百兆瓦级大连液流电池储能调峰电站并网发电

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10月30日，由我所储能技术研究部（DNL17）李先锋研究员团队提供技术支撑的迄今全球功率最大、容量最大的百兆瓦级液流电池储能调峰电站正式并网发电。该电站由大连恒流储能电站有限公司建设和运营，电池系统由大连融科储能技术发展有限公司设计制造。该项目是国家能源局批准建设的首个国家级大型化学储能示范项目，总建设规模为200兆瓦（MW）/800兆瓦时（MWh）。本次并网的是该电站的一期工程，规模为100兆瓦（MW）/400兆瓦时（MWh）。
　　可再生能源发电具有间歇性和波动性，其大规模接入电网后，要求电力系统必须具备一定的应变和响应能力，才能保证可再生能源供电的可靠性。储能技术能够有效解决电力系统的运行安全、电力电量平衡、可再生能源消纳等方面的问题，是可再生能源充分开发利用的必要的技术支撑。
　　全钒液流电池储能技术利用不同价态的钒离子作为活性物质，基于正负极电解液中钒离子发生的氧化或还原反应，实现电能和化学能的相互转换，进而实现电能的大规模储存和释放。它的安全性高、可靠性好、输出功率和储能容量规模大、寿命长、性价比高、电解液可循环利用、对环境友好，在大规模储能领域具有很好的应用前景。

　　本次并网的大连液流电池储能调峰电站使用我所自主开发的全钒液流电池储能技术，相当于大连市的“电力银行”，实现电网系统的削峰填谷。主要功能为电网提供调峰、调频等辅助服务。在一定程度上缓解大规模可再生能源并网带来的稳定性问题，并促进电力系统针对可再生能源发电的消纳，改善电力系统运行经济性。大连液流电池储能调峰电站将提升可再生能源并网率、平衡电网稳定性并提高电网可靠性，对加快推进我国大规模储能在电力调峰及可再生能源并网中的应用具有重要意义。
　　储能技术研究部一直以来坚持“产、学、研、用”的创新开发机制，不断解决全钒液流电池产业化过程中存在的关键科学与技术问题，突破全钒液流电池储能关键核心技术，取得一系列国际领先的技术成果,在国内外开展了产业化推广，实现了我国液流电池储能技术向发达国家的输出，体现了我所在该领域的国际领先地位。
　　该工作得到中科院A类先导专项“变革性洁净能源关键技术与示范”、国家自然科学基金、中科院电化学储能技术工程实验室等项目的支持。（文/刘涛、王永进 图/陈晨）
　
团队侧记：
　　梦想成真！用“水”做的电池弥补城市电网缺口
　　10月30日，由中科院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）储能技术研究部提供技术支撑的迄今全球功率最大、容量最大的百兆瓦级液流电池储能调峰电站正式并网发电。该电站由大连融科储能技术发展有限公司设计制造、大连恒流储能电站有限公司建设和运营，是国家能源局批准建设的首个国家级大型化学储能示范项目，总建设规模为200兆瓦（MW）/800兆瓦时（MWh）。本次并网的是该电站的一期工程，规模为100兆瓦（MW）/400兆瓦时（MWh）。
　　整个研究工作中，离不开拼搏在一线的科研工作者们，每一位学者都在其中奋斗着、经历着，在一次次磨练中成长着，奉献了一代又一代人的青春。


　　创新：“无中生有”的研究
　　大连化物所研究员张华民前期在液流储能电池关键材料与系统集成方面做出了重要贡献，电站正式并网，他感到十分激动。回想之前研究生涯的开端，要追溯到2000年。
　　张华民时任日本公司能源环境研究室主任，事业蒸蒸日上。但他在这一年，却毅然决然放弃高薪，选择到大连化物所工作。这次归国，张华民是带着“任务”回来的。
　　“我每年和德国的科学家有很多项目合作，接触到了可再生能源。那时候，我就意识到了可再生能源将逐步由辅助能源变为主导能源，大规模储能技术是可再生能源普及应用的瓶颈。”张华民提到。
　　但是可再生能源具有波动性、不连续性等特点，这导致必须有大规模储能技术与之配套，才能稳定运行，也就是说大规模储能技术是可再生能源普及应用的瓶颈技术。而大规模储能必须具备三个条件：安全性要高；生命周期的性价比要高，循环寿命要长；电池报废以后不能对环境造成恶劣的影响。
　　想到这里，张华民坚定了要做大容量、大规模、长时间的储能技术。带着这份信念，他从日本飘洋过海回到大连，开始了储能领域的新探索。在体系选择方面，团队也进行了探究。
　　“考虑到安全性和容量可恢复性，我们想到了钒。”张华民说。
　　所有的液流电池都要拥有一个正极电对和一个负极电对，而全钒电池两边是同等元素，未来的回收及维护就相对简单，即使长期运行正负极电解液中钒离子的价态失衡 ，也可以通过化学反应的方法将其修复。
　　然而，国际上的“风云变幻”带给了团队不小的压力。
　　日本住友电工和加拿大VRB能源有限公司在钒液流电池的研发技术上位居前列。2005年，已经在领域内深耕20余年的日本住友电工因为成本问题突然停止了研究开发。2008年，加拿大VRB钒液流储能公司又因为经济危机而宣布破产。
　　“作为世界上做的最早的、最好的两家企业，一个停止研究一个破产，我们当时压力很大。”张华民告诉《中国科学报》。
　　对于团队来说，全钒液流电池的研究并非是“站在巨人的肩膀上”。整个团队没有人在之前做过类似的研究，几乎从“零”开始的项目对于全体人员来说都是一个莫大的挑战。
　　但是为了国家能源的发展，为了实现“能源梦”，整个团队坚定信念，向着目标进发。
　　经过分析，团队发现成本“居高不下”主要是因为电解液的成本无法压缩。如果团队能在双极板、传导膜等方面有所突破，将可以通过减少材料成本达到降低整体项目成本的效果。而加拿大VRB公司并不掌握产业链的核心技术，这加速了该能源项目走向灭亡。从电解液、电极、膜、双极板到电堆的系统集成，如果团队可以掌握全产业链技术，这项困扰也将迎刃而解。
　　秉承着信念和决心，全体研究组一起开始攀登新的高峰。


　　探索：由“C”转“O”的结构拼图
　　随后，电池的研发作为团队的“拿手绝活”发展进入“快车道”，但是如何降低成本、提高性能才是产业化链条应该考虑的“重头戏”。在这其中，就绕不开电池关键材料的攻关和电堆结构的优化。
　　2009年，从比利时留学回来的李先锋加入大连化物所储能技术研究团队。新鲜血液的涌入为项目发展注入了不竭动力。一回来李先锋就扛起重担，直奔“要害”，担起了液流电池关键材料—离子传导膜的研发重任。
　　面对瓶颈，团队想到了在创新分子结构方面下功夫，通过调控膜的孔径大小，突破了膜离子传导性与离子选择性之间的制衡，开发出了高性能、低成本的传导膜材料，并首次提出了不含离子交换基团“离子筛分传导”机理，成功破解了难题。
　　除此之外，提高电堆的工作密度也是团队着重突破的一个核心。电堆就像电池的“心脏”，功能十分重要，往往牵一发而动全身。而初始阶段，在保持电堆的能量转换效率不低于80%时，其工作电流密度仅有80毫安，造成电堆居高不下，难以满足产业化的需要。
　　研究团队重点挖掘了电池内的反应及传递过程中的每个细节，有效提高了电堆效率，成功研制出了高功率密度电堆，为“心脏”输送了“血液”。
　　解决了上述问题，项目得以顺利进行。全钒液流电池具备安全性高、可靠性好、输出功率和储能容量规模大、寿命长、性价比高、电解液可循环利用、对环境友好等特点，为大规模应用在储能领域奠定了基础。
　　随后，从实验室到中试放大再到产业化运用，项目的发展也进入“快车道”。经过了一段时间的调试，大连全钒液流电池储能电站成功并网，这标志着全钒液流电池储能技术产业化的成功。
　　该电站相当于城市的“电力银行”，在整个电力系统中起到“削峰填谷”的作用：在电网用电低谷时，利用风能、太阳能等可再生能源发电给电池充电，将电能转化为化学能储存于电池中；在电网用电高峰时，将储存于电池中的化学能转化为电能进行放电。
　　“大连特殊的地形使得本地电网呈C字型，存在缺口。”大连恒流储能电站有限公司总经理宫继禹告诉《中国科学报》，“一旦遇到事故，会导致大规模停电，无法满足城市应急需要。”
　　而储能电站规划在两个电网之间，恰好弥补了缺口，将其结构由“C”转“O”，填补了电网结构上的最后一块“拼图”。极端环境下，储能电站还可以作为黑启动电源。启动停机的发电机组，帮助电网恢复运行。同时也可以作为备用电源，在电网出现故障时，为大连市区医院、应急救援等重要部门提供四小时左右的持续供电。


　　信念：最终目标是国家能源的未来
　　曾经的荒地上如今矗立起两个足球场大小的电站，716个大型储罐、358个集装箱在这里整齐排列。曾经的荒地“摇身一变”成为大连能源的“希望”，也成为整个团队心中最值得骄傲的事情。
　　“无论从产业规模还是未来的发展潜力来讲，我们都很有信心，中国的钒电池技术走在世界前列。”大连融科储能技术发展有限公司总经理王晓丽说。
　　而在整个工作中，也离不开年轻科研人员的身影。整个团队平均年龄在40岁左右，李先锋通过日常工作中的点点滴滴，身体力行的感染着周围的同事，带领着整个团队走向成功。
　　依靠同一个目标同一个信念，两代人“拧成一股绳”般前行，这才有了储能电站的成功并网。
　　提及之后的安排，李先锋表示，如果能进一步降低成本，提高电池的可靠性，后续才能真正大规模产业化推广。
　　“最终目标，是国家能源的未来。”李先锋说。
　　大连液流电池储能调峰电站正式并网发电了，但是他们的故事远没有结束。一代人有一代人的使命,一代人有一代人的担当，大连化物所储能技术研究团队会继续不忘初心、秉承信念，坚持“产、学、研、用”的创新开发机制，书写属于他们的新篇章。（文/孙丹宁）


      文章来源：大连化物所
      李先锋，男，1979年7月生于山东沂水，中国科学院大连化学物理研究所，研究员，博士生导师。中组部“万人计划”青年拔尖人才，中科院卓越青年科学家获得者，辽宁省百千万人才工程“百层次”人才。大连化学物理研究所储能技术研究部部长，电池材料与关键技术研究组长。长期从事大规模电化学储能技术的研究开发工作。成果荣获包括“2015年国家技术发明二等奖”（排名3），中国科学院杰出科技成就奖（突出贡献者，排名2）、 “辽宁省技术发明二等奖”（排名第2）等科技奖励。获 “中国科学院卢嘉锡青年人才奖”，“第三届“中科院沈阳分院优秀青年科技人才奖”，“辽宁省青年科技奖”，等奖励。入选中组部青年拔尖人才计划，中国科学院卓越青年科学家项目、大连市杰出青年科技人才等。为首届中科院青年创新促进会会员，中国膜工业协会电驱动膜专业委员会委员，中国材料研究学会青年工作委员会理事。迄今为止共发表SCI论文100余篇，其中Energy & Environmental Science 6篇，Angew. Chem. Int. Ed 1篇， Advanced Functional Materials 2篇，Nano energy 1篇。迄今为止，论文他引次数2500余次， H 因子30。2015年开始担任“Scientific Reports”杂志编委。申报发明专利100余项，国际专利6项。授权20余项。作为负责人主持国家科技部973计划课题、国家自然科学基金，中组部青年拔尖人才计划项目、中科院重要方向性项目等多项项目与课题。