大规模储能技术——盐穴电池储能技术及发展前景

2.1.4 其他液流电池体系

为追求更加优异的性能，目前，许多液流电池与传统电池相结合的新体系被提出，如金属/空气液流电池[37,38]、液流锂空气电池[39]等。金属/空气电池将气体(氧气或空气)扩散电极用于正极半电池，利用氧和水作为储能活性物质，以提高液流电池的储能密度，缩减储能成本。目前研究较为广泛的包括双功能锌-氧单液流电池、锌-氧单液流电池及钒/空气单液流电池等。液流锂空气电池是在锂空气电池基础上提出的一种新型电池体系，借用电位合适的氧化还原媒介分子，与气体扩散罐中的储能活性物质进行可逆的氧化还原反应。这种设计可以使Li2O2的生成和分解从电池内部转移到气体扩散罐，有效避免了因Li2O2沉积引起的电极的钝化和阻塞问题。这类电池涉及到的是气体的储存，利用盐穴进行储存，类似于利用盐穴储存天然气，需要考虑安全性问题，可借鉴参考压缩空气的储能技术[40]。但是，这类电池技术目前正处在研究的起始阶段，无论是性能指标还是安全性方面，都尚不能满足实际应用的需求，产业化发展仍需要较长的时间。

综上，对于双液流电池而言，储能活性物质为有机物的电池体系因不需要考虑与岩盐的反应问题，表现出较为有利的替代趋势。同样，非水系单液流电池由于采用了有机物作为支持电解质，利用盐穴储存电解液可以借鉴采用盐穴储存液态烃的经验与方法。这两类电池体系的产业化仍需要加强电池关键材料(电解液、电极材料等)及电池结构(循环设计、电堆设计等)的研究，以提高电池的性能、可靠性与安全性。对于固态液流电池及其他空气型液流电池虽然也展现出可利用盐穴进行电解液或气体储存的优势，但这些技术仅仅处于研究的起步阶段，进一步商业化应用仍面临着许多艰巨的挑战。除此之外，大储量电解液的均匀性及电解液中的离子对环境甚至地下水源的污染问题也是需要考虑的关键问题。同时，目前液流电池自身的发展仍存在工作电流密度低、成本高、转化效率低等系列问题。盐穴电池储能技术的进一步发展需要借助于液流电池电极材料创新、隔膜传导选择性提升、电堆结构设计优化等关键技术的突破。

2.2 盐穴储液库

盐穴储液库是盐穴电池系统的核心组成部分，一方面需要考虑电解液与岩盐的反应问题，另一方面，盐穴的密闭性及抗压性也需要考虑在内。此外，盐穴电池工作时，对盐穴中的电解液会有比较频繁的注采频率。因此，注采频率对盐穴稳定运行的影响规律需要进一步研究，以保证盐穴的稳定性与安全性。

2.3 电堆结构设计

盐穴电池系统的电堆结构决定着系统的输出功率，因此，对电堆技术关键材料的研究也是目前液流电池系统领域的一个重要方向。对于一些关键材料及部件如双极板、电极片、离子传导膜及密封件等已具备自主研发的能力。对于大规模盐穴储能系统的建设需要根据电解液的性质针对性的进行电堆结构的关键材料与器件的制备，开发大功率电堆技术，以进一步提高盐穴电池储能系统的能量效率、功率效率与安全性。

3 盐穴电池储能系统发展现状

德国率先开展了盐穴储能电池系统的研究工作。德国能源公司Ewe Gasspeicher  GmbH与耶拿市弗里德里希˙席勒˙耶纳大学合作计划在Jemgum天然气储存设施所在地建造一套全球最大的氧化还原液流电池[41]，即Brine4power。Brine4power电池系统示意如图2所示，该电池系统首次利用地下的巨大盐穴来储存电解液，每个盐穴的容量达到了105m3，因此电池总容量也达到  700 MWh，输出功率亦可达 120  MW，可满足7.5万户家庭的用电需求。2017年11月26日Ewe宣布该项目取得重大突破，耶纳大学科研人员成功研发出一种可回收聚合物，作为盐水电解质的活性分子。团队称，与常规氧化还原液流电解质所采用的重金属/硫酸混合物相比，这些材料更加环保。目前，这种聚合物已经通过了初步测试。Brine4power项目主管Ralf  Riekenberg表示，这说明该项目向制造全球最大电池的目标迈进了一大步，但仍需要进行更多测试，预计该氧化还原液流电池系统会在2023年底投入运营。中国盐穴电池相关研究仍处于起步阶段，盐穴电池储能技术目前在国内尚属空白。

图2 Brine4power电池系统示意图

4 应用前景展望

中国地下盐矿资源丰富，储量超过1万亿吨，且分布范围广，在华东、华北及西北地区，如苏北、苏南、河南、四川、陕西等，均发现了大型盐矿的存在，具备良好的建设地下盐穴储液库的地质条件[40]。中国岩盐开采的规模已超过4000  万吨/年，且以每年10%的速度在递增，形成的溶腔体积达500  万m3/年[42]。目前，中国盐穴资源基本处于闲置状态，利用率普遍较低，已用的盐穴数量仅占总量的0.2%，主要用来储存天然气及石油等战略物资。鉴于目前大部分盐穴处于闲置状态，尚有较大的利用空间，相关的盐业公司也在积极探索盐穴在更多其他方面的应用以提高盐穴资源利用率。国内，在盐穴造腔工艺技术和储库建造技术上已处于领先水平的中盐金坛盐化有限责任公司(中盐金坛公司)，目前正在探索盐穴在新能源领域的储能技术应用。2017年5月27日，国家能源局正式批复中盐金坛公司与清华大学(电机系)合作开展基于盐穴压缩空气储能系统相关工作[42]。作为国家压缩空气储能示范项目，该示范项目一期建设规模为  50 MW的压缩空气储能发电系统，并将结合项目所在区域负荷发展及可再生能源开发情况，构建基于盐穴空气储能发电系统的微电网工程。如前面介绍，德国Ewe  Gasspeicher GmbH能源公司也正在积极筹建盐穴电池储能系统。

作为中国优质的盐穴资源，金坛盐矿埋深800 m～1200 m，盐矿分布面积约60多km2，具有  NaCl含量高、泥盐夹层少、矿层顶底板分布稳定、密封性好等优势，是建造盐穴储气库的优越资源。目前金坛共有空闲盐穴650  万m3，经过改造，这些盐穴可以用于建设盐穴电池。按照2个10 万m3的盐穴电池储能700 MWh的标准计算，金坛目前盐穴总装机容量可以超过20000  MWh。如此巨大的储能容量对于支撑当地电网的调峰需求，促进电力系统经济运行，缓解峰谷差造成的电力供应紧张局面具有重要意义。因此，利用盐穴取代液流电池中的储液罐来制造大规模盐穴电池储能系统，将是盐穴应用于储能领域的另一重要发展。

中国的可再生清洁能源主要分布在西南、西北、东北和华北等地区，由于可再生能源的不稳定性及不可控性等特点，可再生能源发电的并网存在较大问题。中国的能源结构复杂，存在资源分布不均衡的问题，即西北部可再生能源发电量高，但是需求量低，而东部和中部经济较发达地区需求量大，但可再生能源存量低。然而，由于受电网输送及跨区域交易机制的影响，可再生能源的消纳成为目前新能源发展的瓶颈问题。大规模盐穴电池储能技术可以平抑短时间内的波动，帮助可再生能源向电网友好接入，减少弃风、弃光，从而切实提高可再生能源的消纳水平。此外，对于中国传统电力行业而言，电力的生产、传输、配电及使用是同时进行的，因此存在用电高峰时不能及时给负荷供电，用电低峰时又会出现输配电线路利用率低的问题。目前这种传统电网峰谷差问题正呈现出日益增大的趋势。大规模盐穴电池储能技术在用电低谷时进行储能，在用电高峰时释放能量，不仅可以提高输电线路的利用率，在同等输电线路容量的条件下可以满足更高的负荷要求，而且对于冲击性负荷也可以起到很好的削峰填谷作用。虽然目前技术成熟度较高的抽水蓄能技术也可以在一定程度上解决上述问题，但抽水蓄能电站对地理地势条件要求较高，大多数高负荷需求的城市并不存在建设抽水蓄能电站的条件，而且可能还存在生态及移民等问题，其推广应用受到一定的限制。

总之，盐穴电池储能系统具有储能容量大、响应速度快、循环寿命长及成本造价低等优点，是解决弃风、弃光问题，实现可再生能源大规模接入的关键手段，也是解决传统电力削峰填谷，提高传统能源综合利用效率，发展智慧能源与能源互联网的重要支撑技术。同时，盐穴电池储能技术的发展还可以提高资源整合度，充分利用高负荷需求地区丰富的盐穴资源，克服其他储能技术的高成本及规模化建设等问题，实现可再生能源与盐穴资源的综合高效利用。

5 结语

液流电池因为功率输出与能量储存分别独立设计的特点，在大规模储能方面具有显著优势。而利用天然体积巨大的盐穴进行电解液储存，设计盐穴电池储能系统，不仅可以低成本的制备大规模储能电池，而且可以提高地上空间利用效率。中国盐矿资源丰富，分布范围广，随着利用盐穴储气、储油技术的推广，溶腔造穴的技术也日益成熟，为开展盐穴电池储能技术的发展提供了有利条件。随着技术的发展及规模化储能的迫切需求，大规模、高效率液流电池的产业化与大规模应用已迫在眉睫，这也必将带动盐穴电池储能技术的发展。

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