长点。这肯定是要再次爆发的。

相关政策,前面几位嘉宾做了很好的阐述。对于产业政策来讲,大家印象深刻的是2017年1号文,为储能发展提供了非常好的指引方向。重点看一下今年8月份国家发改委公布“风光水火储一体化”和“源网荷储一体化”,可以看出发电侧、用户侧和电网侧是联动的。储能衔接关键要素。文件为整个产业的发展确定了方向。储能创新相关规划,《中国制造2025》也是把它作为重要领域。

截至9月中旬已有16个省份发布了支持储能的相关政策,主要亮点是“新能源+储能”。我们集团主要业务之一是新能源发电,目前是全球装机规模最大。新的新能源项目是被各个省市要求一定要配置储能。我们作为储能技术开发单位在紧密合作,推动项目的落地。

可以看出电化学储能共性特征包括三点:

一是现代储能系统具有精准控制、快速响应、灵活配置和灵活调节功率的特点;

二是储能单元容量达兆瓦级、全功率响应时间小于100毫秒。对于电池本身响应速度更快;

三是形式:大容量集中式储能电站和分散聚合式。

选择储能路线时,客户有自己的需求,我们重点关注几点:

第一,安全性。对人的安全性,一旦发生失控局面,经济损失非常大。

第二,低成本。目前大家比较关注一次性投资成本,我们要根据其效率和寿命进行折算,包括运维。全生命周期成本,如果考察全生命周期,不同的路线差别是很大的。

第三,资源可持续利用性。这一点常常被大家忽视,储能规模大,载体是化学物质,电池储能更是涉及多种元素。

第四,环境友好。

第五,综合性能指标、容量功率等。

对于以上五点,我们用KANO模型分析,想法比较前期。针对前面提出的五个评价指标,分别用不同颜色的线标明。红线是基本具备的特性,绿线是理想状态。

对于安全性来讲,人们始终追求绝对安全,很难达到。本体安全是一些储能技术路线的优势,这一块跟不同技术路线的关系是很大的。红线在工作状态一定是安全的,也就是表观安全。

低成本。大家都在谈论低成本,深刻感受到成本、价格大部分是同业者的竞争造成的,其指标在哪里?前期对标抽水蓄能的成本。目前有些技术路线或者非常优秀的厂商可以做到这个水平。下一步低成本在哪里?有人说接近火力发电的水平,那再下一步低成本在哪里?这是很多从业者在思考的问题。

资源可持续性:可获得、可接受、资源上限。可接受相对中性一点,实际上是可忍受。特殊应用场景价格高一点我也可以用,但最终有资源上线。

环境友好性,红线是合法依规的。黄线是全生命周期环境友好,现在国标、政策不要求全生命周期的友好。最理想的状态是储能有没有可能对环境进行正的影响,这可以达成。

最后是储能系统综合性能,对于客户来讲,对储能产品要求必备达到的性能,看其他的产品,手机或者汽车设备,客户把车开走可以跑起来,它会有其他的要求。比如汽车的设计很漂亮,满足客户心理上的需求。再高的指标是魅力需求,这需要大家进一步深入思考。

总结,对于安全性来讲绝对安全几乎无法达到;成本无下规格线;资源存在上限;环境友好存在下规格限;系统综合性能无上规格限。

抽水蓄能与电池储能技术路线对比。从规模、效率、场景以及其他方面进行比较。可以看到从兆瓦级,液流电池可以做到GW级,在规模上可以和抽水蓄能进行媲美。实测效率,一般储能整个电站的效率可以达到80%左右。应用场景来讲,电化学储能和抽水蓄能完全可以覆盖。

建设周期,各种电池成本技术非常短,整个项目的周期以月计算,抽水蓄能从前期勘察、建设、运行大概8-10年时间。

全钒液流电池。这个电池是中间一个电池,外面是储块,放着电解液。二者解耦,可以按任意比例对其进行搭配。应用领域来讲,液流电池更适用于高安全,目前主要的液流电池都是水相的,不存在燃烧等危险。高可靠性、大规模、快速换电,电解液可以快速替换,可以不采用充电的形式对它进行再生。发电侧、电网侧、储能电站都应用场景都有。

据不完全统计,截止2019年底已建和在建液流电池示范项目超过300个。重点强调倒数第二列,液流电池项目最早投运时间是在2000年以前,液流电池本身是为储能而生,不是作为动力电池使用的。时间上和其他电池储能技术路径比较,应该是相对比较早的。配置规模,目前在建的项目有接近GWh的,包括国内外的。功能角度,可以看出用不同颜色标注的,蓝色是新能源和火电应用,红色是用户侧,黑色是其他的应用。包括数据基站调频、电能质量管理等。从功能角度,前期的项目基本覆盖全了。这个技术路线最早、最大、最全,问题在于目前没有更好的市场占有率,关键是成本。重点是发电侧的应用,这个技术路线更适合新能源抢占大规模的应用,第三个项目是我们集团前期做的项目,这个项目目前运转非常好。

第二部分重点探讨液流电池集成路径。我们从产业链上进行分析。今天重点讨论电解液、电极材料、双极板、隔膜和液流电池电堆。生产制造成本较其他路线是很低的,投资路线是比较经济的。

电解液,电解液的核心是各种价态的钒元素。99%以上集中在中国、俄罗斯、南非、澳大利亚,中国钒储量位居世界第一,约950万吨,占全球总储量近50%。钒在全球的消费量为10万吨左右,当前消费量不大,市场相对较小。2019年产量仅10万余吨,产能没有拉上来,主要原因是后面的市场太小了。全钒液流电池的需求量很大,1GWh需要2150吨钒,和其他的应用领域相比较,这是非常大的规模。我们提出全钒液流电池储能产业发展和钒生产能力密不可分,二者共同促进,协同发展。

隔膜材料。目前是为数不多的国内、国外的公司可以提供高水平的产品。价格相对比较高,成本并不高。原材料成本低,占总成本的15%多一点。未来几年随着新技术的涌现,规模化生产后,成本保守估计可以降低70%左右。双极板的占比不高,其性能对电池性能发挥起到重要作用。重点是提升产能,未来提升产能有望降低50%以上的成本。

电极材料主要是多孔碳纤维材料。现在出现替代技术,我们也在研究新型的碳纤维的技术。

有了所有低成本的材料并不意味着产品成本一定会低,这涉及产品材料用量,最重要的是高功率密度电堆技术。当你提高功率密度时,成本相应下降。NICE高功率液流电池和常规液流电池的对比,仅供参考。成本下降30%左右,电堆性能提升的同时,电解液的效率也在提升,成本和装量也会降低。这是我们已经开发出各种规模的样机,高功率密度、高效率、低成本。

总结,我们可以看出低成本化主要靠技术驱动,第一阶段成本下降至2100元/kWh,第二阶段主要靠生产工具和规模驱动,有望下降到1500元,预期是2026年左右,跟很多从业者沟通后给出的曲线。其他机构也有发布这条曲线。第三阶段成本趋稳,可以降到1000元人民币/kWh。新一代液流电池技术的出现,将使得降本之路提前3年左右。

以上是我的汇报,谢谢各位。

关键字:储能 液流电池

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