中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：此前，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局于2022年3月發(fā)布的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》指出，到2025年，新型儲(chǔ)能由商業(yè)化初期步入規(guī)?；l(fā)展階段，具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用條件，新型儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新能力顯著提高，核心技術(shù)裝備自主可控水平大幅提升；到2030年，新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展，新型儲(chǔ)能核心技術(shù)裝備自主可控，技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)水平穩(wěn)居全球前列。
值得注意的是，雖然相關(guān)政策提出推動(dòng)儲(chǔ)能多元化技術(shù)開發(fā)，開展鈉離子電池、新型鋰離子電池、液流電池等關(guān)鍵核心技術(shù)，但國(guó)內(nèi)鋰離子電池大規(guī)模儲(chǔ)能電站著火爆炸事故頻發(fā)，對(duì)此，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）》提出，中大型電化學(xué)儲(chǔ)能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，因此相對(duì)穩(wěn)定安全的液流電池受到越來越多的關(guān)注。
什么是液流電池？
液流電池結(jié)構(gòu)。液流電池主要由電池堆（包括離子交換膜、雙極板等）、電解液、儲(chǔ)液罐、循環(huán)泵及其他結(jié)構(gòu)件構(gòu)成。電池堆內(nèi)部由離子交換膜隔絕正極電解液和負(fù)極電解液并形成兩個(gè)反應(yīng)室。電池運(yùn)作時(shí)，循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)電解液在各自反應(yīng)室中循環(huán)流動(dòng)并在各自電極附近發(fā)生氧化還原反應(yīng)，通過和外界接通的雙極板形成電流。
圖：液流電池結(jié)構(gòu)示意圖
液流電池原理：以化學(xué)能儲(chǔ)存電能。電池充電時(shí)，電能被轉(zhuǎn)化成化學(xué)能后存儲(chǔ)在儲(chǔ)液罐的電解液中；電池放電時(shí)，電解液中的化學(xué)能被轉(zhuǎn)化為電能。
液流電池有三種常見的技術(shù)路線：
第一，全釩液流電池。是目前國(guó)內(nèi)示范項(xiàng)目規(guī)模最大的電池技術(shù)，電解液為不同價(jià)態(tài)釩離子的硫酸溶液，代表企業(yè)為大連融科。
第二，鐵鉻液流電池。電解液為不同價(jià)態(tài)鐵離子和鉻離子的鹽酸溶液，主要引領(lǐng)者為國(guó)家電投集團(tuán)子公司和瑞儲(chǔ)能。
第三，鋅溴液流電池。由于鋅溴電池循環(huán)壽命短、電池效率低，以及溴化鋅電解液中溴的金屬腐蝕性，目前可能面臨被淘汰的局面。目前國(guó)內(nèi)做鋅溴液流的公司比較少。
我們主要針對(duì)全釩液流電池與鐵鉻液流電池進(jìn)行詳細(xì)說明。
什么是全釩液流電池？
全釩液流電池（Vanadium Redox Battery，VRB），是一種活性物質(zhì)呈循環(huán)流動(dòng)液態(tài)的氧化還原電池。通過兩個(gè)不同化合價(jià)的、被隔膜隔開的釩離子之間交換電子來實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。釩電池充電后，正極為 V5+，負(fù)極為 V2+；放電后，正負(fù)極分別為 V4+和 V3+溶液。正極和負(fù)極之間由隔膜隔開，該隔膜只允許 H+通過,，H+也就起到了電池內(nèi)部導(dǎo)電的作用。
隨著相關(guān)示范項(xiàng)目的帶動(dòng)，全釩液流電池成本有望降低，從而在產(chǎn)品技術(shù)端推進(jìn)其商業(yè)化進(jìn)程。2022 年 5 月，全球最大 100MW/400MWh 級(jí)全釩液流電池儲(chǔ)能電站正式并網(wǎng)，將加速全釩液流電池商業(yè)化腳步。
國(guó)內(nèi)全釩液流項(xiàng)目建設(shè)情況：
什么是鐵鉻液流電池？
鐵鉻液流電池對(duì)大多數(shù)來說比較陌生，所以先簡(jiǎn)單介紹下。顧名思義，它是以價(jià)格低廉、原料豐富的鐵離子和鉻離子作為活性物質(zhì)。
其實(shí)，這電池雖然才在儲(chǔ)能系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但絕不是第一天才出現(xiàn)。上個(gè)世紀(jì)70年代的時(shí)候，美國(guó)NASA（對(duì)，你沒聽錯(cuò)，就是對(duì)岸航空航天軍）就提出了液流電池概念。日本也在十年之后開發(fā)了千瓦級(jí)別的樣機(jī)。但是，因?yàn)殂t離子活性低、電池容量衰減快等一系列技術(shù)問題始終縈繞在科學(xué)家的心頭，產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程便被一拖再拖。
據(jù)了解，液流電池技術(shù)路線中，目前，釩液流電池、鐵鉻液流電池這兩個(gè)技術(shù)路線產(chǎn)業(yè)化程度領(lǐng)先。
相對(duì)釩液流電池技術(shù)，鐵鉻液流電池優(yōu)勢(shì)更為明顯。
一是，全球鉻儲(chǔ)量大，度電成本低。全球鉻探明儲(chǔ)量達(dá)到6.85億噸，而釩僅有2200萬(wàn)噸，這是鐵鉻液流電池成本較低的關(guān)鍵，并且有大幅下降的空間。
二是，溫度適應(yīng)范圍更廣。鐵鉻液流電池可以適應(yīng)零下20攝氏度的環(huán)境，運(yùn)行溫度范圍為“-20C—70C”。相對(duì)于釩液流電池運(yùn)行溫度為“5C-50C”。
鐵鉻液流電池具備較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，未來有望大規(guī)模應(yīng)用于太陽(yáng)能、風(fēng)能等發(fā)電側(cè)以及智能微網(wǎng)、用戶側(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。
鐵鉻液流電池受到市場(chǎng)的青睞，也進(jìn)一步賦能鉻產(chǎn)業(yè)鏈前景向好。廣發(fā)證券預(yù)測(cè)2022年全球鐵鉻液流電池出貨量為0.42GW，帶動(dòng)重鉻酸鈉需求量1.17萬(wàn)噸，2025年全球鐵鉻液流電池出貨量為12.01GW，帶動(dòng)重鉻酸鈉需求量33.47萬(wàn)噸。
全釩、鐵鉻液流電池技術(shù)路線對(duì)比
全釩液流電池和鐵鉻液流電池是目前兩個(gè)主流的液流電池技術(shù)路線。下文對(duì)二者做對(duì)比分析。
上游資源：釩元素和鉻元素
地殼中釩資源總量小，但我國(guó)儲(chǔ)量第一
根據(jù)USUG數(shù)據(jù)，2021年全球釩礦石儲(chǔ)量2400萬(wàn)噸，中國(guó)儲(chǔ)量有950萬(wàn)噸，占比40%，我國(guó)是全球釩儲(chǔ)量最高的國(guó)家。全球年均釩需求約12萬(wàn)噸，下游90%用于鋼鐵冶金行業(yè)。
圖：全球釩資源儲(chǔ)量和產(chǎn)量占比
地殼中鉻資源總量大，但我國(guó)依賴進(jìn)口
根據(jù)USUG數(shù)據(jù)，2021年全球鉻鐵礦儲(chǔ)量5.75億噸，鉻資源儲(chǔ)備豐富。
圖：全球鉻資源儲(chǔ)量和占比
中國(guó)鉻礦對(duì)外依存度超過90%，為全球最大進(jìn)口國(guó)。中國(guó)鉻礦儲(chǔ)量?jī)H有407萬(wàn)噸，占全球儲(chǔ)量比不到百分之一。我國(guó)鉻礦石年進(jìn)口量約1400萬(wàn)噸，主要自南非進(jìn)口，下游應(yīng)用90%用于鋼鐵冶金行業(yè)。
關(guān)鍵材料價(jià)格差異：五氧化二釩和鉻鐵合金
全釩液流電池和鐵鉻液流電池的電解液關(guān)鍵原材料分別為五氧化二釩、鐵鉻合金。
鉻鐵由于元素供應(yīng)豐富，整體價(jià)格更便宜。五氧化二釩近期均價(jià)約10萬(wàn)元/噸，而鐵鉻合金均價(jià)僅為0.8萬(wàn)元/噸，遠(yuǎn)低于釩。
釩價(jià)波動(dòng)可能性更大。從原料來源考慮，目前75-85%的釩來自鋼鐵冶金加工得到的釩渣提取，可以認(rèn)為釩供給受限于鋼鐵產(chǎn)能，目前供給偏剛性，容易導(dǎo)致更大的價(jià)格波動(dòng)。鉻可直接從鉻礦石中提取，不存在類似問題。
表：電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比
全釩液流電池的優(yōu)點(diǎn)
電壓等級(jí)、能量密度略高于鐵鉻液流
釩離子的反應(yīng)活性比鐵鉻離子高，電池功率相對(duì)高。根據(jù)上文數(shù)據(jù)，全釩液流電池的開路電壓等級(jí)在1.26伏，鐵鉻液流在1.18伏，因此全釩電池的電壓等級(jí)和能量密度比鐵鉻電池略高，但同樣作為液流電池兩者相比鋰電池來說目前仍有較大差距。
單體電堆功率、商業(yè)化進(jìn)程更領(lǐng)先
在液流電池領(lǐng)域，全釩電池的商業(yè)化進(jìn)程最快。全釩電池的投運(yùn)項(xiàng)目總量、單個(gè)項(xiàng)目規(guī)模目前均領(lǐng)先于鐵鉻電池，技術(shù)成熟度和商業(yè)成熟度目前更勝一籌。
全釩電池單體電堆功率更大，技術(shù)更成熟。單體電堆功率可以作為判斷技術(shù)成熟度的關(guān)鍵輔助指標(biāo)，目前全釩液流電池項(xiàng)目單體電堆功率已經(jīng)達(dá)到400V，而鐵鉻電池單體電堆功率在30-40V，仍需進(jìn)一步追趕。據(jù)業(yè)內(nèi)人士推斷，到十四五末，鐵鉻電池單體電堆功率或可達(dá)到目前全釩電池水平。
全釩液流電池的缺點(diǎn)
儲(chǔ)能技術(shù)成本費(fèi)用過高，很難大規(guī)模大面積應(yīng)用
全釩液流電池的儲(chǔ)能技術(shù)成本費(fèi)用還是相對(duì)較高的。這給大規(guī)模應(yīng)用帶來了困難。
技術(shù)生產(chǎn)技術(shù)還沒穩(wěn)定，滲漏液技術(shù)并沒有攻克
釩液流電池還存在電解液、離子交換膜等至關(guān)重要材料的牽制。最后有多大進(jìn)步，還得看技術(shù)和市面。
鐵鉻液流電池的優(yōu)點(diǎn)
鐵鉻電解液成本低
鐵鉻電池比全釩電池最大的優(yōu)勢(shì)在于電解液成本更低。盡管電池結(jié)構(gòu)相似，由于釩價(jià)格更高，全釩電池電解液成本可占據(jù)電池總成本的53%，對(duì)比之下鐵鉻電池電解液成本占比僅10%。
根據(jù)測(cè)算，鐵鉻電解液?jiǎn)瓮邥r(shí)成本僅為全釩電解液的11%，成本優(yōu)勢(shì)顯著。
表：全釩電池和鐵鉻電池成本構(gòu)成對(duì)比
（以上數(shù)據(jù)為圓澄投研團(tuán)隊(duì)自主測(cè)算，不代表具體項(xiàng)目成本）
在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能大趨勢(shì)下，隨著系統(tǒng)配儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)增加，電解液的成本占系統(tǒng)成本比重預(yù)計(jì)將不斷上升，低成本電解液的優(yōu)勢(shì)未來將越發(fā)明顯。
鐵鉻液流電池的缺點(diǎn)
能量密度低
市面上的鋰電池能量密度基本上都可以達(dá)到400Wh/L，而鐵鉻液流電池的能量密度最高也只能做到20Wh/L，兩者相差甚遠(yuǎn)，也正是因?yàn)殍F鉻液流電池的能量密度低，所以體積也比其他電池要大很多。
能量轉(zhuǎn)換率不高
目前新能源車輛上的動(dòng)力電池能量轉(zhuǎn)換率都能達(dá)到80%以上，而鐵鉻液流電池的能量轉(zhuǎn)換率則要遠(yuǎn)低于80%，畢竟是最近新推出的電池技術(shù)，這方面還有著很大的進(jìn)步空間。
液流電池未來發(fā)展趨勢(shì)
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能長(zhǎng)期趨勢(shì)明確，但由于技術(shù)不成熟、成本過高、需求迫切性不足等原因，短期內(nèi)仍未有大規(guī)模應(yīng)用。國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能裝機(jī)目前仍然以政策要求強(qiáng)制配儲(chǔ)2-4小時(shí)的短時(shí)儲(chǔ)能為主。
未來隨著配儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)逐步提升，液流電池的單瓦時(shí)成本會(huì)攤薄下降。前文提到液流電池功率和容量是獨(dú)立設(shè)計(jì)的，提升儲(chǔ)能容量后增加最多的成本是電解液和儲(chǔ)液罐，功率不變條件下電堆成本相當(dāng)于固定成本，結(jié)果就是儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，電堆成本越被攤薄，整體電池系統(tǒng)成本越低。目前液流電池項(xiàng)目為2-4小時(shí)，若未來儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)提升到8-10小時(shí)或以上，液流電池的經(jīng)濟(jì)性就會(huì)進(jìn)一步體現(xiàn)。
圖：不同儲(chǔ)能市場(chǎng)全釩液流電池成本
在液流電池領(lǐng)域，全釩電池發(fā)展相對(duì)成熟，但鐵鉻電池遠(yuǎn)期的成本優(yōu)勢(shì)更為明顯。行業(yè)內(nèi)做全釩電池技術(shù)路線的公司有5-6家，領(lǐng)先企業(yè)大連融科背靠中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所。目前做鐵鉻電池路線的僅有1-2家，領(lǐng)先企業(yè)為國(guó)電投子公司和瑞儲(chǔ)能，技術(shù)源自國(guó)家電投中央研究院儲(chǔ)能研究所。除鐵鉻液流電池以外，國(guó)電投中央研究院在飛輪儲(chǔ)能、水儲(chǔ)熱、熔鹽儲(chǔ)熱、固體儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱等技術(shù)方面也都深耕布局。鐵鉻電池路線是五大發(fā)電集團(tuán)之一的國(guó)家電力投資集團(tuán)主推的技術(shù)路線，其認(rèn)為鐵鉻液流電池是最適合大規(guī)模推廣的。
未來占液流電池主流的是全釩液流還是鐵鉻液流仍存在不確定性。對(duì)于液流電池本身，未來鋰電池成本可能快速下降，或者氫儲(chǔ)能發(fā)展速度遠(yuǎn)超預(yù)期，甚至以后會(huì)出現(xiàn)更新更好的技術(shù)取代現(xiàn)有的技術(shù)路線，一切皆有可能，科技在曲折中不斷進(jìn)步，我們作為觀察者長(zhǎng)期跟蹤。
本文由儲(chǔ)能綜合圓澄投資整理
