美国ZBB能源公司的锌/溴液流储能系统

贾旭平

 

ZBB 能源公司作为智能可再生能源电力系统的研发者,宣布于2011年4 月4 日与伊顿电气签署一项合作协议，根据该合约，ZBB 将提供一套500 kW h 的储能系统以应用于微型电网系统中。该微型电网系统用于美国俄克拉荷马州Ft.S ill的军队电力设施的连接运营。该系统将使用ZB B 公司新一代的锌储能(ZE S S V 3)技术。

ZE S S V 3 储能技术为锌/溴液流电池技术，这是一种更高级的储能技术。该技术完全采用环境友好型的材料，可长期稳定可靠运行，比传统化学储能电池有更强大的性能。

美国国防部微电网发展项目将为美军微电网能源后备项目提供标准支持，研发将Ft.S ill的项目集中评估微电网技术在离网型和孤岛电力系统中所起到的重大作用。美军工程研发中心和建筑工程研究实验室将牵头本次项目。

ZBB 能源公司将与包括伊顿电气在内的合作伙伴一起制定微电网高级储能系统的运行标准。

 

ZBB 能源公司锌/溴电池技术工作原理

 

ZBB 锌储能系统（ZE S S）在概念与设计上都异于传统储能电池如铅酸电池。锌与溴，两种常见化学物质发生反应，成为ZE S S 技术形成的基础。ZE S S 技术以锌作为负极，溴化物作为正极，并被多孔隔膜分离。它们各自蓄能，并以溴化锌水溶液的形式循环往复。电解液流与正电极作用，就有了将溴化物存储介质平衡在理想浓度下的溴化物。溴化物存储介质与含溴化锌的水溶液是不相融的。所有电池组件均由溴化物惰性塑料制成。

与大多数电池不同，ZE S S 电极不参与化学反应，它们在反应中仅仅是简单的置换。这就意味着随着循环的进行，极板不会有性能上的损失，而其他大多数电池会随着循环的进行，极板材料的寿命有衰降。当ZE S S 进行放电时，沉积在负极表面的金属锌会溶解在电解液中，这样在下一次充电循环时，它又可用于下一次的循环。在完全放电状态下，锌的存在状态是不确定的。

ZE S S 系统是以50 kW h 的模块为基础的，它将所有的软件和硬件组合起来，工作时如同一个完整的能源存储系统，可与电网连接，或以一个独立的供电系统进行工作。各个模块可以连接起来，以提供更大的存储容量。

ZE S S 模块与现有同尺寸和质量的铅酸电池相比，比能量高2～3倍（75～85 W h/kg）。在特定用途中，ZE S S 的功率特性可被改善。因此，ZE B B 在作为一种多用途的能量存储系统时，具有极大的用途。

 

图1 为液流系统的工作模型。

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图1 液流系统的工作模型

 

ZE S S 系统的工作特点

● 化学反应是在可替换的电池堆内进行；

● 电解液存储在外部的罐中，并通过电池堆进行循环；

● 这种性能优良的电解液是将锌溴化物盐溶解在水中制成的；

● 充电时，金属锌会从电解液中被镀到电池堆的负极表面；

● 溴化物会在电池堆的正极表面转化成溴，并立即会以一种安全、化学复合有机相储存在电解液罐中；

● 每对正负极之间都有一个双极板，每个电池堆共有60 个；

● 工作时非常安静；

● 可在很宽的环境温度范围内以满输出量工作。

 

ZBB 能源公司的锌/溴液流储能电池的优势

 

● 模块化的设计，可任意叠加；

● 先进的液流电池技术；

● 深度放电能力；

● 20 年以上的设计使用寿命；

● 方便运输和移动；

● 适用温度范围广，安静；

● 环保和节能

● 50 或500 kW h 的储能电力；

● 充电时，25 或250 kW 的同步放电能力；

● 50 或500 kW 的全放电模式；

● 3 倍于铅酸电池的储能密度；

● 5 倍于全钒电池的储能密度；

● 较锂电池便宜的价格；

● 电极为环保材料；

● 模块化设计，便于移动运输；

● 电解液溴化锌价格便宜，同时电池能量密度大，占地空间小

 

ZB B 能源公司典型产品

ZE S S 500

ZE S S 500 能存储500 kW h 的能量，可用于电力和商业领域。图2为ZE S S 500 的外型图。

● 在最大放电倍率下，500 kW h 可提供250 kW 的功率；在最大充电倍率下，可提供125 kW 的功率；

● 模块在设计时可提供很多性能，具有可靠性和成本优势；

● N E M A 1 或N E M A -3R 外壳使其安装地点的选择范围更广泛，工作参数的选择也更多；

●     可直接跟电网互联或并联。

 

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图2 ZE S S 500 的外型图

 

ZE S S 50

ZE S S 50 由一个模块或多个模块组成，以改善功率特性。ZE S S 50 可存储50 kW h 的能量，大约可以为一个家庭提供2 天的用电。ZE S S 50 外型图如图3（1）和（2），图4 为ZB B 公司于北京奥运会上展示的锌/溴电池ZB B 50。表1 为标准ZE S S 50 kW h 电池性能参数。

● 在最大放电倍率下，50 kW h 可提供25 kW 的功率；在最大充电倍率下，可提供17 kW 的功率；

● 模块在设计时可提供无数的性能，可靠性和具有成本优势；

● N E M A -3R 外壳使其安装地点的选择范围更广泛,工作参数的选择也更多；

● 可直接跟电网互联或进行并联。经过ZB B 能源公司在可替代能源领域的努力，其ZE S S 50 燃料电池锌储能系统已被未来美国家庭计划(Future H ouse U S A )选定为关键部件提供商。

 

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市场及应用

ZBB 公司设计了一种可在最佳效率下利用、管理和优化可再生能源和传统能源的技术。可再生能源与生俱来就是变化的，如风速是变化的，太阳有时候也会躲在云彩里。而我们的解决方案可以提供一种简单和经济的方式来确保负载（建筑等）始终使用的是最理想的能源。

我们一直在试图改变人们对可再生能源是变化的这一想法，并提供综合利用分布式可再生能源的途径，降低传统化石燃料的利用。

ZBB 公司的能源存储和功率控制平台可用于电网互联，独立电网和电网转换等领域，可满足全球市场多种多样的用途。

目标应用领域：

● 远程操作：可为这些地方提供电力，如依靠柴油发电机和/或不可靠的电网提供电力的军事基地，在这些地方可靠性非常重要；

● 通信塔：为依靠柴油发电机工作的蜂窝电话和通信塔提供环境友好、维护方便和持续的电力；

● 商业建筑：消除或将柴油发电机的使用率降至最低；

● 电动车充电：使电动车充电站具备对电网不具破坏性的充电能力；

● 微型电网：为通常依靠发电机来提供电能的地方提供持续和可靠的电能；

● 救援组织：为仅依靠发电机提供电能和/或电网不稳定的灾难发生地提供电能。

 

锌/溴电池发展前景

储能技术，根据其储能的原理被分为物理储能和化学储能两种。物理储能是指在先将电能转化为势能或动能，在要用时再将其转化为电能的储能手段。物理储能主要有抽水蓄能、空气压缩储能以及近几年兴起的飞轮储能等几种方式。物理储能技术是最早被研究出来的，但是由于其受限因素较多而难以在大范围内大规模推广。

化学储能就是将电能转化为化学能再在使用时转化为电能输出的技术，比如汽车上用的铅酸电池，手机里用的锂电池，平时常用的镉镍电池都属于化学储能范畴。但是上述电池因其各自缺点的限制都很难在新能源发电过程中担当重任。比如锂电池，因为处理过程精细复杂，难以形成大规模、大容量的储能电池；而铅酸电池在某些新能源发电企业有所应用，但是其能量低、功率低、危害环境、单体电池不能过大等缺点注定了它不适于在新能源发电等领域的大规模应用。

液流储能电池具有物理储能技术和常规电池无法比拟的优点。相对物理储能来说，液流电池不受地域等条件限制，只要有新能源发电设备的地方就能安装，而且占地面积相对较小。相对于铅酸电池等常规电池而言，液流电池具有不受地理条件限制，理论循环寿命较长，安全可靠性高，能量密度高，一次性投入较低等优点。由此可见，液流储能电池是储能技术的一个重要发展方向，是可以在较短时间内解决新能源发电并网问题的关键技术。

液流储能电池的工作原理与常规蓄电池的活性物质被包容在固态电极内不同，液流电池的正、负极活性物质主要存在于电解液中，通过送液泵流过液流电池，电池内的正、负极电解液由离子交换膜隔开。按其储能介质的不同也可分为钒电池、钠硫电池、锌溴电池等。这三种电池都具有液流电池的优点，但是也有其缺点，例如钒电池和钠硫电池的造价都较为昂贵，而且钠硫电池还需要在高温环境下运行，会产生一定的安全问题。

锌/溴电池在造价上具有与生俱来的优势，因为从储能电池的普遍成本看，电解液成本占到总成本的30% ，所以电解液成分的价格在很大程度上决定了电池的整体造价。而锌/溴电池的电解液成分为锌和溴，其中锌是一种很常见的金属，容易大量获取而且价格较低，而另一种成分溴更是常见，甚至在污水中就能提取。这个先天性的特质决定了锌溴电池在成本方面具有的优势。据业内人士估算，钠硫电池和钒电池的每度电造价成本基本在500 美元左右，而锌溴电池相应的成本则在100 美元上下，与常见的铅酸电池造价相当。由此可见，锌溴电池的价格优势非常明显，这为锌溴电池的大规模、大范围应用奠定了一个很好的基础。

毋庸置疑，锌溴电池因其低廉的成本和卓越的性能特性，是一个前景广阔的技术，将来有望在新能源发电、电网削峰填谷、用电大户错峰储电、电动汽车充电等领域得到广泛应用。但是，就其现阶段的发展状况来看，仍需要各方力量的共同参与与努力，方能快速地发展壮大。

表2 为不同储能电池的技术比较；表3 为不同储能电池的技术成本比较。http://s9/bmiddle/475fd329gd818ef88dfe8&690

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关于ZBB 能源公司

 

ZBB  E nergy 公司是一家总部设在美国的科技公司，它开发的锌/溴固定式电池系统处于世界前列，可用于发电站和可再生能源用途。锌/溴电池是一种可将实时电流转化成需求电流的能源储存技术。该系统已成功地在美国通过发电站用户试用。每套电池系统可寄存于20 尺集装箱中，运输方便。

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