铁-铬液流电池储能技术最新研究进展及应用 北京和瑞储能科技有限公司 副总经理 和瑞电投储能科技有限公司 董事长 杨林 2023年5月 www.spic.com.cn 知识产权声明 本文件的知识产权属国家电力投资集团有限公司及其相关产权人所有，并含有其保密信息。对本文件的使用及处置应严格 遵循获取本文件的合同及约定的条件和要求。未经国家电力投资集团有限公司事先书面同意，不得对外披露、复制。 Intellectual Property Rights Statement This document is the property of and contains proprietary information owned by SPIC and/or its related proprietor. You agree to treat this document in strict accordance with the terms and conditions of the agreement under which it was provided to you. No disclosure or copy of this document is permitted without the prior written permission of SPIC. 目录 CONTENTS 1 发电侧储能背景 2 长时储能技术需求 3 铁-铬液流电池技术 01 发电侧储能背景 一、发电侧储能背景 发电侧储能技术的发展趋势 适用于大规模应用的电池本体 具有本质安全属性 高安全 低成本 原材料价格、供应链完善程度 全生命周期的度电成本 涉网性能优 运行维护少 环境友好度高 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 高可靠 长寿命 涉及项目经济性的循环寿命 储能系统的循环次数对项目经济性评价 影响起到重要作用。 5 一、发电侧储能背景 发电侧储能应用的发展趋势：储能时长越来越长 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 6 02 长时储能技术需求 二、长时储能技术需求 大规模可再生能源需要长时储能 净负荷*=负荷曲线-可再生能源出力曲线 美国国家可再生能源实验室NREL发布的《储能未来研究：定义长时储能的挑战》研究报告表明  储能消除净负荷的需求，为系统提供更多可靠性；  根据净负荷需求的不同，以及可再生能源规模的不同，所需要的储能功率和时长不同 ；  更大功率的储能布置，能够消除更多的净负荷需求，同时所需储能时长越长。 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 8 二、长时储能技术需求 我国：储能迈入4小时以上时代 发电侧：大型风电光伏基地需要长时储能来实现就地消纳和整体打包外送。 新能源配套4小时以上储能有关政策 新疆 《关于推动全区风电光伏新能源 到“十五五”末，全国将建设4.55亿千瓦大基地项目 其中外送3.15亿千瓦，本地自用1.4亿千瓦 《服务推进自治区大型风电 产业高质量发展》 内蒙古 光伏基地建设操作指引》 2022年3月4日 2022年3月7日 《内蒙古自治区电力源网荷储一 体化实施细则（2022年版）》 2022年7月22日 《服务推进自治区大型风电 甘肃 光伏基地建设操作指引》 2022年3月4日 《2022年度列入省级规划电网侧独 河北 立储能示范项目清单（第一批）》 2022年5月17日 用户侧：在具备条件的工业企业、工业园区挖掘新能源就地消纳的潜力。 ©SPIC 2020. All Rights Reserved. 国家发改委 国家能源局《关于促进新时代新 能源高质量发展的实施方案》 2022年5月14日 9 二、长时储能技术需求  液流电池超长循环寿命、高安全稳定性、绿色环保，是最适合长时储能的技术路线。 备用电源 负荷转移 分钟级 小时级 不间断电源 电能质量调节 大规模电能管理 抽水蓄能 压缩空气 液流电池 钠硫电池 高能量电容 锂离子电池 镍镉电池 铅酸电池 镍氢电池 秒级 飞轮储能 1kW 10kW ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 高功率电容 100kW 1MW 10MW 100MW 1GW 额定功率 引自DOE EPRI Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA 10 二、长时储能技术需求 液流电池应用场景 发电侧  新能源友好接入 平滑功率输出，响应AGC调度，提高场站 并网友好性  大型风电光伏基地 储能配套风光大基地一体化建设，增加大 基地就地消纳  火储联调 提高火电的调频、调峰的能力  孤岛、偏远地区供电 光伏＋长时储能系统提供恒定电能供应， 减少外接电及柴油发电机的使用  核电安全运行 作为应急保障电源，减少调峰 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 电网侧  关键节点辅助服务 调峰调频、爬坡、电压支撑、黑启动  特高压送受电端调峰 提高特高压送受电端本地调峰能力  城市应急备用 为城市政府、医院、工业等重要负荷提供 应急保障 用户侧  冶金、钢铁、化工等高耗能行业 自备电源的减碳降碳  光储充 大容量能量时移  零碳工业园区和物流园区 可再生能源就近消纳  数据中心 电源可靠性提升  虚拟电厂 大容量需求响应  微电网 电能质量和快速并离网切换能力提升  石油行业 配电网的增容和柴油发电机替代 11 二、长时储能技术需求 液流电池市场成长空间巨大  根据IEA和国家能源局数据显示的新能源装机规模，以配套20%储能，电化学储能占50%，其中液 流电池占46%测算，液流电池全球市场规模将超万亿，中国市场规模将近五千亿。 项目 中国市场 全球市场 2021年新能源装机规模（GW） 670 1680 2030年预计新能源装机规模（GW） 1640 4956 配套储能规模（GW）（20%） 194 665 电化学储能规模（GW）（占储能市场50%） 97 327 液流电池储能规模（GW）（占电化学储能市场46%） 44.6 150 装机价格(元/Wh)（6小时） 1.5 1.5 发电侧+电网侧市场规模（亿元） 4016 13563 用户侧项目数（个） 800 2400 单个项目规模（MWh） 60 60 用户侧市场规模（亿元） 720 2160 4736 15723 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 合计（亿元） 12 二、长时储能技术需求 液流电池：朝着规模化、成本更低的方向发展 美国能源署DOE 认为液流电池主要技术提升方向是降低成本， 提出液流电池面临的主要挑战：  有效降低关键部件的生产成本。膜、双极板和多孔碳电极等组 件需要特殊的性能，目前生产成本很高。诸如泵等辅助部件的 生产成本也较昂贵。  亟需健全的、标准化的供应链（更多供应商）和系统集成。与 其他电化学储能类似，液流电池系统的潜力受到非标准化供应 链的限制，缺少适合于更高功率的液流电池电堆的制造创新。  需要规模化生产制造。液流电池生产制造能力水平还不足以支 撑规模化发展，尚未产生规模化效应带来的经济性提升。液流 电池进一步开发和商业化，扩大核心部件（如膜和储罐）和材 料（如电解质溶液）的制造工艺将是极其重要的。 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 通过一系列计划推动液流电池商业化进步。 目标：大规模部署时，液流电池成本降低到 <$300/kWh  鉴于美国钒矿依赖进口，钒电解液原材料成本占整个 系统的50%，ARPA-E，GRIDS, IONICS, OPEN 项目 都旨在推动基于铁、锌等其他低成本原材料的液流电 池商业化应用。  通过一项长时储能计划DAYS，推动拓展至10小时液流 电池储能的应用，降低液流电池系统的初始投资。 13 03 铁-铬液流电池技术 三、铁-铬液流电池技术 铁-铬液流电池技术特点适合长时储能  铁-铬液流电池技术最初是由美国NASA在20世纪70年代研发的，1984年和1986年日本成功制造10kW和 60kW的原型系统，此后铁-铬液流电池技术一度消失在大众的视线中。  长寿期 技 术 优 势  长时储能  离子互串，电池正极、 负极电解液交叉污染  电解液低成本  析氢  环境友好  离子交换膜价格高  安全性高  Cr离子活性差  温度适应性强  电流密度低 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 技 术 瓶 颈 15 三、铁-铬液流电池技术 铁-铬液流电池资源禀赋强，成长潜力大 铁-铬的储量多，价格走势最为稳定、廉价 550000 Fe/Cr VRB Li-ion Zn-Br 关键原材料 铬铁 五氧化二钒 V 2 O5 碳酸锂 Li2CO3 锌 关键元素全 球探明储量 铬储量 120亿吨 钒储量 6300万吨 锂储量 8900万吨 锌储量 2.5亿吨 150.5元/kg 408元/kg 23.2元/kg 36.7元/mol 31.0元 /mol 1.93元/mol 500000 450000 单价（元/吨） 400000 350000 300000 250000 200000 150000 关键原材料 9. 0元/kg （2023.3.1） 100000 50000 0 2015 2016 铬铁 2017 钒铁 2018 2019 碳酸锂 2020 2021 三元正极材料 铬、钒、锂和锌的价格走势 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 2022 2023 锌 当量价格 1.06元 /mol 铬、钒、锂和锌的储量 16 三、铁-铬液流电池技术 研发测试基地 材料研发及测试实验室1200㎡ 单电池测试系统 2kW储能测试系统 10kW储能测试系统 ©SPIC 2022. All Rights Reserved. 短电池堆测试系统 60kW储能测试系统 17 三、铁-铬液流电池技术  国家电投攻克了Cr离子活性和可逆性差、析氢、离子迁移和电流密度低等关键技术难题，实现铁-铬