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中电工东北院钱序：大容量液流电池在电网储能中应用与实践
5月24日，由中国化学与物理电源行业协会主办，200余家机构共同支持的第十一届中国国际储能大会在杭州洲际酒店召开。此次大会主题是“坚守储能安全底线，推动产业创新发展”。来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的718家产业链企业，1952位嘉宾参加了本届大会，其中88家企业展示了储能产品。
在5月25日下午的“ 储能电站规划与设计”专场，中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司项目经理钱序分享了主题报告《大容量液流电池在电网储能中应用与实践》。经演讲人本人授权同意，小编整理了演讲速记，并将速记内容分享如下：
钱序：尊敬各位来宾，大家好！我是东北电力设计院的钱序，今天我给大家分享的题目是《大容量钒液流电池在电网储能中应用与实践》。我的分享主要包括：电网对大容量储能电站的需求，储能电站常用的电池，钒液流电池简介，设计的关注点和案例实践。
关于电网对储能的需求，各位专家汇报的非常详细了，我就不多说了。一个原因就是新能源在电网的占比逐步提高，它的高效利用需要储能，对储能容量的要求也越来越大，它可以帮助新能源做平滑出力、跟踪计划和减少弃电。同时大电网的安全运行也需要储能，储能可以调频调峰、电压支撑、黑启动服务和虚拟发电厂。随着这几年的发展，储能技术的和设备日益成熟，发展大容量储能电站的条件日趋成熟。
在这儿，我简单介绍一下储能电站常用的电池。储能的方式有机械储能、电磁储能、电化学储能、热储能、氢储能，现在电化学储能是市场最活跃的储能方式，锂电池是当之无愧的主流的电池选择。
我今天是介绍钒液流电池，重点说一下钒液流电池的优点和缺点。先说优点，钒液流电池一个最大的优点是寿命很长，根据我们的了解，它的寿命可以比较轻松地达到16000次以上的寿命，到25000次都是可以的，这意味着这种钒液流电池的服役期可以长达15-25年。另外，它一个比较好的优势，就是它的容量在整个服役期内，基本上是稳定的，因为电解液可以用比较低的成本再生，这就意味着从投运开始一直到退役，容量可以保持在100%的容量内，而且可以全范围在0-100%的SOC使用，深度充放电对寿命没有影响。
另外，钒液流电池天生具有很好的安全性，没有爆炸的风险，火灾风险也非常低。只是它的效率要比锂电池低不少，根据我们现在的了解，已经试运的电站，效率可以75%，这相比锂电池的90%左右的效率，还是低了不少。最重要的原因是它的价格是比较贵的，锂电池可以做到1500元每千瓦时，但是钒液流电池按4到5小时储能配置电解液的话，价格应该是在3000元以上。
那么，有了这些优点和缺点，我觉得目前最适合钒液流电池的应用场景就是城市中心的大容量电站。因为它天然具有安全性，对环境友好，而且它退役时的回收与处理也比较容易，不会造成太大的污染。
我简单介绍钒液流电池的工作原理。这张图左边是正极罐，右边是负极罐，正极负极的钒离子通过化学反应，通过中间的交换膜进行离子交换，就在电极上形成电压，形成了电池的基本原理。这张照片可以看出来钒液流电池的基本结构，它是由几个系统组成的，液罐是电解液的存储系统，正极和负极电解液是独立存储的，还有电解液输送系统。电解液泵在BMS的控制下，按照要求向电池和电堆按需要建立电解液循环。电池电堆是钒液流电池的核心，是一个功率元件，来自正极和负极的电解液在电池电堆中通过离子交换膜进行离子交换，在电极中产生电压，最后启动电池。在这个转换过程中，它的热量是比较多的，损耗比较大，需要配一套冷却系统，把电解液的温度控制在合适的范围内。
这张图片是把电堆拆开以后的示意图，由小的电池模块组成一个大的电池电堆。
关于钒液流电池储能电站的设计，抛开它的工艺设计和技术设计，从这个项目整体上来说，我更关注它的布置与占地、运行效率、安全防护，以及与环境的协调性。布置与占地，因为钒液流电池的设备比较重，体积也比较大，虽然也有集装箱的布置，但是我们还是以站房布置的比较多，可以选择单层布置和多层布置，当项目用地比较宽裕的时候，建议采用单层布置，这样对电池来说，它的效率会更高一些。单层布置也比较适合小容量的模块化布置。当用地受限的时候，我就建议采用多层布置，如果电站一次容量规划比较大，我们建议当采用多层布置的时候，所有的装备要一期上完，因为设备很重，一旦封闭场地以后，再想搬运就很困难了。
电池的效率直接影响到电站今后运行的收入，主要有两点影响它：第一点，电解液的工作温度区间。根据我们的调研，虽然说电池的工作温度可以在0-40多度运行，但是在35-40度的时候，它的交流侧效率能够达到比较好的75%以上。第二点，减少电源转换环节。因为钒液流电池的电池电压比较低，往往需要多个环节才能将电压提升到需要的电压水平，减少转换环节可以提升整体的运行效率。
关于安全防护主要有两点：一是防火，二是防爆。钒液流电池的火灾风险相对于其他电池来说比较小，它只有变压器火灾、电线电缆火灾、DC模块和PCS等功率元件火灾，电池本身火灾风险极低。但是钒液流电池在充电的过程中，正极反应会产生氢离子，当BMS控制的不是特别完美的时候，会在充电过程中产生少量的氢气，这些氢气会在电解液罐中做聚集，然后排放到车间里。我们知道氢气是比空气轻的易燃易爆的气体，它的出现必然会引起防爆的考量。首先，我们要对氢气进行组织排放，不能放任氢气在厂房内自然游荡。另外，对于有可能产生氢气的聚集场所要实时设计氢气测试器监测浓度，根据可能的释放源做爆炸风险区的划分，在爆炸风险区内选择防爆设施。虽然听起来有点危险，但是实际上风险是很低的。
储能电站尤其是布置在城市中心区的储能电站，它对环境的影响也是不容忽视的。钒液流电池的电解液用的是硫酸调配，以一种弱酸性溶液，我们要考虑它万一发生泄露对人体和环境的影响。我们采用防护的措施是分级防护，比如说我们要设置电解液的废液收集、电解液溢出的多级防护、电解液池的防渗、地下水监测，以提前发现电解液的泄露情况。对于噪声污染的有效防护，它的噪声源主要来自电解液泵、变压器噪声、断路器噪声，所以我们要根据这个情况做噪声分析，同时根据分析结果来对车间做隔音处理。
我以大连液流电池储能调峰电站为例，来介绍一下我刚才说的那些设计点是怎么实现的。我是这个项目的项目经理，电站位于大连市沙河口区，属于典型的城市中心区域的大容量储能电站，周边有工厂、学校、住宅小区，对于电站的安全性、环境影响以及城市形象要求比较高。
这张图是这个电站的效果图，实际建设的情况和它也相差不多，受到用地限制，因为是城市中心电站，用地是征地来的。所以我们采用了多层布置，一层布置电解液的液罐，二层布置液堆，在顶层设计了一个高的高铁台，用来布置PCS的集装箱预制舱。220KV配电装置和变压器布置在一层厂房内，实现了和周边环境的一致性。
在这个电站里配备了两种规格的电池，一种是250KW电池电堆，一种是400KW电池电堆，形成了三个分区，3个24WM的分区和1个28MW的分区，加在一起正好是100MW/400MWh。时至今日，这个电站的容量规模算的上是一个最大的电化学储能电站。
左边的照片是电解液罐的照片，直径是3m，高度5.5m，看起来比较大。这些电解液罐布置在一个巨大的电解液池子内，整个池子的下面都做了防震和防渗处理。上面是平台和PCS的预制舱照片。
这是关于电站的噪声分析，经过分析之后，最大的噪音点只有52分贝，也满足了环境的要求。
这张图是可以看到三个分区，这三个分区是24MW的分区，这个分区是28MW。可以看到当采用了大功率的电堆之后，虽然说功率变大了，但是占地反而变小了，也是体现了钒液流电池在技术上的进步，今后电堆的容量变大，我们的占地也会缩小。
（这张图主要是用来表达关于防爆的防护，在屋顶专门有一套是排风机，在屋顶下面设置了很多氢气探测器，当它探测到有浓度超标的时候，就会启动上面的排泄风机。整个建筑物的设计都考虑了氢气可以自由地通过，可以顺畅到屋顶，在事故情况下，排气量也是可以满足的。
大连的项目可以为大连电网提供黑启动服务，启动方式是通过向相邻的北海电厂提供启动电源。
（图示）这些是我们做的专题研究，因为大部分的钒液流电池储能电站之前做的研究不是很多，我们为了做一个更好更安全的电站，做了很多的研究。
虽然钒液流电池有安全性高，循环寿命长，环境友好等优点，但是仍然有一些问题需要解决，我觉得最大的问题还是钱的问题，它比锂电池要贵一倍以上，但是它的价格里有一半是电解液的价钱。钒液流电池的功率和容量是解耦的，电堆只要布置完以后，容量就是固定的，如果我需要更多的储能时间，就需要更多的电解液。厂商可以控制设备价格，但是对于资源的价格，厂商是控制不了的，所以说他对钒液流电池价格的下降有一些阻力。但是现在有很多有识之士正在想办法解决这样的问题，比如说采取电解液租赁的方式，如果这个方式能够得到推广，这对钒液流电池储能装备的推动产生非常好的助力。
在过去几年里，我深深地感受到，不管是锂电池还是钒液流电池，在电网丰富的需求中都能找到适合它的应用场景。现在应该是储能行业最好的时间，我们东北电力设计院期待与各位一道，建设出更多、更好、更安全的储能电站。虽然我介绍的是钒液流电池，但是我们不仅仅只做钒液流电池，所有的储能方式都可以做。
在此，我也留下我的电话和邮箱，希望能够在会后和各位一起就储能问题进行进一步的交流和沟通。
感谢各位的聆听，谢谢！
