摘要：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。

　　韓紅靜1，梅生偉1,2，王國(guó)華3，陳留平3，韓月峰3，朱闖1，王文慧1

　　(1.青海大學(xué)啟迪新能源學(xué)院，青海省 西寧市 810016;2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué)電機(jī)系)，北京市 海淀區(qū) 100084;3.中鹽金壇鹽化有限責(zé)任公司，江蘇省 常州市 213200)

　　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)等問題成為社會(huì)焦點(diǎn)問題，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，以太陽能和風(fēng)能為代表的新型清潔能源被大力開發(fā)。預(yù)計(jì)到2020年，中國(guó)風(fēng)能和太陽能發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繉⒊^300 GW[1]。但是，風(fēng)能及太陽能等可再生能源的發(fā)電過程存在不穩(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)電與用電分隔開來，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，研究與開發(fā)先進(jìn)的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于中國(guó)未來能源結(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題。而高效率、低成本、大規(guī)模是未來液流電池儲(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，鹽穴主要被用來儲(chǔ)存天然氣與石油。通過分析鹽穴儲(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)的導(dǎo)彈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，即鹽穴電池的能量是儲(chǔ)存在與電池完全分開的電解液中的，而非電池內(nèi)部，這樣分開獨(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。雙液流電池體系是發(fā)展最早，也是技術(shù)最為成熟的一類液流電池體系，多采用水或無機(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題。

　　在液流電池的概念被提出后，除全釩液流電池外，通過改變氧化還原體系，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)類別雙液流電池體系又可分為無機(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)(水或無機(jī)酸堿)中的溶解問題。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)液罐來儲(chǔ)存電解液，如何避免污染也是需要考慮的關(guān)鍵問題?；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，其開路電壓很難達(dá)到2 V，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)離子通過的膜材料。而目前還沒有這種高離子電導(dǎo)率和高選擇透過性的膜可供使用。因此，這類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題及電解液中離子的污染性問題。非水系采用有機(jī)物作為電解質(zhì)溶液，這類有機(jī)物與巖鹽基本不反應(yīng)，類似于利用鹽穴儲(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-Ming Chiang[36]研究組首次提出。這類電池是在結(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)存與釋放則通過導(dǎo)電添加劑形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)來完成。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-Ming Chiang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300 Wh/L～500 Wh/L(130 Wh/kg～250 Wh/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100 L左右，如何解決半固態(tài)漿料的流動(dòng)性問題，成為一個(gè)亟待解決的工程問題。這類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題。這類電池涉及到的是氣體的儲(chǔ)存，利用鹽穴進(jìn)行儲(chǔ)存，類似于利用鹽穴儲(chǔ)存天然氣，需要考慮安全性問題，可借鑒參考?jí)嚎s空氣的儲(chǔ)能技術(shù)[40]。但是，這類電池技術(shù)目前正處在研究的起始階段，無論是性能指標(biāo)還是安全性方面，都尚不能滿足實(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題也是需要考慮的關(guān)鍵問題。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

　　鹽穴儲(chǔ)液庫是鹽穴電池系統(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)率先開展了鹽穴儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的研究工作。德國(guó)能源公司Ewe Gasspeicher GmbH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 700 MWh，輸出功率亦可達(dá) 120 MW，可滿足7.5萬戶家庭的用電需求。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，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)通過了初步測(cè)試。Brine4power項(xiàng)目主管Ralf Riekenberg表示，這說明該項(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2 Brine4power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1萬億噸，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)液庫的地質(zhì)條件[40]。中國(guó)巖鹽開采的規(guī)模已超過4000 萬噸/年，且以每年10%的速度在遞增，形成的溶腔體積達(dá)500 萬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 50 MW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)Ewe Gasspeicher GmbH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800 m～1200 m，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)氣庫的優(yōu)越資源。目前金壇共有空閑鹽穴650 萬m3，經(jīng)過改造，這些鹽穴可以用于建設(shè)鹽穴電池。按照2個(gè)10 萬m3的鹽穴電池儲(chǔ)能700 MWh的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，金壇目前鹽穴總裝機(jī)容量可以超過20000 MWh。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)輸配電線路利用率低的問題。目前這種傳統(tǒng)電網(wǎng)峰谷差問題正呈現(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路的利用率，在同等輸電線路容量的條件下可以滿足更高的負(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

　　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。