从“零”开始城市“电力银行”开张了

液流电池储能调峰电站。大连化物所供图

　　近日，百兆瓦级的液流电池储能调峰电站在大连进入并网调试最后阶段，预计10月中旬正式投入使用。该电站是迄今全球功率最大、容量最大的液流电池储能电站，对我国可再生能源发展起到了至关重要的作用。

　　该项目由中科院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）提供技术支撑，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运营。

　　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。曾经的荒地如今“摇身一变”成为大连能源的“希望”，也成为大连化物所研究员李先锋等人心中最值得骄傲的事情。

　　创新：“无中生有”的研究

　　大连化物所研究员张华民一直密切关注该项目的动向，前期在液流储能电池关键材料与系统集成方面作出贡献的他，得知项目成功推动后十分激动。“感觉我们的梦想成真了！”

　　2000年，时任日本公司能源环境研究室主任，事业蒸蒸日上的张华民，却毅然决然地放弃高薪，选择来到大连化物所工作。这次归国，张华民是带着“任务”来的。

　　“我和德国科学家每年都有很多项目合作，也因此接触到可再生能源。很早我就意识到，可再生能源将逐步由辅助能源变为主导能源。”张华民说。

　　但是，由于可再生能源具有波动性、不连续性等特点，因此必须有大规模储能技术与之配套，才能稳定运行。大规模储能技术继而成为可再生能源普及应用的瓶颈技术。而大规模储能必须具备3个条件：安全性高，生命周期性价比高、循环寿命长，电池报废后不能对环境造成恶劣影响。

　　想到这里，张华民更加坚定要做大容量、大规模、长时间的储能技术。他所在的团队，首先在原料方面展开探索研究。“考虑到安全性和容量可恢复性，我们想到了钒。”他说。

　　所有的液流电池都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，未来的回收及维护相对简单，即使长期运行使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”带给团队不小的压力。

　　日本住友电工和加拿大VRB公司在钒液流电池的研发上位居全球前列。2005年，在该领域深耕20余年的日本住友电工因成本问题突然停止研究工作；2008年，加拿大VRB公司又因为经济危机宣布破产。

　　“作为世界上做得最早、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》。

　　当时，整个团队没有人做过钒液流电池的相关研究，几乎从“零”开始的项目对于全体人员来说是一个莫大的挑战。

　　经过分析，团队发现，钒液流电池成本“居高不下”主要是因为电解液成本无法压缩。如果能在双极板、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。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，这些困扰将迎刃而解。

　　探索：由“C”转“O”的结构拼图

　　如何降低成本、提高性能是产业化链条的“重头戏”。这其中，绕不开电池膜集成和电堆结构优化。

　　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。李先锋一回来就扛起重担，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，该团队开始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，开发出高性能、低成本的传导膜材料，并首次提出不含离子交换基团的“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该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。初始阶段，在电堆能量转换效率不低于80%时，其工作电流密度仅有80毫安，难以满足产业化的需要。

　　对此，研究团队重点挖掘了电池内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，为在储能领域大规模应用奠定了基础。

　　随着实验室到中试放大再到产业化应用，项目的发展也进入“快车道”。经过一段时间的调试，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形，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”，补上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8小时左右的持续供电。

　　提及并网之后的安排，李先锋表示，只有进一步降低成本，提高电池的可靠性，后续才能实现大规模产业化推广。