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铁铬液流电池的原理示意图见图1。
图1 铁-铬液流电池基本原理图
铁-铬液流电池与其他电化学电池相比,具有明显的技术优势,具体优点如下。
(1)循环次数多,寿命长。铁-铬液流电池的循环寿命最低可达到10000次,与全钒液流电池持平,寿命远远高于钠硫电池、锂离子电池和铅酸电池。
(2)无爆炸可能,安全性高。铁-铬液流电池的电解质溶液采用水性溶液,没有爆炸风险。且电解质溶液储存在两个分离的储液罐中,电池堆与储液罐分离,在常温常压下运行,安全性高。
(3)电解质溶液毒性和腐蚀性相对较低,稳定性好。铁-铬液流电池的电解质溶液是含铁盐和铬盐的稀盐酸溶液,毒性和腐蚀性相对较低。
(4)环境适应性强,运行温度范围广。相比其他液流电池,铁-铬液流电池的运行温度更加宽,电解质溶液可在-20~70 ℃全范围启动。
(5)储罐设计,无自放电。电能储存在电解质溶液内,而电解质溶液存储在储罐里,因此不存在自放电现象,尤其适用于做备用电源等。
(6)定制化设计,易于扩容。铁-铬液流电池的额定功率和额定容量是独立的,功率大小取决于电池堆,容量大小取决于电解质溶液,可以根据用户需求进行功率和容量的量身定制。在对功率要求不变的情况下,只需要增加电解质溶液即可扩容,十分简便。
(7)模块化设计,系统稳定性与可靠性高。铁-铬液流电池系统采用模块化设计,以250 kW一个模块为例,一个模块是由8个电池堆放置在一个标准集装箱内,因此电池堆之间一致性好,系统控制简单,性能稳定可靠。
(8)废旧电池易于处理,电解质溶液可循环利用。铁-铬液流电池的结构材料、离子交换膜和电极材料分别是金属、塑料(或树脂)和碳材料,容易进行环保处理,电解质溶液理论上是可以永久循环利用的。
(9)资源丰富,成本低廉。电解质溶液原材料资源丰富且成本低,不会出现短期内资源制约发展的情况。铁-铬液流电池的电解质溶液原材料铁、铬资源丰富,易获取,成本低,因而是可持续发展的储能技术。
铁-铬液流电池与其他电化学电池的技术对比见表1,关键原材料的储量及价格对比见表2。
表1 铁-铬液流电池与其他电化学电池技术对比表
注:①年产能300 MW的估算结果。
表2铁铬液流电池与其他电化学电池关键原材料对比表
注:①数据来源于USGS(美国地质勘探局)2018年报告;②关键原材料价格为2019年2月14日价格。
2 铁铬液流电池研究进展
目前,国家电投集团科学技术研究院有限公司正在建设国内首座百千瓦级铁-铬液流电池储能示范电站。系统额定输出功率250 kW,容量1.5 MW·h,由8个31.25 kW的电池堆,以及相应的电解液储罐、电解液输送泵、交直流转换器、控制系统、测量元器件以及管道阀门组成。示范电站的设计参数如下文所述。
电池堆是铁铬液流电池储能系统的核心部件,由多个单电池以叠加的方式组合而成(电池堆工作原理图如图2所示)。250 kW/1.5 MW·h铁-铬液流电池储能示范电站采用8个额定输出功率31.25 kW的电池堆。2019年11月,由国家电投集团科学技术研究院有限公司研发的首个31.25 kW铁-铬液流电池电堆(“容和一号”)成功下线,经测试,性能指标满足设计参数要求。示范项目的其他电池堆正在开展组装及测试工作。
图2电池堆工作原理图表3250 kW/1.5 MW·h铁-铬液流电池储能示范项目设计参数
同时,示范项目现场也正在开展土建施工和设备安装等工作。示范项目将于2020年完成调试并投入运行。示范项目的建成,将是国内首座百千瓦级铁-铬液流电池储能示范电站,对铁-铬液流电池技术的推广应用将起到积极的示范作用。随之而来的大规模商业应用和推广,必将为储能领域带来一种新的技术创新和突破,也将有力促进储能技术的应用和发展,为国家储能战略提供一条更加可靠、经济和安全的技术路线。
在开展示范项目建设的同时,国家电投集团科学技术研究院有限公司也正在开展新一代铁-铬液流电池技术的研发工作。新一代的铁-铬液流电池技术将进一步提高电流密度,降低度电成本,从而具有更好的市场竞争力。
3 结 论
随着中国能源结构的转型和调整,为储能提供了巨大的市场空间,储能面临的是前所未有的机遇和爆发式的需求增长。
在众多的储能技术中,铁-铬液流电池是一种极具发展潜力的大规模储能技术,具有效率高、循环寿命长、使用温度范围大、功率模块化、容量可定制化、安全性高、环境友好、成本低等优点,能够广泛应用在发电侧、电网侧和用户侧,从提供短时间的调频、提高电能质量到长时间的削峰填谷、缓解输电线路阻塞,能够提供能量的时空转移,是解决大规模新能源发电并网所带来的问题和提升电网对其接纳能力的重要措施。
国家电投集团科学技术研究院有限公司正在建设国内首座百千瓦级铁-铬液流电池储能示范电站,对铁-铬液流电池技术的推广应用将起到积极的示范作用。随之而来的大规模商业应用和推广,必将为储能领域带来一种新的技术创新和突破,也将有力促进储能技术的应用和发展,为国家储能战略提供一条更加可靠、经济和安全的技术路线。
引用本文: 杨林,王含,李晓蒙等.铁-铬液流电池250 kW/1.5 MW·h示范电站建设案例分析[J].储能科学与技术,2020,09(03):751-756.
YANG Lin,WANG Han,LI Xiaomeng,et al.Introduction and engineering case analysis of 250 kW/1.5 MW·h iron-omium redox flow batteries energy storage demonstrationpower station[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(03):751-756.
第一作者:杨林(1981—),男,博士,高级工程师,研究方向为储能技术,E-mail:yanglin@spic.com.cn。
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