logo全球能源互联网期刊信息服务平台

【首发论文】盐穴电池储能技术及发展前景

本文已被《全球能源互联网》录用,现将其精彩内容缩编进行网络首发。

作者韩红静 1,梅生伟1,2 ,王国华 3,陈留平3 ,韩月峰3 ,朱闯1 ,王文慧1  


单位:1. 青海大学新能源光伏产业研究中心;2. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室 ( 清华大学电机系 ); 3. 中盐金坛盐化有限责任公司


研究背景

大规模储能技术是推进能源结构转变、降低弃风、弃光率、实现电网削峰填谷的关键技术。传统的液流电池采用储液罐储存电解液,这种电解液储存模式投资成本高,占地面积大,液流电池容量提升及在大规模储能方面的应用受到限制。而高效率、低成本、大规模是未来液流电池储能技术发展的必然趋势,因此,除了要加强对液流电池关键材料(如正负极材料、隔膜、电解液等)及电池反应电堆结构的研究外,还应积极探索其他可以显著降低成本的大规模液流电池储能技术的开发。盐穴储液具有安全性高、投资成本低、储量大及技术成熟等优点,盐穴电池储能技术采用盐穴储存电解液,容积巨大的盐穴完全可以满足大规模储能装机容量的要求。


引言

文章提出一种基于盐穴储液的盐穴电池储能系统,该系统利用盐穴储液技术解决液流电池的大容量电解液储存问题,不仅可以大幅度提升电池储能系统的装机容量,降低成本,同时,也将大幅度缩减占地面积利用天然存在的巨大体积的盐穴替代储液罐,来建造大容量盐穴储能液流电池,作为一种低成本大规模储能技术将具有广阔的商业应用前景。


文章主要从电池系统结构、工作原理、关键技术及发展前景等方面介绍盐穴电池的技术特点及其在大规模储能领域的潜在应用。


盐穴电池系统结构



图1为盐穴电池系统结构示意图。该电池由电堆结构单元,储存正、负两极电解液的盐穴,循环液泵及电解液管路构成。其中,电堆结构单元一般由多个单电池串联组成,采用叠加封闭式紧锁结构,具有多个管道以进行电解液的循环流动。而单电池单元通常采用板框式结构,由端片(绝缘框架)、集流板(主要为铜)、电极及离子传导隔膜等组成。盐穴电池的正、负极活性物质以液态形式存在于两个巨大的盐穴中。此外,盐穴电池储能系统还包括能量管理系统、电池管理系统、变压器和逆变器等组成部分,以完成交流电与直流电之间的转换及并网充放电。

⬆图1 盐穴电池结构示意图


盐穴电池工作原理



盐穴电池系统工作时,在循环液泵的驱动下,正、负极电解液分别在盐穴和两个半电池室之间循环流动,通过电解液中的活性物质与正、负电极的可逆氧化还原反应完成化学能和电能间的能量转换。盐穴电池的储能活性物质与电池电极完全分开,这样分开独立的设计结构使得其功率和容量彼此独立,便于模块化设计。盐穴电池的容量取决于电解液的体积,因为采用盐穴作为储液介质,其巨大的储液空间完全可以满足大规模储能装机容量的要求。


盐穴电池系统关键技术


盐穴电池储能系统的建设关键在于利用盐穴取代液流电池系统的储液罐进行电解液的储存,因此,如何避免盐岩的再溶解及盐岩溶解后对电解液成分的影响是目前盐穴电池储能发展的关键之一。同时,电解液长期存放在盐穴中,其均匀性及稳定性也是需要考虑的关键要素。此外,大规模液流电池储能系统在建设过程中,受限于储液罐的体积常采取储能单元模块化设计,而盐穴电池用于储存电解液的盐穴容积足够大,这时电堆结构的设计及连接方式成为提高盐穴电池电流密度的关键环节。目前,中国盐穴电池储能系统的建设尚属空白,因此上述关键材料或技术的突破对盐穴电池储能系统的性能优化及产业化至关重要。


发展前景



中国地下盐矿资源丰富,储量超过1万亿t,而且,分布范围广,在华东、华北及西北地区均发现了大型盐矿的存在。如图2所示,作为中国优质的盐穴资源,金坛盐矿埋深800~1200 m,盐矿分布面积约60多km2,是建造盐穴储气库的优质资源。目前金坛共有空闲盐穴650万m3,按照2个10万m3的盐穴电池储能700 MWh的标准计算,金坛目前盐穴总装机容量可以达到20000 MWh以上。如此巨大的储能容量对于支撑当地电网的调峰需求,促进电力系统经济运行,缓解峰谷差造成的电力供应紧张状况具有重要意义。因此,利用盐穴取代液流电池中的储液罐来制造大规模盐穴电池储能系统,将是盐穴应用于储能领域的另一重要发展。

图2 中国东部盐穴资源分布


总结与展望



液流电池因为功率输出与能量储存分别独立设计的特点,在大规模储能方面具有显著优势。而利用天然体积巨大的盐穴进行电解液储存,设计盐穴电池储能系统,不仅可以低成本地制备大规模储能电池,而且可以提高地上空间利用效率。中国盐矿资源丰富,分布范围广,随着利用盐穴储气、储油技术的推广,溶腔造穴的技术也日益成熟,为开展盐穴电池储能技术的发展提供了有利条件。随着技术的发展及规模化储能的迫切需求,大规模、高效率液流电池的产业化与大规模应用已迫在眉睫,这也必将带动盐穴电池储能技术的发展。



作者简介

韩红静


1986,女


博士,讲师


主要从事锂离子电池复合电极材料、液流电池电极材料及电解液改性等研究。

梅生伟


1964,男


博士,教授


主要从事电力系统控制、灾变防治、大规模储能技术等相关研究工作。

王国华


1970,男


高级工程师,中盐金坛盐化有限责任公司副总工程师


主要研究盐穴压缩空气储能,清洁热力系统,燃煤发电厂节能技术。

陈留平


1967,男


研究员级高级工程师


主要从事井矿盐资源综合利用技术研究工作。

韩月峰


1989,男


助理工程师,中盐金坛盐化有限责任公司技术员


主要研究盐穴压缩空气储能,电气工程自动化技术。

朱  闯


1985,男


博士,讲师


主要从事储热材料的结构与性能、反应机理、热利用关键技术等相关研究工作。

王文慧


1990,女


硕士


主要从事电催化、液流电池电极材料及电解液改性等研究。

                                                                                                                                                                                 

编辑赵杨

审核:白恺


郑重声明


根据国家版权局相关规定,纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编本网站作品,需包含本网站名称、二维码等关键信息,并在文首注明《全球能源互联网》原创。
个人请按本网站原文转发、分享。