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“卓而不凡”的钒电池,长时储能的后备军

2022-08-19 11:58:06 中国能源网   作者: 李颖  

在“双碳”目标的推动下,以及储能相关政策的不断完善中,全钒液流电池正面临重要的发展机会,有望成为电化学储能的重要组成部分。我国钒电池企业也正在迈向初步商业示范运行与市场开拓阶段。

消息面上,6月15日,作为国家能源局批准建设的首个国家级大型化学储能示范项目,目前大连液流电池储能调峰电站正在进行最后的电池单体调试和系统调试阶段,即将在今年8月正式投入商业运行。

该项目由大连市热电集团有限公司(占股75%)和大连融科储能技术发展有限公司(占股25%)共同出资建设,总规模为200MW/800MWh,总投资约38亿元人民币,分两期建设。该项目建成后将成为全球规模最大的全钒液流电池储能电站。

该项目的建设单位预计,二期工程将于今年下半年启动,于2023年正式进入建设阶段。值得注意的是,该储能电站采用国内自主研发、具有自主知识产权的全钒液流电池储能技术。钒电池技术的规模化应用已经进入快车道。

政策方面,明确三元锂电池不得用于中大型储能,钒电池需求增长或得以加速。6月29日,国家能源局发布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022年版)(征求意见稿)》中明确提出,中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池,不宜选用梯次利用动力电池。政策端对储能领域的安全性要求进一步提升,或将使得以钒电池为主的液流电池成为大中型储能的重要方式。

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政策支持

近两年来,钒电池产业发展迎来系列政策红利支撑。

2021年7月,国家发改委、国家能源局发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》提出,要坚持储能技术多元化,推动锂离子电池等相对成熟新型储能技术成本持续下降和商业化规模应用,实现钒电池等液流电池长时储能技术进入商业化发展初期。按照《指导意见》政策制定目标,2025年要累计实现新型储能30GW装机量,钒电池渗透率达到20%;到2030年,实现新型储能全面市场化发展。

2022年3月21日,国家发改委和国家能源局联合发布《“十四五”新型储能发展实施方案》明确提出,要推动储能多元化技术开发,液流电池被重点提及。《实施方案》将百兆瓦级液流电池技术纳入“十四五”新型储能核心技术装备攻关重点方向之一。

2022年6月29日,国家能源局发布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022年版)(征求意见稿)》中明确提出,中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池,不宜选用梯次利用动力电池。

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有何优势?

作为当前液流电池中发展时间最长、技术最成熟、商业化程度最高的一种技术,全钒液流电池具有成本低、安全性高、循环寿命长、环保等优点,在储能行业优势明显,尤其在大规模长时储能系统领域具有巨大发展潜力。

•更具成本优势

我国钒资源储量丰富,作为钒电池重要的上游原料,我国钒产量及储量均居全球第一。据机构研报数据,截至2021年,中国钒矿产量在全球占比66%,资源可完全自给,这是国内发展钒电池得天独厚的优势。

五氧化二钒的价格稳定在10-15万元每吨,对比2022年50万元每吨的碳酸锂有较明显的成本优势。

除离子膜外,钒电池部件多为廉价的碳材料、工程塑料,材料来源丰富,且易回收,不需要贵金属作为电极催化剂,成本较低。

•安全性能更高

现阶段储能电站大多使用梯次利用锂电池,在高容量和多频次充放电需求下,锂电池尤其三元锂电池容易发生短路和爆炸,因此对储能安全提出了更高的要求。

液流电池的工作原理决定了钒电池是目前化学储能中安全性较高的技术路线。在低温或者极高温环境下,全钒液流电池比锂电池及铅酸电池更加安全与可靠。由于钒电池电解质离子存在于水溶液中,其功能与电极结构无关,即使过充也没有安全问题,不会发生热失控、过热、燃烧和爆炸。

同时,钒电池支持频繁充放电,每天可实现充放电数百次,液态的电解液即使过充过放也不会造成爆炸和电池容量下降。在充放电能量转换方面,钒电池的效率高达75%以上,远高于铅酸电池的45%。

•循环寿命长

作为储能电池,钒电池的使用寿命极具优势。这是因为钒电池的电解液在充放电的过程中,不像其他多数电池一样发生物相变化。钒离子作为活性物质,仅改变其在电解液中的价态,不与电极材料发生反应,也不产生其他物质,始终都是钒离子,电池容量的损耗很少,长期使用后,仍能保持良好的活动性。因此钒电池的寿命往往能超过十年。

钒液流电池的充放电循环次数超过10000次,有的甚至超过20000次,能够更好地适应长时大容量储能电站的需求。

•对环境更友好

电解液是钒电池的重要组分,占钒电池总成本比例约40%,电解液上游原料主要为钒,自然界中钒很难以单体形式存在,主要以钒矿的形式存在。如果最后钒电池系统寿命到期,电解液仍不会浪费,既可以应用到新的电池系统中,也可以作为钒资源进行提纯加工,最终实现电解液的循环利用。除电解液可再生循环使用外,钒电池在电池系统报废后,其他金属材料、碳材料等,也可以有效利用而不污染环境。

与常用的铅酸电池相比,在静态运行时,钒电池的寿命周期内总的排放量仅有铅酸电池的7~25%;离子膜不需要贵金属作电极催化剂,电极材料多为碳材料制品。

•降本潜力大

电池寿命到期后,钒电解质溶液还可回收再利用,通过租赁电解液的方式能够有效降低电解液成本。如果能够促成制造-使用-回收的产业闭环,还可以进一步提高电解液的残值,钒电池全生命周期内的成本则可大幅降低。电解质溶液的成本占储能系统总成本的40%,因此储能系统报废后的残值较高。

钒电池目前处于商业化初期,未来技术进步还将带来电堆等原材料成本下降,离子交换膜存在国产化替代趋势,成本下降空间也较大。无论从材料、核心电堆还是系统集成的角度,钒电池仍有较大提升空间。

•满足中长时储能需求

全钒液流电池是大规模、大容量、长寿命、高安全性储能的首选技术,能够在大规模、大容量的场景发挥其优势,更适合中长时储能(即4~12小时的储能),最典型的应用场景就是配套风电、光伏的储能。储能时长越长,钒电池的单位造价就越低,因而有望在长时储能领域获得广泛应用。

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有何短板?

钒电池短板同样明显:初始投资成本高、体积大、能量密度低等等。

•初始投资成本高

钒电池目前最大的缺点是初始投资成本过高,大概是锂电池的2倍以上,这也成为制约其发展的一大痛点。

同时,钒电池成本居高不下的原因还在于目前产业链不够完善,缺少规模化生产带来的红利。但由于钒电池循环寿命长,其主要成本来源电解液可以循环利用,从全生命周期来看,钒电池储能的成本低于锂电池。

•体积大

电解液和电堆分离设计导致的占地面积大成了钒电池的硬伤。如果与锂电池相比,要存一样的电,钒电池的体积一般要大5倍以上。

•能量密度/转换效率低

钒电池目前的能量密度、转换效率均低于锂电池。钒电池的能量密度仅为12-40Wh/kg,比铅酸电池的能量密度还要低。钒电池的电解液储存在罐子中,占地空间已然不小,同时还需要用泵来维持电解液的流动,这也造成不少的能量损耗,目前钒电池的能量转化效率为70~75%,大幅低于锂电池的90%。

•其他待解问题

钒电池尚在发展初期,现阶段在新型储能的渗透率仅为0.9%。如果钒资源后续开发力度不及预期,有可能带动钒价上涨,进而影响钒电池电解液的成本。

由于钒电池在运行过程中对环境温度要求较高,需要用泵来维持电解液的流动,因此在这方面造成的损耗也比较大。

综上,钒电池因其能量密度低导致重量和体积较大,目前更适用于大型储能场景。

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企业动态

钒电池“卓尔不凡”的发展潜力已吸引了众多资本市场的目光,多家企业早已布局其中。

龙佰集团

从钒矿资源来看,钛白粉巨头龙佰集团具备相对优势。技术方面,龙佰集团储备了成熟的铁精矿湿法提钒技术和废酸提钒技术。同时,由于光伏、风电等将带动储能行业高速发展,钒电池有望进入爆发期,从而带动五氧化二钒需求的增长。

龙佰集团电池材料研究所正在进行钒电池技术研发,储备相关技术,未来公司将根据钒电池市场情况,积极推动钒电池材料产业化。

龙佰集团日前公告称,为提高公司攀枝花钒钛磁铁矿资源综合利用价值,推进公司铁精矿提钒产业化,全资子公司龙佰四川矿冶有限公司拟投资25亿元建设钒钛铁精矿碱性球团湿法工艺年产3万吨五氧化二钒创新示范工程。

据悉,龙佰集团在攀枝花的钒钛磁铁矿是中国最大钒钛磁铁矿,年产铁精矿380万吨,钛精矿90万吨;截至2021年末,保有钒钛磁铁矿资源量13310.72万吨。

中核钛白

中核钛白公告称,公司与四川伟力得能源股份有限公司签署了《关于设立甘肃泽通伟力得钒材料有限公司合资协议》,双方将出资设立甘肃泽通伟力得钒材料有限公司,共同推进钒矿资源的开发、钒电解液的制造及相关配套产业的项目落地。合资公司将通过控制钒矿来源,以及应用尖端技术将低品位的钒原料进行提取,从而降低钒电解液价格。

攀钢钒钛

攀钢钒钛是鞍钢集团子公司,目前是世界主要的钒制品供应商,中国主要的钛原料供应商。主营业务包括钒、钛、电三大板块,其中钒、钛板块是公司战略重点发展业务。

2021年9月,攀钢钒钛与大连博融签订战略合作协议,优先安排钒产品供应给大连博融。

2021年10月,攀钢钒钛完成对西昌钒制品的收购,五氧化二钒的产能从2.2万吨/年提升到4万吨/年;攀枝花钒厂5000吨高纯氧化钒生产线建设项目一期工程正在建设中,预计今年投产。

2022年6月13日,攀钢钒钛在互动平台透露,钒在储能领域应用是公司拓展其在非钢领域应用的方向之一。公司未来将努力与其他钒储能产业链企业加强联系和合作,共同推动钒在储能领域的应用,主动融入钒电池储能产业链。

河钢股份

河钢股份拥有钒电解液制造技术的自主知识产权,建成了全钒液流电池储能示范项目。公司生产的全钒电解液产品质量得到国内外顶级钒电池厂家的认证,并应用于5KW 5kw/20kwh光伏-钒储能系统。

河钢股份生产的99.5纯度高纯钒在储能领域,主要用于生产全钒液流电池电解液,为钒电池关键储能材料。

河钢股份目前已建成1000吨/年高纯钒产线、1000吨/年钒电解液产线,并应用于部分光伏-钒储能系统。同时,公司正在谋划于2022~2025年分三期建设5万立/年电解液产线和300MW/年钒电池装备产线。

大连融科

大连融科由大连恒融新能源有限公司和中国科学院大连化学物理研究所共同组建,大连融科领军国内外液流电池标准的制定,引领全球液流电池技术的发展,已成为全球领先的全钒液流电池全产业链开发、完整自主知识产权及高端制造能力的服务商。目前已经建立了300MW/年全钒液流电池储能产业化装备基地。

大连融科成功实施了多项商业化应用示范项目,在全钒液流电池的核心技术领域拥有完整的自主知识产权,拥有的专利超过300余项。

2022年2月,融科储能承建的全球最大的100MW/400MWh 级全钒液流电池储能电站进入调试。

北京普能

北京普能是国内钒电池领域的龙头企业,其在2008年的金融危机中收购了当时全球最大的钒电池企业——加拿大Vanteck公司,从而得到核心技术和生产线,随后迅速发展。

北京普能开发出目前世界上高安全、大容量、长时储能和长电池寿命为一体的全钒液流储能电池和解决方案。据北京普能官网介绍,其在全球已经安装和正在处于开发阶段项目容量达到 500兆瓦时,安全稳定运行的时间累计接近100万个小时。

2021年7月,北京普能宣布获得泰国BCPG公司2400万美元新一轮投资,以加速公司全球储能业务的增长。

山西国润储能

山西国润储能是一家储能钒电池技术研发和生产技术企业,主要产品应用于新能源发电、智能电网、通信基站等领域。公开信息显示,国润储能成立于2020年6月,但技术储备可追溯到2016年。

2021年6月,山西国润储能宣布,旗下钒电池进入试生产阶段。

上海电气

上海电气电池业务已有10年基础,最早的研发团队创立于2011年,相关产线于2020年建成。目前已推出兆瓦级全钒液流电池系统。

上海电气目前有3GW的钒电池订单在手,汕头已建成的零碳园区储能项目使用的即为公司生产的钒电池。同时,上海电气公司在钒电池相关知识产权领域也具备一定的竞争优势。

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结语

研究机构EVTank发布的《中国钒电池行业发展白皮书(2022年)》显示,2022年国内大量的钒电池储能项目开工建设,预计全年新增装机量将达到0.6GW,2025年钒电池新增规模将达到2.3GW,2030年新增规模将达到4.5GW,钒电池储能项目累计装机量将达到24GW,届时新增市场规模将达到405亿元。

随着可再生能源电力的增多,对大容量存储的需求越来越高,对储能时长的需求也越来越急迫,长时储能成为发展趋势,钒电池将大有用武之地。现阶段钒电池产业仍处于导入期,随着行业技术改进和产业规模化发展的加速,钒电池成本将逐步降低,有望在储能领域脱颖而出。

来源:中国能源网

文:李颖




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责任编辑: 李颖

标签: 钒电池 长时储能

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