近年来，液流电池系统的经济可行性备受关注，但技术经济模型往往忽略了与电解质储罐相关的成本。本文质疑了液流电池研究中普遍认为电解质储罐成本微不足道的观点，并证明了其对整体系统经济的重大影响。
通过全球储罐制造商的报价，发现大多数已发表的技术经济模型中，储罐成本被严重低估，甚至完全被忽视。粗略计算表明，在兆瓦时规模的液流电池系统中，电解质储罐可能占能源组件（储罐加电解质）成本的 40%。液流电池组件的标准化和高压化学体系的开发被视为降低成本和提高市场渗透率的途径。
在过去的 40 年里，多种氧化还原液流电池（RFB）化学体系不断发展，但其核心思想始终如一。与将能量存储在固体电极中的方式不同，氧化还原活性分子或离子溶解在电解质中，电解质存储在储罐中，并通过电化学电池进行泵送，在电池中电解质进行充电或放电。
这种设计将功率元件（电池堆）与能量元件（电解质储罐）分离，从概念上讲，使该技术具有高度的可扩展性：只需建造更大的储罐就能存储更多能量，而无需制造额外的单个电池；如果需要更高的功率容量，则安装更大的电池堆。这种精巧的设计使 RFB 有别于锂离子电池（LIB），后者必须制造更多电池才能存储更多能量。因此，这些技术之间的比较已成为液流电池研究的一个重要部分。
在大规模应用中，RFB 的成本有望接近其活性材料的成本，这使得该技术非常适合长时间储能。相比之下，由于单个单元的成本，LIB 的成本几乎与储能容量成线性关系，这意味着大型 RFB 系统每千瓦时（kWh）的成本应比小型系统更具成本效益，而 LIB 无论大小，每千瓦时的成本差异极小。
然而，由于功率和能量元件的解耦而认为扩大 RFB 规模很简单的假设并不完全正确。规模经济推动了 LIB 成本的稳步下降，这表明使用标准化、大规模生产的单元的模块化方法通常比依赖定制的大型系统更具成本效益。因此，几乎所有商业 RFB 系统都是模块化的，并且通常采用集装箱式设计。
本文表明，在 RFB 系统中普遍认为电解质储罐成本微不足道的观点是不准确的。根据全球储罐制造商提供的电解质储罐价格，对主流观点提出了质疑，并强调在大多数已发表的技术经济模型中，储罐成本被严重低估，甚至完全被忽视。本文进一步强调了液流电池组件标准化和开发高压化学体系作为降低成本策略的重要性。
在 RFB 中，两个大型储罐的设置在运输、安装、安全和液压方面存在复杂性，导致大量的资本支出。例如，在美国，宽度超过 2.6 米的货物被视为宽载货物，运输时需要额外的许可证和护送车辆。直径超过 5 米的储罐无法用卡车运输，因为美国州际公路上的桥梁最小净空高度只有 4.9 米。非常高但细长的储罐同样难以运输，并且必须考虑储罐的最大高度以确保安全，因为液体对罐壁施加的静水压力不得高于储罐的允许环向应力。对于浓硫酸储罐等高密度流体，还需要更高的比重等级（通常为 1.7 - 1.9）和更厚的罐壁，从而增加了成本。
当然，可以在现场建造巨型储罐（例如，容量达数万立方米的原油储罐），但它们需要加固、场地准备、基础和防泄漏设施、组装和许可，并且还面临运输挑战。这使得这种数百万升容量的储罐成本高达数千万美元；澳大利亚最大的原油储罐容量为 10 万立方米，造价 5000 万澳元。对于目前正在努力与 LIB 等技术竞争的 RFB 来说，这可能是一笔高昂得令人望而却步的资本支出。
重要的是，大型储罐需要主动搅拌或复杂的设计，因为浓缩、粘稠的电解质在充电 / 放电循环的时间范围内无法完全均匀混合。不完全混合会降低容量利用率，而储罐内的隔板将单个储罐内存储的充电和放电电解质隔开，实际上会使储罐的存储容量降低 50%。
在无混合设计中使用四个储罐而不是两个来分离充电和放电电解质，可以实现完全的容量利用率和提高电压效率。然而，只有在储罐成本确实微不足道的情况下，这种方法才可行。例如，对现有储罐进行翻新，如用聚乙烯衬里用于酸储存，可能是此类设计的一个有前景的行动方案。目前，能够基于密度和浮力在一个储罐内分离电解质（例如，通过合理布置进出口）的系统并不常见，这凸显了大型储罐设计是一个被忽视的课题。
值得注意的是，大型化学储罐可能受到额外的化学安全法规的约束。例如，瑞士的《重大事故条例》（Störfallverordnung）旨在防止和限制涉及危险物质的重大事故对人类和环境的影响。该条例为各种化学品设定了特定阈值，超过这些阈值必须满足特殊的安全要求，如二次围堵、定期检查、培训和泄漏应急计划，以及地下水保护措施。在瑞士，对于浓度≥15% 的硫酸，阈值量为 20 公吨，约 18 立方米。这个体积仅相当于约 360 千瓦时的钒液流电池（VRFB）容量。
值得注意的是，在 RFB 文献中，储罐成本通常被认为可以忽略不计，因此假设在非常大规模的安装中，总成本仅由活性材料成本决定。在许多技术经济分析中出现的一个数字是，储罐成本为每立方米 300 美元或 300 欧元。
这个数值似乎可以追溯到丹麦成本工程师协会 2014 年的一本非公开价格手册，并且在使用时通常没有考虑货币汇率或通货膨胀。过去十年美元的累计通货膨胀率约为 33%，欧元约为 27%。因此，2014 年的 300 美元或 300 欧元相当于 2024 年的约 400 美元和 380 欧元。其他近期研究考虑的储罐成本甚至更低，为每立方米 77 - 150 美元（参考文献 6、21、22），而 2023 年 VRFB 电解质成本估计为每千瓦时 125 美元，相当于每立方米 2500 美元（参考文献 23）。
然而，从全球储罐制造商获得的价格显示，适合储存稀硫酸的储罐单位体积成本更接近每立方米 500 - 1000 美元（图 1a）。在体积达到约 5 立方米之前，单位体积成本从数千美元迅速降至数百美元每立方米。对于更大的储罐，报价成本随后稳定在每立方米 900 美元左右，是技术经济模型中通常考虑的成本的三倍。室内部署或居民区可能需要的双层壁储罐成本可能高达每立方米 2000 美元，而防护池虽然仍有额外成本，但可能是一个更可行的选择。
值得注意的是，两家中国制造商提供的储罐价格在技术经济模型中通常考虑的范围内，但需要指出的是，对于中国以外的 RFB 制造商来说，这些供应商可能不实用，因为报价中不包括运输成本。这里显示的价格是从低批量美元报价中获得的，对于大客户来说可能更低。
图1. 流动电池水箱尺寸对成本和安装占地面积的影响。
a. 每单位体积的硫酸储存罐成本。水箱由聚乙烯（PE）、线性低密度聚乙烯（LLDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、PE衬钢、纤维增强塑料（FRP）或高密度线性聚乙烯（HDLPE）制成，额定容量为至少30%的H2SO4。价格由以下公司提供：
a,mNational Tank Outlet; bAssmann Corporation of America; c,lSievers Poly Tanks LLC; dT & T Tank Express Inc.; eHenan Lishixin Logistics Equipment Co., Ltd; fFiberpipe GFK Vertriebsgesellschaft mbH; gPolymaster Group; hRotaver Composites AG; iHebei Yongchang Composites Technology Co. Ltd; jHebei Aoliande Chemical Equipment Co., Ltd; and kChristen & Laudon GmbH. 货币兑换率截至2024年6月。
b. 示意图显示，多个小水箱可以代替两个大水箱，而不会损失存储容量或增加安装占地面积。图片来源：b. Daniel Morton。
重要的是，储罐成本与储罐大小无关且单位体积成本恒定这一基本假设过于简单化，削弱了广泛流传的 RFB 可以非常容易地扩展到巨大规模的论点。
对于已部署的 VRFB，1 兆瓦时的标称容量对应于分布在两个储罐中的 50 立方米电解质。考虑到常用且较为谨慎的设计系数 1.5（参考文献 18、20），这样的安装将需要价值 12.5 万美元的电解质，分布在两个 37.5 立方米的储罐中。这样的储罐成本将在 4.7 万美元至 8.4 万美元之间（图 1a），占主要能源组件成本（电解质加储罐）的 27% - 40%，而十二个 6.25 立方米的储罐成本仅为 2.5 万美元至 5.1 万美元（或 16% - 29%）。请注意，储罐对整体能源组件成本的贡献取决于电流，例如，钒的价格是波动的。电解质的成本很可能是其两到三倍。此外，1.5 的设计系数意味着需要大量惰性气体以防止氧气进入，而 1.2 的系数可能就足够了。
考虑到对于任何给定高度，一个半径为 R 的大圆柱体与 N = (R /r)² 个半径为 r 的小圆柱体具有相同体积，部署小储罐（可以更容易地制造、运输和安装）而不扩大安装占地面积显然具有经济优势。这在图 1b 中有所说明，突出了小储罐增加的设计灵活性。与储罐制造商的通信进一步表明，10 立方米的储罐广泛可用，被认为是垂直储罐的标准尺寸。
请注意，直径小于 2 米的储罐可以装在标准海运集装箱中。电解质容器可以包括电解质储罐、泵和气候控制单元，然后可以通过液压连接到装有电池堆的集装箱。至少有四家 VRFB 制造商成功采用了这种方法。还值得强调的是标准尺寸的 20 英尺 ISO 罐式集装箱，它是多式联运的，便于从船舶到火车再到卡车的运输，体积通常在 17.5 至 26 立方米之间。两个适合储存硫酸的 25 立方米 ISO 罐式集装箱成本约为 2.5 万美元，在设计系数为 1.2 的情况下，可以容纳 41.6 立方米的电解质，相当于一个 830 千瓦时的 VRFB，这与例如 VFlowTech 在裕廊岛的 1.6 兆瓦时系统一致，该系统使用四个垂直放置的罐式集装箱。未来的技术经济分析需要更准确地反映储罐成本不可忽视的事实，可能需要在分析中包括罐式集装箱和其他模块化设置。
与储罐相关的一个常见说法是液流电池的使用寿命为 20 年。这源于 VRFB 中活性物质在设备的整个使用寿命及以后都保持不变的事实。事实上，已经报道了 VRFB 使用寿命达到 12 年（且仍在持续）且容量衰减极小。那么 20 年的限制从何而来呢？
化学储罐通常根据维护、位置（气候）和所储存介质的不同，设计寿命为 15 至 20 年。值得注意的是，储罐的规格取决于 pH 值：例如，玻璃纤维 / 环氧树脂复合材料在碱性溶液中的强度随时间的降低幅度比在酸性环境中更大，这表明通常所说的 20 年使用寿命应该根据特定的 RFB 化学体系进行讨论（例如，当使用一般的碱性水性有机电解质而不是常见的酸性过渡金属基溶液时）。还值得注意的是，不带内衬的玻璃钢（FRP）储罐（用于中性 pH 电解质）平均比带聚氯乙烯内衬的储罐（用于高酸性电解质）便宜 38%，见图 1a 中带 k 上标的系列。
二、高功率降低成本
成本降低被 RFB 行业利益相关者视为最紧迫的挑战，鉴于储罐成本构成了被广泛低估的财务负担，研究界必须专注于高功率化学体系和组件标准化，以促进模块化系统的大规模制造。例如，2024 年国际液流电池论坛的关键结论是，挑战不在于增加 RFB 的需求或能量密度，而在于降低成本的同时实现快速充电时间。
由于电池堆（功率元件）的成本目前在 RFB 成本中占主导地位，显然通过行业范围内的组件和尺寸标准化来简化电池堆制造将是有益的。对于材料研究界来说更紧迫的是，功率输出与电池电压的平方成正比。
值得注意的是，电池电压低于约 1.3V 的电池需要非常低的面积比电阻（低于 0.25Ωcm²）才能具有竞争力。只有少数活性材料能够实现水性电池电压 > 1.3V，目前只有六种电池化学体系能够实现功率密度 > 1Wcm⁻²。这可能与寄生水电解以及在存在高氧化性或还原性活性物质时电极或膜的降解有关。
提高电池电压的一个明显策略是使用非水溶剂，但由于其设计固有的限制（此处不再进一步讨论），使其不适用于电网规模应用。使用高浓度水性电解质来增强电化学稳定性已成功将水性电解质的稳定窗口扩展到 3V，但高粘度和在电解质中溶解大量非活性材料带来的高成本使其不适合 RFB。
抑制副反应的其他方法包括精心选择电极材料、优化电解质 pH 值以及在电极表面引入电催化剂。专门为 RFB 应用优化的电极设计尚处于早期阶段，并且需要探索在预期使用寿命内，在持续流动的电解质中表面改性的持久性，因为催化剂可能会随着时间的推移被冲走。考虑到化学安全法规、水电解带来的过电位以及储罐成本，开发近中性 pH 化学体系因此被视为一个有前景的前进方向。
结论
全球硫酸储罐制造商的报价表明，电解质储罐成本是液流电池发展中的一个重要因素，不容忽视。RFB 文献中普遍讨论的两个大型储罐方法可能不经济，在技术经济分析中需要重新评估。
鉴于储能技术的多样化应用以及电价和储能价值的可变性，开发下一代 RFB 的研究人员应优先考虑高功率、近中性 pH 化学体系，使用具有成本效益的材料和可持续的供应链。提高能量密度的努力对于空间受限的应用（如微电网、家庭储能或在人口密集地区的部署）是有益的。
然而，降低成本仍然是使 RFB 与替代技术竞争的关键。提高功率密度和寿命对于增强 RFB 的经济性至关重要。鉴于储罐成本构成了被广泛低估的负担，研究界应优先考虑高压化学体系和高功率设计，同时改进电极和膜技术，以确保长期可行性。
来源：水系液流电池
https://mp.weixin.qq.com/s/6k726iFMNi2ECy2mUrzpCg
原文始发于微信公众号（艾邦液流电池网）：电解质储罐成本是液流电池经济中被忽视的因素
