高效率、低成本的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、降低棄風(fēng)棄光率、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的液流電池采用儲(chǔ)液罐儲(chǔ)存電解液，其投資成本高、占地面積大，限制了其容量的提升及在大規(guī)模儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。鹽穴電池儲(chǔ)能技術(shù)采用鹽穴儲(chǔ)存電解液，具有安全性高、投資成本低、儲(chǔ)量大及技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，容積巨大的鹽穴完全可以滿(mǎn)足大規(guī)模儲(chǔ)能裝機(jī)容量的要求。介紹了鹽穴電池儲(chǔ)能技術(shù)的工作原理，并結(jié)合鹽穴儲(chǔ)液技術(shù)的特點(diǎn)提出了鹽穴電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，最后，針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，探討了鹽穴電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展前景。

0引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和傳統(tǒng)化石燃料的大量消耗，能源供給、能源安全及環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題成為社會(huì)焦點(diǎn)問(wèn)題，可再生能源的發(fā)展日益成為中國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，因此，以太陽(yáng)能和風(fēng)能為代表的新型清潔能源被大力開(kāi)發(fā)。預(yù)計(jì)到2020年，中國(guó)風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繉⒊^(guò)300GW[1]。但是，風(fēng)能及太陽(yáng)能等可再生能源的發(fā)電過(guò)程存在不穩(wěn)定性、不連續(xù)性及不可控性，直接并入電網(wǎng)將對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)造成嚴(yán)重沖擊，而且，可再生能源大規(guī)模集中開(kāi)發(fā)地區(qū)自身消納能力有限，一些地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。2016年，中國(guó)棄光、棄風(fēng)、棄水電量分別為70.4億kWh、497億kWh、500億kWh[1]，“三棄”總電量超過(guò)1000億kWh，可再生能源發(fā)電的送出與消納成為制約其發(fā)展的主要因素。此外，傳統(tǒng)電網(wǎng)還面臨著“峰谷差”日益增大、電力資源綜合利用率低等亟需解決的問(wèn)題。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)改變了傳統(tǒng)電力“即發(fā)即用”的狀態(tài)，從時(shí)間和空間上將發(fā)電與用電分隔開(kāi)來(lái)，為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型及傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級(jí)改造提供了有效的技術(shù)支撐。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)不僅可以有效解決由可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性引起的電網(wǎng)電壓及頻率變化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電力平滑穩(wěn)定輸出，而且可以用于電能質(zhì)量的改善及電網(wǎng)的“削峰填谷”[2-3]。有資料預(yù)測(cè)，2050年太陽(yáng)能利用將占能源總量的50%，而這個(gè)愿望的實(shí)現(xiàn)需要借助經(jīng)濟(jì)可行的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。因此，研究與開(kāi)發(fā)先進(jìn)的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于中國(guó)未來(lái)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型調(diào)整及智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)具有重要意義。

在種類(lèi)繁多的儲(chǔ)能技術(shù)中，電化學(xué)儲(chǔ)能是目前技術(shù)較為成熟并且發(fā)展迅速的規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)[4-5]。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，氧化還原液流電池以其組裝設(shè)計(jì)靈活、可快速充放電、儲(chǔ)能規(guī)模大及安全性能高等優(yōu)勢(shì)在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用方面展現(xiàn)出發(fā)展?jié)摿6]。雖然目前世界范圍內(nèi)已建成大量中小規(guī)模(數(shù)百千瓦至數(shù)兆瓦)的液流電池儲(chǔ)能示范系統(tǒng)[7]，但是液流電池的進(jìn)一步商業(yè)化仍面臨著轉(zhuǎn)化效率低、電極材料電化學(xué)穩(wěn)定性差、工作電流密度低等問(wèn)題。除此之外，大規(guī)模液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)還存在著占地面積較大及成本較高的問(wèn)題。而高效率、低成本、大規(guī)模是未來(lái)液流電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此，除了要加強(qiáng)對(duì)液流電池關(guān)鍵材料(如正負(fù)極材料、隔膜、電解液等)及電池反應(yīng)電堆結(jié)構(gòu)的研究外，還應(yīng)積極探索其他可以顯著降低成本的大規(guī)模液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

因此，本文提出一種基于鹽穴儲(chǔ)液的鹽穴液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，解決了液流電池大容量電解液的儲(chǔ)存問(wèn)題，可大幅度提升電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的裝機(jī)容量，縮減占地面積，降低成本。因此，利用天然存在的巨大體積的鹽穴替代儲(chǔ)液罐，建造大容量低成本的鹽穴儲(chǔ)能液流電池，具有廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景。

1鹽穴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1鹽穴儲(chǔ)液技術(shù)

鹽穴是利用水溶方式開(kāi)采鹽礦后留下的地下洞穴，形狀與大小根據(jù)不同的地質(zhì)條件而定，體積巨大且密封良好，體積一般在107～108m3之間，因此，鹽穴提供了一個(gè)巨大而安全的地下空間用于儲(chǔ)存那些不溶解鹽的物質(zhì)[8]。鹽業(yè)制造公司也都普遍認(rèn)識(shí)到鹽穴這種再利用的儲(chǔ)存功能，于是在溶采鹽水的同時(shí)會(huì)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)方案對(duì)鹽穴形狀加以控制，從而能夠制造更加適用于儲(chǔ)氣或儲(chǔ)液的鹽穴。目前，鹽穴主要被用來(lái)儲(chǔ)存天然氣與石油。通過(guò)分析鹽穴儲(chǔ)油的方式[9]，利用鹽穴儲(chǔ)存不溶解鹽的液體存在以下幾個(gè)特點(diǎn)：1)高安全性，鹽穴一般處于地下數(shù)十米至4000米的地方，承壓能力強(qiáng)。資料顯示，目前威力最強(qiáng)的特種破壞力也僅限于幾十米的深度，這一深度并不會(huì)對(duì)鹽穴儲(chǔ)備庫(kù)造成影響，而且，鹽巖在壓力下具有一定的蠕變性，可以自我修復(fù)損傷，保證密閉性;2)儲(chǔ)量大，一般單個(gè)鹽穴的體積在幾十萬(wàn)m3，儲(chǔ)液容量大;3)投資成本低，根據(jù)目前鹽穴建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，建造相同體積的鹽穴，其單位造價(jià)是地面儲(chǔ)罐的三分之一，而且不會(huì)占用大面積的地上空間，節(jié)省土地資源。雖然電解液與天然氣等其他氣體在物性方面存在較大的差異，但在鹽穴的選址、造穴、維護(hù)及管理方面基本相似，而且儲(chǔ)液庫(kù)對(duì)鹽穴的密封性、抗壓性及穩(wěn)定性方面要求較低，因此，對(duì)于鹽穴儲(chǔ)液庫(kù)的建設(shè)而言，基本不存在技術(shù)瓶頸。

1.2鹽穴電池結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為鹽穴電池系統(tǒng)示意圖，其中電堆結(jié)構(gòu)單元插圖引自文獻(xiàn)[10]。該電池由電堆結(jié)構(gòu)單元、儲(chǔ)存正負(fù)兩極電解液的鹽穴、循環(huán)液泵及電解液管路構(gòu)成。其中，電堆結(jié)構(gòu)單元一般由多個(gè)單電池串聯(lián)組成，采用疊加封閉式緊鎖結(jié)構(gòu)，具有多個(gè)管道以進(jìn)行電解液的循環(huán)流動(dòng)。而單電池單元通常采用板框式結(jié)構(gòu)，由端片(絕緣框架)、集流板(主要為銅)、電極及離子傳導(dǎo)隔膜等組成。鹽穴電池的正、負(fù)極活性物質(zhì)以液態(tài)形式存在于兩個(gè)巨大的鹽穴中。此外，鹽穴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)還包括能量管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、變壓器和逆變器等組成部分，以完成交流電與直流電之間的轉(zhuǎn)換及并網(wǎng)充放電。

鹽穴電池系統(tǒng)工作時(shí)，在循環(huán)液泵的驅(qū)動(dòng)下，正、負(fù)極電解液分別在鹽穴和兩個(gè)半電池室之間循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)電解液中的活性物質(zhì)與正、負(fù)電極的可逆氧化還原反應(yīng)完成化學(xué)能和電能間的能量轉(zhuǎn)換。鹽穴電池的儲(chǔ)能活性物質(zhì)與電池電極完全分開(kāi)，即鹽穴電池的能量是儲(chǔ)存在與電池完全分開(kāi)的電解液中的，而非電池內(nèi)部，這樣分開(kāi)獨(dú)立的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得其功率和容量彼此獨(dú)立，便于模塊化設(shè)計(jì)。鹽穴電池的容量取決于電解液的體積，因?yàn)椴捎名}穴作為儲(chǔ)液介質(zhì)，其巨大的儲(chǔ)液空間完全可以滿(mǎn)足大規(guī)模儲(chǔ)能裝機(jī)容量的要求。此外，電堆結(jié)構(gòu)作為鹽穴電池系統(tǒng)的核心組成部分，主要決定了系統(tǒng)的輸出功率。通過(guò)調(diào)整電堆結(jié)構(gòu)單元中單電池的節(jié)數(shù)及電極面積，可以實(shí)現(xiàn)額定放電功率的要求。大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)一般由多套獨(dú)立的單元儲(chǔ)能系統(tǒng)夠成，模塊化設(shè)計(jì)為整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及經(jīng)濟(jì)性奠定了良好的基礎(chǔ)。

2鹽穴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵要素

鹽穴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)關(guān)鍵在于利用鹽穴取代液流電池系統(tǒng)的儲(chǔ)液罐進(jìn)行電解液的儲(chǔ)存，如前所述，對(duì)于鹽穴儲(chǔ)液庫(kù)的建設(shè)不存在技術(shù)難題。但是，針對(duì)液流電池電解液的成分較為復(fù)雜而且多為水溶液的特點(diǎn)，如何避免鹽巖的再溶解及鹽巖溶解后對(duì)電解液成分的影響是目前鹽穴電池儲(chǔ)能發(fā)展的關(guān)鍵要素之一。同時(shí)，電解液長(zhǎng)期存放在鹽穴中，其均勻性及穩(wěn)定性也是需要考慮的關(guān)鍵要素。此外，大規(guī)模液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，受限于儲(chǔ)液罐的體積常采取儲(chǔ)能單元模塊化設(shè)計(jì)，而鹽穴電池用于儲(chǔ)存電解液的鹽穴容積足夠大，這時(shí)電堆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及連接方式成為提高鹽穴電池電流密度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)鹽穴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)尚屬空白，因此上述關(guān)鍵材料或技術(shù)的突破對(duì)鹽穴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能優(yōu)化及產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要。

2.1電解液選擇

鹽穴電池系統(tǒng)建立在液流電池基礎(chǔ)之上，因此尋找合適的液流電池體系，從而可以利用鹽穴替代儲(chǔ)液罐進(jìn)行電解液的儲(chǔ)存是鹽穴電池發(fā)展的關(guān)鍵。下面簡(jiǎn)要介紹液流電池目前的研究現(xiàn)狀，通過(guò)分析比較不同液流電池體系，提出適合采用鹽穴進(jìn)行電解液儲(chǔ)存的問(wèn)題所在及發(fā)展前景。

2.1.1雙液流電池體系

雙液流電池系統(tǒng)的正極、負(fù)極分別采用不同的電解液，儲(chǔ)能活性物質(zhì)與固相電極完全分開(kāi)。雙液流電池體系是發(fā)展最早，也是技術(shù)最為成熟的一類(lèi)液流電池體系，多采用水或無(wú)機(jī)酸堿作為溶解儲(chǔ)能活性物質(zhì)的支持電解質(zhì)，主要是為了降低活性物質(zhì)成本，提高電池能量密度，進(jìn)而降低電池成本。目前，許多氧化還原體系已被嘗試應(yīng)用于雙液流電池系統(tǒng)，其中包括全釩液流電池、鐵/鉻液流電池及溴/多硫化物液流電池等，見(jiàn)表1。

在眾多的雙液流電池系統(tǒng)中，全釩液流電池系統(tǒng)是目前技術(shù)較為成熟，并比較接近商業(yè)化的系統(tǒng)。1985年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)Rychick與Skyllas-Kazacos團(tuán)隊(duì)[11]第一次提出全釩液流電池的概念。它的優(yōu)勢(shì)在于，全釩液流電池的電解液為不同價(jià)態(tài)釩離子的硫酸溶液，很好的克服了正負(fù)極電解液的交叉污染問(wèn)題。由于電極材料、隔膜技術(shù)及電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，近幾年全釩液流電池取得重要進(jìn)展。目前，在大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)中，全釩液流電池技術(shù)展現(xiàn)比較好的發(fā)展前景，但進(jìn)一步商業(yè)化仍面臨著低能量密度與高成本等問(wèn)題。

在液流電池的概念被提出后，除全釩液流電池外，通過(guò)改變氧化還原體系，其他一些液流電池體系也在世界范圍內(nèi)也被廣泛研究，包括鐵/鉻液流電池、溴/多硫化物液流電池及鐵/釩液流電池等。這些液流電池體系受限于電池性能、安全性及成本因素等，在世界范圍內(nèi)僅建有少量的示范性項(xiàng)目甚至有些體系目前僅處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。表1列出了這些液流電池體系的性能參數(shù)、發(fā)展階段及存在的一些技術(shù)問(wèn)題。

圖1鹽穴電池系統(tǒng)示意圖

從表1中可以看出，根據(jù)儲(chǔ)能活性物質(zhì)類(lèi)別雙液流電池體系又可分為無(wú)機(jī)體系與有機(jī)體系。隨著技術(shù)的發(fā)展及對(duì)電池性能要求的提高，有機(jī)體系是近幾年被廣泛研究的新體系，雖然電池性能有明顯提高，但是產(chǎn)業(yè)化推廣仍存在著枝晶、腐蝕性、交叉污染等其他一些棘手問(wèn)題。

表1部分雙液流電池體系的特性

對(duì)于雙液流電池體系，采用鹽穴取代儲(chǔ)液罐首先需要解決礦物鹽在支持電解質(zhì)(水或無(wú)機(jī)酸堿)中的溶解問(wèn)題。因?yàn)殡娊赓|(zhì)溶液中存在H+，不可避免的可能會(huì)與鹽巖繼續(xù)反應(yīng)，進(jìn)而影響電解質(zhì)溶液中無(wú)機(jī)體系活性物質(zhì)分子的濃度和成分，對(duì)液流電池的性能造成影響。另外，氧化還原反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)的氧化還原離子，多數(shù)具有毒性(如V5+、Br等)，如果采用鹽穴代替儲(chǔ)液罐來(lái)儲(chǔ)存電解液，如何避免污染也是需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題?；钚晕镔|(zhì)為有機(jī)分子的雙液流體系，表現(xiàn)出較好的性能指標(biāo)，并且有機(jī)分子不會(huì)受到礦物鹽溶解的影響，在利用鹽穴代替儲(chǔ)液罐來(lái)儲(chǔ)存電解液制造鹽穴電池方面展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。

2.1.2單液流電池體系

單液流電池是在雙液流電池基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種液流電池體系，采用低電位、高容量的金屬或金屬氧化物材料替代一種低濃度的電解液，正、負(fù)極共用一種電解液用作儲(chǔ)能物質(zhì)，這種替代可以顯著提高液流電池的能量密度。根據(jù)電解液中支持電解質(zhì)的類(lèi)別，單液流電池體系又可分為水系和非水系，水系電解液采用水或無(wú)機(jī)酸堿作為支持電解質(zhì)，非水系電解液則采用有機(jī)物作為支持電解質(zhì)。水系液流電池由于受水分解的影響，其開(kāi)路電壓很難達(dá)到2V，而非水系液流電池因?yàn)椴捎糜袡C(jī)物作支持電解質(zhì)，電池電位一般都比較高。因此，非水系液流電池在最近幾年得到了廣泛研究。采用堿金屬離子作為電荷平衡離子。所以，非水系電池需要既有高的鋰離子電導(dǎo)率，又可以阻擋其他活性物質(zhì)離子通過(guò)的膜材料。而目前還沒(méi)有這種高離子電導(dǎo)率和高選擇透過(guò)性的膜可供使用。因此，這類(lèi)電池目前也僅僅是處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。表2總結(jié)了幾種常見(jiàn)的單液流電池體系，其中研究較為廣泛的是基于金屬鋰和金屬鋅的單液流電池。

對(duì)于水系單液流電池體系而言同樣存在與巖鹽溶解的問(wèn)題及電解液中離子的污染性問(wèn)題。非水系采用有機(jī)物作為電解質(zhì)溶液，這類(lèi)有機(jī)物與巖鹽基本不反應(yīng)，類(lèi)似于利用鹽穴儲(chǔ)存液體烴，在利用鹽穴取代儲(chǔ)液罐制備鹽穴電池方面展現(xiàn)出比較好的前景。

表2部分單液流電池體系的特性

2.1.3半固態(tài)液流電池體系

半固態(tài)液流電池，2007年由麻省理工學(xué)院Yet-MingChiang[36]研究組首次提出。這類(lèi)電池是在結(jié)合鋰離子電池和液流電池優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上提出的一種新型儲(chǔ)能電池，把傳統(tǒng)鋰離子電池正、負(fù)極材料固體顆粒、導(dǎo)電添加劑和電解液的混合物做成可以流動(dòng)的漿料，分別裝在兩個(gè)儲(chǔ)液罐中，在循環(huán)泵的推動(dòng)下，流經(jīng)正負(fù)極半電池室，在微孔隔膜兩側(cè)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，正、負(fù)極材料固體顆粒之間電能的儲(chǔ)存與釋放則通過(guò)導(dǎo)電添加劑形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成。正極活性漿料采用鋰離子電池正極材料(如LiCoO2、LiFePO4及LiNi0.5Mn1.5O4等)，負(fù)極活性漿料采用鋰離子電池負(fù)極材料(如Li4Ti5O12、石墨及硅等)。半固態(tài)鋰離子電池的特性已被Yet-MingChiang小組研究報(bào)道，該小組預(yù)估鋰離子半固體液流電池的能量密度可以達(dá)到300Wh/L～500Wh/L(130Wh/kg～250Wh/kg)，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)液流電池的能量密度。但是，目前實(shí)驗(yàn)室階段使用的電解液體積只能達(dá)到100L左右，如何解決半固態(tài)漿料的流動(dòng)性問(wèn)題，成為一個(gè)亟待解決的工程問(wèn)題。這類(lèi)電池體系電解液多半采用有機(jī)溶液，展現(xiàn)出利用鹽穴取代儲(chǔ)液罐的優(yōu)勢(shì)，但是正如前面所述，半固態(tài)漿料流動(dòng)性差，如何保證大體積半固態(tài)漿料的均勻性與流動(dòng)性是目前商業(yè)化應(yīng)用亟待解決的工程問(wèn)題。

2.1.4其他液流電池體系

為追求更加優(yōu)異的性能，目前，許多液流電池與傳統(tǒng)電池相結(jié)合的新體系被提出，如金屬/空氣液流電池[37,38]、液流鋰空氣電池[39]等。金屬/空氣電池將氣體(氧氣或空氣)擴(kuò)散電極用于正極半電池，利用氧和水作為儲(chǔ)能活性物質(zhì)，以提高液流電池的儲(chǔ)能密度，縮減儲(chǔ)能成本。目前研究較為廣泛的包括雙功能鋅-氧單液流電池、鋅-氧單液流電池及釩/空氣單液流電池等。液流鋰空氣電池是在鋰空氣電池基礎(chǔ)上提出的一種新型電池體系，借用電位合適的氧化還原媒介分子，與氣體擴(kuò)散罐中的儲(chǔ)能活性物質(zhì)進(jìn)行可逆的氧化還原反應(yīng)。這種設(shè)計(jì)可以使Li2O2的生成和分解從電池內(nèi)部轉(zhuǎn)移到氣體擴(kuò)散罐，有效避免了因Li2O2沉積引起的電極的鈍化和阻塞問(wèn)題。這類(lèi)電池涉及到的是氣體的儲(chǔ)存，利用鹽穴進(jìn)行儲(chǔ)存，類(lèi)似于利用鹽穴儲(chǔ)存天然氣，需要考慮安全性問(wèn)題，可借鑒參考?jí)嚎s空氣的儲(chǔ)能技術(shù)[40]。但是，這類(lèi)電池技術(shù)目前正處在研究的起始階段，無(wú)論是性能指標(biāo)還是安全性方面，都尚不能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

綜上，對(duì)于雙液流電池而言，儲(chǔ)能活性物質(zhì)為有機(jī)物的電池體系因不需要考慮與巖鹽的反應(yīng)問(wèn)題，表現(xiàn)出較為有利的替代趨勢(shì)。同樣，非水系單液流電池由于采用了有機(jī)物作為支持電解質(zhì)，利用鹽穴儲(chǔ)存電解液可以借鑒采用鹽穴儲(chǔ)存液態(tài)烴的經(jīng)驗(yàn)與方法。這兩類(lèi)電池體系的產(chǎn)業(yè)化仍需要加強(qiáng)電池關(guān)鍵材料(電解液、電極材料等)及電池結(jié)構(gòu)(循環(huán)設(shè)計(jì)、電堆設(shè)計(jì)等)的研究，以提高電池的性能、可靠性與安全性。對(duì)于固態(tài)液流電池及其他空氣型液流電池雖然也展現(xiàn)出可利用鹽穴進(jìn)行電解液或氣體儲(chǔ)存的優(yōu)勢(shì)，但這些技術(shù)僅僅處于研究的起步階段，進(jìn)一步商業(yè)化應(yīng)用仍面臨著許多艱巨的挑戰(zhàn)。除此之外，大儲(chǔ)量電解液的均勻性及電解液中的離子對(duì)環(huán)境甚至地下水源的污染問(wèn)題也是需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。同時(shí)，目前液流電池自身的發(fā)展仍存在工作電流密度低、成本高、轉(zhuǎn)化效率低等系列問(wèn)題。鹽穴電池儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展需要借助于液流電池電極材料創(chuàng)新、隔膜傳導(dǎo)選擇性提升、電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)的突破。

2.2鹽穴儲(chǔ)液庫(kù)

鹽穴儲(chǔ)液庫(kù)是鹽穴電池系統(tǒng)的核心組成部分，一方面需要考慮電解液與巖鹽的反應(yīng)問(wèn)題，另一方面，鹽穴的密閉性及抗壓性也需要考慮在內(nèi)。此外，鹽穴電池工作時(shí)，對(duì)鹽穴中的電解液會(huì)有比較頻繁的注采頻率。因此，注采頻率對(duì)鹽穴穩(wěn)定運(yùn)行的影響規(guī)律需要進(jìn)一步研究，以保證鹽穴的穩(wěn)定性與安全性。

2.3電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鹽穴電池系統(tǒng)的電堆結(jié)構(gòu)決定著系統(tǒng)的輸出功率，因此，對(duì)電堆技術(shù)關(guān)鍵材料的研究也是目前液流電池系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。對(duì)于一些關(guān)鍵材料及部件如雙極板、電極片、離子傳導(dǎo)膜及密封件等已具備自主研發(fā)的能力。對(duì)于大規(guī)模鹽穴儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)需要根據(jù)電解液的性質(zhì)針對(duì)性的進(jìn)行電堆結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料與器件的制備，開(kāi)發(fā)大功率電堆技術(shù)，以進(jìn)一步提高鹽穴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量效率、功率效率與安全性。

3鹽穴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

德國(guó)率先開(kāi)展了鹽穴儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的研究工作。德國(guó)能源公司EweGasspeicherGmbH與耶拿市弗里德里希˙席勒˙耶納大學(xué)合作計(jì)劃在Jemgum天然氣儲(chǔ)存設(shè)施所在地建造一套全球最大的氧化還原液流電池[41]，即Brine4power。Brine4power電池系統(tǒng)示意如圖2所示，該電池系統(tǒng)首次利用地下的巨大鹽穴來(lái)儲(chǔ)存電解液，每個(gè)鹽穴的容量達(dá)到了105m3，因此電池總?cè)萘恳策_(dá)到700MWh，輸出功率亦可達(dá)120MW，可滿(mǎn)足7.5萬(wàn)戶(hù)家庭的用電需求。2017年11月26日Ewe宣布該項(xiàng)目取得重大突破，耶納大學(xué)科研人員成功研發(fā)出一種可回收聚合物，作為鹽水電解質(zhì)的活性分子。團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，與常規(guī)氧化還原液流電解質(zhì)所采用的重金屬/硫酸混合物相比，這些材料更加環(huán)保。目前，這種聚合物已經(jīng)通過(guò)了初步測(cè)試。Brine4power項(xiàng)目主管RalfRiekenberg表示，這說(shuō)明該項(xiàng)目向制造全球最大電池的目標(biāo)邁進(jìn)了一大步，但仍需要進(jìn)行更多測(cè)試，預(yù)計(jì)該氧化還原液流電池系統(tǒng)會(huì)在2023年底投入運(yùn)營(yíng)。中國(guó)鹽穴電池相關(guān)研究仍處于起步階段，鹽穴電池儲(chǔ)能技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)尚屬空白。

圖2Brine4power電池系統(tǒng)示意圖

4應(yīng)用前景展望

中國(guó)地下鹽礦資源豐富，儲(chǔ)量超過(guò)1萬(wàn)億噸，且分布范圍廣，在華東、華北及西北地區(qū)，如蘇北、蘇南、河南、四川、陜西等，均發(fā)現(xiàn)了大型鹽礦的存在，具備良好的建設(shè)地下鹽穴儲(chǔ)液庫(kù)的地質(zhì)條件[40]。中國(guó)巖鹽開(kāi)采的規(guī)模已超過(guò)4000萬(wàn)噸/年，且以每年10%的速度在遞增，形成的溶腔體積達(dá)500萬(wàn)m3/年[42]。目前，中國(guó)鹽穴資源基本處于閑置狀態(tài)，利用率普遍較低，已用的鹽穴數(shù)量?jī)H占總量的0.2%，主要用來(lái)儲(chǔ)存天然氣及石油等戰(zhàn)略物資。鑒于目前大部分鹽穴處于閑置狀態(tài)，尚有較大的利用空間，相關(guān)的鹽業(yè)公司也在積極探索鹽穴在更多其他方面的應(yīng)用以提高鹽穴資源利用率。國(guó)內(nèi)，在鹽穴造腔工藝技術(shù)和儲(chǔ)庫(kù)建造技術(shù)上已處于領(lǐng)先水平的中鹽金壇鹽化有限責(zé)任公司(中鹽金壇公司)，目前正在探索鹽穴在新能源領(lǐng)域的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用。2017年5月27日，國(guó)家能源局正式批復(fù)中鹽金壇公司與清華大學(xué)(電機(jī)系)合作開(kāi)展基于鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)工作[42]。作為國(guó)家壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，該示范項(xiàng)目一期建設(shè)規(guī)模為50MW的壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)，并將結(jié)合項(xiàng)目所在區(qū)域負(fù)荷發(fā)展及可再生能源開(kāi)發(fā)情況，構(gòu)建基于鹽穴空氣儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的微電網(wǎng)工程。如前面介紹，德國(guó)EweGasspeicherGmbH能源公司也正在積極籌建鹽穴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

作為中國(guó)優(yōu)質(zhì)的鹽穴資源，金壇鹽礦埋深800m～1200m，鹽礦分布面積約60多km2，具有NaCl含量高、泥鹽夾層少、礦層頂?shù)装宸植挤€(wěn)定、密封性好等優(yōu)勢(shì)，是建造鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的優(yōu)越資源。目前金壇共有空閑鹽穴650萬(wàn)m3，經(jīng)過(guò)改造，這些鹽穴可以用于建設(shè)鹽穴電池。按照2個(gè)10萬(wàn)m3的鹽穴電池儲(chǔ)能700MWh的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，金壇目前鹽穴總裝機(jī)容量可以超過(guò)20000MWh。如此巨大的儲(chǔ)能容量對(duì)于支撐當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的調(diào)峰需求，促進(jìn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，緩解峰谷差造成的電力供應(yīng)緊張局面具有重要意義。因此，利用鹽穴取代液流電池中的儲(chǔ)液罐來(lái)制造大規(guī)模鹽穴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，將是鹽穴應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域的另一重要發(fā)展。

中國(guó)的可再生清潔能源主要分布在西南、西北、東北和華北等地區(qū)，由于可再生能源的不穩(wěn)定性及不可控性等特點(diǎn)，可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)存在較大問(wèn)題。中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在資源分布不均衡的問(wèn)題，即西北部可再生能源發(fā)電量高，但是需求量低，而東部和中部經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)需求量大，但可再生能源存量低。然而，由于受電網(wǎng)輸送及跨區(qū)域交易機(jī)制的影響，可再生能源的消納成為目前新能源發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。大規(guī)模鹽穴電池儲(chǔ)能技術(shù)可以平抑短時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)，幫助可再生能源向電網(wǎng)友好接入，減少棄風(fēng)、棄光，從而切實(shí)提高可再生能源的消納水平。此外，對(duì)于中國(guó)傳統(tǒng)電力行業(yè)而言，電力的生產(chǎn)、傳輸、配電及使用是同時(shí)進(jìn)行的，因此存在用電高峰時(shí)不能及時(shí)給負(fù)荷供電，用電低峰時(shí)又會(huì)出現(xiàn)輸配電線(xiàn)路利用率低的問(wèn)題。目前這種傳統(tǒng)電網(wǎng)峰谷差問(wèn)題正呈現(xiàn)出日益增大的趨勢(shì)。大規(guī)模鹽穴電池儲(chǔ)能技術(shù)在用電低谷時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能，在用電高峰時(shí)釋放能量，不僅可以提高輸電線(xiàn)路的利用率，在同等輸電線(xiàn)路容量的條件下可以滿(mǎn)足更高的負(fù)荷要求，而且對(duì)于沖擊性負(fù)荷也可以起到很好的削峰填谷作用。雖然目前技術(shù)成熟度較高的抽水蓄能技術(shù)也可以在一定程度上解決上述問(wèn)題，但抽水蓄能電站對(duì)地理地勢(shì)條件要求較高，大多數(shù)高負(fù)荷需求的城市并不存在建設(shè)抽水蓄能電站的條件，而且可能還存在生態(tài)及移民等問(wèn)題，其推廣應(yīng)用受到一定的限制。

總之，鹽穴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有儲(chǔ)能容量大、響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)及成本造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，是解決棄風(fēng)、棄光問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模接入的關(guān)鍵手段，也是解決傳統(tǒng)電力削峰填谷，提高傳統(tǒng)能源綜合利用效率，發(fā)展智慧能源與能源互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐技術(shù)。同時(shí)，鹽穴電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展還可以提高資源整合度，充分利用高負(fù)荷需求地區(qū)豐富的鹽穴資源，克服其他儲(chǔ)能技術(shù)的高成本及規(guī)?；ㄔO(shè)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可再生能源與鹽穴資源的綜合高效利用。

5結(jié)語(yǔ)

液流電池因?yàn)楣β瘦敵雠c能量?jī)?chǔ)存分別獨(dú)立設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在大規(guī)模儲(chǔ)能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。而利用天然體積巨大的鹽穴進(jìn)行電解液儲(chǔ)存，設(shè)計(jì)鹽穴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，不僅可以低成本的制備大規(guī)模儲(chǔ)能電池，而且可以提高地上空間利用效率。中國(guó)鹽礦資源豐富，分布范圍廣，隨著利用鹽穴儲(chǔ)氣、儲(chǔ)油技術(shù)的推廣，溶腔造穴的技術(shù)也日益成熟，為開(kāi)展鹽穴電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展提供了有利條件。隨著技術(shù)的發(fā)展及規(guī)模化儲(chǔ)能的迫切需求，大規(guī)模、高效率液流電池的產(chǎn)業(yè)化與大規(guī)模應(yīng)用已迫在眉睫，這也必將帶動(dòng)鹽穴電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。