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鐵鉻液流電池：原材料豐富，前景廣闊
鐵鉻電子對價態(tài)變化實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換
鐵鉻液流電池是產(chǎn)業(yè)上最早出現(xiàn)的液流電池技術(shù)，利用鐵鉻電對的價態(tài)變化實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。鐵鉻電池分別采用 Fe3+/Fe2+電對和 Cr3+/Cr2+作為正極和負極的活性物質(zhì)，通過活性金屬的價態(tài)變化實現(xiàn)電能與化學能相互轉(zhuǎn)換與能量儲存。在鐵鉻液流電池中，活性物質(zhì)儲存于電解液中，具有流動性，可以實現(xiàn)電化學反應(yīng)場所（電極）與儲能活性物質(zhì)在空間上的分離，電池功率與容量設(shè)計相對獨立，適合大規(guī)模蓄電儲能需求。
鐵鉻電池系統(tǒng)主要由功率單元（單電池、電堆或電堆模塊）、儲能單元（電解液及儲罐）、電解液輸送單元（管路、閥門、泵、換熱器等）電池管理系統(tǒng)等組成。作為鐵鉻電池的核心部件，功率單元在一定程度上決定了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率和建設(shè)成本。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同，功率單元可以分為單電池、電堆和大功率模塊等。其中，鐵鉻電池單電池是電堆及系統(tǒng)的基本單元，單電池主要通過離子傳導膜將正負極電解液進行分離，兩側(cè)分別由電極、液流框、集流體等部件組成的正負極半電池，然后通過夾板及緊固件進行壓緊而成；電堆又由多個單－電池通過疊加形式進行緊固而成，每組單電池之間通過雙極板進行連接，具有多個電解液循環(huán)管道和統(tǒng)一電流輸出的組合體，一定數(shù)量的電堆再組合電解液循環(huán)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及輔助設(shè)備構(gòu)成大功率模塊的基本組成單元。
鉻鐵礦豐富疊加電化學技術(shù)優(yōu)勢，大儲前景廣闊
1. 優(yōu)勢：鐵鉻電池較其他電化學電池具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，在大規(guī)模儲能技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。根據(jù)鐵鉻電池的工作原理及結(jié)構(gòu)特點，其高安全、高靈活性和長壽命的技術(shù)特點使其在可再生能源發(fā)電儲能裝置、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、電網(wǎng)削峰填谷、不間斷電源或應(yīng)急電源等領(lǐng)域擁有很廣闊的應(yīng)用前景。
1）電對元素特性疊加水性電解質(zhì)溶液，鐵鉻電池系統(tǒng)安全性較高。鐵-鉻液流電池的電解質(zhì)溶液為含有 Fe3+/Fe2+電對和 Cr3+/Cr2+電對的水性溶液，不會發(fā)生燃燒或爆炸的風險。且電解質(zhì)溶液儲存在兩個分離的儲液罐中，電池堆與儲液罐分離，在常溫常壓下運行，安全性高。即使在運行過程中，隔膜發(fā)生破裂，正負極活性物質(zhì)發(fā)生互混，也不會引起燃燒和爆炸。
2）適配儲能循環(huán)壽命長，模塊/定制化設(shè)計靈活穩(wěn)定。鐵-鉻液流電池在充放電過程中，電極材料只提供反應(yīng)界面，本身不參與反應(yīng)，而且電極反應(yīng)均為液相反應(yīng)，無相態(tài)變化，不會發(fā)生類似同態(tài)電極的脫落成片結(jié)構(gòu)坍塌等問題，可以長期保持穩(wěn)定狀態(tài)，理論充放電循壞次數(shù)可以達到 10000 次，與全釩液流電池持平，壽命遠遠高于鈉硫電池、鋰離子電池和鉛酸電池。另外鐵鉻液流電池的額定功率和額定容量是獨立的，功率大小取決于電池堆，容量大小取決于電解質(zhì)溶液，可以根據(jù)用戶需求進行功率和容量的量身定制。而且其電能儲存在電解質(zhì)溶液內(nèi)，而電解質(zhì)溶液存儲在儲罐里，不存在自放電現(xiàn)象，尤其適用于做備用電源等。因而方便進行模塊化設(shè)計，通過電堆組合維持系統(tǒng)的性能穩(wěn)定。
3）原材料資源豐富，環(huán)境適應(yīng)性強，疊加回收優(yōu)勢成本較低。鐵-鉻液流電池的電解質(zhì)溶液原材料資源豐富且成本較低，鉻鐵礦全球探明儲量達到了 5.1 億噸，較釩/鋰儲量優(yōu)勢明顯，不會出現(xiàn)短期內(nèi)資源制約發(fā)展的情況。另外電池在使用過程中，金屬鐵和鉻離子只發(fā)生價態(tài)變化，并不會被消耗，可以永久性循環(huán)使用、節(jié)約資源，另外鐵鉻電池電堆及系統(tǒng)廢棄時，碳材料和樹脂材料均可以作為燃料使用，部分金屬則可以繼續(xù)使用，因此鐵鉻電池回收簡單、殘余價值高、環(huán)境負荷小，因而是可持續(xù)發(fā)展的儲能技術(shù)。相較全釩液流電池，鐵鉻電池的成本占比最大的部分是膜、PCS 以及鐵鉻電解液，鐵鉻液流電池的膜占比是全釩液流電池的兩倍，但膜的成本較低，另外 Fe3+的低氧化特性也可以使用低廉的碳氫化合物膜，也可以進一步降低鐵鉻液流電池的成本。此外其電解液占比僅為 9%，所以其經(jīng)濟實惠的優(yōu)勢明顯展露出來。
2. 劣勢：鐵鉻電池負極活性弱，容易受制于 Cr 離子金屬特性而產(chǎn)生析氫問題。鐵-鉻液流電池負極 Cr2+/Cr3+電對相較于正極 Fe2+/Fe3+電對在電極上的反應(yīng)活性較差，是影響電池性能的主要原因之一。且 Cr3+離子電化學反應(yīng)活性較差、易老化、易發(fā)生析氫反應(yīng)、容量衰減快、能量效率低等原因仍然限制著鐵鉻液流電池商業(yè)化發(fā)展。另外反應(yīng)過程中電池正負極電解液一定程度上會形成交叉感染，所以需要配備循環(huán)泵、電控設(shè)備等輔助設(shè)備，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。
鐵鉻電池能量密度低，且能量效率轉(zhuǎn)換低是制約其商業(yè)推廣的最大挑戰(zhàn)。目前鐵鉻液流電池的能量密度僅為10-20Wh/L，顯著低于鋰電池的 300-400Wh/L，也低于全釩液流電池的15-30Wh/L。因此其本體會受到電池體積大、密度大、重量大及電解液溶解度等的限制，因此鐵鉻體系的比能量較低，整體能量密度較低，只適合大規(guī)模的儲能電站。另外材料所需的離子交換膜價格昂貴，對表面催化劑的要求較高，也對鐵鉻電池推廣起到了一定的限制作用。
產(chǎn)業(yè)鏈上下游公司有望受益
鐵鉻鐵鉻液流電池的整個系統(tǒng)由能量單元（電解液及儲罐）、功率單元（單電池、電堆或電堆模塊）、輸運系統(tǒng)（管路、閥門、泵、換熱器等）、控制系統(tǒng)、附加設(shè)施等部分組成，其中能量單元和功率單元是核心模塊。鐵鉻液流電池的正負極電解液為含有鐵離子和鉻離子的溶液，是其真正的儲能介質(zhì)，能量單元的核心。產(chǎn)業(yè)鏈條為上游鉻礦經(jīng)過冶煉生成鉻鹽，中游鉻鹽加工進而用于生產(chǎn)鐵鉻液流電池，下游鉻中間品多范圍跨行業(yè)應(yīng)用于鋼鐵、電池、皮革等行業(yè)。
鉻產(chǎn)業(yè)鏈條行業(yè)覆蓋范圍廣，跨度較大。鉻鐵礦按工業(yè)用途劃分為冶金級、化工級、耐火級和鑄石級，其中冶金級鉻鐵礦全球產(chǎn)量占比超過 95%。因耐磨、耐高溫、耐腐蝕及其親鐵性的性質(zhì)，冶金級鉻鐵礦被冶煉成鉻鐵合金被添加到不銹鋼、特鋼等鋼材中。不銹鋼是目前鉻元素最大的消費下游，因含有鎳鉻而具有不銹、耐蝕性主要特性。鉻鐵按不同含碳量分為高碳鉻鐵（含碳為4~8%）、中碳鉻鐵（含碳為0.5~4%）、低碳鉻鐵（含碳0.15~0.50%）、微碳鉻鐵（含碳為 0.06%）、超微碳鉻鐵（含碳小于 0.03%）。中、低、微碳鉻鐵由高碳鉻鐵添加硅石冶煉成，因其含碳量少也被用廣泛于加工特殊鋼材。另外化工級鉻礦還可以加工成氧化鉻綠、三氧化鉻、紅礬鈉等鉻鹽，用于顏料、涂料、陶瓷、飼料、電鍍、合金、皮革等眾多行業(yè)等。鉻鐵電解法和鉻鹽碳還原法可提純至金屬鉻。隨鐵鉻液流電池的商業(yè)化，未來電池領(lǐng)域或?qū)⒊蔀樾碌南M增長點。
上游產(chǎn)業(yè)鏈：全球鉻鐵礦資源豐富，鉻鐵礦資源總量超過120億噸，主要分布于南非、津巴布韋、哈薩克斯坦、巴基斯坦、土耳其和印度等國家，已探明總鉻鐵礦儲量約75億噸。其中南非資源量最大，約占世界資源總量的一半，是全球最大的鉻資源出口國。南非、津巴布韋、哈薩克斯坦鉻鐵礦資源量約占世界鉻鐵礦探明資源總量的95%。其中津巴布韋雖鉻礦儲量豐富，但開發(fā)程度較低，于2021年宣布禁礦。哈薩克斯坦鉻礦多用于本國生產(chǎn)，出口量較低。
中國鉻資源缺少，僅西藏、甘肅、內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)有礦藏分布。根據(jù)中國冶金報，我國鉻資源總探明儲量為5700萬噸，全球占比不足1%，對外依存度極高超過90%。目前，隨著國內(nèi)不銹鋼市場持續(xù)旺盛，疊加儲能鐵鉻電池的蓬勃興起，解決進口礦供應(yīng)成為市場的決定性因素。我國需求企業(yè)主要從南非、土耳其等國進口鉻鐵礦，未來預(yù)計導通津巴布韋的礦石供應(yīng)鏈，不斷深化與以上礦資源國家及地區(qū)的貿(mào)易合作，在一定程度上將減緩鉻鐵礦原材料供應(yīng)不確定性的風險。
鉻資源缺少，隨著高碳鉻鐵產(chǎn)量爬坡，頭部礦業(yè)將享受超額收益。隨著中國不銹鋼的需求不斷起量，鉻礦需求將不斷上升，國際上鉻鐵價格將面臨長期壓力，再加上宏觀政策上對鉻鐵礦加工貿(mào)易的限制，因此會長期出現(xiàn)國內(nèi)鉻鐵行業(yè)發(fā)展力不足，對國外礦石依存度過高，上游受制于礦石供應(yīng)商，所以頭部礦業(yè)將享受市場增長賦予的超額收益。
下游儲能：國內(nèi)對鐵/鉻液流電池的研究始于20世紀90年代，早期以跟蹤研究為主。中科院大連化學物理研究所的衣寶廉院士團隊于1992年曾經(jīng)推出過270W 的小型鐵/鉻液流電池電堆。中科院大連化物所和沈陽的金屬所的研究中，負極析氫與電解液離子互混問題長期難以解決。2019年11月，中國國家電投公司所屬的中央研究院和上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院聯(lián)合項目團隊研發(fā)的國內(nèi)首個 31.25kW 鐵/鉻液流電池電堆“容和一號”成功下線，經(jīng)測試，性能指標滿足設(shè)計參數(shù)要求。首批次共8臺電堆，應(yīng)用于張家口戰(zhàn)石溝光伏電站250kW/1.5MWh鐵-鉻液流電池儲能示范項目，并已于 2020年12月投入試運行，成為國內(nèi)首座百千瓦級鐵-鉻液流電池儲能示范電站。2022年1月，“容和一號”量產(chǎn)線投產(chǎn)，單條產(chǎn)線可年產(chǎn)5000臺“容和一號”電堆，標志著鐵/鉻液流電池儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化向前邁進了一大步，為液流電池儲能技術(shù)帶來了新的增長點。與此同時，國家電投還在內(nèi)蒙古霍林河啟動了全球首個兆瓦級鐵/鉻液流電池儲能示范項目建設(shè)，預(yù)計將在22年年底投產(chǎn)，屆時將再度刷新全球鐵/鉻液流電池儲能系統(tǒng)的最大實證容量紀錄。
發(fā)展趨勢：鐵鉻液流電池材料的改進是未來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模推廣的關(guān)鍵。鐵鉻當前負極鉻離子的活性還有待提高，析氫副反應(yīng)影響較大，離子傳導膜在高溫運行條件下的溶脹依然較大，循環(huán)穩(wěn)定性較差等。未來依然需要適配儲能進行技術(shù)創(chuàng)新和突破：
1）電池材料改進：優(yōu)化離子傳導膜的離子選擇性以提高庫侖效率，選擇合適的添加劑降低析氫副反應(yīng)的影響，提高活性物質(zhì)的電化學反應(yīng)以及電極材料的活性以降低電池的電化學極化，另外提高雙極板的電導率以及減小離子傳導膜、電極、雙極板的厚度，從而降低電池的歐姆極化。
2）電池結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化：降低電解液的流動阻力，提高電解液分布均勻性以及過電勢分布均勻性，以降低電池的濃差極化，縮短電子、質(zhì)子的傳遞路徑，提高傳質(zhì)效率。
3）降低成本：鐵鉻液流電池對膜的要求較低，非氟磺酸膜實現(xiàn)突破后可以替代價格昂貴的全氟磺酸膜，將進一步降低電池成本，進而推動鐵鉻液流電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
重力儲能：商業(yè)化早期，發(fā)展?jié)摿薮?/strong>
重力儲能利用重力與高差實現(xiàn)電力充放
重力儲能作為物理儲能，利用重力與高差實現(xiàn)電力充放。實現(xiàn)新重力儲能是一種機械式儲能，儲能介質(zhì)分為水和固體物質(zhì)，基于高度落差對儲能介質(zhì)進行升降來實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的充放電過程。水介質(zhì)型重力儲能系統(tǒng)可以借助密封良好的管道、豎井等結(jié)構(gòu)，其選址的靈活性和儲能容量受到地形和水源限制。固體重物型重力儲能主要借助山體、地下豎井、人工結(jié)構(gòu)物等結(jié)構(gòu)，重物一般選擇密度較高的物質(zhì)，如金屬、水泥、砂石等以實現(xiàn)較高的能量密度。根據(jù)重力儲能的儲能介質(zhì)和落差實現(xiàn)路徑的不同，目前將重力儲能分為以下4類：新型抽水儲能、基于構(gòu)筑物高度差的重力儲能、基于山體落差的重力儲能和基于地下豎井的重力儲能。
EV公司推出EVx系統(tǒng)，在中國布局首個商業(yè)化案例
Energy Vault公司提出混凝土砌塊儲能，開拓重力儲能新方向。在基于構(gòu)筑物高度差的重力儲能技術(shù)路徑中，Energy Vault公司提出以混凝土砌塊儲能塔為基礎(chǔ)的重力儲能發(fā)電方案，其原理是電力充裕時，起重機將儲能模組EVx從地上吊起，像積木一樣往高處堆放，當模組堆疊在高處時，系統(tǒng)完全“充電”，每個儲能模組代表約1MW 的勢能；當需要電力時，系統(tǒng)會協(xié)調(diào)儲能模組EVx排出。2020年，EV公司在初期儲電吊塔EV1產(chǎn)品的基礎(chǔ)上研發(fā)了可以進行機組模塊拼裝的 EVRC 儲能產(chǎn)品，并在瑞士當?shù)亟ㄔO(shè)了一些項目示范中心，與當?shù)仉娋W(wǎng)嫁接進行項目試驗。2021年推出了EVx 平臺，其儲能模組EVx和彈性中心EVRC儲能容量在10MWh以上，可滿足電網(wǎng)2~12小時的彈性儲能。
Energy Vault公司重力儲能在手訂單量充裕，與中國天楹深度合作。2022年2月，EV公司在紐交所上市，公司于上市后簽訂了一系列儲能項目。2022 年初，EV 公司授權(quán)中國天楹子公司Atlas在中國區(qū)獨家使用許可技術(shù)建造和運營重力儲能系統(tǒng)設(shè)施，計劃在江蘇如東推動中國第一個100MWh重力儲能項目落地，該項目是EVx系統(tǒng)的首次商業(yè)化應(yīng)用的案例。2022年8月，EV公司與美國木星電力簽訂了220MWh的儲能項目。2022年9月與美國 WellheadElectric、WPower 簽訂了275.2MWh的電池儲存項目。
中國天楹（000035.SZ）：
如東項目穩(wěn)步推進，已簽訂多份戰(zhàn)略合作協(xié)議
中國天楹與 Energy Vault公司實現(xiàn)深度綁定，積極拓展重力儲能業(yè)務(wù)。2022年1月30日，中國天楹旗下控股子公司 Atlas Renewable LLC與重力儲能技術(shù)開發(fā)商Energy Vault公司簽署了《技能答應(yīng)運用協(xié)議》，EV公司授權(quán)Atlas在中國區(qū)（含香港和澳門）獨家運用答應(yīng)技能建造和運營重力儲能體系設(shè)備。中國首個應(yīng)用 EV 公司技術(shù)的100MWh重力儲能項目將在江蘇如東縣落地。今年7月，全球首個25MW/100MWh重力儲能示范項目已開始灌注樁基施工進入實際動工階段，項目預(yù)計將于 2023 年年初投入商業(yè)運營。
今年以來中國天楹先后簽署多個重力儲能戰(zhàn)略合作協(xié)議。今年以來，中國天楹與貴州畢節(jié)人民政府、內(nèi)蒙通遼市人民政府、湖北省宜昌市人民政府、中國投資協(xié)會、三峽建工、中建七局、國家電投、中電建、國網(wǎng)綜能等單位達成戰(zhàn)略合作，合作內(nèi)容均有涉及重力儲能。畢節(jié)市“風光水儲”一體化能源基地，將建設(shè)不低于40萬千瓦時的重力儲能項目；通遼千萬千瓦級風光儲氫氨一體化零碳產(chǎn)業(yè)園，重力儲能規(guī)模2GWh；與國家電投浙江公司協(xié)議中，在長三角地區(qū)獲取不低于1GWh重力儲能項目；與中電建水電公司協(xié)議中，力爭在“十四五”期間在全國共同開發(fā)投資不少于2GW的重力儲能電站。
