鲍文杰
(纬景储能科技有限公司，上海 201103)
2021-10-24，国务院正式印发《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，其中明确了需要实现的“双碳”目标，包括构建低碳绿色发展经济体系、提高能源利用、降低不可再生能源的依赖，减少碳排放量，优化生态系统等5个主要方面。在“双碳”政策下，光伏、风能等可再生新能源逐渐成为未来绿色能源的主力军，但光伏、风能比较明显的缺点是不稳定性、直接并网难度大，弃风弃光比较严重。储能技术则可以很好弥补太阳能、风能的短板，保障其电力的稳定，降低弃光弃风量。因此，“新能源+储能”模式将成为主流趋势，储能电池也将成为实现碳达峰、碳中和目标的重要环节之一[2]。
在众多储能电池中，液流电池因其可实现无地域限制的大规模建设，寿命长、无污染、不易燃易爆、清洁环保、设计灵活等优势，其关注度越来越高。液流电池概念最早在1974年，被THALLER提出[3]，单个液流电池系统主要由电堆、电解液、管路系统及动力泵、控制系统四部分组成。
如图1所示，充电储能时，正极发生氧化反应，活性物质价态升高，负极发生还原反应，活性物质价态降低，电解液将电能转化成化学能储存起来；
放电释能时，正极活性物质价态降低，负极活性物质价态升高，液流电池将它所储存在电解液中的化学能转化成电能释放出来。
图1 液流电池充放电原理示意Fig.1 Schematic diagram of charging and discharging principle of liquid flow battery.
液流电池种类繁多，有全钒液流电池、锌溴液流电池、锌铁液流电池、锌锰液流电池、铁铬液流电池、多硫化钠-溴液流电池等，每一种液流电池都有其各自的特点，虽然全钒液流电池储能技术是目前最为成熟的，但在这个储能市场百家争鸣的时代，仍无一个科学合理的液流电池评价标准体系，导致用户端无法进行有效的对比，选择一款对自己性价比最高的液流电池。
针对我国目前储能市场的需求、国家对储能的政策、液流电池的特点等多方面进行综合总结分析，拟从工程化角度对液流电池评价标准体系进行探讨。
目前，还没有任何一种液流电池能够达到国家电网要求的并网全部条件。液流电池也是根据自身的工作原理和技术上的优缺点不同，而应用在不同需求和环境的场所。2020年1月，由国家能源局、国家市场监督管理总局等联合制定的《关于加强储能标准化工作的实施方案》中提出了要加强储能标准化建设工作，促进储能产业更好的发展的同时也要标准先行。同年2月，由大连化物所和大连融科储能技术发展有限公司联合牵头起草制定的“固定式液流电池2-1：性能通用条件及测试方法”也正式颁布，对液流电池标准化发展起到了重要推进作用[4]。但就目前行业情况而言，液流电池的评价标准仍然无法统一，因此很有必要根据实际需求对液流电池提出一种具有普遍性的评价标准。
Ibrahim等人[5]根据2008年时期已经存在的储能技术状况从技术指标(主要包括电池功率、能量效率、结构体积等)和经济成本两个角度进行了研究分析，提出了储能系统评价标准的雏形。俞恩科等人[6]通过对多种储能技术进行了分类及应用的分析比较，认为在偏远不能充分利用可再生能源的地区，可以选择成熟的储能技术；
在可再生能源可以得到充分利用的地区则可以选择比较先进的储能技术。刘世念等人[7]通过收集多种化学储能技术的关键指标及应用数据，引入DEA(数据包络)分析法，通过计算得出量化数据，更直观对多种化学储能技术的性能和效果进行了比较。苏小林等人[8]对储能的应用时间与多维度性能指标进行了分析比较，提出储能应在产品、经济性、控制及兼容现有技术等方面作为主要研究方向。闫俊辰等人[9]通过引用ESOI(全生命周期能源投入存储回报)作为“能量”成本的技术指标，研究了多种储能技术的ESOI，计算方法简单，可以直观表现出不同储能技术的发展潜力值。缪平等人[10]通过将储能技术的安全性、成本、技术性能和环境友好性几个方面作为研究指标进行了技术分析，认为同时满足这几个指标的储能电池技术还需要更多的研究工作，并且在相当长的一段时间内，多种技术路线并存仍是储能市场的主流。张明霞等人[11]针对当前储能技术的状况和市场需求进行研究分析，认为当前阶段应根据实际条件和示范项目具体需求优先选择储能技术比较成熟的电池，未来则取会选择使用寿命长的储能电池。Makarovd等[12]、方彤等[13]也都在技术方面、经济方面和环境方面等对储能电池进行了评价讨论。
液流电池种类繁多，每一种液流电池的技术特点各有不同，但从目前国家政策和储能市场以及主要技术等方面进行探讨，大致可以将液流储能电池的安全环保性、经济性成本和技术性能作为液流电池的评价标准指标。
3.1 安全环保性
储能的安全性主要指在产品的全生命周期内，系统在正常或者偶然发生事件的情况下仍可以良好运转，不会对人身安全产生危害[14]。安全性是液流电池甚至储能系统的首要评价因素，因为其涉及到用户使用时的生命、人身等方面的安全，产品是用来服务于用户而不是对用户有潜在危险的。导致储能产品发生安全事故的因素有很多，如热失控、漏电、漏液、漏压、过电、电控、机械等。近几年，全球储能事故发生比较频繁，从2017年8月至今韩国已经有29起储能电站发生火灾事故；
2019年美国利亚桑那州的储能系统发生了爆炸事故造成多名消防员不同程度受伤；
我国2021年4月份在北京市丰台区大红门集美家居市场的储能电站发生火灾爆炸事故，而这次安全事故的发生直接导致1名消防员受伤，2名消防员牺牲[15]。通过多起储能事故的发生地点可以发现多数为用户侧，因此，从储能系统整体安全性上来看，液流储能电池的安全性必须作为液流电池评价标准体系的第一标准，不仅要制定合理的安全标准规范体系，也要加强行业内的储能产品自身安全把控，同时应采取有针对性的安全处理防护措施作为电池安全事故的最后保障。杨凯[16]针对储能的安全问题研制了一款具有智能判定、启动功能的灭火装置，并经过大量实验验证了该装置的有效性，对保障储能系统的安全具有重大意义。
储能的环保性主要是指储能系统在全生命周期内对社会环境带来较小的负面影响。对于液流储能电池来说，要求其在大规模建设储能项目的时候和系统投入到使用过程中不会对周围环境产生不当破坏，液流电池产品在寿命结束或者维护替换下来的时候，其使用的材料尽可能的可以继续回收利用或者通过二次加工可再次投入使用；
液流电池作为电化学储能技术之一，主要靠电解液中活性化学物质进行储能，涉及到多种元素，在环保方面，则要求其使用的电解液活性物质尽量为生活中常见、地壳中含量高的、容易提炼出来并且不会对环境和人产生危害的可回收利用元素物质。
3.2 经济性成本
液流电池储能的经济性成本影响因素较多，而且缺乏系统的技术经济性研究，现阶段更多的储能项目都属于示范性的，并不具备一定的经济性研究价值，所以对于其不同服务领域的经济性成本评价标准也不一样[17-19]。JIM等人[20]通过计算各种储能技术的总投资，针对不同储能项目应用场景使用全生命周期方法研究分析了储能技术的经济可行性。该研究方法虽然可以通过对不同储能技术在不同情景下进行经济性比较，但仍不能有效的对某一个储能项目进行经济性比较且该研究脱离了电力系统对其的影响，具有局限性。美国电力研究协会、加州公共事业委员会、E3咨询公司、加州能源委员会等通过合作的方式研发出了一套针对储能技术的经济性评价软件ESVT(energy storage valuation tool)，该软件可以输入储能技术的相关数据，通过分析该储能技术在能源、容量、输电、配电和市场等条件下的净现值，对比不同储能技术，从宏观上对其储能技术的经济性进行判断和描述[21-22]。杨裕生院士等人[23-25]在工程技术经济学原则上将经济效果作为评价指标，提出了YCC指数方法，通过计算出的YCC指数来判断电化学储能电池系统是否具有经济可行性，该方法具有一定的指导性价值。刘坚等人[26]通过对几种典型储能案例的经济成本进行了研究分析，得出储能技术作为灵活性电力系统资源，其经济性主要体现在用户侧削峰填谷、配电侧的调频服务等领域。薛金花等人[27]通过敏感性分析，建立全生命周期成本模型计算储能技术的各类经济性成本，提出了可以有效降低用户侧储能成本的方法，并根据用户侧储能电池的经济来源详细计算了不同电价政策下的储能技术经济可行性，认为在储能项目的成本占比中，安装成本大于更换成本和用电成本，后期维护成本最低，并且可以通过提升电解液循环效率和降低放电时长来有效降低用户侧的储能电池成本。邢洁等人[28]通过研究应用在用户侧的储能系统不同模式，定量计算不同储能系统安装地点的可靠性指标影响值，并通过案例计算，比较分析多种储能方案可以在用户侧节省的费用，最终得出技术经济可行性的储能系统在用户侧的实施方案。薛金花等人[29]以储能技术应用的经济可行性为研究指标，根据实际储能示范项目案例建立全寿命周期成本-效益现值法进行综合效益模型分析，最后对用户侧的储能市场模型进行了盈亏平衡点预测。
3.3 技术性能
液流电池储能的技术性能参数主要有库伦效率、电压效率、能量效率、响应速度、充放电时长、电解液利用率、循环寿命以及功率密度等[30]。目前用于评价液流电池技术性能指标比较多的有能量效率、功率密度。能量效率是指电池在单个循环充放电过程中释放的电能与充进的电能之比[31]。目前液流电池主要应用于偏远地区的大规模储能项目，为了更好比较，通常选用能量效率作为液流电池储能系统的评价指标。王保国等人[32]通过总结大量典型的大规模钒液流电池中的电堆性能参数发现，电堆的功率虽然不断提升，但其能量效率仍然保持在80%以上。大连融科储能装备有限公司主要进行全钒液流电池的研发设计、生产制造、安装，其通过和大连化物所共同研发的22 kW单堆功率的5 MW/10 MWh液流电池系统已并网运行，单堆的能量效率达80%；
其与大连热电集团合作建设的200 MW/800 MWh的储能电站国家示范项目，单堆功率为32 kW，能量效率达82%。美国ZBB公司建设的2 MWh锌溴液流电池应急储能电站示范项目，额定电压为540 V，能量效率约82%[33]。在液流电池研究发展过程中，对于电堆各零部件的材料性能研究主要以库伦效率、电压效率、能量效率作为评价指标。Mazur等人[34]以库伦效率作为衡量标准，对不同厚度的不同毡进行了耐久性测试，对比分析了1 000个充放电循环数据后发现使用全氟磺酸膜的单电池库伦效率下降幅度要比PAN基石墨毡的小很多，得出人造丝基毡电化学稳定性更好。Wei等人[35]研制了3D纳米结构的空心Ti3C2Tx球修饰过的石墨碳毡电极并进行了测试验证，发现该电极可以大幅度提高电解液的利用率和电池能量效率。Ling等人[36]使用溶胶-凝胶法将磺酸硅加入到相转移法制备的PVDF离子膜的基质中，制备了一种具有更好的钒离子选择性复合离子膜，并通过在全钒液流单电池60 mA/cm2中测试得出其库伦效率和能量效率达90.3%、75.6%。Zeng等人[37]研制了一种用于全钒液流电池的含有磺化聚醚醚酮和改性碳碳质泥岩复合膜，并经过强酸处理，通过在高电流密度下的单电池测试发现库伦效率高达99%以上并且电解液容量损失只有0.15%。随着液流电池的不断发展，很多液流电池研究者开始使用燃料电池的部分评价标准，将高功率密度作为液流电池的发展标准。Houser等人[38]将放电容量和功率密度作为衡量液流电池性能标准，对钒液流电池的电堆结构和零部件材料性能进行了研究。Aaron等人[39]使用双尺度多孔碳纸作为液流电池的电极将电池的电流密度提升到200 mw/cm2进行充放电，发现其能量效率仍能保持在82%左右。Zheng等人[40]通过大量研究得出评价液流电池的性能最佳指标是能量效率，而极化曲线和功率密度并无实际意义。不管是库伦效率、电压效率、电流密度还是能量效率，实际上来讲都是相互关联的，库伦效率是能量效率与电压效率的比值，库伦效率等于电极面积乘以电流密度。
随着储能行业受到国家和市场的重视度越来越高，液流电池的发展也越来越快，但由于液流电池的技术影响因素较多、液流电池种类繁多、应用场景复杂多变、研究者对液流电池的研究分析指标也各有不同，所以液流电池始终没有一个合理、规范的评价标准体系。通过对液流储能电池的评价标准进行了探究分析，结合当前国家储能政策、市场需求及液流电池技术发展状况，拟提出液流储能电池的评价体系标准应当从整个电池系统的安全环保性、经济性成本和技术性能三个方面进行衡量比较。其中，安全环保性决定了液流储能电池是否可以投入使用的首要前提；
经济性成本将决定了液流储能电池是否可以实现大规模商业化的重要因素；
液流电池的储能技术水平将是提高产品竞争力的关键因素。
鲍文杰(1990- )，男，满族，大连人，硕士，工程师，主要从事液流电池的研究与开发工作。
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