铁-铬液流电池储能技术最新研究进展及应用--国家电投 (1).pdf-solarbe文库

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2023年 5月 www.spic.com.cn 铁 -铬液流电池储能技术最新研究进展及应用北京和瑞储能科技有限公司副总经理和瑞电投储能科技有限公司董事长杨林知识产权声明本文件的知识产权属国家电力投资集团有限公司及其相关产权人所有，并含有其保密信息。对本文件的使用及处置应严格遵循获取本文件的合同及约定的条件和要求。未经国家电力投资集团有限公司事先书面同意，不得对外披露、复制。 Intellectual Property Rights Statement This document is the property of and contains proprietary information owned by SPIC and/or its related proprietor. You agree to treat this document in strict accordance with the terms and conditions of the agreement under which it was provided to you. No disclosure or copy of this document is permitted without the prior written permission of SPIC. 目录 CONTENTS 发电侧储能背景1 铁 -铬液流电池技术3 长时储能技术需求2 发电侧储能背景01 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 5 发电侧储能技术的发展趋势一、发电侧储能背景高安全高安全低成本低成本高可靠高可靠长寿命长寿命适用于大规模应用的电池本体具有本质安全属性原材料价格、供应链完善程度全生命周期的度电成本涉及项目经济性的循环寿命储能系统的循环次数对项目经济性评价影响起到重要作用。涉网性能优运行维护少环境友好度高 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 6 发电侧储能应用的发展趋势储能时长越来越长一、发电侧储能背景 02 长时储能技术需求 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 8 美国国家可再生能源实验室 NREL发布的储能未来研究定义长时储能的挑战研究报告表明  储能消除净负荷的需求，为系统提供更多可靠性；  根据净负荷需求的不同，以及可再生能源规模的不同，所需要的储能功率和时长不同；  更大功率的储能布置，能够消除更多的净负荷需求，同时所需储能时长越长。净负荷 *负荷曲线 -可再生能源出力曲线大规模可再生能源需要长时储能二、长时储能技术需求 ©SPIC 2020. All Rights Reserved. 9 关于推动全区风电光伏新能源产业高质量发展 2022年 3月 7日内蒙古自治区电力源网荷储一体化实施细则（ 2022年版） 2022年 7月 22日内蒙古新疆甘肃河北服务推进自治区大型风电光伏基地建设操作指引 2022年 3月 4日服务推进自治区大型风电光伏基地建设操作指引 2022年 3月 4日 2022年度列入省级规划电网侧独立储能示范项目清单（第一批） 2022年 5月 17日发电侧大型风电光伏基地需要长时储能来实现就地消纳和整体打包外送。新能源配套 4小时以上储能有关政策用户侧在具备条件的工业企业、工业园区挖掘新能源就地消纳的潜力。到“十五五”末，全国将建设 4.55亿千瓦大基地项目其中外送 3.15亿千瓦，本地自用 1.4亿千瓦国家发改委国家能源局关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案 2022年 5月 14日我国储能迈入 4小时以上时代二、长时储能技术需求 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 10 不间断电源电能质量调节备用电源负荷转移大规模电能管理液流电池液流电池钠硫电池钠硫电池锂离子电池锂离子电池飞轮储能飞轮储能高功率电容高功率电容秒级分钟级小时级 1kW 10kW 100kW 1MW 1GW100MW10MW 额定功率高能量电容高能量电容铅酸电池铅酸电池镍氢电池镍氢电池镍镉电池镍镉电池引自 DOE EPRI Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA 压缩空气压缩空气抽水蓄能抽水蓄能  液流电池超长循环寿命、高安全稳定性、绿色环保，是最适合长时储能的技术路线。二、长时储能技术需求 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 11 液流电池应用场景  新能源友好接入平滑功率输出，响应 AGC调度，提高场站并网友好性  大型风电光伏基地储能配套风光大基地一体化建设，增加大基地就地消纳  火储联调提高火电的调频、调峰的能力  孤岛、偏远地区供电光伏＋长时储能系统提供恒定电能供应，减少外接电及柴油发电机的使用  核电安全运行作为应急保障电源，减少调峰  关键节点辅助服务调峰调频、爬坡、电压支撑、黑启动  特高压送受电端调峰提高特高压送受电端本地调峰能力  城市应急备用为城市政府、医院、工业等重要负荷提供应急保障  冶金、钢铁、化工等高耗能行业自备电源的减碳降碳  光储充大容量能量时移  零碳工业园区和物流园区可再生能源就近消纳  数据中心电源可靠性提升  虚拟电厂大容量需求响应  微电网电能质量和快速并离网切换能力提升  石油行业配电网的增容和柴油发电机替代发电侧发电侧电网侧电网侧用户侧用户侧二、长时储能技术需求 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 12 液流电池市场成长空间巨大项目中国市场全球市场 2021年新能源装机规模（ GW） 670 1680 2030年预计新能源装机规模（ GW） 1640 4956 配套储能规模（ GW）（ 20） 194 665 电化学储能规模（ GW）（占储能市场 50） 97 327 液流电池储能规模（ GW）（占电化学储能市场 46） 44.6 150 装机价格元 /Wh（ 6小时） 1.5 1.5 发电侧电网侧市场规模（亿元） 4016 13563 用户侧项目数（个） 800 2400 单个项目规模（ MWh） 60 60 用户侧市场规模（亿元） 720 2160 合计（亿元） 4736 15723  根据 IEA和国家能源局数据显示的新能源装机规模，以配套 20储能，电化学储能占 50，其中液流电池占 46测算，液流电池全球市场规模将超万亿，中国市场规模将近五千亿。二、长时储能技术需求 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 13 液流电池朝着规模化、成本更低的方向发展通过一系列计划推动液流电池商业化进步。目标大规模部署时，液流电池成本降低到 300/kWh  鉴于美国钒矿依赖进口，钒电解液原材料成本占整个系统的 50， ARPA-E， GRIDS, IONICS, OPEN 项目都旨在推动基于铁、锌等其他低成本原材料的液流电池商业化应用。  通过一项长时储能计划 DAYS，推动拓展至 10小时液流电池储能的应用，降低液流电池系统的初始投资。美国能源署 DOE 认为液流电池主要技术提升方向是降低成本，提出液流电池面临的主要挑战  有效降低关键部件的生产成本。膜、双极板和多孔碳电极等组件需要特殊的性能，目前生产成本很高。诸如泵等辅助部件的生产成本也较昂贵。  亟需健全的、标准化的供应链（更多供应商）和系统集成。与其他电化学储能类似，液流电池系统的潜力受到非标准化供应链的限制，缺少适合于更高功率的液流电池电堆的制造创新。  需要规模化生产制造。液流电池生产制造能力水平还不足以支撑规模化发展，尚未产生规模化效应带来的经济性提升。液流电池进一步开发和商业化，扩大核心部件（如膜和储罐）和材料（如电解质溶液）的制造工艺将是极其重要的。二、长时储能技术需求 03 铁 -铬液流电池技术 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 15  铁 -铬液流电池技术最初是由美国 NASA在 20世纪 70年代研发的， 1984年和 1986年日本成功制造 10kW和 60kW的原型系统，此后铁 -铬液流电池技术一度消失在大众的视线中。铁 -铬液流电池技术特点适合长时储能  离子互串，电池正极、负极电解液交叉污染  析氢  离子交换膜价格高  Cr离子活性差  电流密度低  安全性高  长寿期  长时储能  电解液低成本  环境友好  温度适应性强技术优势技术瓶颈三、铁 -铬液流电池技术 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 16 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000 550000 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 单价（元 /吨）铬铁钒铁碳酸锂三元正极材料锌铬、钒、锂和锌的价格走势铬、钒、锂和锌的储量 Fe/Cr VRB Li-ion Zn-Br 关键原材料铬铁五氧化二钒 V 2O5 碳酸锂 Li2CO3 锌关键元素全球探明储量铬储量 120亿吨钒储量 6300万吨锂储量 8900万吨锌储量 2.5亿吨关键原材料（ 2023.3.1） 9. 0元 /kg 150.5元 /kg 408元 /kg 23.2元 /kg 当量价格 1.06元/mol 36.7元 /mol 31.0元/mol 1.93元 /mol 铁 -铬的储量多，价格走势最为稳定、廉价铁 -铬液流电池资源禀赋强，成长潜力大三、铁 -铬液流电池技术 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 17 研发测试基地 2kW储能测试系统单电池测试系统 60kW储能测试系统10kW储能测试系统短电池堆测试系统材料研发及测试实验室 1200㎡三、铁 -铬液流电池技术 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 18  国家电投攻克了 Cr离子活性和可逆性差、析氢、离子迁移和电流密度低等关键技术难题，实现铁 -铬液流电池储能技术大规模应用。  电极材料  双极板材料  离子交换膜材料  配方优化  电解液稳定技术  高效催化剂技术  结构设计  流道设计铁 -铬液流电池技术电堆关键技术储能系统集成技术关键材料专有设计技术模块化设计技术电解液再平衡系统电解液关键技术三、铁 -铬液流电池技术 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 19 液流电池储能装备制造基地山东 · 潍坊 2022年 1月， “ 容和一号 ” 铁 -铬液流电池堆全自动化量产线投产，每条产线每年可生产 5000台 30kW“ 容和一号 ®” 电池堆。产业化基地（山东潍坊）三、铁 -铬液流电池技术 ©SPIC 2020. All Rights Reserved. 20  现阶段电流密度达到 140mA/cm²，未来将达到 210mA/cm²、 350mA/cm²  电堆功率密度提高 100，整个系统占地面积大幅度缩小国际领先电堆关键技术三、铁 -铬液流电池技术 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 21 运用核电级工艺理念，打造模块化系列产品，安全可靠，高度集成 10kW/60kWh 储能模块 3060kW/240kWh 储能模块 1MW/48MWh 储能模块三、铁 -铬液流电池技术 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 22 百千瓦级铁 -铬液流电池储能系统在运国内首套国际最大系统功率 250kW 储能容量 1.5MWh 单堆功率 30kW 电池堆数量 8个 AC/AC系统转化效率 ≥70 系统充放电切换时间 ≤ 200ms 河北省张家口市战石沟光伏电站（极寒地区）系统自 2020年 12月 23日投入运行以来，月均稳定运行 600小时以上，系统稳定运行时长超过 500天，完成了 200余次充放电循环，累计为冬奥地区存储、提供清洁电能超过 5万千瓦时。产品应用场景发电侧应用案例三、铁 -铬液流电池技术 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 23 1MW/6MWh 铁 -铬液流电池储能系统霍林河循环经济 “ 源网荷储用 ” 储能项目配置铁 -铬液流电池储能系统，对于铁 -铬液流电池兆瓦级示范以及大规模应用具有重要意义位于内蒙古自治区通辽市霍林郭勒（极寒地区）示范项目已于 2022年底完成建设三、铁 -铬液流电池技术 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 24 技术研发成果、示范项目投入运行、量产线投产等关键节点均得到了中央电视台、国资委、人民日报等各大媒体及单位的关注与报道获得行业认可媒体关注三、铁 -铬液流电池技术储能，让电力的不可能变为可能谢谢