物理储能
扬水储能 压缩空气储能 飞轮储能
容量大 ,技术成熟 ,成本低 ,受地点限制 容量大 ,成本低 ,受地点限制 ,需要气体燃料 功率高 ,能量密度低 ,成本高 ,技术需要完善
超导储能
超导磁
功率高 ,能量密度低 ,成本高 ,需经常维护
2 主要的化学储能技术
2. 1 氧化还原液流储能电池 图 2给出了氧化还原液流电池的原理图 ,正极
图 1给出了各种储能技术适宜的储能容量和 应用领域 ,根据储能容量的不同 ,其应用领域主要 分为电源质量调节和不间断电源 ( Power Quality & UPS ) 、备用电源 (B ridging Power) 、能源管理 ( Energy M anagement)三个层次 。各种二次电池 、 超级电容器 、飞轮储能 、铅酸电池等可用于电源质 量调节和不间断电源 ,金属空气电池 、钠硫电池 、 超导磁储能 、铅酸电池 、氧化还原液流电池可用于 备用电源 ,扬水储能 、压缩空气储能 、钠硫电池 、铅 酸电池 、氧化还原液流电池可用于电网能源管理 。 适合于大规模储能的技术有氧化还原液流电池储 能 、扬水储能和压缩空气储能 。与其他储能技术
1 储能方式及应用领域
到目前为止 ,人们已经探索和开发了多种形 式的储能方式 ,主要可分为化学储能 、物理储能和 超导储能 ,表 1给出了主要的储能技术及其特点 。
化学储能技术主要有铅酸电池 、氧化还原液
流电池 、钠硫电池 、超级电容器 、金属空气电池 ,二 次电池 (镍氢电池 、锂离子电池 ) 。物理储能方式 主要有扬水储能 、压缩空气储能和飞轮储能 。超 导储能是把超导材料做成线圈 ,能量储存在超导 磁铁中 。一旦需要 ,便可以在一个周波内释放出 数以兆瓦的电能 。
图 3 英国 5kW , 20kW , 100kW RegenesysTM电池
中国科学院大连化物所燃料电池中心在国内 率先开展多硫化钠 /溴氧化还原液流储能电池的 研究 ,现已成功开发出 500W 电池组 [ 6 ]以及 4kW 电池组 ,研制出低成本的高效催化剂 [ 7 ]以及电极 材料 [ 8 ] 。这对我国储能技术的发展起着重大推 动作用 。
和负极电解液分别装在两个储罐中 ,利用送液泵使 电解液通过电池循环 。电池内正 、负极电解液用离 子交换膜分隔开 ,电池外接负载和电源。电池组和 电解液储罐可以分别放置 ,因此可因地制宜安排相 对位置。在氧化还原液流电池充、放电过程中 ,仅电 解液中的离子价态发生变化 ,从理论上讲 ,离子价态 变化的离子对可以组成多种氧化还原液流电池。但 到目前为止 ,研究并完成示范运行的是多硫化钠 /溴 和全钒氧化还原液流储能电池 [1～5] 。 2. 1. 1 多硫化钠 /溴氧化还原液流储能电池
VO2 + /VO + ,负极为 V2 + /V3 + 。全钒氧化还原液
流电池充放电时 ,电极发生如下反应 :
正极 :
VO2 +
+ H2 O -
e-
充电 放电
VO2
+
+ 2H +
负极 : V3 +
+ e-
充电 放电
V2 +
浓差极化较其他电池小 ,又因为钒离子的电化学可 逆性高 ,电化学极化也小 ,因而非常适合大电流快 速充放 ;此外 ,它还具有可靠性好、操作和维修费用 低 、通过更换电解液实现瞬间充电等特点 [9 ] 。
+
2e-
x = 1～4
(2)
常温常压下 ,正极电位 1. 06～1. 09V,负极电位
- 2 - ENERGY ENGINEER ING 2005③
研究与探讨
0. 48～0. 52V,单电池的开路电压 1. 54～1. 61V。
一座相同规模的多硫化钠 /溴氧化还原液流储能
多硫化钠 /溴氧化还原液流储能电池由美国 电池系统 ,在非常时期为基地提供电能。
解质浓度即可 ;其次 ,它的活性物质存在于液体 中 ,故充放电时无其他电池常有的固相变化及形
貌的改变 ,活性物质理论寿命长 ;第三 ,电池可超 深度放电 (100% )而不对电池造成伤害 ;第四 ,氧
化还原液流电池选址自由度大 ,占地少 ,系统封闭
运行无污染 ;第五 ,电池部件多为廉价的碳材料 、
工程塑料 ,使用寿命长 ,材料来源丰富 ,加工技术
收稿日期 : 2005 - 03 - 16 作者简介 :张华民 (1955 - ) ,男 ,山东人 ,中国科学院大连化学物理研究所研究员 ,博士生导师 ,入选中科院百人计划 ,入选辽宁省百千万 人才工程百人层次 ,研究方向 :燃料电池与新型储能电池 。
2005③能源工程 - 1 -
研究与探讨
电能是现代社会人类生活 、生产中必不可缺 的二次能源 。随着社会经济的发展 ,人们对电的 需求越来越高 。电力需求昼夜相差很大 ,但发电 厂的建设规模必须与高峰用电相匹配 ,投资大利 用率较低 。另一方面 ,随着化石能源的不断枯竭 , 人们对风能 、水能 、太阳能等可再生能源的开发和 利用越来越广泛 。为了满足人们生产及生活的用 电需求 ,减少发电厂的建设规模 ,减少投资 ,提高 效率 ,以及保证可再生能源系统的稳定供电 ,开发 经济可行的储能 (电 )技术 ,使发电与用电相对独 立极为重要 。本文介绍了各种主要储能技术的应 用领域 、研究开发现状及发展趋势 。
人 Rem ick[ 1 ]发明 ,英国 Innogy公司给这项技术注
册商标为 RegenesysTM ,现已成功开发出三个系列
的电池模块 (见表 2、图 3 ) 。与质子交换膜燃料
电池相似 ,该电池由电极 、双极板 、阳离子交换膜 、
绝缘支撑框架等叠合而成 。采用模块化设计 ,能
适应大规模批量生产 。 Innogy公司于 1996 年在
在多硫化钠 /溴氧化还原液流储能电池体系 中 ,正极电解液为溴化钠 ,负极电解液为多硫化 钠 。充 、放电时电极上发生如下反应 :
图 2 氧化还原储能电池流程示意图
正极 : B r2
+ 2N a+
+
2e-
放电 充电
2NaB r
(1)
负极 :
( x + 1) Na2 Sx
放电 充电
2Na +
+
xN a2 Sx + 1
49. 8
74. 3
表 3 英国 120MW h /15MW 储能电厂参数
存储容量 存储时间 占地面积 储罐容积 净能量效率
120MW h 最大功率 10h 电堆数目
3000m2 设计寿命 2800m3 电解液循环量
70% 总造价
15MW 120 ×100kW
15 a 22. 7 m3 /m in 22 ×106 美元
Abstract: Energy storage system p lays an important role in stabilizing electricity network and penetrating renewable energy. In this paper, various energy storage methods were introduced as well as their characteristics. The research and development of devices for large utility scale energy storage were summarized. It was pointed out that redox flow batteries, which possess advantages of low cap ital cost, high energy efficiency and long lifetime, were the most p rom2 ising commercial technologies. Key words: electricity network; renewable energy; energy storage; redox flow batteries
钒电池适用于调峰电源系统 、大规模光伏电源 系统 、大规模风能发电系统的储能 ,以及不间断电 源或应急电源系统和电动车 [4, 9～10 ] 。目前国外的 一些公司已经着手从事这方面的产业化 ,标志着即 将进入实用化阶段 [11～13 ] ,但钒电池的大规模商业
研究与探讨
储能技术的研究开发现状及展望
张华民 ,周汉涛 ,赵 平 ,衣宝廉
(中国科学院 大连化学物理研究所 燃料电池工程中心 ,辽宁 大连 116023)
摘 要 :储能系统在稳定电网 、利用可再生能源方面起着重要作用 。介绍了各种储能方式及其特点 ,综述了大 型储能技术的研究开发状况 ,其中氧化还原液流电池具有成本低 、效率高 、寿命长等优点 ,商业化前景看好 。 关键词 :电网 ;可再生能源 ;储能 ;氧化还原液流电池 中图分类号 : TM91 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 3950 (2005) 03 - 0001 - 07
在满充电状态下 ,电池开路电压为 1. 6V左右。 当使用阳离子膜为电池隔膜 ,充放电时电解 液中的阳离子 (主要为 H + )在膜中定向迁移 。不 同价态的钒离子呈现明显不同的颜色 ,如 V2 + 为 紫色 , V3 + 为绿色 , VO2 + 蓝色 , VO + 黄色 。因 此 , 通过观察电解液颜色的变化可粗略了解电池的充
放电状态 。
全钒氧化还原液流电池有许多优点 。首先 ,正 负极活性物质均为钒离子 ,不会发生其他液流电池
常有的正负极电解液交叉污染导致电池过早失效
的现象 ;其次 ,工作时电解液处于流动状态 ,电池的
图 4 120MWh多硫化钠 /溴氧化还原液流储能电池系统