125kW/500kWh盐酸基全钒液流电池储能系统

20250327

新能源-全钒液流储能系统

本项目是国内首个盐酸基长时全钒液流电池储能系统，对推动行业发展具有重要意义。项目研究了一套125kW/500kWh集装箱一体化盐酸基全钒液流储能系统，系统包含了电堆、储罐、电解液、循环管路、阀门、仪表、电气设备、控制设备等，系统从电堆设计、电解液方案、循环管路布置、电气设计等各环节进行优化设计，使系统运行效率提升，电解液运行温度范围更宽，系统度集成大幅提高。系统核心设备完成100%自主化率，辅助设备优化设计采用外购形式。 公司研发的盐酸基全钒液流电池储能系统，入选山东省首台（套）技术装备、山东省能源领域新技术、新产品和新装备目录和国家能源局第四批新能源领域首台套重大技术装备项目。 技术指标水平：盐酸基全钒液流电池储能系统，采用了自研全盐酸体系电解液，整个系统比市面主流全钒液流电池系统的能量密度提高25%，所需储罐体积降低15-18%；整体液流储能系统在项目投放当地(山东地区)全年气候条件下无需任何主动冷却/加热等温控设备；系统泵耗比市面主流全钒液流电池系统的泵耗，在同等运行条件下降低20%以上；通过自研电解液技术和系统控制设计可以有效解决液流电池负极析氢问题；整个系统在运行过程中容量保持动态平衡，无需进行在线容量恢复；降低电解液容量恢复成本，提高系统整体效率。 自主创新及自主可控情况：公司拥有完全自主知识产权的液流电池设计与制造、电解液研发与生产技术，电堆、电解液、离子膜、电极石墨等核心材料和关键设备全部国产化，拥有电堆、电解液、离子膜、电极、柔性石墨双极板的自主知识产权，公司现有核心授权发明专利22项，公司拥有成熟的系统集成方案，包括电池舱设计、电解液储罐设计、管路设计、电气设计、电池管理设计等，公司具有完整的电站设计、系统集成、EPC交付、电站运维及系统回收的能力，可保障电站的安全稳定运行。 主要创新点及技术指标： （1）国内首次采用水系盐酸基电解液，与硫酸基电解液相比，大幅提升了钒离子溶解度，能量密度提高25%； （2）稳定运行温阈-35℃～65℃，相较于硫酸基电解液的45℃运行上限，设备运行温阈大幅提高，减少了温控系统的成本投入，降低设备自身电耗，提高了系统效率； （3）采用自研多孔离子膜，全面替代全氟磺酸质子交换膜，成本降低95%； （4）自研柔性石墨双极板，采用多层结构设计，表面增加高导电涂层，内部采用高强度柔性导电材料，实现高导性和高韧性，比市场同类产品性能高10%-20%； （5）首创低内压电堆设计，通过特殊流道设计，大幅降低堆内湍流和电堆内压，提升反应的一致性、均衡性，同时有效避免了电解液渗漏风险； （6）独特的电解液储罐设计，减少了流体循环死区，先进先出的方式，显著提高电解液循环效率； （7）独特的流体管道设计，达到流体同步均流，液路管道实现空气阻断，及液路回路与电气回路分离，最大程度减小了液路的漏电电流损失； （8）针对自研电堆的运行特点，开发液流电池专用BMS系统，独有的控制策略，使电池运行更安全可靠； （9）自研并网调控装置，确保储能系统与电网的无缝协同和高效互动，有功功率控制指令响应时间不大于500毫秒，调节持续时长不小于4小时，有功功率调节误差不大于1%。

市场前景： （1）新能源并网提速，长时储能大势所趋，市场广阔。政策鼓励和技术进步趋势下，可再生能源的渗透率不断提升，而新能源渗透率快速提升，叠加其出力的不稳定性，推升储能市场需求，电力系统的储能应用存在多种时间尺度需求，长时储能（一般指4h以上）成为储能发展的重要方向，在电力系统中具备多种优势；整体来看，长时储能具备提升新能源消纳能力、替代传统发电方式的潜力，可以为电网提供充足的灵活性资源，可有效降低电网运行成本，具备更强的峰谷套利和市场盈利潜力。 （2）液流电池适配大储，产业化条件日趋成熟。2021年前行业缺乏政策支持，液流电池大多以KW级小规模示范性项目为主，2021年起国家、地方层面均有储能政策密集出台，储能市场爆发。液流电池由于其安全、环保和长寿命的特点，适宜于发电和输电等电力系统用大规模储能领域。行业早期示范项目已经验证多年，产品稳定性有保证，未来应用前景明确。 （3）我国是钒资源产储大国，钒供应自主可控。中国是钒产量和储量世界第一，资源可完全自给。截至2021年底，中国钒矿储量约为950万吨，占世界钒资源储量的 39%；全球钒金属产量为10.78万吨（折五氧化二钒19.2万吨），其中中国产量 7.3 万吨（折五氧化二钒13万吨），占比68%，除此之外，俄罗斯钒矿储量占世界钒资源储量的21%，产量占全球产量的18%。 根据预测，液流储能公司整体储能系统在液流电池行业的市场占有率在未来五年（2025-2030年）分别为20%、25%、30%、35%和40%，累计销售预期5GW/20GWh,销售额累计500亿元。-在行业领域的水平： 项目独立研发的盐酸基液流电池，已彻底解决行业领域内极板腐蚀、析氢和析等“卡脖子”工艺技术问题:自主研发生产的膜材料也突破了美国杜邦公司的质子交换膜垄断，核心原材料不再受制于海外供应，产品成本大幅下降，国产供应链更加稳固。其中，公司自主研发的盐酸基全钒液流电池储能系统，在2023年7月1日，经山东省科学院情报研究所查新，国内外未见有与该研究内容相同的文献报道;7月19日，经专家鉴定，产品总体技术处于国际先进水平;

主要功能： 一、宏观战略功能 本项目为新型储能技术项目，符合国家规划及产业政策，是促进新旧动能转换的一种创新实践。本项目采用基于盐酸基的全钒液流电池电解液，将电解液稳定工作温度区间拓宽至-35至65℃，大幅提升电解液工作温度区间，实现了液流电池在任何场景下都无需主动增加温控设备，进一步提升了系统综合运行效率，降低初装成本。 产品先进的技术和良好的经济性为本项目的建设和运行构筑了核心竞争力。项目产品技术与其它储能技术相比所体现出来的寿命长、性能稳定、安全性高、成本低廉等特点而有着巨大的市场优势，为项目建设以及投产运营形成了良好的优势竞争条件。 项目利用其发电功率调节灵活、调节速度快的特性，能够有效平抑风电、光伏等新能源发电出力的波动特性，参与电网调峰，缓解电网调峰压力，提高供电质量和电网运行的安全性。通过全钒液流储能技术，具有不消耗化石燃料、可不受地理因素限制、寿命25000次以上、无起火爆燃风险、无安全事故、无二次污染、可实现90%以上设备回收等优点，属于环境友好型能源，可在一定程度上缓解电网调峰压力、改善当地环境。液流电池储能系统对应细分行业为电化学储能行业，适用于对安全性要求高、容量大、长寿命、少维护的储能应用场景。 二、项目应用功能 （1）新能源强配储能系统是国家未来能源转型发展必然要求。2019年12月国家发改委储能应用专题会上明确提出，“十四五”新增建设规模重点支持“源网荷一体化”和“煤电风光储一体化”项目，所有重大能源项目规划都要考虑储能，新能源强制配置储能设施以减少电网波动性成为大势所趋。此前，国家发展改革委、国家能源局发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》明确，到2025年，实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变。到2030年，实现新型储能全面市场化。《指导意见》还从国家层面首次提出装机规模目标：预计到2025年，新型储能装机规模达3000万千瓦以上，接近当前新型储能装机规模的10倍。为鼓励储能产业发展，利好政策密集出台。 从现状看，一方面，我国清洁能源发电规模快速增长。风电、光伏发电、水电、核电等清洁能源，在能源和电力供应体系中发挥了重要作用，对推动我国能源转型发展提供了有力支撑。另一方面，随着清洁能源的快速发展，利用储能技术进行开发利用，必将形成良好的经济与社会效益。　 （2）应用场景丰富，可应用于整个电力系统。从整个电力系统的角度看，储能的应用场景可以分为发电侧储能、输配电侧储能和用户侧储能。全钒液流电池在大规模应用中，发电侧可应用于能量时移、容量机组、负荷跟踪、系统调频、备用容量、可再生能源并网等六类场景；输配侧可用于缓解输配电阻塞、延缓输配电设备扩容及无功支持；用户侧可用于削峰填谷、谷电峰用或充当备用电源。在应用过程中，全钒液流电池是一个可控的既可充电又可放电的负荷点或电源点，响应迅速（毫秒级），充放电转换快，适应于电网的快速响应需求，是用来解决其它电源对电网冲击的有效手段。 （3）产业发展前景好。相比于锂电池、铅酸电池、铁-铬液流电池等其他化学电池，全钒液流电池具有循环次数多、使用寿命长、无爆炸性、无生态风险、系统稳定性好、原材料丰富、生产成本低等比较优势和显著特点。数据显示2021年，中国新增投运电力储能项目装机规模首次突破10GW；中国已投运电力储能项目累计装机规模46.1GW，占全球市场总规模的22%。储能规模大发展的背后，是储能企业从技术到设备、从国内到海外的快速扩容。以新型储能领域为例，2021年国内多家上市公司及其相关子公司在该领域加紧布局。 （4）行业及市场需求大。储能系统是电网运行的“稳定器”，能科学调控风能和太阳能等新能源发电技术的不稳定性和不连续性，缓解对电网造成冲击，同时，可以实现调频、调压、延缓扩容及应急备用电源等多种功能，已日益成为智能电网建设的重要组成部分。发电侧、输配电、用户侧储能需求正加速扩张。据中关村储能产业技术联盟保守场景估计，中国新型储能累计规模在2026年或将达到48.5GW。可以预见，全钒液流电池储能应用市场容量、发展潜力巨大。-核心技术： 1、关键技术及创新点： （1）国内首次采用水系盐酸基电解液，与硫酸基电解液相比，大幅提升了钒离子溶解度，能量密度提高25%； （2）稳定运行温阈-35℃～65℃，相较于硫酸基电解液的0℃～45℃，设备运行温阈大幅提高，减少了温控系统的成本投入，降低设备自身电耗，提高了系统效率； （3）采用自研多孔离子膜，全面替代全氟磺酸质子交换膜，成本降低95%； （4）自研柔性石墨双极板，采用多层结构设计，表面增加高导电涂层，内部采用高强度柔性导电材料，实现高导性和高韧性，比市场同类产品性能高10%-20%； （5）首创低内压电堆设计，通过特殊流道设计，大幅降低堆内湍流和电堆内压，提升反应的一致性、均衡性，同时有效避免了电解液渗漏风险； （6）独特的电解液储罐设计，减少了流体循环死区，先进先出的方式，显著提高电解液循环效率； （7）独特的流体管道设计，达到流体同步均流，液路管道实现空气阻断，及液路回路与电气回路分离，最大程度减小了液路的漏电电流损失。 2. 关键问题和难点。 ①盐酸基电解液配方问题 通过盐酸基溶液与全钒电解液之间的成分研发，得到在-35至65℃之间稳定工作的高浓度高能量密度盐酸基电解液，有效解决的全钒液流电池电解液在高温和低温下的析出问题。并且该盐酸基电解液相较市场上广泛使用的硫酸电解液，除了大幅扩宽使用温度，在粘度和密度方面都有所降低，可以全面降低系统泵耗，从而有助于提高系统整体效率。 ②电堆组串后的液流均布问题 八个电堆通过电路串联成一簇，为避免电堆与电堆之间发电能力的不同造成串流损耗，需要保证不同电堆流过的电解液的流量与压力一致。 初始设计按照保压分流的思路设计，中央管道大容量保压，然后细分管路分别连到电堆，经实物验证，各细分管道中的流量差异较大，超出电堆允许的流量、压力偏差上限。 后续管道在各个节点进行均分处理，最终保证了各细分管道中的流量与压力一致。 ③电堆组串后电堆维修退出问题 八个电堆通过电路串联成一簇，针对单堆的维修，需要切断连通电堆的液路与电路。初始方案为从系统中断开一整簇8个电堆来进行维修，后续在工程实践中发现，整簇切断的方法，使得储能电站的整体功率下降较大，客户端影响较大。进而设计出单堆切换的方法，每个电堆的进出液口增设独立的手动阀门进行液路通断切换。电路方面增设单电堆通断接触器，在整簇通电状态下可进行任一单电堆的投入/退出。 3. 自主化率及关键零部件配套情况。 研究了一套125kW/500kWh集装箱一体化盐酸基全钒液流储能系统，系统包含了电堆、储罐、电解液、循环管路、阀门、仪表、电气设备、控制设备等，系统从电堆设计、电解液方案、循环管路布置、电气设计等各环节进行优化设计，使系统运行效率提升，电解液运行温度范围更宽，系统度集成大幅提高。 系统核心设备完成100%自主化率，辅助设备优化设计采用外购形式。 （1）电堆（核心） 公司的液流电池完全拥有自主知识产权，目前公司应用于电池生产的技术是行业最先进的美国硅谷第三代技术，在电池稳定性、可靠性、能量密度、运行温度区间等方面领先于国内同行业一代产品。依靠强大的研发能力，我公司坚持研发一代、生产一代、储备一代，始终保持技术上的领先优势。 公司拥有完全自主知识产权的液流电池设计与制造能力，已突破电极、离子膜、双极板等关键材料的低成本制造。公司自研多孔质子膜，摆脱了对含氟质子膜的依赖；拥有国内最先进的控制策略，可大幅提高系统能量密度，电池系统整体成本比同行业低20%。电堆经过特殊密封设计，杜绝了泄露风险。优化的导流槽设计，使堆内流体更均布，堆内材料受冲击更小，流体循环无死区，拥有极低的电堆流体内阻。 （2）电解液（核心） 公司拥有完全自主知识产权的电解液研发与生产技术，公司独有钒萃取技术优势，并引进了美国先进钒渣提钒工艺，无需繁杂沉淀和烧结工艺，直接从浸出液制备钒电解液。传统湿法提钒一般使用酸液浸泡溶解矿物中的钒金属，之后加入碱液将钒金属沉淀过滤提出。因为使用大量酸液和碱液，造成极大浪费和废液排放。我们技术的核心优势，在于直接使用酸液萃取出钒金属，并将该溶液直接用于电解液的前驱体原料，无需将钒元素沉淀过滤，避免了酸液和碱液的浪费，同时节省了大量工序，不产生废水排放，使湿法提钒工艺变得更加绿色环保。 我公司经过深入研究，开发出国内唯一的盐酸基电解液配方，可承受-35～65℃更宽的工作条件，能量密度提升25%，瓦时成本降低30%，解决了析氢技术难题。 （3）循环系统（辅助） 125kW/500kWh一体化集装箱配置一个40尺集装箱、一个正极储液罐、一个负极储液罐、8个16kW电堆、2个电解液循环泵和相应的循环管道、阀门、仪表等。 3.1 储液罐 储液罐选用PPH材质，PPH储罐是一种性能优异的塑料防腐容器，是一种实用的塑料材质的耐腐蚀化工液体贮运设备。PPH储罐耐化学性能较为优异，除少数溶液可以溶胀它外，几乎可以耐大部分物质溶液。本系统电解液选用盐酸基电解液，PPH具有很好的耐盐酸特性。PPH储罐采用螺旋缠绕叠加工艺制作而成，筒体无焊缝，有着不易渗漏、抗冲击性能强、拉伸强度高、抗氧化、抗老化性能好等优点。 3.2 循环泵 酸性电解液具有腐蚀性，普通机械泵机械密封件会发生表面腐蚀，严重时也可发生腐蚀穿透，产生严重的后果。系统选用了一种磁力泵，磁力泵通过磁力传递实现无接触力矩传递，主动轴与从动轴之间不存在机械连接，使泵达到完全无泄漏。 循环泵的选型 ①流量计算 根据每个电堆的需求流量，乘以每簇电堆的个数，综合所得，至少需要保证流量500L/min。 ②泵的选定 根据设计参数和要求，根据单电堆进口流量要求，考虑盐酸液体比重，泵的使用寿命需求5年及以上，泵需要无泄漏等，考虑耐腐蚀性，综合考虑扬程、功耗以及售后服务等，拟选用无轴封磁力泵。 3.3管阀件选材 通过上表数据对比，拟采用安装方便的CPVC材质。PPH对焊接技术要求较高，UPVC和PPR耐温不足。CPVC具有优异的耐老化性，耐腐蚀性和高阻燃性等特点，故选择CPVC材质。 （4）集装箱布置（辅助） 125kW-500kWh一体化集装箱采用标准40尺高柜。使用40尺高柜集装箱，集装箱电堆侧侧面采用海鸥翼式开门，方便电堆、SBMS、循环泵和过滤器的拆装。在侧板上布置鲨鱼鳍式开口以增加被动散热能力，大部分散热由侧面两个排风扇完成，效果可达到与室外温差±5℃。在集装箱储罐侧面设置一扇开门，用于正负极储罐之间管阀件的安装和维护。

获奖情况： 2023年，公司凭借“新一代全钒液流电池的研发及产业化”项目，荣获第十二届中国创新创业大赛“创新创业50强”和第十二届中国创新创业大赛山东赛区暨2023年“建行创业者港湾”山东省中小微企业创新竞技行动“科创之星”荣誉。公司研发的盐酸基全钒液流电池储能系统，入选2023年度山东省首台（套）技术装备和2023年度山东省能源领域新技术、新产品和新装备目录、2024年国家能源局第四批新能源领域首台套重大技术装备项目。2024年入选山东省重点研发计划。-落地应用： 目前“盐酸基全钒液流电池储能系统”，已应用于多个储能电站的示范项目建设，其中国内首个盐酸基全钒液流电池储能电站-山东海化1MW/4MWh盐酸基全钒液流电池储能电站；首个场站式全钒液流电池储能电站-中核郯城1MW/4MWh全钒液流电池储能电站；国家电投集团诸城1MW/6MWh液流储能示范项目，台儿庄1MW/2MWh全钒液流电池储能电站，国家能源局新型储能试点示范项目-山东省潍坊市高新区100MW/400MMh全钒液流电池储能电站示范项目，已进入建设阶段，总投资10亿元。

技术合作开发、高端人才引进、股权融资

项目是国内首个盐酸基长时全钒液流电池储能系统，研究了一套125kW/500kWh集装箱一体化盐酸基全钒液流储能系统，系统包含了电堆、储罐、电解液、循环管路、阀门、仪表、电气设备、控制设备等，系统从电堆设计、电解液方案、循环管路布置、电气设计等各环节进行优化设计，使系统运行效率提升，电解液运行温度范围更宽，系统度集成大幅提高，系统核心设备完成100%自主化率。项目为新型储能技术项目，符合国家规划及产业政策，是促进新旧动能转换的一种创新实践。项目利用其发电功率调节灵活、调节速度快的特性，能够有效平抑风电、光伏等新能源发电出力的波动特性，参与电网调峰，缓解电网调峰压力，提高供电质量和电网运行的安全性。