9熊斌宇-全钒液流电池储能系统产业发展与关键问题.pdf

全 钒 液 流 电 池 储 能 系 统产 业 发 展 与 关 键 问 题Development of Vanadium Flow Battery Energy Storage System and its Key Problems熊斌宇汇 报 人 2019年4月25日时 间 武汉理工大学自动化学院单 位 1 邮箱bxiong2whut.edu.cn手机/微信号86 13657107813n 多物理场模型 电化学模型 热模型 电热耦合模型n 液流电池状态估计 SOC SOP SOH n 储能系统优化配置 储能容量配置 调峰分析 调频分析 调压分析n 容量衰减机理研究 容量衰减模型 寿命预测技术 在线监测技术n 运行优化策略 流速优化 充放电优化 电堆结构优化2018.08-至 今，武汉理工大学，自动化学院电气工程系，副教授2016.07-2018.07，武汉理工大学，自动化学院电气工程系，讲师2011.08-2016.07，新加坡南洋理工大学，电气工程， 博士，导师赵吉运, 王鹏2010.08-2011.07，新加坡南洋理工大学，电气工程， 硕士，导师罗方林2006.09-2010.06，武汉大学，电气工程及其自动化，学士 123 储能技术与现状全钒液流电池储能系统产业发展与关键问题 2 01 储能技术与现状1.1 背景 - 储能意义1.2 储能技术路线与应用场景1.3 储能技术市场应用1.4 电化学储能技术市场应用现状1.5 电化学储能技术发展路线图1.6 电化学储能技术发展路线图1.7 液流电池技术比较 3 1.1 背景 - 储能意义 4 图 1 储 能 技 术 应 用 场 景 比 较 1.2 储能技术路线与应用场景 5 1.3 储能技术市场应用 抽 水 储 能91 热 储 能6 电 化 学 储 能3机 械 储 能0其 他9抽 水 储 能 热 储 能 电 化 学 储 能 机 械 储 能图 2 全 球 储 能 装 机 容 量 （ 2016年 ， 美 国 DOE数 据 库 ）抽 水 蓄 能 仍 占 绝 对 主 导 地 位 （ 91） ， 热 储 能 占 6， 电 化 学 储 能 占 约 3。 抽 水 蓄 能 装 机 份 额 从 2011年 98降 至 2016年 91， 预 计 未 来 将 大 幅 下 降 。 6 5 9 6 .9 6 8 7 .2 8 9 3 .5 1 2 7 2 .3 2 0 1 2 .5 2 9 2 6 .6 3 6 2 3 .71 7 8 2 3 0 1 5 5 3 0 1 4 1 5 3 0 4 2 5 8 4 5 2 4 -5 0 .0 0 0 .0 0 5 0 .0 0 1 0 0 .0 0 1 5 0 .0 0 2 0 0 .0 0 2 5 0 .0 0 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 9 2 0 1 0 2 0 1 1 2 0 1 2 2 0 1 3 2 0 1 4 2 0 1 5 2 0 1 6 2 0 1 7 2 0 1 8 全 球 已 投 运 电 化 学 储 能 项 目 的 累 计 装 机 规 模 （ 2000-2018） 装机规模（MW）年增长率 1.4 电化学储能技术市场应用现状 7 1.5 电化学储能技术发展路线图 图 3 中 国 储 能 技 术 发 展 路 线 图 （ 电 化 学 储 能 部 分 ） 8 9 1.6 电化学储能技术参数比较能 量 密 度 功 率自 放 电充 放 电 循 环 次 数铅 碳 电 池 液 流 电 池 钠 硫 电 池 锂 离 子 电 池商 业 化 安 全 性 电 池 回 收度 电 成 本建 设 成 本类 型 能 量 密 度 Wh/kg功 率 密 度 W/kg 放 电 时 间 循 环 参 数 单 价 自 放 电 效 率 循 环 效 率 per kW per kWh per kWhsingletrip铅 碳 电 池 2550;75300 sh 0.10.3 75-85 300600 200400 20100锂 离 子 电 池 75200;5002000 minh 0.10.3 85-97 12004000 6002500 15100液 流 电 池 1030;80150 minh Low 70-85 6001500 1501000 580钠 硫 电 池 150240;150230 sh ≈20 75-90 10003000 300500 820 1.7 液流电池技术比较 10标 准 电 极 电 势 电 对 电 解 液 组 成 电 极 反 应 满 充 时 开路 电 压 /V 技 术 特 征Fe-Cr 负 极 CrCl3溶 液正 极 FeCl2溶 液支 持 电 解 液 HCl 正 极 Cr3  Cr2 - e负 极 Fe2  Fe3 e 1.18 1 Cr2 Cr3 逆 反 应 活 性 低 ;2 Cr2 / Cr3可 逆 性 低Fe-Ti 负 极 TiCl3溶 液正 极 FeCl3溶 液支 持 电 解 液 HCl 正 极 Ti4Ti3- e负 极 Fe2  Fe3 e 1.19 1 Ti3存 在 沉 淀2 Ti3/Ti4可 逆 性 低All vanadium Vanadium sulfate solution in both half-cells支 持 电 解 液 H 2SO4 正 极 V3V2- e负 极 VO2H2OVO22H e 1.25 1 负 极 电 极 的 溶 解 度 低 ;2 VO2存 在 沉 淀 ;3 反 应 时 的 温 度 范 围 较 小V-Br2 VBr3 HBr solution in both half-cells支 持 电 解 液 HCl 正 极 V3V2- e负 极 3Br-Br-32e 1.40 1 活 性 材 料 存 在 污 染 ;2 Br2存 在 毒 性Na2Sx-Br2 负 极 Na2Sx溶 液正 极 NaBr溶 液 正 极 x1Sx2-xSx12--2e负 极 3Br-Br-32e 1.54 1 Sx2-/Sx12-可 逆 性 低 ;2 硫 元 素 存 在 沉 淀 ;3 Br2存 在 毒 性 ;4 活 性 材 料 存 在 污 染V-Ce 负 极 Ce3溶 液正 极 V3溶 液支 持 电 解 液 H 2SO4 正 极 V3V2- e负 极 Ce3  Ce4 e 1.50 1 Ce3 /Ce4可 逆 性 低2 O2可 能 引 起 副 反 应3活 性 材 料 存 在 污 染Fe-V 负 极 Fe2 V3 solution in both half-cells支 持 电 解 液 HCl 正 极 V3V2- e负 极 Fe2  Fe3 e 1.02 单 电 池 的 电 势 偏 低 1.7 液流电池技术比较 11 表1 液流电池类型比较 02 全钒液流电池储能系统2.1 全钒液流电池储能系统原理2.2 全钒液流电池电堆结构2.3 全钒液流电池储能系统结构图2.4 全钒液流电池特点2.5 全钒液流电池储能系统发展历程2.6 全钒液流电池电堆规模发展 12 arg2 -2 2arg 2ch edisch eVO HO VO H e     arg3 2argch edisch eV e V   正极反应 负极反应全钒液流电池是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。 图4 全钒液流电池原理图 2.1 全钒液流电池储能系统原理 13 14 2.2 全钒液流电池电堆结构电堆由端板、双极板、集流板、石墨毡、离子交换膜、密封圈等组成。 图5 全钒液流电池电堆结构图 2.3 全钒液流电池储能系统结构图 15图6 全钒液流电池储能系统结构图 16 安全性好 电解液为钒离子的水溶液，不燃烧、不爆炸 热量可以有效排出，热管理简单 单体电池间一致性好寿命长 充放电过程中，电极材料只提供界面，不参与反应，可长期保持稳定状态 深充深放对电池性能无不利影响 温度对容量造成的影响是可恢复的2.4 全钒液流电池特点安全性好设计灵活 容量和功率独立设计，满足不同应用需求 安全性好容量可恢复 可逆 17 UNSW 1KW钒 电 池 电 堆10kW电 堆 ,大 连 融 科 ， 中 国NASA L.H. Thaller 提出 Fe/Cr 液流电池 UNSW Maria Skyllas-Kazacos 首 次 申 请 VRB专 利NEDO 提 出 了 ‘Advanced battery electric power storage system’项 目2.2kW/12kWh, Thailand, 199333kW电 堆 ,大 连 融 科 ， 中 国2.5 全钒液流电池储能系统发展历程 高 功 率 密 度 电 堆 18 单 电 堆 规 模 1kW 2kW 3kW 12.5kW 18.75kW建 设 时 间 UNSW 1991 Kashima-kita 1993 UNSW 1995 Kashima-kita 1997 SEI 1996电 极 面 积 /cm2 1500 600 4000 5000 8 3单 电 池 数 10cells 30cells 19cells 2stacks 21cells 2substacks 8stacks 60cells 8series 3modules膜 材 料 Selemion CMV Asahi Glass Anionic plysulfone Ion exchange membraneAsahi Glass Selemion AMV Asahi Glass Anionic plysulfone Ion exchange membraneAsahi Glass Negative Ion exchange membrane电 极 材 料 Carbon felt XF308 Carbon felt Graphite feltConducting plastic electrodes Carbon fiber Double layer electrode Carbon felt放 电 电 流 /A 20120 3072 40120 320400 1000最 大 功 率 /kW 1.58 2.6 3.2 200 450电 解 液 1.5mol/L Vanadium sulphate2.6mol/L H2SO4V4 2.0mol/L Vanadium sulphate2.0mol/L H2SO4V4 2.0mol/L Vanadium sulphate2.6mol/L H2SO4V4 1.8mol/L Vanadium sulphateV4 1.0mol/L Vanadium sulphateV4电 解 液 体 积 /L 12 250 332 20000 库 伦 效 率 /％ 92.699.0 91.098.0 82.696.4 93 96.7电 压 效 率 /％ 73.295.0 80.086.0 79.899.2 86 85.1能 量 效 率 /％ 71.988.0 80.082.0 76.180.9 80 82.3 2.6 全钒液流电池电堆规模发展表2 电堆规模发展 03 产业发展与关键问题3.1 装机容量与市场规模3.2 全钒液流电池储能项目3.3 全钒液流电池专利情况 3.4 研究机构与公司3.5 关键问题3.6 离子交换膜种类和特性3.7 电解液成分3.8 建模问题3.9 运行优化问题3.10 商业化挑战 19 20 3.1 装机容量与市场规模 累 计 电 化 学 储 能 装 机 规 模 MW 40.7 44.2 71.3 132.3 164.1 268.9 389.8钒 电 池 储 能 累 计 装 机 规 模 MW 3 3.6 8.6 10.2 11.5 12.6 15.6钒 电 池 储 能 累 计 装 机 占 比 7.37 8.14 12.06 7.71 7.01 4.69 4.212011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 0.002.004.006.008.0010.00 12.0014.00050100150200250300350400450 钒 电 池 装 机 市 场 规 模 万 元 560 1140 11000 3328 2574 2032 5136钒 电 池 产 值 万 元 700 1796 13665 4160 3178 2032 61212011 2012 2013 2014 2015 2016 2017020004000600080001000012000 1400016000 98 197 507 1288 3311 6154138031892917630129601608923196307532337019660 0500010000150002000025000 3000035000 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017中 国 新 增 装 机 量 MW 2011-2017年 中 国 钒 电 池 装 机 容 量 及 占 比 电 化 学 储 能 装 机 比 重 情 况 2011-2017年 我 国 钒 电 池 装 机 市 场 规 模 与 产 值 统 计 2003-2017年 中 国 风 力 发 电 新 增 装 机 容 量 统 计4381.9 4934 5029.5 5713.4 6074.5 6125.7 6401.8 6428.2 010002000300040005000 60007000 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017钒 矿 矿 产 查 明 资 源 储 量 万 吨 2010-2017年 全 国 钒 矿 矿 产 查 明 资 源 储 量 21 3.2 全钒液流电池储能项目公司名称 项目名称 规模 国家 年份日 本 住 友 北 海 道 可 再 生 能 源 并 网太 阳 能 发 电 并 网 储 能太 阳 能 发 电 /储 能 实 验风 力 发 电 平 滑需 求 侧 管 理 15 MW/60 MWh500 kW/3 MWh2 kW/10 kWh170 kw/1020 kWh120 kw/960 kWh 日 本 20152014201220052005北 京 普 能 国 家 电 网 张 北 风 光 储 联 合 发 电韩 国 提 高 发 电 量 与 电 网 利 用斯 洛 伐 克 提 高 发 电 量 与 电 网 利 用湖 北 枣 阳 光 储 用 项 目 2 MW/8 MWh100 kW/200 MWh100 kW/200 MWh3MW/12 MWh 中 国韩 国斯 洛 伐 克中 国 2012201220122011大 连 融 科 宁 夏 嘉 泽 微 电 网北 京 八 达 岭 微 电 网大 连 博 融 检 测 中 心 微 电 网锦 州 国 电 和 风 风 电 场 储 能大 连 液 流 电 池 储 能 调 峰 电 站 125 kW/625 kWh600 kW/2400 kWh60 kW/240 kWh2.0 MW/4 MWh200MW/800MWh 中 国 20152015201520142017Gildmeister 德 国 Pellwove岛 ， 可 再 生 能 源偏 远 地 区 供 电 200 kW/1.6 MWh80 10 kW 德 国 201320022014UniEnergy 美 国 华 盛 顿 州 可 再 生 能 源 储 能美 国 华 盛 顿 州 变 电 站 储 能 2 MW/6.4 MWh1 MW/3.2 MWh 美 国 2015Vanadis 可 再 生 能 源 储 能德 国 微 电 网 250 kW/1 MWh250 kW/1 MWh 德 国 2014表3 全钒液流电池储能项目 22 3.3 全钒液流电池行业标准标 准 编 号 标 准 名 称 类 型 状 态 国 别GB/T 34866-2017 全 钒 液 流 电 池 安 全 要 求 国 家 标 准 现 行 中 国GB/T 32509-2016 全 钒 液 流 电 池 通 用 技 术 条 件 国 家 标 准 现 行 中 国GB/T 29840-2013 全 钒 液 流 电 池 术 语 国 家 标 准 现 行 中 国NB/T 42145-2018 全 钒 液 流 电 池 安 装 技 术 规 范 行 业 标 准 现 行 中 国NB/T 42133-2017 全 钒 液 流 电 池 用 电 解 液 技 术 条 件 行 业 标 准 现 行 中 国 NB/T 42134-2017 全 钒 液 流 电 池 管 理 系 统 技 术 条 件 行 业 标 准 现 行 中 国NB/T 42144-2018 全 钒 液 流 电 池 维 护 要 求 行 业 标 准 现 行 中 国IEC 62932-1 Terminology and General Aspect of Flow Battery IEC标 准 现 行 美 国IEC 62932-2-1 Flow Battery Systems for Stationary Applications-Part2-1 Performance General Requirements Methods of Test IEC标 准 现 行 美 国IEC 62932-2-2 Flow Battery Systems for StationaryApplications-Part 2-2Safety Requirements IEC标 准 现 行 美 国表4 全钒液流电池行业标准 23 81016262764 135 213 308 362 1315 0 200 400 600 800 1000 1200 1400德 国荷 兰中 国 台 湾澳 大 利 亚印 度欧 洲韩 国WO 日 本美 国中 国 专 利 数 量 /件 液流电池专利受理量居前10位的国家/地区 全钒液流电池专利年分布-中国3.3 全钒液流电池专利情况 3 4 8 13 32 36 78 63 67 83 72 113 115 128 020406080 100120140 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 201859 27 26 20 14 12 12 12 12 11 11 10 9 8 7 7 7 7 7 7 6 6 6 6 5 5 5 5 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 3 010203040506070 清华大学 中国科学院大连化学物理研究所 中南大学 华北电力大学 南京南瑞集团公司 解放军防化研究院 大连融科储能技术发展有限公司 合肥工业大学 湖南农业大学 中国电力科学研究院 上海交通大学 沈阳建筑大学 华中科技大学 沈阳工程学院 中国工程物理研究院电子工程 河北省承德万利通实业集团有 中国东方电气集团公司 四川大学 浙江工业大学 上海电力学院 北京化工大学 上海电气集团股份有限公司 攀枝花钢铁集团钢铁研究院 沈阳工业大学 攀枝花学院 中国科学院金属研究所 天津工业大学 沈阳理工大学 湖南大学 淡马锡理工学院 华北电力科学研究院有限责任 内蒙古工业大学 承德石油高等专科学校 中国科学院化学研究所 北京科技大学 上海电力股份有限公司 大连理工大学 西南交通大学 辽宁省电力有限公司 华南师范大学 24 3.4 研究机构与公司u 科研机构 University of New South Wales, Australia Pacific Northwest National Laboratory 西北太平洋国家实验室 中国科学院大连化学物理研究所 中国工程物理研究院 中国电力科学研究院 清华大学 中南大学 华北电力大学u 主要公司 大连融科储能有限公司 Sumitomo Electric Industries,日本住友 Japan Gildemeister，奥地利 Prudent Energy 中国普能 China UniEnergy Technologies ，美国 Vanadis Power，德国 Fraunhofer，德国 25 3.5 关键问题材料问题u 电解液稳定性和溶解性。低溶解度导致能量密度较低。u 离子交换膜 稳定性，耐久性，选择性，成本。u 高内阻电极/双极板、石墨毡和液流管道的高内阻增加产热、降低系统效率。 建模问题u 漏电流建模u 热模型u 电气模型运行优化问题 u 流速优化u 电堆结构优化u 效率与寿命优化 商业化挑战u 原材料价格高涨u 相对较低的循环效率u 缺乏相应的市场激励机制 26 3.6 离子交换膜种类和特性类 型 名 称 厚 度μm 吸 液 性 公 司 导 电 性mScm-1 成 本 全 氟 磺 酸 膜 NR 211 25 40 Innershield - 2001000m −2NR 212 50 47 70N 112 50 44.1 DuPont 102N1135 88 32.5 98N115 127 32.1 100N117 183 34.1 96全 氟 磺 酸 复合 膜 ND 183 34.6 - 95AHA 203 27.7 - 35Celgard 60 80 Celgard 49ZNM-5 120 34.1 - 96P/N 45 24.9 - 71阴 离 子 交 换膜 HSPAEK 60 38.5 HSPAEK 33.4 -两 性 离 子 交换 膜 N/SiO 2 188 35.1 - 79.5 - 表5 离子交换膜类型 27 电 解 液 成 分 发 明 时 间 电 解 液 体 积 /L 最 大 功 率 /kW1.5mol/L Vanadium sulphate2.6mol/L H2SO4V4 UNSW 1991 12 1.582.0mol/L Vanadium sulphate2.0mol/L H2SO4V4 Kashima-kita 1993 250 2.62.0mol/L Vanadium sulphate2.6mol/L H 2SO4V4 UNSW 1995 332 3.21.0mol/L Vanadium sulphateV4 SEI 1996 4501.8mol/L Vanadium sulphateV4 Kashima-kita 1997 20000 2002.53.0mol/L Vanadium sulphateV4 Liu Li 2011 320 3.7 电解液成分 表6 电解液成分 28 3.8 建模问题 漏电流建模 电热耦合模型 29 3.9 运行优化问题电堆流场设计流速优化