在储能技术刚刚起跑的竞赛中，中国这家公司领先世界

大连融科储能全钒液流电池技术介绍报告

北京国际能源专家俱乐部[1]

储能技术改变电力行业即发即用、实时平衡的传统模式，是能源系统从化石能源向可再生能源过渡的重要技术，被认为是决定未来经济的12大颠覆技术之一。

储能技术的应用包括移动终端电源(手机、电脑)、汽车动力电池和电力系统储能。在电力系统，储能技术贯穿发、输、配、用各环节。大规模储能可以起到平抑可再生能源波动，给电力系统提供调频、调峰、旋转备用、黑启动等辅助服务，改善供电质量，提高电网/微网/末端电网供电能力，配备应急备用电源，加强需求响应等作用。

储能技术市场前景广阔。著名国际咨询机构麦肯锡预计，2025年储能技术对全球经济价值贡献将超过1万亿美元。国际咨询机构PiperJaffrey和BostonConsulting预测2020年全球储能技术的市场容量在4000-6000亿美元左右。国际权威咨询机构PikeResearch预测液流电池在2021年电力储能的市场份额中会占到三分之一。

2016年4月23日，北京国际能源专家俱乐部推出“清洁能源技术评估与推广平台(简称TAD)”，首选大连融科储能技术有限公司(以下简称“融科”)的全钒液流电池技术进行评估与推广。

本文就该技术的性能属性、应用领域和实际案例作一简单介绍。

一、储能技术介绍

储能技术种类繁多，机械类包括抽水蓄能(PumpedHydro)、压缩空气储能(CAES)、飞轮储能(Flywheels)等;电气类包括超级电容(SuperCapacitors)和超导磁储能(SMES);电化学类包括铅酸电池(Lead-Acid)、锂离子电池(Lithium-Ion)、钠硫电池(NaS)、液流电池(RedoxFlow);纯化学类包括合成天然气(syntheticnaturalgas，SNG)等。

如图1所示，各种储能技术性能各异，目前没有一种电池可以满足所有的储能需求。面向电力应用的大规模储能技术集中在图1右侧三角区域内，包括抽水蓄能、铅酸电池、锂电池、液流电池。国际权威咨询机构PikeResearch关于2011-2021年全球主流储能技术市场预测储能市场在2014和2017年会有明显增长，主要拉动力分别为可再生能源储能需求和智能电网储能需求，全钒液流电池将占据整个电力储能市场1/3的份额(来源：PikeResearch.2011-07.EnergyStorageontheGrid)。

图1 储能技术种类及在电力系统的适用规模

来源：Rastler,D.;EPRI:Alto,P.,2010，融科储能

从储能规模和成本上来讲，液流电池比较适合大规模储能，特别是大容量储能，单位成本处于中游，如图2红色五角星所示。

图2 电力系统对储能技术需求及对应技术

来源：融科储能

二、大连融科储能技术发展有限公司介绍

大连融科储能技术发展有限公司(www.rogkepower.com)成立于2008年，现有员工168人，是全球领先的全钒液流电池储能方案服务商，也是全球具备全钒液流电池全产业链技术服务能力的企业之一。该公司以中国科学院大连化学物理研究所为核心研发团队，自2000年开始液流电池技术的研究，于2010年建立了技术产业化平台，成功实施了多项商业化应用示范项目，在全钒液流电池的核心技术领域拥有完整的自主知识产权。

融科储能提供的服务涵盖全钒液流电池关键材料、电堆、电池模块、KW至百MW级电池储能系统的供应，以及客户定制储能解决方案。融科储能现有年生产能力50MW，2016年底其储能装备产业化基地投产后，年生产能力将扩大到300MW。产品已出口美、欧、日等发达国家，市场占有率居全球第一，尤其是钒电解液国际市场占有率达90%。

截至2015年底，融科储能全钒液流电池储能系统装机总量达到12.5MW，在建项目1.2MW。融科储能目前正在实施的、由大连市政府支持的200MW/800MWh的全钒液流电池储能项目，已被国家能源局批准作为国家储能示范项目。仅这一个项目的装机容量就相当于全球目前各类液流电池储能累计装机总容量的20%[2]。融科储能的钒电池技术获得了多项奖励，包括2014年中科院杰出成就奖、2015年国家技术发明二等奖、中国科学院十二五20项标志性重大进展成果之一、“2015中国原创技术奖”等。此外，融科储能领军国内液流电池标准的制定，其中已有两项国家标准和三项行业标准颁布实施，并全面参与欧洲标准制定并成为国际电工委员会(IEC)联合工作组牵头人。

三、全钒液流电池介绍

(一)钒电池的技术原理

全钒液流电池，简称钒电池(VanadiumFlowBattery，缩写为VFB)，是活性物质成循环流动液态的氧化还原电池技术，通过钒离子的价态变化，实现化学能与电能的往复转换，从而实现电能存储与释放的一种储能技术。该技术的研发始于上世纪80年代澳大利亚新南威尔士大学，在澳大利亚、日本、美国、德国、中国等国家都有应用验证，用于风能系统蓄电、电站调峰、微电网储能等。钒电池是目前受关注也是应用比例最广的液流电池技术。

液流电池系统主要包含如下几部分：电堆单元(见图3中央和右上角)，电堆是由正负电极和离子传导膜叠合而成单电池的集合体;电解液单元(见图3两侧)，包括含有活性物质的电解液，及用于电解液盛装和循环的储罐、管路、阀、泵、传感器等辅助部件;控制系统，包括用于管理整个系统的电池管理系统(见图3上方)、功率变化单元等。

钒电池将不同价态的钒离子溶液分别作为正负极的活性物质，分别储存在电解液储罐中，用泵将储存在罐中的电解质打入电堆内，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用离子传导膜作为电池隔膜，电解液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，实现电解液化学能与电能的转换。

图3 全钒液流电池工作原理图

来源：《中国科学报》，2014-10-28第6版，融科储能

储能电池正极电对为VO2+/VO2+，负极电对为V2+/V3+，电极发生如下电化学反应，电池正负极标准电势差Eθ=1.26V。

(二)钒电池的技术优势和挑战

钒电池是适用于电力系统的固定式大容量储能系统。与其他储能技术相比，钒电池具有以下主要特点:

1、安全性高，电池的储能活性物质为含有钒离子的稀硫酸水溶液，常温常压运行，经过长时间运行，即使正负极活性物质发生互混，也不会发生爆炸和燃烧。运行中，电解液在电堆和电解液储罐之间循环流动，电堆产生的热量可以有效的排出，热管理简单。单体电池间一致性好。全球安装的系统迄今为止无一发生火灾。

2、循环寿命长，电池均一性好，可深度放电。由于电能储存在电解液里面而非电极上，理论上可以无限次充放电。一定时间运行后的容量衰退可以在线或离线恢复。

3、生命周期的性价比高，约占整个成本30%~50%(根据储能时长不同)的电解液可循环使用。

4、充放电特性良好，响应速度快，能量效率80%，可深度放电，另外钒离子的电化学可逆性高，电化学极化也小，适合大电流快速充放电，充放电切换只需0.02秒。

5、功率和容量可独立设计，功率和容量分别由电堆和电解液的数量决定，使得设计更加灵活，储能容量为数百千瓦时至数百兆瓦时，输出功率为数百千瓦至数百兆瓦，尤其适合大规模储能。

6、生命周期中环境友好，电解液可循环使用和再生利用，钒资源以及其他材料来源丰富，加工技术成熟，易于回收利用。该技术是钒资源综合利用的重要方向。

全钒液流电池需要继续改进和解决的问题包括:

1、离子传导膜可影响正、负极电解液钒离子相互渗透率，影响液体电池的效率和寿命，且目前商业化的离子膜价格昂贵，亟需开发具有高选择性、高导电性、低成本的传导膜，实现国产化、批量化生产;

2、电解液成本所占比例高，约占总成本的30%~50%，需开发低成本电解液技术;

3、受钒离子溶解度的限制，能量密度低，大概与铅酸电池相当，体积较大，目前还不适用于动力电池;

4、电池系统需要配置大量辅助部件，结构较为复杂，频繁启动停止的性能和运行可靠性有待改善;

5、系统运行温度窗口相对较窄，在一定程度上影响储能系统效率。

(三)融科储能全钒电池核心技术及关键材料

融科储能作为国家能源局批准的国家能源液流储能电池技术重点实验室，立足自主创新，截至2016年3月，已累计申请国家专利140余项件，国际专利13件项，已经获得授权70余项。通过这些专利，融科储能形成了覆盖液流电池材料批量生产、模块设计制造、系统集成与控制、工程应用等领域完整的自主知识产权体系。

融科储能所拥有的核心技术包括：

1、高性能电解液规模化生产技术：发明了高稳定性、高反应活性的多价态钒离子电解液稳定化技术，开发出电解液在线容量恢复技术，解决了储能系统长期运行时的容量衰减问题，实现了150MWh/年电解液产量。近两年已对外销售100多兆瓦时的钒电解液，全球市场占有率达90%以上。

2、高性能碳塑复合双极板材料的制造技术：发明了韧性好、高导电性、适用于组装大功率电堆的碳塑复合双极板的制备方法，价格是石墨双极板的1/40，报废后烧掉除了二氧化碳之外，没有其他污染物。

3、高性能非氟离子传导膜设计与制造技术：突破“离子交换传导”机理的束缚，原创性提出了“离子筛分传导”机理，开发出高选择性、高导电性、低成本的非氟离子传导膜，环境友好，提高了钒电池的电池效率，申请国家发明专利50余件，国际专利6件，受到国际认可。

4、标准化、模块化电池模块技术：研制出250kW、125kW、60kW、30kW系列的“ALL-IN-ONE”全集装箱式和半集装箱式电池模块产品，可单独使用，也可通过串并联满足客户对各种功率和容量储能系统的需求，安装方便并可在线远程监控。

5、优异的耐久性：2007年做了加速寿命试验证实液流电池具有优异的耐久性，正常、连续运行超1678天，超过四万多小时，有效充放电循环是12420次。该试验因其他原因被拆除而终止，检测能量效率衰减只有5%，容量可通过技术手段恢复。

(四)融科储能的全钒电池经济性

按1MW/4MWh电池系统核算，目前全钒液流电池价格约3500～4000元/kWh。预计到2020年，随着钒电池大规模产业化生产，电池系统的成本将下降到2500元/kWh。全钒液流电池具有规模经济效应，储能容量越大，设备单位投资越低。

全钒液流电池与抽水蓄能、锂离子电池的性能比较见表1。

表1 主流储能电池的特点比较和适用领域

来源：融科储能。SOC=StateofCharge，也称荷电状态。

四、全钒液流电池应用领域

维持发电出力与用电负荷的实时平衡，保持电力系统频率和电压的稳定是电力系统调度工作的重要内容。这不仅要对用电负荷曲线的准确预测、对各种发电电源的预先计划安排，而且为了保证电网频率及电压的稳定，还需要电力系统进行一次调频、二次调频，甚至为优化系统效率还要进行三次调频。

近年来，在我国和其他国家(如德国)，风电和太阳能光伏发电等可再生能源发电发展迅猛，并网装机容量大幅提高。这些间歇性强、波动性大的电源增加了电力系统调度运行的压力，急需要优质调频和调峰资源与之匹配，以降低电力系统安全稳定运行风险，提高电力系统运行的经济性。

大电网中储能最经济的手段仍是抽水蓄能电站。但在抽水蓄能不具备条件而对储能设施的体积和重量限制不多的情况下，大规模化学储能有一定的优势。融科储能公司500kW级全钒液流电池储能单元系统额定功率充放电转换响应时间低于90ms，5MW储能电站满功率充放电响应时间低于1秒。相比于抽水蓄能电站和常规火力发电机组，全钒液流电池具有更高的爬坡速率和调频效率。在风电等可再生能源发电高渗透率区域配备适量的蓄能电池，会起到更好的调频效果。另外，全钒液流电池储能系统的功率容量可独立设计特性使得其方便把储能容量配置达到5小时以上，从而不仅能够参与系统二次调频，同时也能够削峰填谷，优化电力系统运行经济性，参与三次调频。

另外，为了满足季节性的用电尖峰负荷(一年不超过400小时)，电力企业投入巨资，很不经济。若在用电侧大城市等负荷中心配置日平均负荷的8~10%储能系统，进行削峰填谷，可以节约大量投资，提高系统经济性。

综上所述，全钒液流电池可应用于如下领域：1)作为风电和太阳能电站的配套设施，提高电网对可再生能源发电的接纳能力，平抑出力波动，跟踪发电计划，参与系统调峰、调频，提高供电可靠性和经济运行能力;2)用电侧需求管理，削峰填谷，用户端需求侧响应，提高用电经济性和可靠性;3)微电网、分布式风光储一体化项目、智能电网领域;4)其他应用领域，如代替柴油机作为备用电源，工业园区应急备用电源，偏远地区供电、电动车充电站、通讯设备备用电源等。

总体看，在输出功率为数百千瓦至数百兆瓦，储能容量在2小时以上级的大规模化固定储能场合，全液流电池储能技术具有明显的优势，是大规模高效储能技术的首选技术之一。

五、全钒液流电池应用案例

在全球范围内，钒电池系统一共安装了40-50套，全钒液流电池研发和制造企业主要包括：日本住友电工公司(SEI)、大连融科储能技术发展有限公司、美国UniEnergyTechnologies公司、奥地利Gildemeister公司、北京普能世纪科技有限公司等。另外，英国REDT、韩国H2、印度Imergy、德国VanadisPower和Fraunhofer研究所近期也陆续推出了全钒液流电池产品和项目。

SEI从上世纪80年代初开始研究全钒液流电池，自2005年在日本先后建立了用于与30.6MW风力发电站匹配的4MW/6MWh全钒液流电池储能系统，该系统从2005年开始测试，持续3年，充放电循环达到27.6万次。2011年起SEI又先后建成两个1MW/5MWh和15MW/60MWh钒电池储能系统。Gildemeister公司从2002年开始研发全钒液流储能电池，成功开发出主要有10kW/100kWh及200kW/400kWh两种型号电池系统，产品主要与太阳能光伏电池配套，用于偏远地区供电、电动车充电站、通讯及备用电源领域。美国UniEnergyTechnologies公司拥有混合酸型全钒液流电池技术，承担建造了美国首个用于输变电站侧的兆瓦时级全钒液流电池储能电站。该公司与融科储能公司结成战略合作联盟，其电堆和电解液材料分别由融科提供。

融科自2013年起中国、德国、美国都已有商业化示范项目，电解液等产品已进入欧美、日本等国际市场。近几年来，实施了包括全球较大规模的5MW/10MWh全钒液流电池储能系统在内的近30项应用示范工程(见表2)，在国内外率先实现了产业化。当前融科储能正在实施由大连市政府支持的200MW/800MWh全钒液流电池储能项目，该项目已被国家能源局定为国家储能示范项目。

表2 融科储能公司实施的部分全钒液流电池储能项目

来源：融科储能

融科储能在大规模风电接入、智能微电网、离网供电领域的典型项目介绍如下：

1)辽宁省卧牛石国电龙源储能电站示范项目(5MW/10MWh)，配合49.5MW风力发电(33*1.5MW风机)，是投产时全球功率容量最大的钒电池储能项目，系统采用模块化设计，2013年3月投入运行，经过4个月的运行考核全部技术指标达到或超过设计要求。电站已稳定运行3年，累计充放电次数1586次。该示范工程的运行控制和能量管理技术在另外两座风场储能电站中得到推广应用。据电力公司反应，这三座风电场利用小时数均达到2100小时以上，远高于全网平均利用小时数1780小时。

该储能系统的平抑风电输出、跟踪计划发电、参与调频、削峰填谷等功能，经过验证是可行的(图4)，提高了风电场并网点电能质量和风功率预测精度、减低了风电场弃风率。同时，全釩液流电池的安全性、运行维护的方便性、过载能力、控制系统的开放性得到初步验证。

图4 辽宁省卧牛石国电龙源储能电站运行数据

来源：国网辽宁电力公司

2)大连蛇岛研究中心10kW/200kWh的离网示范项目，2011年建成，配合光伏发电系统，实现离网稳定供电，解决无市电区域的工作和生活需求，该岛距离大陆较远，在成本上较海底电缆有明显优势。2014年6月典型数据如表3，日均系统效率达到70%。据用户反应，有了这套储能项目，岛上用电再也没有因为天气的原因中断过。

表2 大连蛇岛离网示范项目2014年6月典型运行数据

来源：融科储能

3)美国华盛顿智能电网储能，2014年融科储能与美国UniEnergyTechnologies公司合作，建造了美国首座兆瓦级全钒液流储能电池电站。项目采用1MW/4MWh新型全钒液流电池(钒电解液为混合酸型)，2015年6月交付运行，接入AVISTA电力公司的微网系统，实现如下功能：移峰(电价套利，参与备用容量市场交易);提高电网灵活性(调频、负荷跟踪、实时风场出力控制);提高配电系统效率(无功调节、负荷管理)、延缓投资(削峰填谷)等。如下是该系统连续一个月内的移峰、调频运行数据。

4)德国BOSCH风电储能系统，与德国博世集团(BOSCH)合作，在德国北部风场建造了250kW/1MWh全钒液流电池储能系统，该系统是目前欧洲最大规模的全钒液流电池系统，已并入当地智能电网，系统效率达68%以上，受到海外客户的高度评价。另外，融科于2015年在德国纽伦堡安装了一套60kW/120kWh的all-in-one集成系统，系统效率达70%。

[1]免责申明：本报告是北京国际能源专家俱乐部秘书处根据自己掌握的信息和大连融科储能技术有限公司提供的材料，再结合2016年4月23日清洁能源技术评估与推广会议讨论的结果而撰写。对于任何商业机构或个人依据本报告的结论性意见所作出的投资或其他商业决定可能导致的任何风险、损失、损害、成本支出、索赔或其他权利主张，北京国际能源专家俱乐部及其所聘的专家均不承担任何法律责任。

[2]根据中关村储能联盟《储能产业研究白皮书2016》，截至2015年底，全球累计运行储能项目(不含抽水蓄能、压缩空气和储热)装机规模946.8MW。