储能新贵的暗面:液流取代锂电,还为时过早?


在储能的舞台上,液流是新老面孔。

1884年,法国工程师查尔斯·勒纳尔发明了锌-氯液体电池,用于军用飞艇。锌溴液体电池的原型已经成型,当时没有额外的流体驱动系统。

1950年,离子交换膜诞生,液流电池技术开始萌芽。

1955年,通用电气公司磺化聚苯乙烯获得第一个质子交换膜,就像芯片被用于电子工业一样,液流电池有了新的突破。

1971年,日本科学家Ashimura和Miyake首次提出了现代意义上的液流电池概念。

21世纪,随着锌、溴、钒、铁铬的开采,液流电池开始商业化。在锂电池储能的大背景下,慢慢出现了以钒为主的各种液流电池。

随着政策的增加,2022年CNNC可以进行“GWh级”液流集输生产。今年10月7日,国家电力投资公司拟采购1GWh 4h液流电池储能系统,再次实现“GWh级”液流电池招标。

国家电力投资招标文件摘录

液流开始拼凑锂电池未完成的储能图谱,甚至在某些领域取代了锂电池的作用。芯流智库通过与业内人士的深入调研,将从三个方面分析液流与锂电池的储能新格局:

需求创造市场。

当谈到液体流动时,不能绕过“长期能量储存”的概念。

业内普遍认为,长期储能是一种持续放电时间不低于4小时的储能技术。对于中国来说,目前正在大规模建设2小时储能系统。

2021年7月,国内首次提出四小时储能概念。国家发改委、能源局发布《关于鼓励可再生能源发电企业自建或购买调峰容量增加并网规模的通知》,鼓励市场化并网新能源项目按照装机容量的15%~20%配置4小时以上调峰容量。

国家发展改革委、能源局通知摘录

在储能领域,充放电时间决定了储能容量。随着发电侧应用场景越来越多,行业迫切需要容量储能方案提供稳定性和灵活性。换句话说,“大瓶子”比“小瓶子”能做更多的调节工作。

核心流量智库了解到,澳洲南部有一种用电策略,以风光为主,夜间调峰调频需要三到四个小时。这时候用热功率,说明锂电池充放电时间不尽如人意。

在锂电池储能一般为2小时的背景下,液流电池迎来了春天。

反应物储存在液流电池的电解液中,正负极的电解液储存在单元外,通过泵和管道输送到电池内部,电解液循环供给。

两地电解液用质子交换膜隔开,可以实现电化学反应和储能场所的分离,使得电池功率和储能容量的设计相对独立。

全钒液流电池示意图

通过增加电解液的量或电解液的浓度来增加存储容量,增加电池堆的数量来提高功率。这样,长期的大容量储能就成为可能。

除了难以满足4小时以上的调峰填谷需求,安全性也是锂电池储能的一大痛点,而日益成熟的液流技术恰好填补了这一领地。

没有火灾爆炸的危险,液态活性物质充放电过程中只有价态变化,避免了使用传统电池产生的相变和枝晶,避免了电池的短路问题。隔离式电解液储罐使反应物质分开,不存在自放电问题。

液流电池的特性填补了锂电池时代的需求。

同时,在新能源储能的大家族中,抽水蓄能和压缩空储气各有利弊。

虽然势能制造不是问题,但是涡轮摩擦产生的热量会导致其他问题,一旦过热可能会暂停发电。在技术层面上,上水库与下水库的高差(即电位差)可分为450m以下、450m-750m之间、750m以上三个等级,但由于产热因素,国产机大多在500m-600m之间..

抽水蓄能示意图

压缩空气体储能需要特殊的地理环境作为“储能室”。虽然具有可持续发展的前景,但压缩过程中大部分能量转化为热能,储能效率不高。

压缩空气体储能示意图

相比较而言,液流储能已经成为一种更容易利用和量产的方案。

液流的黑暗面

如今在液流圈,全钒产业链已初具规模,锌溴、锌铁、铁铬(前两者为锌基)商业化路线仍在探索中。

钒本身技术基础比较成熟,行业内企业也比较多。

相对来说,锌和溴还是有技术难度的,铁和铬中的铬矿主要靠进口。虽然他们有成本优势,但项目规模相对较小。

至于析氢问题,液流(水电池)的技术路线都有。

芯流智库在与业内相关人士的深入调查中了解到,在行业的聚光灯下,仍然存在一些不容忽视的斑驳现象。

第一个问题是质子交换膜的“卡脖子”问题。

质子交换膜一直是电池行业的中枢神经。技术困难,国内替代少,供不应求的国内市场依赖进口。

杜邦是全氟磺酸膜的元老,但其近乎垄断的地位却把膜炒到了天价,膜的成本几乎占到了整个液流电池的一半,未来中国也将面临可能供应不上的问题。

业内人士对芯流智库表示,红杉等知名VC投资的科润公司曾尝试过更换燃料电池膜,但价格仍然偏高。有些产品每平方米2000元,替代效果差强人意。

同时还有一种比前者更实惠的复合多孔膜。山东一家主营全钒液流储能的公司高管告诉芯流智库,他们已经实现了复合多孔膜的国产替代,并开始量产,这是公司方案的核心优势之一。

自研是质子交换膜国产化的主旋律,突破堆结构为时尚早。在这条路上,虽然有先行者,但依然任重道远。

第二个问题是技术和宣传的分离。

在行业向好的背景下,诚信需要是硬道理。技术在液流圈其实也不是完全保密的。融资固然重要,产品也是硬道理。公司需要在产业化宣传和技术进步之间找到平衡点,警惕脱节的陷阱。

业内人士告诉Core Flow,就专利而言,除了栈结构不同,机械机制非常相似,而且最终服务接入电网后,要遵守的标准是一样的,不存在所谓的知识专利可以绕过。并网后,国家电网的数据也将公开。

此外,客户和制造商之间的数据共享非常重要。一致性和良率是后续改进的两大关键,类似于半导体和后台用户的新数据,甚至反馈给TSMC等国际厂商。所谓“液流技术保密”也要考虑逻辑是否自洽。

第三个问题是机械结构。

这里详细介绍一下液流电池的技术路线。

不同金属元素在液体中的整体迁移速度是不一样的,这就进一步涉及到辅助工具的精细操作,比如泵。水系统迁移的问题必须通过泵来解决。为了使不同的元素流动,两边的泵需要产生不同的气压。当这两个元素相互作用时,高压侧会阻碍低压侧的流动。

所以业内也有一种说法,未来液流储能的出路在于单一元素而非多元,而且不同元素的条件不同,反应面积往往也不一样,容易导致漏液问题。

关于“漏液”问题,专门研究液流电池的大连海事大学马教授曾指出:“技术可靠性就是液流电池的漏液问题,这是企业必须解决的最基本的问题。你得拿出一个漏水的产品,这是不可能合格的。”因此,解决“漏液”问题是液流电池需要达到的及格线。

对于多元主义,目前没有办法从根本上解决这个问题,存在不稳定的隐患。这是机械结构而不是电解质造成的。作为单一元素的液体流动手段,全钒比较容易解决这个问题。

第四个问题是电解液循环次数。

业内相关人士告诉芯流智库,锌基元素液流电池存在锌枝晶的问题,其电解液在不到一千次循环后迅速流失。随着反应,反应器内产生大量沉积元素,反应元素随着循环次数越来越少,导致损耗严重,能量转换效率迅速低于60%。

那么,宣传周期时间长,电的全生命周期成本低,其实是矛盾的。

经过多次循环后,如果需要再次添加电解液,售后和维修费用还会继续上涨。我们怎样才能保持低电费?中国科学院大连化学物理研究所研究员张华敏以全钒电池为例。在储能4小时的状态下,电解液的成本占50%。10小时制电解液成本占70%。

其实电解质问题早就被专家注意到了。大连海事大学马教授曾指出:“液流电池号称容量不衰减,真的不衰减吗?”它也会衰减,但容量可以恢复。如何定期恢复以及使用何种频率有待确定。还有定期检查。”

第五个问题是无法快速验证。

不同于锂电池的BMS系统,液流领域没有配套的BMS软件。不管是全钒锌还是铁铬,都需要自己研发。

类似于芯片中的专业老化机,储能领域也需要可靠性测试的手段。

但是液体流动做不到。为了验证可靠性,假设电池2小时充满电,4小时放电。整个过程也占用大量时间,一天只能做4个周期,一年的验证次数很少。这样,如何验证数万次的循环次数?

此外,近几年还成立了一大批新兴的液流电池公司,有些公司只存活了五年,产品也才面市两年。事实上,液流电池的验证显然是摆在桌面上的,不能跳过。

第六个问题是电堆的生产一致性。

产能扩大后,保持产品一致性的技术难度在急剧上升,整个制造业的产品标准化难度非常大。汽车行业短期量产还是很难做到一致性的。那么,尚处于起步阶段的液流储能如何解决这个问题呢?

其实业界早就关注到了生产一致性的问题。中国科学院大连化学物理研究所研究员张华敏曾多次在公开场合强调这个问题。

如果说处理一致性问题,汽车企业还可以采取召回措施来弥补,而液体产品则面临着巨大的成本压力。由于其占地面积巨大,且含有一些危险的化学元素,因此很难处理破碎的液态储能产品。

此外,非一线厂商在产品设计上的质量考量,储能厂商人力资源部门的水平也决定了企业的发展前景。

2023年是液流上升的一年,但还是要小心航行。

锂电池与液流的“局部战争”

锂电池和液流其实并没有达到替代关系,更像是交叉中的互补需求。虽然有问题,但锂电池在今天依然是主流。

首先,锂电池充放电速度快,几个月就能测试迭代验证多次。第一代锂电池产品淘汰后,市场验证更加完整。

其次,锂电池本身有配套的BMS系统,可靠性验证门槛低。

最后,锂电池本身比较稳定,并网量可以很小,占地面积也不大,即使出现问题也可能局限在偏远地区。从长远来看,可以搭配风力和光电,比较有价值。

稳定性本身就是锂电池相对于液流的价值,类比火电也是如此。

业内相关人士发现,在二氧化碳排放峰值和碳中和的背景下,火电增长迅速。根据能源局最新的电力行业数据,火电在绝对装机规模上的增长仅次于光伏,原因有二:一是对负荷中心起到支撑作用;第二,西北调整。

时至今日,经过几年的验证,稳定性决定了锂电池在新能源发电和储能中的主流地位不减。

1-9月份全国电力行业统计数据一览表

在商战中,了解对手往往能带来更好的成长。无论是合适的锂电池储能,还是初生牛犊的液流,谦虚往往比分离更现实。

锂电池储能虽然有长时间和安全两个瓶颈,但有完整的产业链、技术手段和成熟的市场环境。业内人士对芯流智库表示,在工商业储能领域,锂电池无疑是主流;在板栅一侧,液流开始冲击锂电池的位置。

液流是应需而生的,更脚踏实地。

国产质子膜的缺乏和难以实现的快速验证呼唤产业链先锋。知行合一和产品一致性的考虑警示厂商要把握口碑,电化学端和机械结构的突破正在倒逼新一轮的技术革新。

未来已经来了,储能新图的大局不确定,化工材料领域的新技术方案远不如芯片行业清晰。中科院大连化学物理研究所研究员张华敏说:“一个企业从研发到产业化,至少需要5到10年的时间来磨练和提高液流电池技术,没有捷径可走。”这样看来,液流和锂电池还是需要互相学习的。

一方面,液流储能需要更加接地气,认真倾听电网侧用户的声音和需求;另一方面,行业需要加快产品的市场验证,有些厂商需要先打磨合格的产品,有些产品需要加快市场迭代。

毕竟从根本上来说,液态储能是为电网服务的,不能独立存在。任何新兴的技术路线都必须通过最终用户的严格检验。