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可再生能源發(fā)電具有間歇性和波動(dòng)性，其大規(guī)模接入電網(wǎng)后，要求電力系統(tǒng)必須具備一定的應(yīng)變和響應(yīng)能力，才能保證可再生能源供電的可靠性。儲(chǔ)能技術(shù)能夠有效解決電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全、電力電量平衡、可再生能源消納等方面的問(wèn)題，是可再生能源充分開(kāi)發(fā)利用的必要的技術(shù)支撐。
全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)利用不同價(jià)態(tài)的釩離子作為活性物質(zhì)，基于正負(fù)極電解液中釩離子發(fā)生的氧化或還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電能的大規(guī)模儲(chǔ)存和釋放。它的安全性高、可靠性好、輸出功率和儲(chǔ)能容量規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、性?xún)r(jià)比高、電解液可循環(huán)利用、對(duì)環(huán)境友好，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
本次并網(wǎng)的大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站使用我所自主開(kāi)發(fā)的全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)，相當(dāng)于大連市的“電力銀行”，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的削峰填谷。主要功能為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)。在一定程度上緩解大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)帶來(lái)的穩(wěn)定性問(wèn)題，并促進(jìn)電力系統(tǒng)針對(duì)可再生能源發(fā)電的消納，改善電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站將提升可再生能源并網(wǎng)率、平衡電網(wǎng)穩(wěn)定性并提高電網(wǎng)可靠性，對(duì)加快推進(jìn)我國(guó)大規(guī)模儲(chǔ)能在電力調(diào)峰及可再生能源并網(wǎng)中的應(yīng)用具有重要意義。
儲(chǔ)能技術(shù)研究部一直以來(lái)堅(jiān)持“產(chǎn)、學(xué)、研、用”的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)機(jī)制，不斷解決全釩液流電池產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中存在的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，突破全釩液流電池儲(chǔ)能關(guān)鍵核心技術(shù)，取得一系列國(guó)際領(lǐng)先的技術(shù)成果,在國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了產(chǎn)業(yè)化推廣，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)液流電池儲(chǔ)能技術(shù)向發(fā)達(dá)國(guó)家的輸出，體現(xiàn)了我所在該領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位。
該工作得到中科院A類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的支持。
團(tuán)隊(duì)側(cè)記
夢(mèng)想成真！用“水”做的電池
彌補(bǔ)城市電網(wǎng)缺口
10月30日，由中科院大連化學(xué)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“大連化物所”）儲(chǔ)能技術(shù)研究部提供技術(shù)支撐的迄今全球功率最大、容量最大的百兆瓦級(jí)液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站正式并網(wǎng)發(fā)電。該電站由大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司設(shè)計(jì)制造、大連恒流儲(chǔ)能電站有限公司建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，是國(guó)家能源局批準(zhǔn)建設(shè)的首個(gè)國(guó)家級(jí)大型化學(xué)儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，總建設(shè)規(guī)模為200兆瓦（MW）/800兆瓦時(shí)（MWh）。本次并網(wǎng)的是該電站的一期工程，規(guī)模為100兆瓦（MW）/400兆瓦時(shí)（MWh）。
整個(gè)研究工作中，離不開(kāi)拼搏在一線(xiàn)的科研工作者們，每一位學(xué)者都在其中奮斗著、經(jīng)歷著，在一次次磨練中成長(zhǎng)著，奉獻(xiàn)了一代又一代人的青春。
創(chuàng)新：“無(wú)中生有”的研究
大連化物所研究員張華民前期在液流儲(chǔ)能電池關(guān)鍵材料與系統(tǒng)集成方面做出了重要貢獻(xiàn)，電站正式并網(wǎng)，他感到十分激動(dòng)?；叵胫把芯可牡拈_(kāi)端，要追溯到2000年。
張華民時(shí)任日本公司能源環(huán)境研究室主任，事業(yè)蒸蒸日上。但他在這一年，卻毅然決然放棄高薪，選擇到大連化物所工作。這次歸國(guó)，張華民是帶著“任務(wù)”回來(lái)的。
“我每年和德國(guó)的科學(xué)家有很多項(xiàng)目合作，接觸到了可再生能源。那時(shí)候，我就意識(shí)到了可再生能源將逐步由輔助能源變?yōu)橹鲗?dǎo)能源，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是可再生能源普及應(yīng)用的瓶頸。”張華民提到。
但是可再生能源具有波動(dòng)性、不連續(xù)性等特點(diǎn)，這導(dǎo)致必須有大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)與之配套，才能穩(wěn)定運(yùn)行，也就是說(shuō)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是可再生能源普及應(yīng)用的瓶頸技術(shù)。而大規(guī)模儲(chǔ)能必須具備三個(gè)條件：安全性要高；生命周期的性?xún)r(jià)比要高，循環(huán)壽命要長(zhǎng)；電池報(bào)廢以后不能對(duì)環(huán)境造成惡劣的影響。
想到這里，張華民堅(jiān)定了要做大容量、大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能技術(shù)。帶著這份信念，他從日本飄洋過(guò)?；氐酱筮B，開(kāi)始了儲(chǔ)能領(lǐng)域的新探索。在體系選擇方面，團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了探究。
“考慮到安全性和容量可恢復(fù)性，我們想到了釩。”張華民說(shuō)。
所有的液流電池都要擁有一個(gè)正極電對(duì)和一個(gè)負(fù)極電對(duì)，而全釩電池兩邊是同等元素，未來(lái)的回收及維護(hù)就相對(duì)簡(jiǎn)單，即使長(zhǎng)期運(yùn)行正負(fù)極電解液中釩離子的價(jià)態(tài)失衡 ，也可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)的方法將其修復(fù)。
然而，國(guó)際上的“風(fēng)云變幻”帶給了團(tuán)隊(duì)不小的壓力。
日本住友電工和加拿大VRB能源有限公司在釩液流電池的研發(fā)技術(shù)上位居前列。2005年，已經(jīng)在領(lǐng)域內(nèi)深耕20余年的日本住友電工因?yàn)槌杀締?wèn)題突然停止了研究開(kāi)發(fā)。2008年，加拿大VRB釩液流儲(chǔ)能公司又因?yàn)榻?jīng)濟(jì)危機(jī)而宣布破產(chǎn)。
“作為世界上做的最早的、最好的兩家企業(yè)，一個(gè)停止研究一個(gè)破產(chǎn)，我們當(dāng)時(shí)壓力很大。”張華民告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
對(duì)于團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，全釩液流電池的研究并非是“站在巨人的肩膀上”。整個(gè)團(tuán)隊(duì)沒(méi)有人在之前做過(guò)類(lèi)似的研究，幾乎從“零”開(kāi)始的項(xiàng)目對(duì)于全體人員來(lái)說(shuō)都是一個(gè)莫大的挑戰(zhàn)。
但是為了國(guó)家能源的發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)“能源夢(mèng)”，整個(gè)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)定信念，向著目標(biāo)進(jìn)發(fā)。
經(jīng)過(guò)分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)成本“居高不下”主要是因?yàn)殡娊庖旱某杀緹o(wú)法壓縮。如果團(tuán)隊(duì)能在雙極板、傳導(dǎo)膜等方面有所突破，將可以通過(guò)減少材料成本達(dá)到降低整體項(xiàng)目成本的效果。而加拿大VRB公司并不掌握產(chǎn)業(yè)鏈的核心技術(shù)，這加速了該能源項(xiàng)目走向滅亡。從電解液、電極、膜、雙極板到電堆的系統(tǒng)集成，如果團(tuán)隊(duì)可以掌握全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)，這項(xiàng)困擾也將迎刃而解。
秉承著信念和決心，全體研究組一起開(kāi)始攀登新的高峰。
探索：由“C”轉(zhuǎn)“O”的結(jié)構(gòu)拼圖
隨后，電池的研發(fā)作為團(tuán)隊(duì)的“拿手絕活”發(fā)展進(jìn)入“快車(chē)道”，但是如何降低成本、提高性能才是產(chǎn)業(yè)化鏈條應(yīng)該考慮的“重頭戲”。在這其中，就繞不開(kāi)電池關(guān)鍵材料的攻關(guān)和電堆結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。
2009年，從比利時(shí)留學(xué)回來(lái)的李先鋒加入大連化物所儲(chǔ)能技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)。新鮮血液的涌入為項(xiàng)目發(fā)展注入了不竭動(dòng)力。一回來(lái)李先鋒就扛起重?fù)?dān)，直奔“要害”，擔(dān)起了液流電池關(guān)鍵材料—離子傳導(dǎo)膜的研發(fā)重任。
面對(duì)瓶頸，團(tuán)隊(duì)想到了在創(chuàng)新分子結(jié)構(gòu)方面下功夫，通過(guò)調(diào)控膜的孔徑大小，突破了膜離子傳導(dǎo)性與離子選擇性之間的制衡，開(kāi)發(fā)出了高性能、低成本的傳導(dǎo)膜材料，并首次提出了不含離子交換基團(tuán)“離子篩分傳導(dǎo)”機(jī)理，成功破解了難題。
除此之外，提高電堆的工作密度也是團(tuán)隊(duì)著重突破的一個(gè)核心。電堆就像電池的“心臟”，功能十分重要，往往牽一發(fā)而動(dòng)全身。而初始階段，在保持電堆的能量轉(zhuǎn)換效率不低于80%時(shí)，其工作電流密度僅有80毫安，造成電堆居高不下，難以滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化的需要。
研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)挖掘了電池內(nèi)的反應(yīng)及傳遞過(guò)程中的每個(gè)細(xì)節(jié)，有效提高了電堆效率，成功研制出了高功率密度電堆，為“心臟”輸送了“血液”。
解決了上述問(wèn)題，項(xiàng)目得以順利進(jìn)行。全釩液流電池具備安全性高、可靠性好、輸出功率和儲(chǔ)能容量規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、性?xún)r(jià)比高、電解液可循環(huán)利用、對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)，為大規(guī)模應(yīng)用在儲(chǔ)能領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。
隨后，從實(shí)驗(yàn)室到中試放大再到產(chǎn)業(yè)化運(yùn)用，項(xiàng)目的發(fā)展也進(jìn)入“快車(chē)道”。經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的調(diào)試，大連全釩液流電池儲(chǔ)能電站成功并網(wǎng)，這標(biāo)志著全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的成功。
該電站相當(dāng)于城市的“電力銀行”，在整個(gè)電力系統(tǒng)中起到“削峰填谷”的作用：在電網(wǎng)用電低谷時(shí)，利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電給電池充電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存于電池中；在電網(wǎng)用電高峰時(shí)，將儲(chǔ)存于電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行放電。
“大連特殊的地形使得本地電網(wǎng)呈C字型，存在缺口。”大連恒流儲(chǔ)能電站有限公司總經(jīng)理宮繼禹告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“一旦遇到事故，會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模停電，無(wú)法滿(mǎn)足城市應(yīng)急需要。”
而儲(chǔ)能電站規(guī)劃在兩個(gè)電網(wǎng)之間，恰好彌補(bǔ)了缺口，將其結(jié)構(gòu)由“C”轉(zhuǎn)“O”，填補(bǔ)了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上的最后一塊“拼圖”。極端環(huán)境下，儲(chǔ)能電站還可以作為黑啟動(dòng)電源。啟動(dòng)停機(jī)的發(fā)電機(jī)組，幫助電網(wǎng)恢復(fù)運(yùn)行。同時(shí)也可以作為備用電源，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，為大連市區(qū)醫(yī)院、應(yīng)急救援等重要部門(mén)提供四小時(shí)左右的持續(xù)供電。
信念：最終目標(biāo)是國(guó)家能源的未來(lái)
曾經(jīng)的荒地上如今矗立起兩個(gè)足球場(chǎng)大小的電站，716個(gè)大型儲(chǔ)罐、358個(gè)集裝箱在這里整齊排列。曾經(jīng)的荒地“搖身一變”成為大連能源的“希望”，也成為整個(gè)團(tuán)隊(duì)心中最值得驕傲的事情。
“無(wú)論從產(chǎn)業(yè)規(guī)模還是未來(lái)的發(fā)展?jié)摿?lái)講，我們都很有信心，中國(guó)的釩電池技術(shù)走在世界前列。”大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司總經(jīng)理王曉麗說(shuō)。
而在整個(gè)工作中，也離不開(kāi)年輕科研人員的身影。整個(gè)團(tuán)隊(duì)平均年齡在40歲左右，李先鋒通過(guò)日常工作中的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，身體力行地感染著周?chē)耐?，帶領(lǐng)著整個(gè)團(tuán)隊(duì)走向成功。
依靠同一個(gè)目標(biāo)同一個(gè)信念，兩代人“擰成一股繩”般前行，這才有了儲(chǔ)能電站的成功并網(wǎng)。
提及之后的安排，李先鋒表示，如果能進(jìn)一步降低成本，提高電池的可靠性，后續(xù)才能真正大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣。
“最終目標(biāo)，是國(guó)家能源的未來(lái)。”李先鋒說(shuō)。
大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站正式并網(wǎng)發(fā)電了，但是他們的故事遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束。一代人有一代人的使命，一代人有一代人的擔(dān)當(dāng)，大連化物所儲(chǔ)能技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)會(huì)繼續(xù)不忘初心、秉承信念，堅(jiān)持“產(chǎn)、學(xué)、研、用”的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)機(jī)制，書(shū)寫(xiě)屬于他們的新篇章。
原標(biāo)題： 100MW/400MWh！大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站并網(wǎng)發(fā)電
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