化學(xué)儲(chǔ)能(全釩液流電池)研究報(bào)告20240106_第1頁(yè)
化學(xué)儲(chǔ)能(全釩液流電池)研究報(bào)告20240106_第2頁(yè)
化學(xué)儲(chǔ)能(全釩液流電池)研究報(bào)告20240106_第3頁(yè)
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化學(xué)儲(chǔ)能(全釩液流電池)研究報(bào)告2024年1月6日化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè)的基本情況化學(xué)儲(chǔ)能定義及種類化學(xué)儲(chǔ)能是指將化學(xué)反應(yīng)的能量存儲(chǔ)起來(lái),然后在需要時(shí)釋放出來(lái)以供使用的一種能量存儲(chǔ)方式。這種技術(shù)的關(guān)鍵是化學(xué)反應(yīng),它可以在能量需求時(shí)釋放能量,或在能量過(guò)剩時(shí)儲(chǔ)存能量?;瘜W(xué)儲(chǔ)能廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域。具體的化學(xué)儲(chǔ)能種類包括:電池儲(chǔ)能技術(shù)鋰離子電池:高能量密度,廣泛用于便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車。磷酸鐵鋰電池:長(zhǎng)壽命,安全性高,適用于電動(dòng)汽車和大型儲(chǔ)能系統(tǒng)。鉛酸電池:成本較低,技術(shù)成熟,主要用于汽車啟動(dòng)和備用電源。鎳氫電池:環(huán)境友好,用于某些電動(dòng)汽車和電子設(shè)備。固態(tài)電池:預(yù)期有更高的安全性和能量密度,目前主要處于研發(fā)階段。液流電池技術(shù)釩液流電池:可分離的能量和功率設(shè)計(jì),適合大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用。鋅溴液流電池:能量密度較高,但需要處理腐蝕性和復(fù)雜性問(wèn)題。鐵鉻液流電池:原材料成本較低,但技術(shù)成熟度不如釩液流電池。超級(jí)電容器利用靜電場(chǎng)存儲(chǔ)能量,充放電速度快,適合短時(shí)大功率輸出。燃料電池將氫氣或其他燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能,通常用于電力生成和電動(dòng)汽車。這些化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)各有特點(diǎn)和適用場(chǎng)景,選擇合適的技術(shù)取決于所需的能量密度、成本、安全性以及環(huán)境影響等因素。隨著技術(shù)的進(jìn)步,新的化學(xué)儲(chǔ)能解決方案,如有機(jī)液流電池和多價(jià)金屬液流電池,也在逐漸發(fā)展中。除了化學(xué)儲(chǔ)能之外,物理儲(chǔ)能也被廣泛的應(yīng)用。物理儲(chǔ)能技術(shù)利用物理系統(tǒng)的狀態(tài)改變來(lái)儲(chǔ)存和釋放能量,包括機(jī)械儲(chǔ)能、熱能儲(chǔ)能以及電磁儲(chǔ)能等方式。機(jī)械儲(chǔ)能通過(guò)抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)、和飛輪儲(chǔ)能等方式存儲(chǔ)動(dòng)能或勢(shì)能,這些方法通常適用于大規(guī)模儲(chǔ)能并且能提供長(zhǎng)時(shí)間的能量輸出。熱能儲(chǔ)能,包括感應(yīng)熱儲(chǔ)能和相變材料(PCM)儲(chǔ)能,主要用于太陽(yáng)能發(fā)電、工業(yè)余熱利用和溫度調(diào)控。電磁儲(chǔ)能,如超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)(SMES)和電磁場(chǎng)儲(chǔ)能,以其快速響應(yīng)和高效率特點(diǎn),在電網(wǎng)調(diào)節(jié)和某些特定工業(yè)過(guò)程中發(fā)揮作用。具體選用哪種儲(chǔ)能技術(shù)是根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求、成本效益以及環(huán)境影響等因素綜合考量。下圖為已開發(fā)的各種儲(chǔ)能技術(shù)及其適用范圍:資料來(lái)源:國(guó)際儲(chǔ)能網(wǎng)鋰離子電池、鈉電池在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能場(chǎng)景下存在缺陷,更適用于4小時(shí)以下儲(chǔ)能。主要基于以下幾點(diǎn):成本方面,磷酸鐵鉀電池提供功率與貯存能量的裝置綁定在一起,提升容量的情況下,電池成本等比例增加。技術(shù)方面,鋰離子和鈉電池均采用涂布電極,很難儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)十小時(shí)以上。安全性方面,增加電池容量將伴隨電芯的加厚,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行溫度高,安全隱患大。壽命方面,鋰電池通常可以用14年左右,鈉離子電池壽命更短,且使用后期都面臨容量衰減,儲(chǔ)能電站通常壽命都是在20年以上。另外,抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能對(duì)地理?xiàng)l件有一定要求。從目前的已開發(fā)的各種大型儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)看,抽水蓄能、壓縮空氣、液流電池是主流應(yīng)用方向,前兩者在地理?xiàng)l件上有較多要求,需要靠近河流或巖石洞穴等。隨著可再生能源比例的提高,長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的開發(fā)成為關(guān)鍵需求。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能通常指的是能夠支持超過(guò)4小時(shí),甚至達(dá)到數(shù)天或數(shù)月充放電周期的儲(chǔ)能系統(tǒng)??稍偕茉矗缣?yáng)能和風(fēng)能,雖然環(huán)境友好,但其發(fā)電過(guò)程存在不穩(wěn)定性、間斷性和不可預(yù)測(cè)性。這些特點(diǎn)在大規(guī)模接入電網(wǎng)時(shí)可能會(huì)影響電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行,并導(dǎo)致較高比例的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。因此,開發(fā)高效的儲(chǔ)能電池系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)其與電網(wǎng)的順暢對(duì)接,是提升新能源利用率的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。據(jù)相關(guān)研究表明,當(dāng)風(fēng)能發(fā)電量占到總發(fā)電量的50%至80%時(shí),10小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)將成為必不可少的部分。4小時(shí)以上長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能已成為真實(shí)剛需。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn),新能源占比達(dá)到15-20%之后,4小時(shí)以上的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能需求成為剛需。內(nèi)蒙古發(fā)布《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的實(shí)施意見》提出,新建市場(chǎng)化并網(wǎng)新能源項(xiàng)目,配建儲(chǔ)能規(guī)模原則上不低于新能源項(xiàng)目裝機(jī)容量的15%,儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)4小時(shí)以上??萍疾肯掳l(fā)的《“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“儲(chǔ)能與智能電網(wǎng)技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)2022年度項(xiàng)目申報(bào)指南》中也提出,儲(chǔ)能技術(shù)時(shí)長(zhǎng)持續(xù)4個(gè)小時(shí)以上,將作為一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)收。在美國(guó)光伏占比要求較高的地區(qū)已開始使用6-8小時(shí)的儲(chǔ)能進(jìn)行調(diào)峰。所以綜合來(lái)看,釩電池循環(huán)壽命長(zhǎng),通??梢赃\(yùn)行20年以上,容量無(wú)衰減,安全性高,散熱性好,且儲(chǔ)能電站一般位于空曠地區(qū),占地面積大的缺陷得到彌補(bǔ),因此在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域首先爆發(fā),與鋰離子電池、抽水蓄能等儲(chǔ)能形式形成互補(bǔ)。化學(xué)儲(chǔ)能的應(yīng)用及占比情況在中國(guó),儲(chǔ)能市場(chǎng)預(yù)計(jì)在預(yù)測(cè)期間將以超過(guò)18.8%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。電化學(xué)存儲(chǔ)段預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾年內(nèi)主導(dǎo)市場(chǎng),這包括鋰離子、鉛酸、流電池等電池存儲(chǔ)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)來(lái)源:MordorIntelligence咨詢預(yù)測(cè)2021年,中國(guó)的儲(chǔ)能容量為46.1GW,其中抽水蓄能以39.8GW的總裝機(jī)容量占主導(dǎo)地位,約占總儲(chǔ)能容量的83%。電化學(xué)儲(chǔ)能是第二大儲(chǔ)能方法,裝機(jī)容量為5.7GW,約占總儲(chǔ)能容量的12%(其中鋰離子電池占11.2%),其余1.2%來(lái)自熔融鹽熱存儲(chǔ)技術(shù)。此外,政府計(jì)劃到2030年增加國(guó)家的儲(chǔ)能容量,以實(shí)現(xiàn)2060年實(shí)現(xiàn)凈零排放的政府計(jì)劃。支持性的政府政策、投資增長(zhǎng)和電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的增加是推動(dòng)中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)的預(yù)期驅(qū)動(dòng)因素。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司的數(shù)據(jù),政府計(jì)劃到2025年實(shí)現(xiàn)化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)容量30GW,并在2030年增加到100GW。預(yù)計(jì)在2024-2029的預(yù)測(cè)期內(nèi),化學(xué)儲(chǔ)能將引領(lǐng)市場(chǎng)。隨著全球能源轉(zhuǎn)型,可再生能源的滲透率提升帶動(dòng)新型儲(chǔ)能的發(fā)展,特別是可再生能源大基地的建設(shè)帶動(dòng)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的應(yīng)用,券商預(yù)計(jì)2023年全球液流電池行業(yè)進(jìn)入規(guī)?;l(fā)展的元年,2023年全球新增裝機(jī)有望達(dá)到1.7GWh,2026年全球液流電池新增裝機(jī)量有望達(dá)到19.6GWh,2023-2026年均復(fù)合增速達(dá)到125%。202120222023E2024E2025E2026E國(guó)內(nèi)新增儲(chǔ)能(GW)2718416789液流電池占比(%)1.20%1.50%2.00%3.00%4.00%5.00%國(guó)內(nèi)新增液流電池儲(chǔ)能(GW)00.10.41.22.74.4其他國(guó)家新增儲(chǔ)能(GW)5821406277液流電池占比(%)0.50%0.20%0.30%0.40%0.50%0.60%其他國(guó)家新增液流電池儲(chǔ)能(GW)000.10.20.30.5全球新增液流電池儲(chǔ)能(GW)0.10.10.41.434.9年復(fù)合增長(zhǎng)率YoY%133%253%222%114%64%儲(chǔ)能小時(shí)數(shù)(h)444444全球新增液流電池儲(chǔ)能(GWh)0.20.51.75.611.919.6年復(fù)合增長(zhǎng)率YoY%133%253%222%114%64%數(shù)據(jù)來(lái)源:公開資料、券商預(yù)測(cè)截止目前,液流電池還處在發(fā)展初期階段,但預(yù)期增速高。

液流電池的基本情況液流電池的發(fā)展液流電池的概念可以追溯到20世紀(jì)70年代。最初的概念由美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的科學(xué)家提出,用于太空飛行任務(wù)中的能源存儲(chǔ)。這種電池的特點(diǎn)是電解液中的能量載體分離,這允許它存儲(chǔ)的能量和輸出的功率獨(dú)立調(diào)節(jié)。自那時(shí)起,液流電池技術(shù)經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段:全釩液流電池因?yàn)榘l(fā)展較早,技術(shù)相對(duì)其他的液流電池更成熟,所以是目前最主流的液流電池。中國(guó)液流電池發(fā)展歷程可以概述如下:早期探索:液流電池(RFBs)的研究在中國(guó)起步較晚。直到21世紀(jì)初,中國(guó)在這一領(lǐng)域的研究還相對(duì)停滯。首個(gè)專利申請(qǐng):據(jù)歐洲專利局(EPO)數(shù)據(jù)庫(kù)顯示,中國(guó)的首個(gè)液流電池相關(guān)專利是由肖某于2002年12月提交的全釩液流電池系統(tǒng),該專利于2004年6月被授權(quán)。研究逐步開展:21世紀(jì)初,中國(guó)的液流電池研究由大學(xué)和公司逐漸展開,國(guó)內(nèi)液流電池產(chǎn)業(yè)開始發(fā)展。專利申請(qǐng)?jiān)鲩L(zhǎng):自2000年以來(lái),液流電池專利的申請(qǐng)數(shù)量每年都在增加,特別是在2010年后,行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。全球?qū)@急龋旱?023年7月,中國(guó)的液流電池專利總數(shù)達(dá)到6344項(xiàng),占全球?qū)@?9.23%,位居全球第一。這一發(fā)展歷程表明,盡管國(guó)內(nèi)在液流電池領(lǐng)域起步較晚,但在短時(shí)間內(nèi)取得了顯著的進(jìn)步和增長(zhǎng),特別是在專利申請(qǐng)和技術(shù)發(fā)展方面。通過(guò)在世界各大專業(yè)機(jī)構(gòu)中發(fā)表論文的數(shù)量來(lái)看,國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)在近幾年就釩電池及相關(guān)領(lǐng)域的研究成果數(shù)量遙遙領(lǐng)先。除中國(guó)外,日本、澳大利亞、加拿大、美國(guó)也處于全球技術(shù)第一梯隊(duì)。全釩液流電池概要全釩液流電池(通常稱為釩電池)是一種利用釩作為主要活性物質(zhì)的電池,其中釩以循環(huán)流動(dòng)的液態(tài)形式存在。這種電池的工作機(jī)制基于通過(guò)外部泵將電解液輸送到電堆內(nèi)部。在機(jī)械動(dòng)力的推動(dòng)下,電解液在儲(chǔ)存罐和半電池之間的封閉回路內(nèi)循環(huán)流動(dòng),并在流經(jīng)電極表面時(shí)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。此過(guò)程中,雙電極板負(fù)責(zé)收集并傳導(dǎo)電流,實(shí)現(xiàn)了將溶液中儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程依賴于釩離子在不同氧化態(tài)間的變化,從而實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存與釋放。釩電池工作原理圖:釩電池系統(tǒng)由多個(gè)關(guān)鍵組件構(gòu)成,包括功率單元、能量單元、電解液輸送系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)和儲(chǔ)能逆變器等。其中,功率單元和能量單元是系統(tǒng)的核心。功率單元即電堆,由離子膜、電極、密封墊、電極框和雙極板等部分組成。電堆作為發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵部件,其規(guī)模和配置直接影響釩電池的功率性能。能量單元?jiǎng)t是含有不同價(jià)態(tài)釩離子的水溶液,分別存儲(chǔ)在正負(fù)極的儲(chǔ)液罐中,其體積和濃度決定了電池的儲(chǔ)能能力。正極液使用+4/+5價(jià)釩離子,而負(fù)極液則是+2/+3價(jià)釩離子。這些組件的協(xié)同工作確保了釩電池的高效運(yùn)行和儲(chǔ)能能力。組成主要部件功能功率單元電堆(包括電極、離子膜、電極框、密封墊、雙極板、集流板、導(dǎo)流板、緊固件、端板等)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的主要場(chǎng)所,決定了電池的功率大小能量單元電解液、儲(chǔ)液罐存儲(chǔ)反應(yīng)所需的活性物質(zhì)(釩離子),決定了電池的儲(chǔ)能容量電解液輸送系統(tǒng)循環(huán)泵、管路、閥門等系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),負(fù)責(zé)將電解液從儲(chǔ)液罐輸送到電堆,反應(yīng)后再使電解液從電堆回流至儲(chǔ)液罐中電池管理系統(tǒng)傳感器(監(jiān)測(cè)溫度、壓力、電壓、電流、漏液等)、電動(dòng)閥門、單向閥門、電力開關(guān)實(shí)現(xiàn)各電堆、設(shè)備儀表、儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)單元運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)、分布式控制及聯(lián)鎖保護(hù),保證系統(tǒng)正常運(yùn)行儲(chǔ)能逆變器電子元器件(IGBT、電容、電感、電抗等)、機(jī)柜、機(jī)箱將系統(tǒng)儲(chǔ)存的直流電轉(zhuǎn)換為交流電資料來(lái)源:姜鵬等.電解液輸送系統(tǒng)對(duì)全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)性能影響.電源技術(shù)(2023),張華民,《液流電池技術(shù)》成本方面,釩電池中電解液與電堆的成本占比較高。電解液一次成本占總成本的35%,其中五氧化二釩占電解液成本50%-60%左右。電堆成本占總成本的35%,而電堆成本中55%來(lái)自于質(zhì)子交換膜(氫離子交換膜)。其他裝置(如管路與控制系統(tǒng)、循環(huán)泵等)占總成本的30%。釩電池領(lǐng)先企業(yè)信息目前國(guó)內(nèi)釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)已達(dá)20多家,并且更多的企業(yè)在近期進(jìn)入該市場(chǎng),這說(shuō)明了釩電池的確是一個(gè)被看好的潛力賽道,但也預(yù)示著未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈。國(guó)內(nèi)外主要的領(lǐng)先企業(yè)情況如下:企業(yè)名稱成立時(shí)間基本信息項(xiàng)目情況北京普能2007年2009年,北京普能以215萬(wàn)美元低價(jià)收購(gòu)加拿大VRBPowerSystem,獲得其各項(xiàng)技術(shù)、專利、商標(biāo)、設(shè)備及核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)北京普能在全球12個(gè)國(guó)家和地區(qū)已安裝投運(yùn)項(xiàng)目70多個(gè),累計(jì)安全穩(wěn)定運(yùn)行接近100萬(wàn)個(gè)小時(shí),總?cè)萘拷咏?00MWh,處于開發(fā)階段的項(xiàng)目總?cè)萘窟_(dá)到3GWh大連融科2008年大連融科依托中科院大連化學(xué)物理研究所的技術(shù)支撐,擁有覆蓋釩電池技術(shù)創(chuàng)新、釩資源、關(guān)鍵材料、儲(chǔ)能電池生產(chǎn)制造、系統(tǒng)集成、投資運(yùn)營(yíng)等全產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)營(yíng)能力2022年,由大連融科承建的全球最大液流電池儲(chǔ)能電站一期工程100MW/400MWh項(xiàng)目投運(yùn),這是我國(guó)首個(gè)國(guó)家級(jí)大型化學(xué)儲(chǔ)能示范項(xiàng)目,標(biāo)志著釩電池商業(yè)化應(yīng)用邁上新臺(tái)階上海電氣2011年組建釩電池團(tuán)隊(duì)其釩電池的技術(shù)孵化自上海電氣中央研究院,2019年,上海電氣設(shè)立上海電氣儲(chǔ)能科技有限公司,開啟釩電池的獨(dú)立產(chǎn)業(yè)化之路經(jīng)過(guò)十余年技術(shù)沉淀和四年多的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,上海電氣已成功研發(fā)5kW/25kW/32kW/65kW系列電堆,成功交付50余項(xiàng)液流電池儲(chǔ)能項(xiàng)目天府儲(chǔ)能(成都)2022年3月西南交通大學(xué)先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人曾義凱任首席科學(xué)家2023年8月27日,天府儲(chǔ)能正式推出新一代超高功率128kW釩電池電堆產(chǎn)品,12月27日其工廠在溫江投產(chǎn)星辰新能(北京)2021年業(yè)務(wù)貫穿石煤釩礦、電解液、電堆核心組部件、電池整機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等全產(chǎn)業(yè)鏈在常州落成GW級(jí)工廠(全球首個(gè)全自動(dòng)化全釩液流工廠)國(guó)潤(rùn)儲(chǔ)能(山西)2020年清華技術(shù),兩大核心產(chǎn)品:全釩液流儲(chǔ)能電池產(chǎn)品和全氟離子膜,已建成年產(chǎn)100MW全釩液流電池智能化規(guī)模化生產(chǎn)線已落地2個(gè)園區(qū)光儲(chǔ)充一體化項(xiàng)目;2023年與朔州滋潤(rùn)機(jī)場(chǎng)成功簽訂“零碳”機(jī)場(chǎng)全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)合同UniEnergyTechnologies(UET)通過(guò)并購(gòu)或合并而成立美國(guó)企業(yè),專注于大規(guī)模釩液流電池的開發(fā)和制造,其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)、商業(yè)和工業(yè)儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目遍布全球,包括美國(guó)、歐洲和亞洲的多個(gè)電網(wǎng)和商業(yè)儲(chǔ)能項(xiàng)目,跟大連融科合作開發(fā)釩液流電池SumitomoElectricIndustries(住友電工)1897年擁有長(zhǎng)期的釩液流電池研發(fā)歷史,提供多種規(guī)模的儲(chǔ)能解決方案在日本和全球范圍內(nèi)部署了多個(gè)釩電池系統(tǒng),包括一些大型電網(wǎng)儲(chǔ)能項(xiàng)目CellCubeEnergyStorageSystemsInc.N/A加拿大企業(yè),專注于提供釩液流儲(chǔ)能系統(tǒng),其產(chǎn)品適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景CellCube的釩電池系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)國(guó)家的電網(wǎng)支持、可再生能源整合和商業(yè)儲(chǔ)能InvinityEnergySystems2020年英國(guó)企業(yè),前身為AvalonBattery和redTenergy,專業(yè)生產(chǎn)釩液流電池,服務(wù)于全球市場(chǎng)釩電池解決方案被用于全球多個(gè)地區(qū)的能源存儲(chǔ)項(xiàng)目StorEnTechnologiesInc.N/A美國(guó)企業(yè),擁有釩液流電池技術(shù),主要關(guān)注儲(chǔ)能效率和長(zhǎng)壽命的解決方案StorEnTechnologies專注于提升釩電池的性能和效率,其產(chǎn)品主要用于商業(yè)和工業(yè)儲(chǔ)能領(lǐng)域AustralianVanadiumLimited(AVL)2005年澳大利亞企業(yè),除了釩礦開采外,也涉足釩電池市場(chǎng),提供儲(chǔ)能解決方案AVL除了礦業(yè)活動(dòng)外,還參與開發(fā)釩電池儲(chǔ)能項(xiàng)目,特別是在澳大利亞地區(qū)。資料來(lái)源:公開信息,茂天研究綜合來(lái)看,這些企業(yè)普遍掌握了包括電堆(質(zhì)子膜)、電解液和系統(tǒng)集成等核心技術(shù)。部分企業(yè)還擁有釩礦資源,這一點(diǎn)對(duì)于釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本控制和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力尤為關(guān)鍵。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步、原材料成本的穩(wěn)定,以及供應(yīng)鏈的優(yōu)化,這些因素共同成為釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)企業(yè)提升市場(chǎng)份額的重要驅(qū)動(dòng)力。同時(shí),一些上市公司也發(fā)布轉(zhuǎn)型公告,增加相關(guān)釩電池的業(yè)務(wù),統(tǒng)計(jì)情況如下:企業(yè)原業(yè)務(wù)新業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型時(shí)間股票代碼中核華原鈦白缽白粉釩電池2022年7月002145.SZ四川發(fā)展龍蟒股份磷化工釩磁鐵礦、釩電池2022年7月002312.SZ山東海化集團(tuán)石油化工釩電池2022年8月000822.SZ永泰能源煤炭、電力、石化、儲(chǔ)能等釩電池2022年8月600157.SH昆侖萬(wàn)維科技信息分發(fā)、社交、娛樂(lè)、元宇宙、游戲及AIGC等釩電池2022年12月300418.SZ濰坊亞星化學(xué)氯化聚乙烯(CPE)離子燒堿、ADC發(fā)泡劑等液流電池2022年12月600319.SH西子清潔能源裝備制造余熱鍋爐、電站鍋爐、電站輔機(jī)熔鹽儲(chǔ)能、釩電池2022年3月002534.SZ攀鋼集團(tuán)釩資源股份五氧化二釩、高釩鐵、釩氮合金、釩鋁合金為代表的釩系列產(chǎn)品,以鈦白粉、

鈦渣等為代表的鈦系列產(chǎn)品釩電池2022年10月000629.SZ河南易成新能源硅電池片、石墨電極、負(fù)極材料等釩電池2021年300080.SZ龍佰集團(tuán)鈦、鋯產(chǎn)業(yè)鏈深度整合及新材料研發(fā)與制造釩鈦制品、釩電池2022年7月002601.SZ常州市凱迪電器線性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)釩電池2022年8月605288.SH山東玉龍黃金股份金礦勘探、開發(fā)及大宗商品貿(mào)易釩電池2022年12月601028.SH隨著越來(lái)越多的企業(yè)進(jìn)入釩電池及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,競(jìng)爭(zhēng)將可能變得更為激烈。然而,這一增加的市場(chǎng)參與度也可能成為推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和快速發(fā)展的催化劑。隨著參與企業(yè)數(shù)量的增長(zhǎng),除原材料之外的部分組件,如規(guī)?;a(chǎn)的配件,其成本有望得到降低。這種規(guī)模效應(yīng)不僅能提高產(chǎn)業(yè)的整體效率,也可能進(jìn)一步推動(dòng)釩電池技術(shù)的市場(chǎng)普及。推動(dòng)釩電池發(fā)展的原因分析能源安全需求:安全需求在能源領(lǐng)域中至關(guān)重要,它涵蓋兩個(gè)主要方面:一是原材料供應(yīng)鏈的安全和可控性,二是儲(chǔ)能設(shè)備本身的安全性。首先,隨著全球轉(zhuǎn)向綠色低碳能源和新能源汽車的快速增長(zhǎng),鋰資源作為戰(zhàn)略性礦產(chǎn)的重要性日益凸顯。各國(guó)對(duì)鋰資源供應(yīng)的安全高度重視,紛紛將其納入關(guān)鍵礦產(chǎn)目錄。2020年和2021年,世界銀行和國(guó)際能源署分別發(fā)布的報(bào)告強(qiáng)調(diào)了未來(lái)幾十年關(guān)鍵金屬需求的上升趨勢(shì)以及供應(yīng)安全的挑戰(zhàn)。2023年,G7會(huì)議期間,歐盟和美國(guó)簽署了礦產(chǎn)金屬協(xié)議,旨在建立以G7為核心的新礦產(chǎn)金屬供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò),這可能會(huì)對(duì)全球鋰礦資源交易產(chǎn)生重要影響。盡管全球鋰資源分布廣泛,但高品位鋰礦主要集中在南美洲幾個(gè)國(guó)家和澳大利亞。中國(guó)雖然鋰礦資源豐富,但總體品位偏低,導(dǎo)致對(duì)外依存度高達(dá)55%,高端電池級(jí)的鋰原料幾乎都是進(jìn)口。因此,尋找能減少對(duì)進(jìn)口原材料依賴的替代方案變得尤為關(guān)鍵。中國(guó)是釩資源的第一大消費(fèi)國(guó),同時(shí)也是第一大生產(chǎn)國(guó)。中國(guó)蘊(yùn)含510萬(wàn)噸釩資源,占有量居全球第一,其中主要分布在四川攀枝花和河北承德地區(qū),釩資源上的優(yōu)勢(shì)可以從新型電池原料自給自足的角度保證國(guó)家能源安全。其次,儲(chǔ)能設(shè)備的安全性是另一個(gè)重要考慮因素。近年來(lái),全球儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)生了多起安全事故,其中大多數(shù)涉及鋰電池。據(jù)公開信息顯示,過(guò)去幾年全球儲(chǔ)能領(lǐng)域共發(fā)生70起儲(chǔ)能安全事故,其中2011-2022年4月全球共計(jì)發(fā)生34起儲(chǔ)能電站爆炸事件,94%涉及鋰電池。鋰電池的熱失控問(wèn)題是導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸的主要原因。相比之下,釩電池由于其電解液的特性,不會(huì)出現(xiàn)熱失控問(wèn)題,因此在安全性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。政策影響:2021年7月,國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)以及國(guó)家能源局發(fā)布了旨在加速新型儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)意見,這一政策允許多種儲(chǔ)能電池技術(shù)參與電力市場(chǎng),為儲(chǔ)能領(lǐng)域的多元化發(fā)展鋪平了道路。2022年6月22日,國(guó)家能源局起草的《新型儲(chǔ)能項(xiàng)目管理規(guī)范(暫行)(征求意見稿)》明確指出,在電池一致性管理技術(shù)和動(dòng)力電池性能監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)體系完善之前,原則上不建議新建大型動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能項(xiàng)目。對(duì)于已投入運(yùn)營(yíng)的相應(yīng)項(xiàng)目,規(guī)定需定期對(duì)電池性能進(jìn)行評(píng)估,并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與監(jiān)管工作。同年7月,國(guó)家能源局發(fā)布的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求(2022年版)(征求意見稿)》中提出,中大型電化學(xué)儲(chǔ)能電站不宜使用三元鋰電池、鈉硫電池,以及梯次利用的動(dòng)力電池。2022年3月21日發(fā)布的“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案則明確提出,到2025年新型儲(chǔ)能將從商業(yè)化初期轉(zhuǎn)向規(guī)?;l(fā)展,到2030年實(shí)現(xiàn)全面市場(chǎng)化。其中,液流電池作為重點(diǎn)技術(shù)之一被特別提及,百兆瓦級(jí)液流電池技術(shù)被列為“十四五”期間新型儲(chǔ)能核心技術(shù)裝備攻關(guān)的重點(diǎn)方向。此后,鈉電池在中國(guó)的儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域迎來(lái)了快速發(fā)展的新時(shí)期。

化學(xué)儲(chǔ)能(電池)指標(biāo)比較除了研發(fā)歷史較早的釩電池外,全球還在研究和開發(fā)其他幾種液流電池,它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。目前熱度較高的幾種液流電池(理論數(shù)據(jù))與鋰電池/鈉電池的比較如下:電池類型鋰離子電池(磷酸鐵鋰)鈉離子電池全釩液流電池鋅溴液流電池鐵鉻液流電池原材料情況對(duì)外依賴強(qiáng)豐富豐富豐富豐富能量密度(w/kg)130-200100-15015-5075-8510~20循環(huán)壽命(次)3000-60002000+150001500015000充放電效率(%)90-9590-95707070儲(chǔ)能系統(tǒng)效率(%)85-9085-9065-7060-6560-70運(yùn)行溫度(攝氏度)0-45°C-20-60°C0-45°C10-40°C-20-70°C壽命(年)10615-2015-2015-20深度充放電是否影響壽命是基本無(wú)影響基本無(wú)影響基本無(wú)影響基本無(wú)影響容量衰減后不可恢復(fù)衰減后不可恢復(fù)可再生可再生可再生回收難易較復(fù)雜較復(fù)雜易回收易回收易回收安全性較差,存在過(guò)熱起火爆炸風(fēng)好好中好單位投資成本(元/kWh)1500-20001100左右3000-40002000-30001000-2000適用場(chǎng)景≤4h≤4h≥4h≥4h≥4h市場(chǎng)情況當(dāng)前主流技術(shù)路線示范項(xiàng)目初步商業(yè)化(GW級(jí))示范項(xiàng)目示范項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)能量密度高,高效率,響應(yīng)速度快,環(huán)境適應(yīng)成本低,環(huán)境友好適用范圍廣,原材料豐富,15—20年壽命,適用范圍廣,原材料豐富,15—20年壽命,適用范圍廣,原材料豐富,15—20年壽命,工作溫度范圍大劣勢(shì)存在安全風(fēng)險(xiǎn)能量密度低,技術(shù)不成熟能量密度偏低,占地面積大,原材料價(jià)格波動(dòng)大能量密度偏低,充放電倍率低,效率較低能量密度偏低,充放電倍率低,效率較低,腐蝕性強(qiáng),容器衰減快資料來(lái)源:2021年儲(chǔ)能白皮書注:如鉛酸、鎳氫、鈉硫電池等循環(huán)壽命短不適合長(zhǎng)期儲(chǔ)能的化學(xué)電池并未進(jìn)行對(duì)比。以上運(yùn)行溫度僅指液流電池的理想工作溫度范圍,如溫度過(guò)低電解液的粘度可能增加,導(dǎo)致離子傳輸效率降低,從而影響電池的充放電性能;溫度過(guò)高雖然反應(yīng)速率可能會(huì)提高,但過(guò)高的溫度可能加速電解液和電池其他部件的老化,降低電池的整體壽命,并可能增加安全風(fēng)險(xiǎn)(比如管子老化破裂等)。其他液流電池情況:成熟度較低,尚未大范圍應(yīng)用圖:PrimusPower公司的鐵鉻液流電池儲(chǔ)能設(shè)備PP公司的液流電池主要用于小規(guī)模調(diào)峰、分批能量轉(zhuǎn)移、智能電網(wǎng)支持、孤島/黑啟動(dòng)及可再生能源整合。之所以采用單槽設(shè)計(jì),可能也是與鐵鉻液流電池的電解液易竄液有關(guān)。除此之外,這種電池負(fù)極側(cè)析氫反應(yīng)嚴(yán)重,鉻離子的電解活性差,需要配合催化劑使用,導(dǎo)致其整體效率和功率密度難以提升至合理水平。相比其他化學(xué)儲(chǔ)能方式,釩電池的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)總結(jié)如下:釩電池的優(yōu)點(diǎn):釩電池具有安全性高、循環(huán)壽命極長(zhǎng)、環(huán)境友好、響應(yīng)速度快、容量規(guī)模易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。釩電池本征安全,理論上不存在著火爆炸危險(xiǎn)。釩電池的電解液為釩離子的稀硫酸水溶液,電池中的化學(xué)反應(yīng)在溶液中進(jìn)行,固體電極只是負(fù)責(zé)電流的傳導(dǎo),受到各種副反應(yīng)的影響較少,理論上只要控制好充放電截止電壓,保持電池系統(tǒng)存放空間通風(fēng)良好,即可保證安全,不存在著火爆炸的危險(xiǎn)。此外,隔膜即使出現(xiàn)破損,電解液混合后也不會(huì)導(dǎo)致電堆完全損壞。使用壽命長(zhǎng),幾乎無(wú)衰減。影響電池使用壽命的一個(gè)重要因素是電池的深度充放電,當(dāng)電池中的活性物質(zhì)被反應(yīng)完全時(shí),繼續(xù)充電或放電便很容易產(chǎn)生副產(chǎn)物,從而使電池容量減小。由于全釩液流電池是通過(guò)電解液中釩離子價(jià)態(tài)的變化實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放沒有電極固體中復(fù)雜的副反應(yīng),即使常年運(yùn)行由于微量的副反應(yīng)和正、負(fù)極電解液微量互串的累計(jì)造成容量衰減,也可以通過(guò)在線或離線再生反復(fù)循環(huán)利用,因此釩電池項(xiàng)目通??梢赃\(yùn)營(yíng)15-20年全生命周期環(huán)境友好,易回收利用。釩電池的電堆和系統(tǒng)主要是由碳材料、塑料和金屬材料組裝而成,當(dāng)全釩液流電池系統(tǒng)廢棄時(shí)金屬材料可以循環(huán)利用,碳材料、塑料可以作為燃料加以利用,電解液方面,由于全釩液流電池的充放電主要是釩離子的價(jià)態(tài)變化因此其充放電幾乎不產(chǎn)生雜質(zhì),也不產(chǎn)生環(huán)境污染物,回收處理的難度低,環(huán)境非常友好。響應(yīng)速度快、充電便捷。釩電池組充滿電解液瞬間啟動(dòng)。運(yùn)行過(guò)程中,充放電狀態(tài)切換僅需0.02秒,響應(yīng)速度為1毫秒。另外可以通過(guò)直接更換電解液實(shí)現(xiàn)釩電池的瞬間充電。輸出功率和儲(chǔ)能容量相互獨(dú)立,模塊化程度高,配置靈活。釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率由電堆的大小和數(shù)量決定,而儲(chǔ)能容量由電解液的體積決定。如果需要增加輸出功率,只要增大電堆的電極面積和電堆數(shù)量即可實(shí)現(xiàn),如需增加儲(chǔ)能容量,只要增加電解液的體積即可實(shí)現(xiàn)。以融科儲(chǔ)能200MW/800MWh國(guó)家示范儲(chǔ)能電站的一期工程為例,單體電堆的額定輸出功率是31.5kW,有8個(gè)這樣的單體電堆組成了一套可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)充放電控制的500kW/2MWh儲(chǔ)能模塊,由50套儲(chǔ)能模塊構(gòu)建1套具有就地監(jiān)控系統(tǒng)的25MW/100MWh儲(chǔ)能單元,最后再由4套儲(chǔ)能單元構(gòu)建出100MW/400MWh全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。釩電池的缺點(diǎn):釩電池主要缺點(diǎn)體現(xiàn)為能量密度低,全釩液流電池能量密度一般為15-50Wh/kg,同鉛酸電池相當(dāng),低于鋰離子電池,因此實(shí)際占地較大,以100兆瓦/400兆瓦時(shí)的釩電池的大型儲(chǔ)能項(xiàng)目來(lái)說(shuō),用同樣的場(chǎng)地,如果換做理電池大概可以達(dá)到800-1000兆瓦時(shí)。工作環(huán)境相對(duì)局限,釩電池通常需要在0-45°C的環(huán)境下工作,溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致電解液凝固,而溫度過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致溶液中的V5+形成五氧化二釩析出,從而堵塞電解液通道,導(dǎo)致電池報(bào)廢。成本是制約全釩液流電池發(fā)展的核心問(wèn)題。目前釩電池的系統(tǒng)投資成本約為3000-4000元/kwh,鋰離子電池約為1500-2000元/kwh,結(jié)合中核匯能招標(biāo)價(jià),全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平均單價(jià)約3.1元/Wh,中標(biāo)價(jià)為2.65元/Wh,磷酸鐵鯉儲(chǔ)能的平均單價(jià)是1.44元/Wh,釩電池的投資成本約是磷酸鐵理的2倍左右。技術(shù)還不算完全成熟,維護(hù)麻煩。釩電池目前主要存在兩個(gè)技術(shù)上的問(wèn)題,第一個(gè)問(wèn)題是釩電池生產(chǎn)過(guò)程中易析出五氧化二釩沉淀,沉淀物可能惡化電堆性能,因此電堆在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中電解液溫度就會(huì)很容易超過(guò)45攝氏度。第二個(gè)問(wèn)題就是石墨極板會(huì)被正極液刻蝕,正常情況下石墨板可以使用兩年,但是如若操作不當(dāng),可能一次就會(huì)完全刻蝕,電堆只能報(bào)廢。而且正常情況下每隔兩個(gè)月也需要專業(yè)人士進(jìn)行一次維護(hù),維護(hù)頻率較高,費(fèi)錢費(fèi)力??偨Y(jié)釩電池需要進(jìn)一步解決及優(yōu)化的材料/技術(shù)問(wèn)題:電解質(zhì)溶解度低會(huì)導(dǎo)致能量密度低,電極的孔隙率會(huì)影響電池的極化和能量效率;流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)會(huì)增加傳質(zhì)阻力,膜選擇性可能會(huì)導(dǎo)致離子交叉滲透和電解質(zhì)失衡;建模精度問(wèn)題導(dǎo)致對(duì)性能參數(shù)的估計(jì)不準(zhǔn)確,從而導(dǎo)致電池性能下降;堆疊布局導(dǎo)致傳輸延遲和濃度極化;在全釩液流電池運(yùn)行過(guò)程中存在電解液分布不均、流動(dòng)死區(qū)、釩離子擴(kuò)散、析氫氧副反應(yīng)、電解液失衡、容量衰減、自放電、傳質(zhì)阻塞、局部極化等現(xiàn)象,從而導(dǎo)致電池效率下降,影響電池的整體性能。需要通過(guò)流場(chǎng)設(shè)計(jì)、流量?jī)?yōu)化、堆棧優(yōu)化、降低能耗等運(yùn)行優(yōu)化策略來(lái)解決,使全釩液流電池系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)外釩電池產(chǎn)業(yè)鏈布局成熟,在核心部件及原料方面加快研發(fā)投入,未來(lái)將帶動(dòng)產(chǎn)品升級(jí)降本,知名企業(yè)如下:產(chǎn)業(yè)原料/部件國(guó)內(nèi)企業(yè)國(guó)外企業(yè)五氧化二釩攀鋼釩鈦、安寧股份、河鋼股份、西部礦業(yè)、明星電力等電解液四川省川威集團(tuán)、博融材料、湖南匯鋒高新能源、湖南省銀峰新能源、湖北平凡礦業(yè)美國(guó)史查克(Straco)、德國(guó)電冶金公司(GFE)隔膜大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司、江蘇科潤(rùn)新材料股份、遼寧科京新材料、山西國(guó)潤(rùn)儲(chǔ)能科技、遼寧格瑞洛孚新能源、山東東岳未來(lái)氫能材、貴州聚能世紀(jì)科技、新新釩鈦美國(guó)杜邦、德國(guó)Fumatech.美國(guó)戈?duì)朑ore、日本旭硝子日本旭化成公司電極遼寧金谷炭材料股份、四川省江油潤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影響釩電池成本的其他因素分析核心部件的技術(shù)升級(jí)儲(chǔ)能技術(shù)的成本往往與其技術(shù)成熟度緊密相關(guān)。從其他電池技術(shù)的發(fā)展歷程來(lái)看,隨著更多制造商的加入和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇,釩電池的關(guān)鍵部件—電解液和電堆的成本預(yù)計(jì)將逐步下降。在釩電池中,電解液的成本占據(jù)了總成本的40%到50%左右。到2025年,預(yù)計(jì)對(duì)釩的需求將顯著增長(zhǎng),其中約50%的需求將由電解液拉動(dòng)。不同于鋰離子電池,釩電池的電解液不僅是關(guān)鍵材料,還直接充當(dāng)了電池系統(tǒng)的正負(fù)極。釩電池的正極電解液是含有四價(jià)和五價(jià)釩離子的硫酸溶液,而負(fù)極電解液則含有二價(jià)和三價(jià)釩離子。全釩液流電池的電解液通過(guò)五氧化二釩與硫酸/鹽酸混合得到高濃度的含釩溶液,再通過(guò)精確配方制備而成。全釩液流電池的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其功率和容量是相互獨(dú)立的:功率取決于電堆的規(guī)格和數(shù)量,而容量則由電解液的濃度和體積決定。因此,在功率固定的情況下,增加儲(chǔ)能容量(即充放電時(shí)長(zhǎng))的成本低于其他電池系統(tǒng),只需提升電解液的體積和濃度即可釩電池電解液制造流程圖:除了電解液濃度提高外,儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)(儲(chǔ)能設(shè)備的設(shè)計(jì)大?。┮矊?duì)單位成本影響大。根據(jù)大連化物所的張華民2022年6月發(fā)表的《全釩液流電池的技術(shù)進(jìn)展》測(cè)算,1Kwh電解液需要8kg高純度的五氧化二釩。張華民在《全釩液流電池的技術(shù)進(jìn)展、不同儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)系統(tǒng)的價(jià)格分析及展望》中測(cè)算了不同儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格(融科儲(chǔ)能2021年第三季度兆瓦級(jí)全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格)。除電解液以外的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)市場(chǎng)價(jià)格為6000元/kW,五氧化二釩10萬(wàn)元/噸時(shí),電解液的價(jià)格約1500元/kWh。當(dāng)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為1小時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格為7500元/kwh。若儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為4小時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格為3000元/kWh(非電解液部分系統(tǒng)成本按4小時(shí)分?jǐn)偅瑑?chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格為1500元/kWh,占比50%;電解液價(jià)格1500元/kwh,占比50%)。若儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)增至8小時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格為2250元/kwh。儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng),單位成本越低。原材料的供給關(guān)系預(yù)測(cè)從原材料的角度分析,隨著全球經(jīng)濟(jì)在疫情后逐漸復(fù)蘇,全球鋰礦的開工率有所提升,導(dǎo)致鋰價(jià)格迅速下降。與此同時(shí),用于制備釩電池電解液的五氧化二釩主要來(lái)源于煉鋼過(guò)程中釩鈦磁鐵礦產(chǎn)生的釩渣提取。目前,大約80%的五氧化二釩被用作冶煉合金的添加劑,其價(jià)格在近年來(lái)相對(duì)穩(wěn)定。這種市場(chǎng)趨勢(shì)對(duì)釩電池和鋰電池的成本結(jié)構(gòu)及競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生了顯著影響。圖:五氧化二釩及碳酸鋰價(jià)格走勢(shì)釩通過(guò)釩渣經(jīng)高爐/轉(zhuǎn)爐加工的回收率約為50%,隨著技術(shù)的進(jìn)步未來(lái)仍然有提升空間,但需求端也將會(huì)隨著釩電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而增加,假設(shè)按照每GW釩用量8000噸來(lái)計(jì)算,釩的供應(yīng)量可以滿足需求。部分券商認(rèn)為釩將小幅度的供不應(yīng)求,但我們認(rèn)為釩礦將會(huì)擴(kuò)產(chǎn)彌補(bǔ)。據(jù)百川盈孚,國(guó)內(nèi)釩產(chǎn)品產(chǎn)能合計(jì)19.34萬(wàn)噸,釩產(chǎn)品生產(chǎn)的前十大企業(yè)分別是釩鈦股份、成渝釩鈦、承德釩鈦、西昌鋼釩、承德建龍、四川德勝釩鈦、建龍釩業(yè)、達(dá)州鋼鐵、錦州釩業(yè)、陜西五洲礦業(yè)。同時(shí),部分上游五氧化二釩的生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開始介入到電解液的生產(chǎn)當(dāng)中,如釩鈦股份與大連博融的合作、河鋼股份與北京普能合作等。目前主要生產(chǎn)釩電解液的企業(yè)有湖南銀峰、星明能源、大連博融、河鋼股份等。表:釩供需關(guān)系預(yù)測(cè)分析單位萬(wàn)噸202020212022E2023E2024E2025E傳統(tǒng)需求合計(jì)13.8612.9412.2912.6613.0413.43鋼鐵12.6812.1211.5111.8612.2112.58鈦合金0.390.370.350.360.370.39化工0.790.450.420.440.450.46增速-5%3%3%3%國(guó)內(nèi)新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)(GWh)3.285.738.7013.3420.4531.34液流電池裝機(jī)滲透率0.60%0.60%1.60%5.00%10%15.00%全釩液流電池新增裝機(jī)(GWh)0.020.030.140.672.054.70單位釩需求量(萬(wàn)噸/GWh)0.800.800.780.750.720.70裝機(jī)五氧化二釩需求量0.020.030.110.501.473.29占比0.11%0.21%0.88%3.80%10.15%19.68%釩需求預(yù)測(cè)13.8812.9712.4013.1614.5116.72釩供給預(yù)測(cè)12.6013.6014.0014.2015.0017.00數(shù)據(jù)來(lái)源:東北證券、華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院、CNESA、中鋼協(xié)釩業(yè)協(xié)會(huì)、中郵證券研究所、茂天研究質(zhì)子交換膜(氫離子交換膜)已逐步完成國(guó)產(chǎn)替代電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所,主要結(jié)構(gòu)包括質(zhì)子交換膜、電極、雙極板、銅集流板、液流框、端板及連接件等。質(zhì)子交換膜是電堆的重要組成部分,其作用是允許氫離子通過(guò)的同時(shí),阻止正負(fù)極電解液中不同價(jià)態(tài)的釩離子的混合。理想的質(zhì)子交換膜應(yīng)該擁有高物理化學(xué)穩(wěn)定性、低膜電阻、釩離子選擇性高、高質(zhì)子電導(dǎo)率、低水滲透率和低成本的特點(diǎn)。按照離子交換團(tuán)不同,釩電池質(zhì)子交換膜可分為非離子導(dǎo)電膜(多空結(jié)構(gòu))和離子導(dǎo)電膜;按照化學(xué)成分不同,釩電池質(zhì)子交換膜可以分為含氟類質(zhì)子交換膜、非氟類質(zhì)子交換膜。全球釩電池主要使用的是科慕(原美國(guó)杜邦公司,于2015年7月與杜邦公司完成拆分)的Nafion全氟磺酸樹脂交換膜,Nafion薄膜以磺酸基團(tuán)為交換基團(tuán),作為全釩氧化還原液流電池的標(biāo)準(zhǔn)隔膜,其在電解液中的穩(wěn)定性高,但價(jià)格昂貴。全氟離子交換膜是生產(chǎn)全釩液流電池的關(guān)鍵,以前都要從外國(guó)進(jìn)口,價(jià)格昂貴,現(xiàn)在國(guó)內(nèi)公司已經(jīng)突破了這項(xiàng)技術(shù),打破了國(guó)外壟斷,生產(chǎn)成本大大降低。國(guó)內(nèi)的江蘇科潤(rùn)新材料、東岳集團(tuán)、億華通旗下的上海神力、中科院大連化物所、國(guó)潤(rùn)儲(chǔ)能等都自主創(chuàng)新開發(fā)了更低成本的膜,其中江蘇科潤(rùn)新材料和東岳集團(tuán)為專業(yè)膜生產(chǎn)商。據(jù)高工氫電統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍以科慕的全氟磺酸樹脂膜為主要應(yīng)用產(chǎn)品,其出貨量市場(chǎng)占有率為77%;而國(guó)產(chǎn)的液流電池質(zhì)子交換膜市場(chǎng)占有率為23%,其中,國(guó)內(nèi)出貨量靠前的企業(yè)為江蘇科潤(rùn)新材料和東岳未來(lái)氫能。質(zhì)子交換膜的成本可以通過(guò)減少膜材料使用面積而降低。2020年6月,大連物化所儲(chǔ)能技術(shù)研究部李先鋒和張華民團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出新一代30KW級(jí)低成本全釩液流電池電堆。該電堆采用自主研發(fā)的可焊接多孔離子傳導(dǎo)膜(成本<100元/m2)。相對(duì)于傳統(tǒng)的電池組裝技術(shù),膜材料使用面積減少30%,電堆總成本降低了40%。通過(guò)查詢國(guó)外期刊相關(guān)釩電池技術(shù)資料,在全釩液流技術(shù)路線上的研發(fā)主要集中在添加劑改性制備高濃度高穩(wěn)定性電解液,開發(fā)活性催化劑材料,提高電堆功率密度,以及開發(fā)低成本高質(zhì)子傳導(dǎo)高穩(wěn)定性隔膜。其他潛在的替代技術(shù)目前來(lái)看,其他的液流電池技術(shù)由于研發(fā)時(shí)間短,成熟度較低,尚未大范圍應(yīng)用。但在各種國(guó)際期刊上也有來(lái)自各研究機(jī)構(gòu)關(guān)于改良有機(jī)液流電池、堿性鋅鐵液流電池的相關(guān)研究成果。如在未來(lái)10年內(nèi)相關(guān)技術(shù)走向成熟并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,并且釩電池技術(shù)成熟無(wú)更多突破,則這些較釩更低的原材料成本的液流電池可能會(huì)取代釩電池在儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。短期來(lái)看,主要的競(jìng)爭(zhēng)還是來(lái)自于鋰電池的成本逐步降低,以及儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)在4小時(shí)以內(nèi)的儲(chǔ)能站應(yīng)用。而像固態(tài)電池、鋰硫電池、鈉離子電池目前的技術(shù)都不夠成熟。用于大型儲(chǔ)能電站的成本及運(yùn)營(yíng)測(cè)算儲(chǔ)能電站的成本構(gòu)成包含初始投資成本、運(yùn)維成本、換電成本、附加成本、電站殘值等。低成本長(zhǎng)壽命是電化學(xué)儲(chǔ)能一直以來(lái)追求的目標(biāo)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本和效益,是決定其是否能夠規(guī)模化的重要因素。為衡量?jī)?chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性,通常采用度電成本作為關(guān)鍵指標(biāo)。專業(yè)測(cè)算方面采用多元儲(chǔ)能優(yōu)化度電成本模型進(jìn)行評(píng)價(jià),即公示指標(biāo)具體內(nèi)容Ctotal儲(chǔ)能技術(shù)全壽命周期總成本現(xiàn)值,元Etotal儲(chǔ)能技術(shù)全壽命周期發(fā)電量現(xiàn)值,kWhCinv初始投資成本,元初始一次性投資成本可分為儲(chǔ)能容量成本和功率成本,容量成本是儲(chǔ)能電站提供能量時(shí)產(chǎn)生的成本,主要由電池本體、集成裝置以及BMS構(gòu)成;功率成本是儲(chǔ)能電站提供功率的成本,一般為PCS、輔助設(shè)施等COM運(yùn)營(yíng)維護(hù)總成本現(xiàn)值,元包括容量運(yùn)維成本、功率運(yùn)維成本和人工成本CR換電成本現(xiàn)值,元主要包括更換電池提高儲(chǔ)能電站使用期限Crec電站固定資產(chǎn)殘值現(xiàn)值,元Ccharge充電成本現(xiàn)值,元通常采用兩部制電價(jià),但這里統(tǒng)一測(cè)算Ccapital投資資金成本,元稅金支出、貸款利息等En儲(chǔ)能電站年發(fā)電量,kWhr折現(xiàn)率,%n儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行年份(1,2,3,…,N),包含換電后年份儲(chǔ)能優(yōu)化度電成本模型測(cè)算:參數(shù)鋰離子電池全釩液流電池能量效率%85~9575~85放電深度%90100容量衰減率%/a1.50服役年限n/a15~2015~20單位功率成本(元/kW)300~420300~1000單位容量成本(元/kWh)1500~23003200年運(yùn)維成本系數(shù)0.50.5單位容量換電成本(元/kWh)850—按照100MW/200MWh規(guī)模的儲(chǔ)能電站測(cè)算儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)2小時(shí)折現(xiàn)率%8%每天充放電次數(shù)1年運(yùn)行量360天電站壽命20年電站殘值5%兩部制電價(jià)0.25元/kWh優(yōu)化全壽命周期LCOE測(cè)算結(jié)果不計(jì)充電成本0.66340.8762計(jì)及充電成本0.97131.2321

數(shù)據(jù)來(lái)源:儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2023,12(1):/國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院/北方工業(yè)大學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)工程研究中心結(jié)果顯示,鋰電池儲(chǔ)能的度年成本在不考慮充電成本的情況下仍較釩電池低24.3%。且鋰離子電池綜合性能較好,能量、功率密度大、能量效率高,也適合大規(guī)模應(yīng)用在各種場(chǎng)景。目前標(biāo)準(zhǔn)要求新建的鋰電池儲(chǔ)能電站的交流側(cè)效率不低于85%,放電深度不低于90%,電站利用率不低于90%,充放電次數(shù)不低于6000次。鋰電池儲(chǔ)能電站成本也仍然有下降空間,根據(jù)目前的研發(fā)速度,鋰電池成本以每年約10%的速度下降,2025年鋰電池成本有望降低到0.5元/Wh。依據(jù)國(guó)家發(fā)改委、能源局印發(fā)的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》,至2025年儲(chǔ)能進(jìn)入規(guī)模化發(fā)展階段,電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本降低30%測(cè)算,鋰離子儲(chǔ)能技術(shù)的度電成本將達(dá)到0.42元/kWh,基本實(shí)現(xiàn)規(guī)?;瘍?chǔ)能應(yīng)用的目標(biāo)。鋰離子電池全釩液流電池初始投資成本占比65%70%運(yùn)維成本占比3%3%充電成本占比31%25%成本結(jié)構(gòu)方面,降低儲(chǔ)能電站的初始投資成本(功率成本、容量成本),可有效降低儲(chǔ)能電站的總成本,提高電化學(xué)儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性,但目前來(lái)看無(wú)論是鋰電池還是釩電池初始投資成本都很高。像鈉硫電池和鉛酸電池的初始投資成本大概分別為56%及36%,但由于電池壽命短則換電成本高。樂(lè)觀測(cè)算情況:上面第一種測(cè)算是基于現(xiàn)在的實(shí)際情況做出,假設(shè)兩種電池儲(chǔ)能站的是殘值都在5%。但是目前釩電池在資本市場(chǎng)呼聲高,不少券商都做出樂(lè)觀預(yù)測(cè),假設(shè)其理論殘值可回收部分較高(達(dá)到40%),根據(jù)這種情況測(cè)算,則在鋰電池不進(jìn)步的情況下,釩電池?fù)碛懈L(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)年限,較高的充放電深度和回收成本以及更低的衰減率的情況下,可以做到與鋰電池相近的度電成本。項(xiàng)目磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能全釩液流電池儲(chǔ)能(不考慮回收殘值)全釩液流電池儲(chǔ)能(考慮回收殘值)全饑液流電池儲(chǔ)能(行業(yè)頭部企業(yè))(考慮回收殘值)初始投資假設(shè)儲(chǔ)能容量QE/(MW·h)400400400400儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)(h)4444儲(chǔ)能功率/MW100100100100年衰減率2.00%0.00%0.00%0.00%儲(chǔ)能效率ηRT/%88606060單位投資成本(元/kWh)1500300030002650初始投資成本Cinv/萬(wàn)元60000120000120000106000運(yùn)維費(fèi)用(%)0.50%0.50%0.50%0.50%壽命10202020報(bào)廢成本率15%15%40%40%殘值9000180004800042400運(yùn)營(yíng)假設(shè)放電深度θDoD/%90.00%100,00%100.00%100,00%年循環(huán)次數(shù)Ny/(次·a—1)365365365365充電電價(jià)/(元·(kW·h)—1)0.2880.2880.2880.288折現(xiàn)率8.00%8.00%8.00%8.00%測(cè)算結(jié)果度電成本LCOE(元/kWh)0.710.850.810.71資料來(lái)源:《儲(chǔ)能技術(shù)全生命周期度電成本分析》、券商報(bào)告據(jù)國(guó)際再生能源機(jī)構(gòu)IRENA預(yù)測(cè),液流電池的總安裝成本到2030年可下降三分之二。據(jù)其公布的數(shù)據(jù)顯示,2016年時(shí),全釩液流電池的總安裝成本為315美元/千瓦時(shí),到2030年有望下降至108美元/千瓦時(shí),而全釩液流電池總成本預(yù)計(jì)不會(huì)超過(guò)360美元/千瓦時(shí)。液流電池初期成本高,但其服役周期長(zhǎng),其電池通??梢匝h(huán)超過(guò)10000圈,因此長(zhǎng)期而言,液流電池依然在成本上具有很大優(yōu)勢(shì)。有研究表明,全釩液流電池在年發(fā)電量約為10GWh的情況下,可以實(shí)現(xiàn)降低成本至120美元/kWh(不包括安裝成本)。(資料來(lái)源:Minke,C.,Kunz,U.andTurek,T.(2017)‘Techno-economicassessmentofnovelvanadiumredoxflowbatterieswithlarge-areacells)雙鴨山市經(jīng)濟(jì)合作促進(jìn)局政府網(wǎng)站披露顯示,隨著國(guó)內(nèi)釩電池研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)?;l(fā)展,帶動(dòng)釩資源向電池領(lǐng)域傾斜,可以預(yù)料的是未來(lái)三到五年,4h釩電池系統(tǒng)投資成本將從2500元/kWh降到與鋰離子電池相近的1500元/kWh-1700元/kWh,釩電池在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步顯現(xiàn)。針對(duì)投資成本方面研究,據(jù)中核匯能發(fā)布的2022-2023年新能源項(xiàng)目?jī)?chǔ)能系統(tǒng)集中采購(gòu)顯示,中標(biāo)候選人分別為為:大連融科、四川偉力得能源、液流儲(chǔ)能科技公司、國(guó)網(wǎng)電力

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