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电池储能技术及其应用中国科学院大连化学物理研究所研究员大连融科储能技术发展有限公司副总经理兼总工程师国家能源液流储能电池技术重点实验室主任张华民国家973液流储能电池重大基础研究项目首席科学家2012年9月5日上海国家重大需求化石能源日趋短缺化石能源过度消耗造成严重的环境污染能源资源和环境恶化将可能制约我国经济发展规模化利用可再生能源实现能源多样化开展节能减排提高化石能源利用效率发展规模化高效储能(蓄电)技术国家能源安全、经济可持续发展实现节能减排重大国策的重大需求解决可再生能源发电非稳态特性平衡用电负荷，提高发电效率3可再生能源发电特别是太阳能光伏发电在一次能源结构中所占比例将越来越大2004年欧洲中长期能源需求及结构预测一次能源需求量风能发电光伏及热发电德国可再生能源及储能技术发展2012年德国可再生能源发展规划年份20102020203020402050总比例17%35%50%65%80%可再生能源正逐渐由辅助能源转为主导能源可再生能源发电的不稳定性决定了需要大规模储能技术。建设智能电网也需要增设储能设施。这对保证电力供应中长期的安全可靠至关重要。2009年德国风电场分布2011年德国风电场分布部分省份风能发电情况引自：中国电力科学研究院新能源所迟永宁总工程师2011年美国能源部制定了储能研究计划液流电池排在首位2012年2月,美国能源部宣布，投资1.2亿美元建设先进电池储能创新中心。加快用于交通和电网的电池储能研究与发展。自2010年以来能源部成立的第4个能源创新中心。已经成立的其他中心：（1）轻水反应堆模拟仿真，重点是基于先进的计算机建模与仿真来改进核反应堆；（2）人工光合作用中心，重点研究直接利用太阳光来发展燃料；（3）大费城节能建筑创新中心，重点是在节能建筑设计方面实现重大突破。美国建立国家先进电池储能创新中心2011年5月18日，德国经济技术部，环境、自然保护与核安全部及教研部三部委联合推出推进2亿欧元储能技术研究开发计划。液流电池储能技术是支持重点之一。德国政府支持大规模储能技术研究开发大规模储能技术是实现风能、太阳能等可再生能源普及应用的核心技术。是提高电网的调峰能力和对可再生能源并网的兼容能力，构建智能电网的关键技术。传统电网服务器智能电网可再生能源发电场PV远距离远距离可再生能源正逐渐由辅助能源变为主导能源储能技术的应用领域储能（蓄电）技术风能、太阳能等发电的储能用户端调峰及智能电网储能备用电站偏远地区供电太阳能电动车充电站太阳能通讯基站11储能技术是实现可再生能源规模化利用的关键技术风能/太阳能等可再生能源发电用户负载地域季节时间不连续、不稳定、不可控特性输出功率发电中断储能（蓄电）电池储能技术是解决可再生能源发电不连续、不稳定、不可控特性的关键核心技术！Unbalancebetween“Supply”&“Demand”DCbusvoltageriseifoutputissurplusDCbusvoltagedropifoutputisdeficientFBsystemcompensatestheunbalanceofsupplyanddemand(maintainaconstantDCbusvoltage)配置抽水储能电站，大幅度降低风电场弃风时间月份时间/小时Generationsitestorage10sMWh~10sGWh10sMW~GWCommunitystorage10skWh~100skWh10skW~100skWEnduserstorageFewkWh~10skWhfewkW大规模储能系统的应用类型及规模Transmission-substationMWh~GWhMW~GW各种蓄电技术及适应规模大规模蓄电技术：抽水蓄电、压缩空气、液流电池、铅酸电池和钠硫电池抽水蓄电备用电源二次电池对规模储能技术而言，由于系统功率和容量大，发生安全事故造成的危害和损失大，因此规模储能技术的首要要求是安全可靠。近年，兆瓦以上级钠硫储能电池和锂离子电池在应用示范中都出现过重大的安全事故，解决其安全可靠性是其重中之重。规模储能技术的要求安全性生命周期的性价比使用寿命生命周期的环境负荷优点：储能容量大、技术成熟缺点：选址限制大抽水储能技术抽水储能技术缺点：受地形、生态环境等条件的限制工作原理储电：利用“谷电”，把水由低位水库抽到高位水库，电能转为势能。发电：在用电高峰期，释放高位水库中的水，势能转化为电能。优点：储能容量大、技术成熟技术成熟：世界范围已建127，000MW，占总储能装机容量的99%储能容量大：数十MW~GW压缩空气储能技术优点：储能容量大缺点：选址地质条件限制大、需和燃气燃油电站配套世界上仅有2座压缩空气储能电站，第三座终止建设压缩空气储能储能原理•利用低谷时的电力把空气压缩并储存，用电高峰时通过气体透平机发电。优点：•储能容量大：数十MW~GW，世界范围内已建成440MW•运行维护成本低缺点：•需要大的岩洞以存储压缩空气，受地理条件限制，适合地点非常有限•需耗燃料，且有CO2排放•建设周期长。初次投资大世界首座CAE电站，建于1978年，290MW压缩空气储能通常是与燃气或燃油调峰电站匹配，我国天然气和石油价格很高，燃气及燃油调峰电站经济性很差，在我国的应用前景不乐观。钠硫电池技术能量密度较高，单个电池的开路电压高高温型蓄电池（350℃运行）液态硫和金属钠对氧化铝隔膜具有强腐蚀性，易引起爆炸,危险性大。电池防腐、隔热与安全防护要求高制造成本高启动时间72小时日本的示范应用结果说明不适用于风力发电的平滑输出。已发生多次严重安全事故。许多国家已禁用。2010年2月15日日本NGK公司NaS电池发生火灾2011年9月21日日本NGK公司2MWNaS电池储能电站发生火灾火灾发生在9月21日上午7：20，10月5日下午15：25火灾熄灭。传统铅酸电池成熟、价格低廉、安全性能相对可靠循环寿命短环境污染严重，环境负荷大不可深度放电，难以满足功率和容量同时兼顾大规模储能要求锂离子电池安全性有待解决，大容量化后，危险性明显增大深圳5.26交通事故案6.11.锂电工厂爆炸事件工厂老化车间爆炸,明火高达3楼,持续约1分钟,浓烟持续约1个半小时5.26深圳电动车交通事故3秒钟大火燃烧，1男2女死亡。男为司机，女为乘客。火及有害气体电池正、负极活性物质，分别装在储液罐里的电解液中，通过送液泵循环流过由离子隔膜隔开的电池堆。是由Thaller于1974年提出的一种电化学储能装置。液流电池技术29Cr(Ⅲ)/Cr(Ⅱ)–Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)电池30多硫化钠/溴电池,PSB31锌/溴电池32Twotanksforpositive&negativeelectrolytes,respectivelyThepositive&negativehalfcellsareseparatedbyasheetofmembrane全钒液流储能电池的原理3334全钒液流储能电池的特点功率和容量可独立设计，尤其适合大规模储能储能容量大：kWh--数十MWh;输出功率大：kW--数十MW能量效率高、充放电性能好、循环寿命长：循环次数13,000启动和响应速度快：无相变化,充、放电切换只需0.02秒荷电状态可实时监测常温封闭运行，电解液可半永久使用、性价比高全生命周期部件材料可循环利用、环境友好安全性好。使用寿命长，可达15～20年。比能量低、体积大，稳定性有待提高由SEI制造：4MW/6MWh应用于日本北海道Tomomae30.6MW风电场的VRFB系统日本为30兆瓦并网风场配套的4兆瓦液流储能电池Thecombinedsystemof5MWhVanadiumFlowBatteryand100kWSolar(concentratingtype)hasbeenconstructedinSumitomo’sYokohamaWorks.日本住友电工1MW/5MWhVFB储能系统国外电动汽车充电站进展德国YounicosAG公司推出的Yana太阳能电动汽车充电站10KW/100KWh全钒液流储能电池Yana太阳能电动车充电站示范一：SOLONCampus示范二：CastellonMonteVibiano2009年11月24日，美国能源部DOE对全美32个智能电网示范项目发放共6.2亿美元的研究经费，其中1.85亿美元用于资助16个大规模电力存储项目来提高电网效率及可靠性。美国首个兆瓦级钒电池系统示范项目美国佩恩斯维尔市电力公司（CityofPainesville）获得经费中的374万美元用于俄亥俄州（Ohio）的智能电网和能源存储示范项目。该项目是在一个32MW的燃煤发电厂进行1MW/8MWh全钒液流储能电池系统的示范运行，利用液流储能电池来部分替代发电厂的燃煤发电，这是美国首个兆瓦级钒电池系统示范项目。信息来源融科储能形成了完整的液流电池自主知识产权体系电解质溶液储能电池系统密封件双极板离子交换膜电极电力电子及控制电池模块申报中国发明专利63项，PCT2项掌握了液流电池关键材料制备技术和电池模块及系统的设计、集成技术大连融科储能技术发展有限公司技术依托—大连化物所市场运营—博融产业投资有限公司大连化物所－融科储能液流储能电池技术进展20002003单电池500W1kW10kW系统10kW模块200520022011年：MW级系统20072008100kW系统200922kW模块扎实、稳健的技术积累高选择性高稳定性非氟烃类离子交换膜非氟离子交换膜Nafion115膜库仑效率99.5%95%电压效率82%85%能量效率82%80%非氟膜电池综合性能优于杜邦Nafion115膜，经过10,000次充放电循环耐久性考核，电池性能无衰减！膜的价格为Nafion膜的20%以下大化所第三代高功率密度液流电池技术不同电流密度下的能量效率电流密度(mA/cm2)CE(%)VE(%)EE(%)8094.291.586.210094.389.584.412095.087.783.314095.585.581.616095.683.780.0电池材料的改进和电池结构优化功率密度提高一倍，低成本技术水平国际领先、亟待经费支持开展规模放大ConstantCurrentOperation(CurrentDensity:140mA/cm2)C.E.=96.6%,V.E.=83.3%,E.E.=80.8%DischargeTime:2:41:30DischargeCapacity(DC):9.4kWh(AveragePower3.5kW)SiPVDC/ACInverterThinFilmPVConcentratingPVDC/DCConverterRedoxFlowBatteryWindTurbine太阳能光伏发电（5kW）与5kW/50kWh全钒液流储能电池离网供电系统在西藏成功运行负载5kW/50kWh液流储能电池系统示意图控制及能源管理系统kW-20kW级系统技术成熟度高，其设计、组装与生产工艺已定型，达到批量化生产水平SolarCell20kWPVcontrolorInventorIslandloadDieselEngineChargerVFB10kW/200kWhSolar-VFB-DieselEnginePowerSupplySystemforAnIsolatedIsland(Sep.2011)风-光-储一体化住宅示范应用2009年10月应美国能源部邀访美进行技术交流美国DOE储能代表团访问大连融科储能技术发展有限公司光电蓄建筑一体化应用示范建设地点：高新园区七贤岭产业基地建设内容：研发中心、中试厂房建筑面积：9232.5平方米PV:60kW,VRB:60kW/300kWh大连市光伏发电/储能型电动车充电站60kW/600kWhVRB(2011.8.大液流电池的典型应用示范案例国网80KW/160KWh电池系统（2010.