全钒液流电池储能系统产业发展与关键问题DevelopmentofVanadiumFlowBatteryEnergyStorageSystemanditsKeyProblems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：bxiong2@whut.edu.cn手机/微信号：+8613657107813n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ØSOCØSOPØSOHn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201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31.1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51.3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。6596.9687.2893.51272.32012.52926.63623.7178%230%155%30%14%15%30%42%58%45%24%-50.00%0.00%50.00%100.00%150.00%200.00%250.00%050010001500200025003000350040002000200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015201620172018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71.5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）891.6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perkWperkWhperkWh·singletrip铅碳电池25~50;75~300s~h0.1%~0.3%75%-85%300~600200~40020~100锂离子电池75~200;500~2000min~h0.1%~0.3%85%-97%1200~4000600~250015~100液流电池10~30;80~150min~hLow70%-85%600~1500150~10005~80钠硫电池150~240;150~230s~h≈20%75%-90%1000~3000300~5008~201.7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++e1.18(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++e1.19(1)Ti3+存在沉淀(2)Ti3+/Ti4+可逆性低AllvanadiumVanadiumsulfatesolutioninbothhalf-cells支持电解液：H2SO4正极：V3+V2+-e负极：VO2++H2OVO2++2H++e1.25(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-Br2VBr3+HBrsolutioninbothhalf-cells支持电解液：HCl正极：V3+V2+-e负极：3Br-Br-3+2e1.40(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：(x+1)Sx2-xSx+12--2e负极：3Br-Br-3+2e1.54(1)Sx2-/Sx+12-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：H2SO4正极：V3+V2+-e负极：Ce3+Ce4++e1.50(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+solutioninbothhalf-cells支持电解液：HCl正极：V3+V2+-e负极：Fe2+Fe3++e1.02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12arg2-22arg2chedischeVOHOVOHearg32argchedischeVeV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13142.2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17UNSW1KW钒电池电堆10kW电堆,大连融科，中国NASAL.H.Thaller提出Fe/Cr液流电池UNSWMariaSkyllas-Kazacos首次申请VRB专利NEDO提出了‘Advancedbatteryelectricpowerstoragesystem’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1kW2kW3kW12.5kW18.75kW建设时间UNSW1991Kashima-kita1993UNSW1995Kashima-kita1997SEI1996电极面积/cm2150060040005000×8×3单电池数10cells30cells19cells×2stacks21cells×2substacks×8stacks60cells×8series×3modules膜材料SelemionCMV(AsahiGlass)AnionicplysulfoneIonexchangemembrane(AsahiGlass)SelemionAMV(AsahiGlass)AnionicplysulfoneIonexchangemembrane(AsahiGlass)NegativeIonexchangemembrane电极材料CarbonfeltXF308CarbonfeltGraphitefelt+ConductingplasticelectrodesCarbonfiberDoublelayerelectrodeCarbonfelt放电电流/A20~12030~7240~120320~4001000最大功率/kW1.582.63.2200450电解液1.5mol/LVanadiumsulphate+2.6mol/LH2SO4(V4+)2.0mol/LVanadiumsulphate+2.0mol/LH2SO4(V4+)2.0mol/LVanadiumsulphate+2.6mol/LH2SO4(V4+)1.8mol/LVanadiumsulphate(V4+)1.0mol/LVanadiumsulphate(V4+)电解液体积/L1225033220000库伦效率/％92.6~99.091.0~98.082.6~96.49396.7电压效率/％73.2~95.080.0~86.079.8~99.28685.1能量效率/％71.9~88.080.0~82.076.1~80.98082.32.6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19203.1装机容量与市场规模累计电化学储能装机规模MW40.744.271.3132.3164.1268.9389.8钒电池储能累计装机规模MW33.68.610.211.512.615.6钒电池储能累计装机占比%7.37%8.14%12.06%7.71%7.01%4.69%4.21%20112012201320142015201620170.00%2.00%4.00%6.00%8.00%10.00%12.00%14.00%050100150200250300350400450钒电池装机市场规模：万元5601140110003328257420325136钒电池产值：万元7001796136654160317820326121201120122013201420152016201702000400060008000100001200014000160009819750712883311615413803189291763012960160892319630753233701966005000100001500020000250003000035000200320042005200620072008200920102011201220132014201520162017中国新增装机量：MW2011-2017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4381.949345029.55713.46074.56125.76401.86428.20100020003000400050006000700020102011201220132014201520162017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213.2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15MW/60MW·h500kW/3MW·h2kW/10kW·h170kw/1020kW·h120kw/960kW·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2MW/8MW·h100kW/200MW·h100kW/200MW·h3MW/12MW·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125kW/625kW·h600kW/2400kW·h60kW/240kW·h2.0MW/4MW·h200MW/800MWh中国20152015201520142017Gildmeister德国Pellwove岛，可再生能源偏远地区供电200kW/1.6MW·h80×10kW德国20132002~2014UniEnergy美国华盛顿州可再生能源储能美国华盛顿州变电站储能2MW/6.4MW·h1MW/3.2MW·h美国2015Vanadis可再生能源储能德国微电网250kW/1MW·h250kW/1MW·h德国2014表3全钒液流电池储能项目223.3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/T34866-2017全钒液流电池安全要求国家标准现行中国GB/T32509-2016全钒液流电池通用技术条件国家标准现行中国GB/T29840-2013全钒液流电池术语国家标准现行中国NB/T42145-2018全钒液流电池安装技术规范行业标准现行中国NB/T42133-2017全钒液流电池用电解液技术条件行业标准现行中国NB/T42134-2017全钒液流电池管理系统技术条件行业标准现行中国NB/T42144-2018全钒液流电池维护要求行业标准现行中国IEC62932-1TerminologyandGeneralAspectofFlowBatteryIEC标准现行美国IEC62932-2-1FlowBatterySystemsforStationaryApplications-Part2-1:PerformanceGeneralRequirements&MethodsofTestIEC标准现行美国IEC62932-2-2FlowBatterySystemsforStationaryApplications-Part2-2:SafetyRequirementsIEC标准现行美国表4全钒液流电池行业标准238101626276413521330836213150200400600800100012001400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3481332367863678372113115128020406080100120140200520062007200820092010201120122013201420152016201720185927262014121212121111109877777766665555444444444443010203040506070清华大学中国科学院大连化学物理研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河北省承德万利通实业集团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243.4研究机构与公司u科研机构：ØUniversityofNewSouthWales,AustraliaØPacificNorthwestNationalLaboratory(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ØSumitomoElectricIndustries,日本住友(Japan)ØGildemeister，奥地利ØPrudentEnergy中国普能(China)ØUniEnergyTechnologies，美国ØVanadisPower，德国ØFraunhofer，德国253.5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263.6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NR2112540Innershield®-200~1000·m−2NR212504770N1125044.1DuPont®102N11358832.598N11512732.1100N11718334.196全氟磺酸复合膜ND18334.6-95AHA20327.7-35Celgard6080Celgard®49ZNM-512034.1-96P/N4524.9-71阴离子交换膜HSPAEK6038.5HSPAEK®33.4-两性离子交换膜N/SiO218835.1-79.5-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/LVanadiumsulphate+2.6mol/LH2SO4(V4+)UNSW1991121.582.0mol/LVanadiumsulphate+2.0mol/LH2SO4(V4+)Kashima-kita19932502.62.0mol/LVanadiumsulphate+2.6mol/LH2SO4(V4+)UNSW19953323.21.0mol/LVanadiumsulphate(V4+)SEI19964501.8mol/LVanadiumsulphate(V4+)Kashima-kita1997200002002.5~3.0mol/LVanadiumsulphate(V4+)LiuLi20113203.7电解液成分表6电解液成分283.8建模问题漏电流建模电热耦合模型293.9运行优化问题电堆流场设计流速优化303.10商业化挑战自2016年以来，片式五氧化二钒（98%）的价格一直稳步上升；尤其是从2017年第四季度开始，价格一路高歌猛进，从13.7万元每吨涨到40.6万元每吨，期间的涨幅达到196.4％。高钒价4.45.95.85.97.08.917.013.720.322.430.340.6¥0.0¥5.0¥10.0¥15.0¥20.0¥25.0¥30.0¥35.0¥40.0¥45.02016年一季度2016年二季度2016年三季度2016年四季度2017年一季度2017年二季度2017年三季度2017年四季度2018年一季度2018年二季度2018年三季度2018年四季度单位：万元每吨近三年片式五氧化二钒价格走势图图7近三年五氧化二钒价格走势31感谢您的聆听！