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钒:美丽金属成就储能梦想2017-02-16

钒:美丽金属成就储能梦想


钒元素

钒,元素符号 V,银白色金属,原子序数23,原子量50.9414。钒属于VB族元素,体心立方晶体,电子层分布为3d34s2。

钒的发现

1830年,瑞典化学家塞夫斯特伦(Sefstrom N G,1787-1845)在研究斯马兰矿区的铁矿时,用酸溶解铁,在残渣中发现了钒。因为钒的化合物的颜色五颜六色,十分漂亮,所以就用古希腊神话中一位叫维纳迪丝“Vanadis”的美丽女神的名字给这种新元素起名叫“Vanadium”。元素符号V同时也赋予了这种元素Victory胜利的含义。

钒的化学性质比较活跃,可以形成+5、+4、+3、+2多种价态的钒化合物,并具有美丽的颜色,如V2+呈紫色,V3+呈绿色;VO2+呈蓝色,VO2+呈黄色。

全钒液流电池原理

钒液流储能电池是利用不同价态离子对的氧化还原反应来实现化学能和电能的相互转化,其装置主要由电堆系统、电源负载系统、电解液存储与供应系统等部分组成。电堆系统由电极、离子交换膜、双极板、板框PVC、电解液等组成。该电池以电解液中含不同价态的钒离子作为正、负极活性物质,分别装在两个大储液罐的溶液中,通过外接泵将电解液泵入到电池堆体内,使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动;采用离子膜作为电池组的隔膜,电解液平行流过电极表面并发生电化学反应,将电解液中的化学能转化为电能,通过双极板收集和传导电流。在钒电池中,正极发生的是+4和+5价钒离子的氧化还原反应,负极发生的是+2和+3价钒离子的氧化还原反应。正负极电化学反应构成了全钒液流电池的基本原理,反应方程如下:

充电过程:

正极:VO2+ + H2O → VO2+ + 2H+ + e                  E0=1.00V

负极:V3+ + e →V2 +                                       E0=-0.26V

放电过程:

正极:VO2+ + 2H+ + e → VO2+ + H2O                  E0=1.00V

负极:V2+ - e → V3+                                        E0=-0.26V

完全放电态时(即SOC=0):正半电池电解液为V(IV)的硫酸溶液,负半电池电解液为V(III)的硫酸溶液;完全充电态时(即SOC=1):正半电池电解液为V(V)的硫酸溶液,负半电池电解液为V(II)的硫酸溶液;其余的电荷状态(即0

全钒液流电池特点

1、  正负半电池腔使用同一种金属离子的硫酸溶液作电解液,避免了Fe/Cr电池中电解液交叉污染的问题,提高了电池的效率和寿命;

2、  用完全可溶的氧化还原电对和惰性电极消除了传统电池(铅酸电池,镍/镉电池)不希望的电极过程——固相反应所伴随的电极变形,脱落,短路等而引起的容量损失;

3、  系统的储存容量取决于溶液的浓度和储液箱的体积,对于相同功率输出的电池可根据需求任意调整容量;

4、  功率由系统中单电池的部署决定,可通过串连和并联任意调整功率来满足不同需求;

5、  电池活性物质以溶液形式存在,充放电不涉及固相反应,反应速度可以很快,可在瞬间启动,在运行过程中充放电状态切换只需要0.02秒;

6、  电池活性物质在充放电过程中不消耗,理论循环寿命无限,使得电池成本大为降低;

7、  反应装置与储存装置相互独立,由电池中的极少量电解液的扩散所引起的自放电很小;

8、  结构简单,更换和维修费用低廉,对环境友好,是环保电池。

全钒液流电池技术优势

规模大:通过改变储槽中电解液的量,能够满足太阳能、风能发电过程大规模储能容量需求;通过调整电池堆中正负半电池的对数和电极面积,满足额定放电功率。

寿命长:电池正负极反应均在液相中完成,充放电过程仅仅改变溶液中钒离子状态,没有外界离子参与电化学反应,理论上可以进行无限次任意程度的充放电循环,极大延长电池的使用寿命。国际上建成的VRB实验电堆,经过13000次循环充放电,验证系统的稳定性和技术可靠性,其寿命远高于现有的铅酸电池系统。

成本低:随着电极、膜等材料方面的不断突破和改进,全钒液流电池成本不断降低。与锂电池相比,钒具有无可比拟的资源优势,电解液的成本随着规模化生产也将进一步下降。同时,从全钒液流电池的使用寿命来看,其单位储能成本在整个生命周期内具有非常大的成本优势。

效率高:由于正负半电池电解液中的活性物质分别储存在不同的储槽中,完全避免电解液保存过程的自放电消耗。VRB系统可以对储能容量和放电功率分别进行独立设计,经过优化的电池系统充放电效率高达80%。

安全性好:全钒液流电池没有任何潜在的爆炸或着火危险,即使将正、负极电解液混合也无危险。

环境友好:电解液可以循环反复利用,电池退役后,电极、膜、双极板等均为普通工业固体废物,与其他电池相比,对环境影响非常小。

全钒液流电池市场应用

由于全钒液流电池可以保持连续稳定、安全可靠的电力输出,用于风能、太阳能等可再生能源发电系统,解决其发电不连续、不稳定特性;用于电力系统,可调节用户端负载平衡,保证智能电网稳定运行;用于电动汽车充电站,可避免电动车大电流充电对电网造成冲击;用于高耗能企业,谷电峰用,可降低生产成本。此外,它还可应用于电信的通讯基站、国家重要部门的备用电站等。

1、风力发电

风能发电自身所固有的随机性、间歇性特征,决定了其规模化发展必然会对电网调峰和系统安全运行带来显著影响,必须要有先进的储能技术作支撑。

研究表明,如果风电装机占装机总量的比例在10%以内,依靠传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段基本可以保证电网安全;但如果所占比例达到20%甚至更高,电网的调峰能力和安全运行面临巨大挑战。目前为了减少对电网的冲击,每一台风机需要配备其功率4%的后备蓄电池。另外还需要大约相当于其功率1%的蓄电池用于紧急情况时风机保护收风叶用。

电网对风电输出平稳性的要求已成为风电发展的瓶颈。随着风电的快速发展,风电与电网的矛盾越来越突出。如果需要平滑风电90%以上的电力输出,需要为风电场配置20%左右额定功率的储能电池;如果希望风电场还能具有削峰填谷的功能,将需要配备相当于40-50%功率的动态储能电池;如果风机离网发电,则需要更大比例的动态储能电池。

风机现在使用的铅酸电池容量小、寿命短、稳定性差、维护费时费力、污染大,钒电池所具备的优点,完全可以取代现有的铅酸电池,成为风电场动态储能系统的主体。

中国风电资源经初步探明10米高空约10亿kW,其中陆上风电资源2.35亿kW,沿海风电资源7.5亿kW;扩展到50米高空,是20亿~25亿千瓦。国家能源局数据显示,2015年,全国风电产业继续保持强劲增长势头,新增装机容量3297万千瓦,再创历史新高,累计并网装机容量达到1.29亿千瓦,占全部发电装机容量的8.6%。这一数值也占到全球风电装机容量的1/4。然而自2010年开始,全国平均弃风率长期高于10%,2015年这一数据攀升至15%。特别是在2015年入冬后,甘肃、宁夏、黑龙江等省区的一些风电项目的弃风率更是高达60%以上。

风电产业的快速发展,特别是我国的多数风电场属于“大规模集中开发、远距离输送”,对电网的运行和控制提出了严峻挑战。大容量储能产品成为解决电网与风电之间矛盾的关键因素。2016年11月7日,国家能源局召开新闻发布会,披露《电力发展“十三五”规划》,提出到2020年,全国风电装机达到2.1亿千瓦以上,其中海上风电500万千瓦左右。即使按照风电调控最低要求计算,5%的风电储能比例,2020年储能电池的需求将达到1050万kW;如果需要平滑90%以上的风电输出,储能电池的需求还要增加3倍以上。

2、光伏发电

2016年11月7日,国家能源局召开新闻发布会,披露《电力发展“十三五”规划》,提出要按照分散开发、就近消纳为主的原则布局光伏电站,2020年,太阳能发电装机达到1.1亿千瓦以上,其中分布式光伏6000万千瓦以上、光热发电500万千瓦。根据中国电力企业联合会最新发布的报告显示,截至今年9月底,全国并网太阳能发电装机容量7075万千瓦。按照这一数据计算,未来5年,我国太阳能发电装机容量还要再增4000万千瓦。然而根据中国光伏行业协会今年初发布的数据显示,2015年国家电网调度范围内累计弃光电量为46.5亿千瓦时,弃光率12.62%,全部集中在西北地区的甘肃、青海、新疆和宁夏四省区。其中甘肃弃光率达到30.7%,新疆为22%。预计中国2010年光伏电池发电总容量达到25万kW,2020年太阳能发电装机容量计划达到2000万kW。

光伏发电依赖于太阳光,目前大型光伏发电场主要采用的是并网发电,对电网的调峰能力有比较高的要求,目前我国电力系统煤电比例较高,核电和热电机组不能参与调峰,水电、燃气发电具有比较好的调峰性能,但所占比例不高,如果光伏发电占的比例大了,会给电网调控造成非常大的困难。

光伏发电系统中储能电池的作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。光伏发电对储能电池的基本要求是:a.自放电率低;b.使用寿命长;c.深放电能力强;d.充电效率高;e.少维护或免维护;f.工作温度范围宽;g.价格低廉。

目前与光伏发电相配套的储能主要是铅酸电池,由于功率、容量、寿命都不能满足光伏发电配套需求,全钒液流储能电池将作为未来光伏发电储能电池的首选。

3、电网调峰

电网调峰的主要手段一直是抽水蓄能电站。由于抽水蓄能电站需建上、下两个水库,受地理条件限制较大,在平原地区不容易建设,而且占地面积大,维护成本高。

为应对城市尖峰负荷,电力系统每年都要新增大量投资用于电网和电源后备容量建设,但利用率却非常低。以上海为例,2004-2006年间,为解决全市每年只有183.25小时的尖峰负荷,仅对电网侧的投资每年就超过200亿元,而为此形成的输配电能力的年平均利用率不到2%。

采用钒电池取代抽水蓄能电站,大容量储能电池应对城市尖峰负荷,不受地理条件限制,选址自由,占地少,维护成本低。还可提高能源利用效率,为国家节约巨额投资,其节地、节能、减排的效果是其他调峰措施无法比拟的。

4、通信基站

通信基站和通信机房需要蓄电池作为后备电源,且时间通常不能少于10小时。对通讯运营商来讲,安全稳定可靠性和使用寿命是最重要的,在这一领域,钒电池有着铅酸电池无法比拟的先天优势。

钒电池和铅酸电池相比,在网络通信应用中优势明显:寿命长,维护简单,能量存储稳定、控制精确、自放电少,可便捷调整能量的存储量,总体使用成本低。  钒电池在通信应用中能量存储成本低的优势明显。通信网络中的基站动力系统中通常使用柴油发电机,在停电时提供长时间动力。柴油机在备用动力系统投资中占了很大一部分,而且需要持续不断的机械维护以保证其可靠性;在实际应用中,柴油机的利用率很低,因此其单位时间的使用成本比较高;系统中经常使用的铅酸电池由于自放电的原因,也需要经常维护。

钒电池完全可以替代动力系统中的铅酸电池和柴油机的动力组合,提供高可靠性的直流电源的能量存储解决方案。钒电池还可以很好地与网络通信领域使用的地理分布很广、数量众多的太阳能电池进行很好的匹配,替代目前太阳能供电系统中通常使用的铅酸电池,降低维护量,减少成本,提高生产率。

5、UPS电源

中国经济的持续高速发展带来的UPS用户需求分散化,使得更多的行业和更多的企业对UPS产生了持续的需求。钒电池相对于铅酸电池,在功率、安全稳定性、使用寿命上都有着绝对优势。

钒电池作为一个单一的能源存储元件可以针对不同需求同时提供多种不同的电压,相对于传统串联型铅酸或镍镉电池,这种优越性是显著的。

6、分布式电站

大型电网自身的缺陷,难以保障电力供应的质量、效率、安全可靠性要求,对于重要单位和企业,往往需要双电源甚至多电源作为备份和保障。分布式电站可以减少或避免由于电网故障或各种以外时间造成的断电。医院、指挥控制中心、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱乐中心、政府要害部门、制药和化学材料工业、精密制造工业等领域是分布式电站发展的重点领域,钒电池可以在分布式电站的发展中发挥重要作用。

7、交通市政

目前汽车尾气排放污染已经成为大城市中的头号污染源。大力发展节能、环保的电动汽车替代传统燃油汽车,已成为了人们的共识。钒电池的大容量、大电流充放、同时充放的特点技术,可以作为电动汽车、电动自行车、电动船舶等电动设备的理想充电电源

全钒液流电池开发进程

开发阶段:全钒液流电池研究始于20世纪80年代。由Thaller于1974年提出,美国航天局(NASA)曾开发Fe/Cr电解质溶液体系液流电池。1984年,新南威尔士大学的Maria Skyllas-Kazacos等提出全钒液流电池原理。1986年全钒液流电池体系获得专利。1988年,UNSW提出并首次建造了1kW级全钒液流电池堆。该电池堆由10个单电池组成,能量效率可达72%-88%。标志着全钒液流电池开始走出实验室,迈向工程化研发阶段。

验证阶段:全钒液流电池工程发展的第二个阶段主要集中在日本。从20世纪90年代初开始,以日本住友电工(SEI)和Kashima-kita电力公司为首的工业企业先后开发了一系列规模不一的实验性电堆。通过对电堆关键材料和工程设计进行深入探索,逐步把全钒液流电池系统推向商业化验证并试运营阶段。

商业化阶段:自2010年以来,随着储能需求的爆发式增长,全钒液流电池的商业化进程不断加速。先后涌现了一大批公司以及科研院所,积极参与开发全钒液流储能电池,并推动多个商业化示范项目。其中推进较快的主要集中在日本、美国、欧盟和中国等。

日本:以住友电工为代表。日本住友电工(SEI)作为全钒液流电池领域重要的领军企业,自2013年开始,在北海道建设15兆瓦/60兆瓦时全钒液流电池电站。该电站已于2015年底投入运行,用于解决北海道局部区域大规模太阳能电站并网带来的调峰和电能量压力,该项目的成功实施将是全钒液流电池领域又一里程碑。

美国:以UET为代表。2014年,美国UET公司在美国能源部和华盛顿清洁基金的支持下,建立了3兆瓦/10兆瓦时全钒液流电池储能系统。该项目中首次使用混合酸性电解液技术,将能量密度提高约40%,并能拓宽全钒液流电池使用温度窗口和电压范围,减少热管理能耗。日前,该公司又获得美国海军的一个4.5兆瓦/18兆瓦时全钒液流电池储能系统项目。

欧盟:以德马吉为代表。德马吉公司储能业务始于奥地利,2008年首次推出全钒液流电池储能系统。该公司以小型集装箱式统为主,迄今已经安装了约100套电池储能系统,广泛应用在光伏、风能、通信基站、备用电源和分布式发电等领域。

中国:以融科储能为代表。2013年5月,融科储能设计建造的5兆瓦/10兆瓦时全钒液流电池储能系统在国电龙源卧牛石50兆瓦风电场成功并网运行。相继实施的位于锦州的风电并网用3兆瓦/6兆瓦时储能项目也是我国探索储能商业模式的重要案例。2016年10月8日,融科储能签订的200兆瓦/800兆瓦时储能电站项目更是将全钒液流电池推上了一个新台阶,这将成为全钒液流电池在储能市场应用的一个跨越式里程碑事件。

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