钠硫电池及液流电池行业分析

钠硫电池及液流电池行业分析第一章、工作原理与技术特征1.1钠硫电池钠硫电池结构如图（1）所示。电池以金属钠(Na)和单质硫(S)与碳(C)的复合物分别用作阳极和阴极的活性物质，Beta—氧化铝（Beta-Al2O3）陶瓷同时起隔膜和电解质的双重作用。钠硫电池的化学反应式如下：2Na+xS=Na2Sx(1)新装配的钠硫电池一般处于完全荷电的初始状态。钠硫电池在300℃工作温度下，在放电的初始阶段（硫含量为100％～78％），正极由液态硫与液态的Na2S3.2形成非共溶液相，电池的电动势约为2.076V；当放电至Na2S3出现时，电池的电动势降至1.78V；当放电至Na2S2.7出现时，对应的电动势降至1.74V，直至液相消失。图（1）：钠硫电池结构图钠硫电池主要有以下几个特点。1）理论能量密度高达760W·h/kg。实际比能量高，可有效减低储能系统的体积和重量，适合于大容量、大功率设备的应用。2）能量转化效率高，其中直流端大于90％，交流端大于75％。3）无电化学副反应，无自放电，使用寿命长，可达15a以上。4）钠硫电池的运行温度被恒定在300～350℃，因此其使用条件不受外界环境温度的限制，且系统的温度稳定性好。5）具有高的功率特性，经大电流及深度放电而不损坏电池；具有纳秒级的瞬时速度(系统数毫秒以内)，适合应用于各类备用和应急电站。6）原材料资源丰富，价格低，无污染，适合规模化推广应用。1.2液流电池全钒液流电池(VanadiunmRedoxBattery，VRB)由电解质溶液，碳素材料电极，导电塑料双极板和离子交换膜等部件构成．通过流体输送设备使电解液在电堆与储槽之间循环流动，在充电/放电过程中完成不同价态的钒离子相互转化与电能的储存与释放．钒电池工作原理如图（2）所示，将一定数量单电池串联成电池组后，输出额定功率的电流和电压。电池反应为：正极：VO2++2H++e—VO2-+H2O电势=1.00V负极：V3++e—V2+电势=-0.26V电池总反应VO2++V2++2H+—VO2++V3++H20电势=1.26V图（2）全钒液流电池(VRB)原理示意图全钒液流电池具有以下特点：规模大：全钒液流电池的输出功率和储能容量彼此独立。通过改变储槽中电解液数量，能够满足太规模蓄电储能需求；通过调整电池堆中单电池的串连数量和电极面积，能够满足额定放电功率要求。寿命长：电池正负极反应均在液相中完成，充电／放电过程仅仅改变溶液中钒离子状态．没有外界离子参与电化学反应。电极只起转移电子作用．本身不参与电化学反应，理论上可以进行无限次任意程度的充放电循环，极大延长电池的使用寿命。成本低：在电池关键材料制备方面，如质子交换膜、导电双极板等电池关键材料．通过实现国产化进行大规模、低成本生产。全钒液流电池避免使用贵金属催化剂，成本远远低于燃料电池等化学电源，适合于几十千瓦～数兆瓦规模场合使用。效率高：由于正负半电池电解液中的活性物质分别储存在不同的储槽中，完全避免电解波保存过程的自放电消耗，经过优化的电池系统充放电能量效率高达80％。能量密度较高，理论上每度电需要5.2kg的五氧化二钒进行电能储存，对于50MW的风电场建立IOMW×4h的储能系统，将需要224吨五氧化二钒，电解液部分需要2500万元投入，将占用储能系统一次性成本的30％左右。第二章、技术环境2.1钠硫电池技术发展现状国外钠硫电池技术发展对钠硫电池早期的研究主要以电动汽车的应用为目标，但随着一些新型二次电池的出现，因钠硫电池在车用电源方面的应用优势不明显而逐步被放弃。由于钠硫电池高的比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、温度稳定性以及无自放电等方面的突出优势，钠硫电池在电力储能方面的应用开始为人们所重视。日本在1992年进行了第一个示范储能电站，2002年实现了商业化，至今已有200座以上功率大于500kW、总容最逾300MW的储能电站在运行中，分别用于电网峰谷差平衡、电能质量改善、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出等，最大功率的电站达到34MW，用于风力发电站的稳定输出，运行中的储能电站～半以上用于电力的平衡。．储能电站覆盖了商业、工业、电力、水处理等各个行业。钠硫电池储能系统的效率可达到80％以上，寿命可达15a。国内钠硫电池技术的发展我国对电动汽车应用的钠硫电池研究与国际几乎同步，1968年上海硅酸盐研究所已经开始了相关的研究，并在1977年4月成功组装并示范运行了国内第一辆6kw功率的钠硫电池电动车。20世纪末，我国的车用钠硫电池研究也与国际同样陷入困境，研究工作几乎停止，国内也仅有上海硅酸盐研究所仍保留了研究队伍，并开展相关的工作，打下了较好的技术基础。2006年8月，上海市电力公司与上海硅酸盐研究所合作，联合投资开发储能钠硫电池。2007年1月制备成功650A·h的单体钠硫电池，并在2009年3月建成了我国第一条产能达2MW的储能钠硫电池中试生产线，可以小批量化制备容量为650A·h的单体电池。中试生产线涉及各种工艺和检测设备100余台套，其中有近2／3为自主研发，拥有多项自主知识产权。2.2液流电池技术发展现状国外钒液流电池行业现状UNSW公司自1985年申请了钒液流电池专利以来，一直致力于钒液流电池的研究。该公司的主要贡献在于发现通过氧化钒(IV)溶液可使高浓度的钒(V)溶液稳定存在于硫酸介质中，从而使全钒液流电池具有实用价值。同时该公司所开发的从钒氧化物中制备钒电池溶液的工艺成本低、性能好，也是钒电池能够得到推广的重要原因。1993年UNSW与泰国石膏制品公司合作，将钒电池应用于太阳能屋。2001年，加拿大Vanteck公司收购了Pinnacle公司59％的股份，从而拥有了钒电池技术的核心专利权。2002年，Vanteck公司改名为钒电池储能系统技术开发公司(VRBPowerSystems)，专门从事钒电池技术的开发和转让，该公司现已被北京普能科技技术有限公司收购，并完成了多套钒电池系统商业化项目。日本因受其资源限制，自20世纪80年代以来，一直从事钒电池的研究，现已组建多套钒电池商用系统，并掌握了钒电池的核心技术。其中SEI公司具备完整的生产和组装钒电池系统的全套技术，其组建的钒电池系统已投入商业运营，其技术成熟度高居世界首位。目前，SEI公司的25kW实验室钒电池电堆已达16000次循环，历经8a使用正常。除电池隔膜的寿命有限，其他组件都可以循环使用。这一特性较其他寿命有限的化学电池来说，具有很大的成本优势。国内钒电池研究进展在钒液流电池领域，我国已掌握大规模储能的关键技术，拥有自主知识产权。1995年，中国工程物理研究院电子工程研究所首先在中国展开VRB的研究，研制成功500W和lkW的样机，拥有电解质溶液制备等多项专利。2006年，中国科学院大连化学物理研究所研制成功10kW试验电堆，并通过国家科技部验收，标志着中国的全钒液流电池系统取得阶段性成功。研究开发的全钒液流储能电池示范系统由千瓦级电池模块、系统控制模块和LED屏幕3部分组成。利用该系统可实现利用储能电池储存夜间电能，在日间对LED屏幕进行供电。电池的能量效率为87％，截止目前未见衰减。清华大学利用在膜分离功能材料制备、膜过程与设备设计等方面的研究经验和技术积累，以及电解质溶液热力学、功能膜材料物理化学、化工过程传质学的丰富理论研究成果，在电堆流道设计、电堆密封结构、锁紧方式方面取得研究成果，并成功研发出全钒液流电池测试平台。北京普能公司通过收购加拿大VRBPOWER公司，已拥有世界钒电池50%以上的核心发明专利，其中15项核心专利可覆盖全球24个国家和地区，并已经在钒电池的电堆集成技术、关键材料研发以及电解液制备技术3方面取得重大成果，占据了国际领先地位。此外，承德新新钒钛有限公司、攀钢钢钒、天兴仪表、银轮股份、万利通集团、北京金能燃料电池有限公司、青岛武晓集团等公司也已经开展钒电池的研发，并已取得了一定的成果。第三章、政策环境钠硫电池和钒液流电池受到虽然具有能量密度高、能量损耗低和使用寿命长等特性，但是由于其对使用环境的安全性、稳定性要求较高，很难实现在新能源汽车等移动设备上使用，只能用于大型储能电站的建设。鉴于这种情况影响，储能电站产业的相关政策就构成了钠硫电池和液流电池的主要政策环境。目前，由于储能电站技术在全世界范围内还属于前沿科技，暂时还不具备产业化的条件，所以我国还没有出台专门针对储能电站行业发展的制定相应政策及规划。但是政府为了解决化石能源日渐减少、能源使用需求不断增加以及温室气体排放增多等日益严重的社会矛盾，先后出台了《可再生能源法》、《新能源产业发展规划》、《可再生能源中长期发展规划》等政策及规划，极大程度了促进了储能电站上游行业的发展，当上游行业形成一定规模以后，对储能电站产业的需求必将呈现规模化增长。《可再生能源法》自2005年2月开始制定，到2006年1月正式实施，是一部政策框架性质的法规，主要是为可再生能源发展奠定法律基础，中央及各地方政府需要在本法规的框架下制定相应的可再生能源发展规划。本法规于2009年12月进行修订，修正案自2010年4月开始实施。《可再生能源法》中对保障可再生能源产业的发展给予了框架性规定，包括电网企业对可再生能源承担收购义务，国家各级政府可以安排资金对可再生能源产业进行补贴等。《可再生能源中长期发展规划》《可再生能源中长期发展规划》是在《可再生能源法》的框架指引下，结合发达国家发展可再生能源的先进经验后制定的，具有全面指导可再生能源发展方向的作用。《中长期规划》有四条主要原则高度概括了可再生能源与经济、社会、市场、政策以及发展阶段的关系，分别是：1、坚持开发利用与经济、社会和环境相协调；2、坚持市场开发与产业发展相互促进；3、坚持近期开发利用与长期技术储备相结合；4、坚持政策激励与市场机制相结合。在这四条原则下，制定出的行业发展目标为：2010年使可再生能源消费量达到能源消费总量的10%左右，2020年达到15%左右。水电、生物质能、风电、光伏等行业的具体发展目标如下表：2005年（实际值）2010年（目标）2020年（目标）水电1.17亿千瓦1.9亿千瓦3亿千瓦生物质能200万千瓦550万千瓦3000万千瓦光伏7万千瓦30万千瓦180万千瓦风电126万千瓦500万千瓦3000万千瓦从2006年到2020年，预计总投资2万亿元，其中水电投资1.3万亿元，生物质能发电投资2000亿元，风电投资1900亿元，光伏发电1300亿元。在此基础上，各地放政府根据总体规划，结合本地区能源环境特色，制定出了各自的地方发展规划，具体如下表：名称政策文件2015年规划目标河北省《关于促进光伏产业发展的指导意见》（2010）30万千瓦山东省《山东省人民政府办公厅转发山东省发展改革委关于扶持光伏发电加快发展的意见的通知》（2010）10万千瓦上海市《上海市可再生能源发展专项资金扶持办法》（2008）《上海市太阳能光伏发电项目管理暂行办法》（2008）10万千瓦浙江省《浙江省人民政府办公厅关于加快光伏等新能源推广应用与产业发展的意见》（2009）5万千瓦（2012）江苏省《省政府办公厅关于转发省发展改革委江苏省光伏发电推进意见的通知》（2009）80万千瓦安徽省《安徽省人民政府关于加快新能源和节能环保产业发展的意见》20万千瓦陕西省《陕西省人民政府关于进一步加快新能源发展的若干意见》（2009）50万千瓦青海省仅国土部门出台了利用荒漠化土地开发新能源的鼓励政策，即研究采用租赁而非以往征用的模式利用荒漠化土地开发新能源。《青海省太阳能综合利用总体规划》65.5万千瓦甘肃省《关于加快新能源装备制造业发展的指导意见》（2010）30万千瓦太阳电池及组件生产内蒙古《内蒙古光伏产业发展纲要》、《内蒙古光伏产业发展框架协议》、《内蒙古光伏产业环境评估体系》、《呼和浩特市政府关于硅材料工业发展的指导意见》宁夏《加快新能源产业发展的若干意见》、《宁夏新能源产业发展规划》、《促进新能源产业发展的若干政策规定》60万千瓦新疆《关于研究特变电工太阳能光电建筑应用示