儲能——新能源的“孿生兄弟”

能源，是與國民經濟可持續(xù)發(fā)展和國家安全緊密相關的重大話題。當前，擺在我們面前的現(xiàn)實矛盾是一直依賴的化石能源日益枯竭，且傳統(tǒng)能源利用方式引起的環(huán)境惡化日趨嚴重。一個典型的例子是近年來霧霾天氣在我國出現(xiàn)得日益頻繁，已經嚴重影響了國民健康，這也使得人們對清潔能源的需求更為迫切。因此，節(jié)約化石能源、提高化石能源利用效率、實現(xiàn)節(jié)能減排以及研究開發(fā)和大規(guī)模可再生能源，實現(xiàn)能源多樣化成為世界各國能源發(fā)展戰(zhàn)略的共識。

在哥本哈根世界氣候大會上，美國作為發(fā)達國家的代表承諾2020年溫室氣體比2005年減排17%，我國作為發(fā)展我國家的代表承諾2020年單位國內生產總值碳減排40%~45%。新能源和節(jié)能環(huán)保產業(yè)已被定為我國的戰(zhàn)略性新興產業(yè)。

在相關政策的大力推動下，我國新能源產業(yè)有了較快發(fā)展。尤其是風能、太陽能發(fā)電裝機容量大幅新增。據(jù)統(tǒng)計，2013年，我國新增風電裝機容量16088.7兆瓦，同比上升24.1%，截至2013年末，累計裝機容量91412.89兆瓦，同比上升21.4%。新增裝機和累計裝機兩項數(shù)據(jù)均居前列。據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，截至2013年末，累計并網太陽能裝機容量14790兆瓦。僅2013年，我國太陽能新增并網裝機容量11300兆瓦，年度新增裝機容量為全球第一。

但是，可再生能源的快速發(fā)展給電網的安全穩(wěn)定運行帶來一定挑戰(zhàn)。風能、太陽能發(fā)電輸出具有隨機性、間歇性的非穩(wěn)態(tài)特性，有關電網側來說，不像火力發(fā)電廠那樣能夠按照發(fā)電計劃輸出功率，滿足電網負荷與發(fā)電平衡的調度需求。因此，大規(guī)?？稍偕茉醇胁⒕W對電網調峰和運行穩(wěn)定性出現(xiàn)較大沖擊，造成部分已建成的新能源設施不能如期并網運行，不僅給設施投資建設公司造成巨大損失，而且造成大量的“棄風”和“棄光”，嚴重影響新能源產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。風能、太陽能等可再生能源的并網消納已經成為發(fā)展的瓶頸問題。

儲能技術是電力系統(tǒng)發(fā)展歷程中一直渴望的技術，它可將間歇的、不穩(wěn)定、不可控的可再生能源變成穩(wěn)定、可控，高電能質量的優(yōu)質能源，真正實現(xiàn)清潔能源、穩(wěn)定電力的美好愿景。

為此，儲能技術也和新能源、互聯(lián)網技術一起并稱為第三次工業(yè)革命的核心技術，是能源互聯(lián)網時代的電能存儲器。當前，美國、日本等發(fā)達國家都在集國家之力，從資金、政策等方面為大型工業(yè)儲能產業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造條件，力爭在第三次能源變革中占據(jù)先機。2012年，美國能源部制定了詳細的儲能技術和產業(yè)發(fā)展規(guī)劃。美國加州儲能法案規(guī)劃2020年儲能裝機容量將達到最大電力負荷的5%，并制定了諸如儲能電價、稅收減免等激勵政策，推動儲能產業(yè)的發(fā)展。日本政府在2013年度啟動首批能源特別追加預算，投入286億日元（約3.6億美元），執(zhí)行大規(guī)模儲能技術在間歇式電源接入、電網調峰、分布式供電領域用應用示范驗證。據(jù)國際權威資訊機構麥肯錫預測，2025年儲能技術對全球經濟價值貢獻將超過1萬億美元，市場前景廣闊。

液流電池——儲能大家族中的中堅力量

在儲能大家族中，按照技術類型劃分，重要包括物理儲能和化學儲能。各種儲能技術具有不同的技術特點和應用領域。物理儲能重要包括抽水儲能、壓縮空氣儲能。這兩種儲能技術具有規(guī)模大、壽命長、安全可靠、運行費用低的優(yōu)點，建設規(guī)模一般在百兆瓦級以上，儲能時長從幾小時到幾天。其中抽水儲能是目前在電力系統(tǒng)中應用最為廣泛的儲能方式，全球總裝機容量達127吉瓦，占儲能總裝機容量的99%。但兩種儲能方式都要特殊的地理條件和配套設施，建設的局限性較大?；瘜W儲能相比于物理儲能具備系統(tǒng)簡單、安裝便捷以及運行方式靈活等優(yōu)點，建設規(guī)模一般在千瓦～百兆瓦級別，液流電池、鋰離子電池、鈉硫電池、鉛炭電池是目前電力系統(tǒng)用儲能的主流技術。

液流電池是由美國科學家thallerl.h.（nasalewisresearchcenter）于1974年提出的一種電化學儲能技術。液流電池是通過活性物質發(fā)生氧化還原反應來實現(xiàn)電能和化學能的相互轉化。充電時，正極發(fā)生氧化反應，活性物質價態(tài)升高；負極發(fā)生還原反應，活性物質價態(tài)降低。放電時則正好相反，正極發(fā)生還原反應，活性物質價態(tài)降低；負極發(fā)生氧化反應，活性物質價態(tài)升高。與傳統(tǒng)二次電池直接采用活性物質做電極不同，液流儲能電池的電極均為惰性電極，只為電極反應供應反應場所，活性物質通常以離子狀態(tài)存儲于電解液中。正極和負極電解液分別裝在兩個儲罐中，通過送液泵實現(xiàn)電解液在管路系統(tǒng)中的循環(huán)。運行過程中，全液態(tài)液流電池氧化還原反應表現(xiàn)為離子價態(tài)的變化，沉積型液流電池表現(xiàn)為金屬的沉積與溶出。

從外觀看，液流電池儲能系統(tǒng)包括如下幾部分：電堆單元，由正負電極和離子傳導膜疊合而成單電池的集合體；電解液單元，包括含有活性物質的電解液，及用于電解液盛裝和循環(huán)的儲罐、管路、閥、泵、傳感器等輔助部件；控制系統(tǒng)，包括用于管理整個系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)、功率變化單元等。就像汽車的發(fā)動機燃燒汽油發(fā)電，液流電池可通過在電堆里轉化電解液發(fā)電。不同的是，電解液不會被消耗掉，能夠進行往復充放電。

根據(jù)發(fā)生反應的電對不同，液流電池可以分為：全釩液流電池、鋅溴液流電池、多硫化鈉/溴液流電池、鋅/鎳液流電池、鐵/鉻液流電池、釩/多鹵化物液流電池、鋅/鈰液流電池、半液流電池。雖然各自的電化學體系不同，但都具備以下特點。

1.功率和容量相互獨立，輸出功率由電池模塊的大小和數(shù)量決定，儲能容量由電解液的濃度和體積決定，故可實現(xiàn)功率與容量的獨立設計；

2.能量轉化效率高，啟動速度快；

3.具有很強的過載能力和深度放電能力；

4.部件多為廉價的碳材料、工程塑料，材料來源豐富，易于回收。

不同的液流電池又各具特點。其中，全釩液流電池正負極活性物質都是釩離子，只是價態(tài)不同，具有更安全、壽命更長、效率更高的優(yōu)勢，是目前應用最廣，最具產業(yè)化前景的液流電池，已經成為液流電池家族中的掌門人，具有高安全性、長壽命、高可靠性、綠色環(huán)保等優(yōu)點，吸引了政府和電力行業(yè)的高度關注。

在實踐考驗中成長起來的液流電池

液流電池發(fā)展至今，執(zhí)行的各類項目有百余項，累計裝機容量約達40兆瓦。應用領域遍布電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用各個環(huán)節(jié)。液流電池的發(fā)展歷經了從實驗室到公司、從樣機到標準產品、從示范應用到商用推廣、規(guī)模從小到大、功能從單一到綜合，目前已經處于產業(yè)化的初期階段。

以目前應用較多的全釩液流電池為例，在其發(fā)展初期，多以數(shù)千瓦到數(shù)十千瓦規(guī)格的電池系統(tǒng)開發(fā)為主，重要面向于以風—光—儲或光—儲方式，為離網或弱電網地區(qū)的通訊基站、邊遠地區(qū)、邊防海島供電。前加拿大vrb公司、大連融科儲能技術發(fā)展有限公司（以下簡稱融科儲能）、奧地利的gildermester公司都推出了典型產品。

隨著智能微網和大規(guī)模可再生能源發(fā)電技術發(fā)展，百千瓦級到兆瓦級的電池系統(tǒng)的設計技術得到快速發(fā)展。日本住友電工公司（sei）作為液流電池行業(yè)的領軍公司，自上個世紀80年代就開始進行全釩液流電池技術的研究，并且將液流電池作為其整個集團在能源領域的經濟上升點。在2005年建立了4兆瓦/6兆瓦時全釩液流電池儲能系統(tǒng)，這是國際上首套兆瓦級全釩液流電池儲能系統(tǒng)示范工程，與30.6兆瓦風力發(fā)電站匹配，用于風電平滑輸出并網和調幅調頻的示范驗證實驗。該系統(tǒng)運行了3年時間，最為頻繁的電堆的充放電循環(huán)達到27萬次。該項目充分驗證了全釩液流電池優(yōu)異的耐久性，并證明了全釩液流電池是適合風力發(fā)電的儲能設備。2012年，sei應用其新一代技術，以城市智能微電網為目標市場，在橫濱建造了一座由200千瓦聚光型太陽能發(fā)電設備（cpv）和一套1兆瓦/5兆瓦時全釩液流電池儲能系統(tǒng)構成的并與外部商業(yè)電網連接的電站。可以實現(xiàn)：調節(jié)電網對廠供電量；提高受天氣影響的cpv的供電穩(wěn)定性，實現(xiàn)太陽能發(fā)電的有計劃使用；有關橫濱制作所內的削峰填谷運作以及事先制定用電計劃，隨著電力負載的變化對放電量進行調整。

我國從上世紀80年代末期開始全釩液流電池的基礎研究工作。2000年開始，在以我國科學院大連化學物理研究所為代表的研究單位的共同努力下，我國全釩液流電池儲能技術進入快速發(fā)展時期。在市場的驅動力用途下，成長出一批以科研院所技術為基礎，以全釩液流電池產品化和市場化為目標的新興公司，如最具代表性的融科儲能。

融科儲能與大連化物所堅持緊密的產學研合作模式，2012年，設計集成出當前全球最大規(guī)模的5兆瓦/10兆瓦時全釩液流電池系統(tǒng)，并在龍源電力股份有限公司位于遼寧省沈陽市法庫縣臥牛石風電場（50兆瓦）執(zhí)行商業(yè)應用。該系統(tǒng)已穩(wěn)定運行一年半時間，運行效果得到電網公司、新能源運營商以及國內外同行的高度認可，標志著我國在該領域技術研發(fā)、成套產品生產等方面處于世界前列。同時，示范工程的建設和應用證明了兆瓦級全釩液流電池儲能系統(tǒng)技術的成熟，開啟了大規(guī)模全釩液流電池儲能商業(yè)應用的新篇章。

此后，融科儲能相繼又執(zhí)行了位于錦州的風電并網用3兆瓦/6兆瓦時儲能項目和國電和風2兆瓦/4兆瓦時儲能項目，這些項目不僅能實現(xiàn)風電的穩(wěn)定輸出和調度的可控性，而且豐富了儲能的多種有益價值，包括節(jié)能降耗、黑啟動、孤島運行、諧波處理等，為用戶帶來更多收益，是探索儲能商業(yè)模式的重要案例。

在項目的成功案例和各國政策導向下，未來的幾年內，將有一定數(shù)量的液流電池項目進入電力市場。美國unienergytechnologies（uet）公司得到了美國能源部（doe）的大力支持，在華盛頓清潔基金的支持下，建立3兆瓦項目用于電網側變電站，延緩變電站擴容帶來的建設投資，并且提高電網的利用效率。日本sei公司與北海道電力公司合作，在日本政府的支持下，將在2015年建成15兆瓦/60兆瓦時全釩液流電池電站，用于解決北海道局部區(qū)域大規(guī)模太陽能電站并網帶來的調峰和電能質量壓力。另外，奧地利gildmeister公司、英國redt公司、印度deya公司等也將在近期推出多個全釩液流電池項目。

另外，液流電池的另一個成員——鋅/溴液流電池，在zbb、primuspower、premiumpower、redflow和安徽美能、百能匯通等公司的努力下，在技術開發(fā)與應用上也取得實質性進展。

主導國際標準贏得市場先機

所謂產業(yè)發(fā)展、標準先行，中科院大連化學物理研究所研究員張華民充分認識到標準的重要性，在引領國內外液流電池技術發(fā)展的同時，也積極推進國內外液流電池技術的標準化。早在2009年初，張華民與電器工業(yè)協(xié)會聯(lián)合，開始籌備液流電池標準化技術委員會。到2012年，國家能源局正式批準成立能源行業(yè)液流電池標準化技術委員會（編號nea/tc23），現(xiàn)已制定了全釩液流電池術語、關鍵材料測試方法及電池系統(tǒng)通用技術條件等4項國家及行業(yè)標準并公布執(zhí)行，為我國液流電池研發(fā)單位及生產廠商供應了統(tǒng)一的檢測評價標準，規(guī)范液流電池市場。2013年初，經多次努力，推動國際電工委員會（iec）成立了液流電池工作組，并提議啟動液流電池術語、通用技術條件和安全三項行業(yè)急需的基礎標準的制定。

2014年四月，iec討論決定由張華民作為負責人代表我國牽頭制定iec62932-2-1flowbatterysystemsforstationaryapplications-part2-1:performancegeneralrequirements&methodsoftest（《固定式領域用液流電池第2-1部分：性能一般要求及試驗方法》）。該標準編制過程中，多次與行業(yè)內公司、用戶、科研院所研究和討論，充分采用了我國液流電池技術先進的研究成果，結合了我國液流電池技術試驗研究數(shù)據(jù)和應用相關相關經驗。同時，充分融合了我國已經公布的行業(yè)標準《nb/t42040-2014全釩液流電池通用技術條件》內容。一方面保證了國際標準與國內標準的一致性，減少未來國際標準轉化過程的技術差異；另一方面，通過引導國際標準方向，降低未來的國際貿易壁壘風險，為我國參與國際儲能競爭贏得先機。該國際標準是國際首項囊括液流電池技術和質量指標的標準，是目前液流電池商業(yè)化交易過程中唯一的參考標準，填補了國際液流電池標準的空白，是開拓液流電池國際標準化工作的重要里程碑。該標準的成功執(zhí)行對促進國內外液流電池的產業(yè)化進程，推動新能源、節(jié)能環(huán)保產業(yè)發(fā)展發(fā)揮重要用途。

隨著經濟全球化的不斷深入，標準競爭已成為繼產品競爭、品牌競爭之后市場競爭的重要形式，標準化已成為促進產業(yè)發(fā)展、推動對外貿易、規(guī)范市場秩序的重要措施。把我國液流電池技術領先的優(yōu)勢擴大到產業(yè)層面，極大地提升了我國在國際液流電池標準領域的話語權與核心競爭力。占領液流電池領域國際標準和市場制高點具有重要意義。

未來——技術提升、成本降低、政策引導是關鍵

液流電池儲能產業(yè)的廣闊前景是毋庸置疑的，但目前要實現(xiàn)產業(yè)化仍然任重道遠，面對著技術、成本、市場、政策等多方面的挑戰(zhàn)。正如2013年習近平總書記在大連考察融科儲能液流電池項目時指出：“儲能是個重大課題?！?/p>

能量密度偏低、可靠性和穩(wěn)定性有待提升、成本尚不能滿足市場要求，這些對液流電池技術開發(fā)提出了進一步要求。以突破制約液流儲能電池普及應用的關鍵科學問題和工程技術基礎問題為目的，科技部在2010年啟動了“大規(guī)模高效液流電池儲能技術的基礎研究”項目。項目由中科院大連化學物理研究所牽頭，集合了包括清華大學、中南大學、華中科技大學等的大學研究團隊，又有金屬研究所等我國科學院的研究單位和解放軍防化研究院的總裝備部的研究機構，還有以大規(guī)模高效液流儲能電池產業(yè)化為主的大連融科儲能技術發(fā)展有限公司和液流電池儲能技術的潛在用戶——國家電網下屬的我國電力科學研究院。研究團隊歷時近5年的協(xié)同攻關，在深入研究的基礎上，在液流電池反應機理和調控機制、材料的構效關系、材料的組分設計與制備方法等科學基礎理論方面取得重大突破；形成高性能、低成本液流儲能電池關鍵材料的規(guī)模制備工藝；提出了大功率、高效、高比功率液流儲能電池系統(tǒng)的實現(xiàn)方法；建立了發(fā)電、儲電、電能變換、用電多體系的系統(tǒng)耦合和綜合能量管理控制策略的理論體系和方法；獲得一批具有自主知識產權的原始創(chuàng)新成果，培養(yǎng)和造就一批液流電池儲能技術的學術帶頭人和高素質研究人才團隊；提高我國在大規(guī)模高效液流電池儲能技術領域的科學研究水平和技術創(chuàng)新能力?？梢哉f，我國目前液流電池的國際領先態(tài)勢得益于“973”項目及時部署與高質量執(zhí)行。進一步地針對液流電池可靠性提高、成本降低的工程化技術開發(fā)與應用示范項目的開展，對推進液流電池產業(yè)化尤為重要。另外，液流電池儲能是隨著新能源發(fā)展、智能電網建設應運而生的一個新興行業(yè)，市場認知度低、產業(yè)鏈不完整，形成了一定市場開拓風險。并且，儲能帶給用戶的是綜合效益，很多往往難以量化，在一定程度上制約了用戶認同并使用液流電池。各國儲能應用的商業(yè)化市場和經濟運行模式還不具備。要從整個電力系統(tǒng)綜合考慮，形成并執(zhí)行可再生能源發(fā)電峰谷電價、儲能電價，利用價格杠桿推動優(yōu)化電力系統(tǒng)運行模式的調整，使得電力系統(tǒng)中發(fā)、輸、儲、用各環(huán)節(jié)協(xié)調運行，從而充分體現(xiàn)儲能所出現(xiàn)的巨大經濟效益和社會效益。在滿足儲能建設和運行成本的基礎上，進一步形成對儲能行業(yè)的激勵環(huán)境，大力推進以技術驗證和商業(yè)模式探索為目的的各類儲能示范應用項目，促進儲能產業(yè)的健康、蓬勃發(fā)展。

新能源的發(fā)展為儲能開辟了廣闊的應用市場。液流電池因其特有的技術優(yōu)勢已成為儲能領域的中堅力量。但有關仍處于“黎明前的黑暗”之中的液流電池公司和研究機構來說，要持續(xù)加強技術開發(fā)，提高產品性能和質量，降低成本，練好內功。另外，加強政策引導，建立儲能行業(yè)激勵機制，是刺激儲能產業(yè)快速發(fā)展的外部推手。

今年六月，在中央財經領導小組會議上，習近平總書記強調，面對能源供需格局新變化、國際能源發(fā)展新趨勢，保障國家能源安全，必須推動能源生產和消費革命，并就推動能源生產和消費革命提出五點要求，要求抑制不合理能源消費，推動能源供給革命，建立多元供應體系，立足國內多元供應保安全。這無疑給包括儲能在內的整個能源界打了一劑強心針，也使得越來越多的人確信，儲能產業(yè)的前景日益明朗。相信，液流電池的明天會更美好。