在雙碳經(jīng)濟(jì)“2030/2060”的大背景下，儲(chǔ)能已經(jīng)成為我國能源變革及能源安全保障的核心技術(shù)支撐，高度契合國家戰(zhàn)略。電化學(xué)儲(chǔ)能作為儲(chǔ)能領(lǐng)域的掌上明珠承載著超萬億級(jí)的市場(chǎng)規(guī)模。能源俯拾皆是，能源供應(yīng)卻依然告急。廣袤的西北地區(qū)蘊(yùn)含大量“風(fēng)”“光”等可再生能源，然而這些能源與處于用能中心的城市往往距離過遠(yuǎn)。長(zhǎng)久以來，輸電線路和電站充當(dāng)著能源“搬運(yùn)工”，但總有難以跨越的為了實(shí)現(xiàn)更靈活的電力供給，科研人員希望在能源收集和利用之間架起一座橋梁，創(chuàng)新儲(chǔ)能方式。溝溝坎坎。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)能源的遠(yuǎn)距離輸送似乎是解決矛盾的最佳選擇。近日，全球釩電池領(lǐng)軍企業(yè)——大連博融新材料有限公司領(lǐng)銜的“新一代液流電池儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)”獲得2021年中國科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展獎(jiǎng)。“與傳統(tǒng)電池不同，液流電池將液體電解質(zhì)存儲(chǔ)在外部，儲(chǔ)能介質(zhì)為水溶液，無著火爆炸風(fēng)險(xiǎn)，安全性高、壽命長(zhǎng)，還可按需組合，實(shí)現(xiàn)功率與容量的自主調(diào)控，在電力系統(tǒng)儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。”李先鋒告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
中國作為釩資源儲(chǔ)備第一大國，在鋰資源供需極度不平衡、國內(nèi)鋰資源供給端嚴(yán)重欠缺的背景下，大力發(fā)展綠色環(huán)保的釩液流儲(chǔ)能技術(shù)是未來的必然趨勢(shì)。
【釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)簡(jiǎn)介】大連博融作為國內(nèi)乃至全球釩液流電池領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，它的業(yè)務(wù)模式及產(chǎn)品布局對(duì)了解釩液流電池有著很深的借鑒意義。公司致力于全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)及其零部件的生產(chǎn)、集成；儲(chǔ)能電池軟件技術(shù)開發(fā)；儲(chǔ)能系統(tǒng)整體解決方案設(shè)計(jì)、規(guī)劃及實(shí)施；同時(shí)肩負(fù)儲(chǔ)能電池的應(yīng)用示范與市場(chǎng)推廣等重大責(zé)任?，F(xiàn)主營產(chǎn)品有Vpower、Tpower、ReFLex ，主要服務(wù)于可再生能源發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)，并且積極拓展新領(lǐng)域。
全釩液流電池是通過釩離子的價(jià)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能到電能的往復(fù)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)與釋放的一種儲(chǔ)能技術(shù)。全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)是被唯一被列為國家能源局《能源技術(shù)創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》中應(yīng)用推廣類的儲(chǔ)能技術(shù)。
全釩液流電池是將不同價(jià)態(tài)釩離子溶解在電解液中，通過外接泵使其在不同的儲(chǔ)液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動(dòng)，采用質(zhì)子交換膜作為電池組的隔膜，電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過釩離子的價(jià)態(tài)變化，經(jīng)過雙電極板收集和傳導(dǎo)電流，完成電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和釋放。全釩液流儲(chǔ)能電池正極電對(duì)為VO2+/VO2+，負(fù)極電對(duì)為V2+/V3+，電極發(fā)生如下電化學(xué)反應(yīng)：
【釩電池的特點(diǎn)】
安全性好：常溫、常壓運(yùn)行，儲(chǔ)能介質(zhì)為水溶液，單電池一致性強(qiáng)、熱量可以有效排出，熱管理簡(jiǎn)單壽命長(zhǎng)：循環(huán)>15000次，日歷壽命20年環(huán)境友好：環(huán)保電池，電解液循環(huán)利用
缺點(diǎn)：初始投資價(jià)格相比鋰電更高，能量密度偏低，適用于靜態(tài)大規(guī)模儲(chǔ)能電站，不適用于動(dòng)力電池綜合來看，和其他電池相比，全釩液流電池儲(chǔ)能密度偏低、體積較大，初始投資偏高。總體看，液流電池在輸出功率為數(shù)千瓦至數(shù)百兆瓦，儲(chǔ)能容量數(shù)小時(shí)以上級(jí)的規(guī)?；潭▋?chǔ)能場(chǎng)合，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是大規(guī)模高效儲(chǔ)能技術(shù)的首選技術(shù)之一。
1、新能源占比逐漸提升，政策推動(dòng)電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展（1）發(fā)展可再生能源成為全球能源轉(zhuǎn)型的主流方向儲(chǔ)能是清潔能源發(fā)展的必然，也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)器，中美歐增量引領(lǐng)全球新能源產(chǎn)業(yè)的巨大增量和高速發(fā)展。根據(jù)國際可再生能源機(jī)構(gòu)（IRENA）發(fā)布的《全球能源轉(zhuǎn)型2050》的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，2050年全球光伏裝機(jī)量達(dá)到8519GW，風(fēng)電裝機(jī)量達(dá)到6044GW。（2）政策端引領(lǐng)國內(nèi)新能源高比例并網(wǎng)，促進(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能高速發(fā)展根據(jù)“十四五”國家對(duì)風(fēng)電裝機(jī)量的規(guī)劃，我國第二批風(fēng)光大基地規(guī)劃落地，總規(guī)模在400GW左右，明確到2025年，煤炭占比將從2020年的63.4%降低到48.8%。最新《大型風(fēng)電光伏基地規(guī)劃布局具體方案措施》中明確十四五末裝機(jī)具體任務(wù)，形成明確指導(dǎo)。此次新的風(fēng)光大基地規(guī)劃主要是上調(diào)了十五五期間的建設(shè)規(guī)模，上調(diào)了55GW，相當(dāng)于每年上調(diào)了11GW左右的裝機(jī)規(guī)模，對(duì)風(fēng)電光伏產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)進(jìn)一步構(gòu)成利好。
（3）電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模增速為儲(chǔ)能領(lǐng)域第一，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊（全場(chǎng)景應(yīng)用）儲(chǔ)能技術(shù)路線主要包括電化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能。各類儲(chǔ)能技術(shù)性能不同，適用的應(yīng)用場(chǎng)景和領(lǐng)域存在差異。電化學(xué)儲(chǔ)能是支撐能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)。截至2020年底，全球與中國累計(jì)電化學(xué)儲(chǔ)能達(dá)14.2GW（占比7.5%）和3.3GW，同比增長(zhǎng)49.6%和91.2%，當(dāng)年新增4.7GW和1.6GW，同比增長(zhǎng)63.8%和130.7%。電化學(xué)儲(chǔ)能電化學(xué)儲(chǔ)能主要以鋰電池、鉛酸電池、鈉硫電池和全釩液流電池為主。電化學(xué)儲(chǔ)能中鋰離子電池裝機(jī)中占比90%，主要原因是其能量密度、初裝成本、技術(shù)成熟度等方面優(yōu)勢(shì)明顯，更被大眾熟悉。釩液流電池近幾年發(fā)展較快，比鋰離子電池儲(chǔ)能時(shí)間更長(zhǎng)、度電成本更低。
當(dāng)前儲(chǔ)能行業(yè)處于各項(xiàng)技術(shù)共同發(fā)展的階段，還沒有能夠形成絕對(duì)優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)能技術(shù)。目前，抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容等物理儲(chǔ)能技術(shù)，以及鋰離子電池、鉛碳電池、液流電池、鈉硫電池等電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，都各具優(yōu)缺點(diǎn)，不同儲(chǔ)能技術(shù)特性差別顯著，適用范圍也不盡相同。其中，飛輪與超級(jí)電容器儲(chǔ)能更多應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)電壓波動(dòng)較為敏感的精密制造與電力調(diào)頻領(lǐng)域；抽水蓄能以及壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)等主要應(yīng)用于大電網(wǎng)的輸配電環(huán)節(jié)（電化學(xué)儲(chǔ)能中僅釩液流電池適用于大型并網(wǎng)輸配電調(diào)峰、調(diào)頻），而電化學(xué)儲(chǔ)能則主要運(yùn)用于光、風(fēng)發(fā)電等波動(dòng)較大的可再生能源發(fā)電側(cè)、中小型智能變電站和用電側(cè)。（4）電化學(xué)儲(chǔ)能的價(jià)值
2、電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈
（1）發(fā)電側(cè)：未來在光伏風(fēng)電發(fā)電量占比持續(xù)提升下，為防止棄風(fēng)棄光情況惡化和波動(dòng)性電源對(duì)電網(wǎng)的沖擊，配儲(chǔ)滲透率有望提升，拉動(dòng)儲(chǔ)能需求。另一方面，光伏近10年來LCOE降幅81%，目前全球LCOE約為0.35 元/kWh， 已經(jīng)在發(fā)電側(cè)實(shí)現(xiàn)平價(jià)，預(yù)計(jì)2025年可繼續(xù)下降至0.2元/kWh，還有50%空間。新能源發(fā)電成本下降將強(qiáng)化裝機(jī)動(dòng)力，持續(xù)打開儲(chǔ)能配置空間。（2）電網(wǎng)側(cè)：此前火電機(jī)組是調(diào)峰主力，在風(fēng)電光伏并網(wǎng)比例不高時(shí)尚能滿足調(diào)峰調(diào)頻需求。隨風(fēng)電光伏并網(wǎng)量增加，電力系統(tǒng)調(diào)峰能力不足問題凸顯，對(duì)火電深度調(diào)峰、快速爬坡、快速啟停能力要求提升。由于火電機(jī)組頻繁進(jìn)入深度調(diào)峰工作狀態(tài)，大幅調(diào)節(jié)會(huì)降低其使用壽命，增加煤耗，拉低效益。因此需要進(jìn)行靈活性改造，火電機(jī)組自身的出力特性和較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間，限制了其在調(diào)峰時(shí)增大輸出功率的速度，火電+儲(chǔ)能則成為一種有效的解決方案。以廣東某實(shí)際電廠為例，火儲(chǔ)調(diào)頻效果指標(biāo) K 值提升了3倍，帶來更高收益。存量和增量火電均有望拉動(dòng)配儲(chǔ)需求。（3）用戶側(cè)：與日本、德國、澳大利亞等側(cè)重居民側(cè)不同，國內(nèi)市場(chǎng)與美、韓類似，以工商側(cè)儲(chǔ)能為主。國內(nèi)居民側(cè)儲(chǔ)能挑戰(zhàn)較大，主要因?yàn)椋?/span>相比于發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)，2018 年以來國內(nèi)用戶側(cè)儲(chǔ)能收速。國家發(fā)改委于 2018/2020 年發(fā)布的《關(guān)于創(chuàng)新和完善促進(jìn)綠色發(fā)展價(jià)格機(jī)制的意見》《關(guān)于做好 2020 年能源安全保障工作的指導(dǎo)意見》明確指出要加大峰谷電價(jià)實(shí)施力度，運(yùn)用價(jià)格信號(hào)引導(dǎo)電力削峰填谷。預(yù)計(jì)未來部分地區(qū)工商業(yè)峰谷價(jià)差有望進(jìn)一步擴(kuò)大，市場(chǎng)交易機(jī)制被 逐步激活，用戶側(cè)儲(chǔ)能市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力大。2月18日，國家發(fā)改委等多部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于印發(fā)促進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)增長(zhǎng)的若干政策的通知》提出，加快實(shí)施大數(shù)據(jù)中心建設(shè)專項(xiàng)行動(dòng)，實(shí)施“東數(shù)西算”工程。
（1）數(shù)據(jù)中心是標(biāo)準(zhǔn)耗能大戶在數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)從誕生到發(fā)展的十多年時(shí)間里，我國數(shù)據(jù)中心行業(yè)的總耗電量以每年超過10%的速度遞增。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年我國數(shù)據(jù)中心總耗電量達(dá)到了2000億千瓦，占比2.71%。2021年，數(shù)據(jù)再次提升，單以中國電信一家公司為例，2021年數(shù)據(jù)中心耗電達(dá)到56億千瓦，占總耗電量的20%。預(yù)計(jì)到2025年，占比將增加一倍（40%），屬于標(biāo)準(zhǔn)的“能耗大戶”。（2）對(duì)數(shù)據(jù)中心本來說，儲(chǔ)能最直接的功用是：① 作為數(shù)據(jù)中心后備電源。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心需要使用大量的鉛蓄電池作為備用電源，但電池狀態(tài)不可知。而儲(chǔ)能型數(shù)據(jù)中心，電池每天都會(huì)放電，放電后電壓一目了然，很容易判斷電池好壞，有助于及時(shí)剔除不良電池，同時(shí)也省去了每年做假負(fù)載測(cè)試的費(fèi)用。② 可再生能源+儲(chǔ)能系統(tǒng)。作為耗能大戶的數(shù)據(jù)中心一方面竭盡全力壓縮PUE，控制能耗攝取，符合地方的落地要求；截流的同時(shí)，另一面也力求通過多種方式進(jìn)行開源，比如引入光伏等新能源發(fā)電，從絕對(duì)依賴市電供電變?yōu)榭梢宰约航鉀Q部分能耗供給。儲(chǔ)能系統(tǒng)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用可解決供電不平衡問題，能夠起到負(fù)荷調(diào)節(jié)、存儲(chǔ)電量、配合新能源接入等作用。（3）我國的數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能配置現(xiàn)狀目前各種儲(chǔ)能電池都在數(shù)據(jù)源中心中有運(yùn)用：鉛酸電池：目前在大多數(shù)數(shù)據(jù)中心設(shè)施中，鉛酸電池、鉛炭電池仍然是UPS電源常用的儲(chǔ)能設(shè)備。鉛酸電池的優(yōu)勢(shì)在于成熟、成本低、安全性高，但其容量小、重量大、體積大、壽命短等缺點(diǎn)，決定了鉛酸電池在大規(guī)模應(yīng)用上的周期成本劣勢(shì)。鋰離子電池：從目前儲(chǔ)能技術(shù)來看，鋰離子電池?zé)o疑是鉛酸電池的最佳替代品。隨著鋰離子電池在電子消費(fèi)領(lǐng)域、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用普及，鋰離子電池的成本不斷下降，目前新建的如百度數(shù)據(jù)中心等已經(jīng)采用鋰離子電池作為備用電源，而阿里巴巴等已經(jīng)開始購置儲(chǔ)能設(shè)備，在作為備用電源之外，還可發(fā)揮削峰填谷、電力需求響應(yīng)等進(jìn)行電費(fèi)管理、增加收益。不過，在安全性方面，鋰離子電池一直具備一定的隱患。全釩液流電池：全釩液流電池是新型儲(chǔ)能電源，具有能量效率高、充放電性能好、循環(huán)壽命長(zhǎng)、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。中國移動(dòng)襄陽云計(jì)算中心與襄陽大力電工已在共同探討全釩液流電池在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，以推動(dòng)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排。
無錫長(zhǎng)三角數(shù)據(jù)中心綜合能源站
深圳數(shù)據(jù)中心綜合能源站
后續(xù)隨著“東數(shù)西算”推進(jìn)，這種儲(chǔ)能型數(shù)據(jù)中心將越來越多，儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅給數(shù)據(jù)中心供電，還可與可再生能源發(fā)電系統(tǒng)耦合，作為城市的新型融合基礎(chǔ)設(shè)施，向一定區(qū)域范圍內(nèi)（比如園區(qū)、小區(qū)）提供能源、數(shù)據(jù)、云等服務(wù)。
【主流儲(chǔ)能技術(shù)路徑對(duì)比分析】
綜上，與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，全釩液流電池優(yōu)勢(shì)明顯：1、安全性能好。全釩液流電池活性物質(zhì)為金屬釩的水溶液，常溫常壓運(yùn)行，不會(huì)發(fā)生燃耗和爆炸。所以全釩液流電池的安全是一種本質(zhì)安全。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近10年間，全球共發(fā)生32起儲(chǔ)能電站起火爆炸事故。其中，日本1起、美國2起、比利時(shí)1起、中國3起、韓國24起。32起儲(chǔ)能電站起火爆炸事故中25起事故采用三元鋰離子電池；上述32起儲(chǔ)能電站事故中造成人員傷亡的主要有兩起：一起是美國亞利桑那州的公共服務(wù)公用事業(yè)公司（APS）發(fā)生大規(guī)模電池儲(chǔ)能項(xiàng)目（三元鋰電池）爆炸，造成8名消防隊(duì)員受傷。另外一起為4月16日北京國軒福威斯光儲(chǔ)充技術(shù)有限公司儲(chǔ)能電站（磷酸鐵鋰電池）發(fā)生事故，事故造成2名消防員犧牲，1名消防員受傷，電站內(nèi)1名員工失聯(lián)。2、循環(huán)壽命長(zhǎng)。全釩液流儲(chǔ)能電池的充放電循環(huán)壽命可達(dá)20,000次以上，日歷壽命超過20年（一般可達(dá)20-30年），是目前各類二次電池里壽命最長(zhǎng)的。相比鋰電池日歷壽命為5年，通常使用年限為3年，循環(huán)次數(shù)小于5千次，能量密度在3千次以上會(huì)出現(xiàn)明顯衰減。3、資源友好型：全釩液流儲(chǔ)能電池使用的金屬釩為電解液原料。中國是釩資源大國，儲(chǔ)量居世界首位，具有得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢(shì)。4、可循環(huán)使用：電解質(zhì)溶液可循環(huán)使用和再生利用，節(jié)約資源。電池部件多為廉價(jià)的碳材料、工程塑料，使用壽命長(zhǎng)，材料來源豐富，加工技術(shù)成熟，易于回收。鋰電池目前回收利用率低且難度大，成本較高。5、充放電性好：全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)適合大電流快速充放電，具有快速、深度充放電而不會(huì)影響電池的使用壽命的特點(diǎn)，且各單節(jié)電池均一性良好。6、獨(dú)立設(shè)計(jì)佳：全釩液流電池的功率功率和容量相互獨(dú)立，使得設(shè)計(jì)更加靈活。輸出功率范圍：kW～數(shù)百M(fèi)W，儲(chǔ)電容量范圍：10kWh～數(shù)百M(fèi)Wh。另外，在電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)路徑中，與鋰電池相比，根據(jù)公司的測(cè)算，以10MW/40MWh（4小時(shí)系統(tǒng)）為例，客觀考慮兩種技術(shù)路徑的參數(shù)設(shè)定（比如釩液流電池目前的綜合效率為70%，鋰電池目前的綜合效率為85%；每天僅充放電一次等），在生命周期內(nèi)，釩液流儲(chǔ)能電池的度電成本大幅低于鋰電池。
