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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Ø 电化学模型Ø 热模型Ø 电热耦合模型n 液流电池状态估计Ø SOCØ SOPØ SOH n 储能系统优化配置Ø 储能容量配置Ø 调峰分析Ø 调频分析Ø 调压分析n 容量衰减机理研究Ø 容量衰减模型Ø 寿命预测技术Ø 在线监测技术n 运行优化策略Ø 流速优化Ø 充放电优化Ø 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 kWh·singletrip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 Ø 电解液为钒离子的水溶液，不燃烧、不爆炸Ø 热量可以有效排出，热管理简单Ø 单体电池间一致性好寿命长 Ø 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Ø 深充深放对电池性能无不利影响Ø 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 Ø 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 MW·h500 kW/3 MW·h2 kW/10 kW·h170 kw/1020 kW·h120 kw/960 kW·h 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 MW·h100 kW/200 MW·h100 kW/200 MW·h3MW/12 MW·h 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 kW·h600 kW/2400 kW·h60 kW/240 kW·h2.0 MW/4 MW·h200MW/800MWh 中国 20152015201520142017Gildmeister 德国 Pellwove岛，可再生能源偏远地区供电 200 kW/1.6 MW·h80 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 MW·h1 MW/3.2 MW·h 美国 2015Vanadis 可再生能源储能德国微电网 250 kW/1 MW·h250 kW/1 MW·h 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Ø University of New South Wales, AustraliaØ Pacific Northwest National Laboratory 西北太平洋国家实验室 Ø 中国科学院大连化学物理研究所Ø 中国工程物理研究院Ø 中国电力科学研究院Ø 清华大学Ø 中南大学Ø 华北电力大学u 主要公司 Ø 大连融科储能有限公司Ø Sumitomo Electric Industries,日本住友 Japan Ø Gildemeister，奥地利Ø Prudent Energy 中国普能 ChinaØ UniEnergy Technologies ，美国Ø Vanadis Power，德国Ø 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mS·cm-1 成本全氟磺酸膜 NR 211 25 40 Innershield® - 2001000·m −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