您的位置 首页 产业

《马一峰 能源前沿报告》13 液流电池:如何打破传统电池储能局限?

上一讲我们讲了二氧化碳加氢制汽油技术,它能将风光能源转换成汽油这种有机液体。它解决的是新能源存储和运输难题。这一讲,我带你关注一种新的电化学储能技术,它就是液流电池。

之所以叫液流电池,是因为它把能量存储在电解质溶液里,这是一种液体,而常见的锂电池、铅蓄电池等,能量主要储存在固体的电极材料中。

在过去很长时间内,液流电池都比较冷门,应用也很少。主要原因是,它的能量密度小,占地大。比如,和锂电池相比,要存一样的电,液流电池的体积一般要比锂电池大5倍以上,用起来很不方便。有一个数据,2021年底,液流电池在我国电池储能中的占比很低,只有2.9%。

不过,我一直很关注这个小众的电池技术,特别是2022年,液流电池有了很大的应用突破,值得讲给你听听。什么突破呢?2022年5月,在辽宁大连,有一座大型的全矾液流电池储能电站,一期工程迎来了并网投运。这里的钒,指的是电解质溶液的主要成分。

说它是个重要突破,主要因为规模前所未有。我带你看一个数据,它设计的储电规模达到800兆瓦时。也就是说,投运后,充满一次,能储存80万度电,这相当于4000个家庭一个月的用电量,目前是全球最大的液流电池储电站。放在整个电池储能看,也算得上佼佼者。要知道,国内最大的锂离子电池储能电站,容量也只有20万度电左右,只有它的1/4。

除了规模大,这个项目还有一个特点,它是国家能源局批复的首个国家级大型化学储能示范项目。一般的储能电站,达不到国家能源局来批复,这能说明它的重要性。如果进展顺利,后期的推广不是难题,这是一个重要信号。

讲到这里你可能会疑惑,液流电池储能密度小,这对电池来说是个很大的劣势。那么,国家投资这么大去建设这个示范项目,到底是看中它什么优势呢?下面我就来讲讲。

现在的储能电站中,电池储能是主力。其中,90%以上用的又是锂电池。不过,之前我们讲到过,锂的原料是有局限的。我国锂矿要大量进口,价格和来源都不可控。如果储能电站太依赖锂电池,就会受到限制。

除了原料问题,电池储能还有一个局限,就是寿命问题。我们知道,锂电池能量密度高,但有一个非常大的缺点,就是充放电循环的次数很少,不耐用。这一点,相信你也有感受,手机用久以后,耗电就特别快。

这主要是因为锂电池的能量,主要靠金属锂存储。在每次充放电,锂离子会发生固相反应,就是会生成固体物质。这很 容易导致损耗,久而久之储电容量就下降了。

目前质量好的锂电池,充放循环次数约4000~5000次。也就是说,假如每天满充满放一次,差不多能用10来年。10年听起来很长,对于电站来说,其实不是最理想的选择。比如抽水蓄能电站的设备一次投入,寿命一般都能长达20年甚至50年以上。有数据显示,电池储能电站的储电成本,比抽水蓄能高出一倍以上。

不光锂电池不耐用,常见的储能电池,比如铅蓄电池、镍氢电池,还有2021年很火的钠离子电池,寿命还不如锂电池。使用寿命短,其实是个局限。

除了这个,传统电池单次供电时长也比较短。当电池充满电后,能为电网持续供电的时间不长。这个平均时长只有1-4个小时。现在风光电还不是主力,还够用,但未来就不一定了。

为什么呢?我们做个思想实验。假设未来某地方的电力100%来自太阳能,但太阳能每天只能发电8小时,这意味着一天24小时中,有16个小时的供电必须完全依靠储能电池。如果你的供电时长只有4个小时,那就有12个小时无电可用。所以,如果要大规模使用新能源的电力,现在的电池储能就很容易引发电力短缺。

那么,是不是技术突破了,供电时长就能延长呢?还真不是。要想增加锂电池的储电容量,现在能找到的方法就是增加锂的含量。但锂是一种非常易燃易爆的金属,含量越高,安全风险就越大。你也可能听说过,电动汽车中三元锂电池要比磷酸铁锂更不稳定,主要就是锂的含量更高。所以,有时技术也很难补足材料本身的短板。

那储能电站面对传统电池的局限,该怎么打破呢?不是说液流电池能量密度不高吗,它能解决这些问题吗?我们就接着讲。

液流电池能量密度不高,但是寿命长。一般能长达20年以上,与锂离子电池的10年相比,就很划算了,投入一次,两倍收获。

这么耐用,跟它的储能原理有关。常见的液流电池有两个装电解液的储罐,还有一个电堆。储罐有点像汽车的油箱,电堆就像发动机,油箱负责储能,发动机负责能量转换。当电解液进入电堆后,会发生反应,就可以充电放电了。

本质上,液流电池的能量是存在电解液里的,电解液是液体,它不会发生锂电池那种固相化学反应。有了这个特点,损耗就很少。按照一天充放循环一次算,可以充1万次。使用寿命长,是液流电池最突出的优点了。

有人也会质疑,液流电池前期投入成本应该很高,算下来划算吗?确实,现阶段是比锂电池更贵。但看一个技术的前景,我们要它的成本降低空间,特别是那些能靠技术、规模化来降低的成本。

比如,锂电池的寿命,靠技术进步和商业化都很难再提升了。液流电池不一样,它的空间就比较大。我看到,有科学家已研制出可循环充放2万次的液流电池,理论上算下来可以用40年。这个空间还是很可观的。

好,讲完寿命,我们再来看供电时长。这方面液流电池表现也不错,单次供电时长能到4小时以上,有的甚至能到10小时以上。也就是说,10小时的电是稳定的,这对未来大量使用新能源的电网来说,就很友好了。

这个优点也和它是“液流”有关。液流电池要增大储电容量,只需大量增加电解液,也不用担心安全问题。因为电解液中常用的储能物质,比如钒、铁、铬等元素,都是非易燃的。这个电解液还是水基的,散热效果很好,所以电解液多一点也没关系。

好,除了安全,还有一点很重要,钒、铁、铬这些储能物质,我国的储量比较大。比如,全球已探明的钒矿储量2200万吨,我国就占到950万吨,占比43%。而铁和铬,资源量就更多了,而且价格还便宜。有数据显示,铁铬液流电池关键原料的价格,不到锂电池的1/10。所以,液流电池不会在原料上被“卡脖子”。

这里想补充一点,液流电池这个技术是美国、日本先搞起来的,不过现在交换膜、电堆、电解液,这些关键设备,我们基本已实现国产化。也可以说,不用担心在技术上被“卡脖子”。

好,讲了优势,你可能会问,液流电池能量密度小的问题该怎么解决呢?

这就要回答另一个关键问题了。和手机、电动车不一样,储能电站对能量密度并没有那么高的要求。因为电池储能电站,一般都是建在空旷的地方,比如沙漠或者城市的郊区。在这些地方,电池能量密度小一点没关系,电站可以建大一点。相比能量密度,对于电站来说,电池寿命、供电时长就更重要了。你只有耐用,并且稳,才能更高效做好电网调峰。

讲到这里,也能回答为什么之前液流电池不受关注。因为以前电池的应用场景中,主要是手机、电动汽车,它们对电池的要求当然是体积越小越好。这个时候,液流电池不可能有竞争优势。

现在不一样了,新能源发电增多,电力系统需要新建大量储能电站。哪种电池调峰能力强、储电能力强,哪种电池就更有竞争优势。这个时候,液流电池的短板反而没那么突出了。

近些年,特别是从2021年开始,一些地方政府都开始发出硬性要求,风光电站必须要配置10%~20%的储能装置,并且供电时长要在4小时以上。以前是没有这个要求的,现在就不行了。一些好的锂离子电池,有的能突破4小时,不过代价比较高。要达到这个要求,液流电池成了一个很好的选择。

近年来,液流电池的项目确实也多了起来,除了开头提到的大连钒液流储能电站。我还观察到,有不少企业、地方政府都在加速布局液流电池项目。比如2021年9月,在湖北襄阳,一个100兆瓦的全钒液流电池储能电站开工了;2022年2月,国家电投的“容和一号”铁铬液流电池的第一条量产产线投产;还有2022年冬奥会电力保障用的备用电源,也是液流电池。

你看,液流电池是有短板,不过我的长板够长,这才能赶上储能赛道的机遇期。这就是场景适配的重要性。你不用样样满分,只要你在合适的时间,找到适合生长的地方就行。

最后,我给你留个问题,你还知道哪些适用于特定场景的电池技术吗?欢迎留言给我。

热门文章

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。