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拭目以待!钒电池能否成为长时储能王者?

发布日期:2022/8/8


       在长时储能的漫长赛道上,液流电池、压缩空气等新型储能技术仍在积蓄力量,究竟谁将成为最终的王者,还很难判断。


       国家能源局此前的一纸文件,将三元锂电池、钠硫电池排除在中大型电化学储能电站之外,储能市场的竞争者看似又少了2个。


       7月份以来,资本市场上,钒电池指数成份股持续上涨,钒电池似乎成为上述规定的最大受益者,热度持续飙升。


       2009年初,普能以215万美元的超低价收购加拿大钒电池技术公司VRB,这可以被看作一个标志性事件,从此以后,钒电池在国内受到越来越多的关注,产业化发展开始蹒跚起步。


       今天,13年过去了,钒电池仍未能成为储能市场的王者,但也一直处于向前发展的轨道上。放眼长时储能的未来,钒电池的胜算到底有多大?


1.钒电池的特点


       全钒液流电池,一种以金属钒离子为活性物质的液态氧化还原可再生电池。以+4、+5价态的钒离子溶液作为正极的活性物质,以+2、+3价态的钒离子溶液作为负极的活性物质,分别储存在各自的电解液储罐中。在对电池进行充、放电时,正负极电解液在离子交换膜两侧进行氧化还原反应。同时,通过电堆外泵的作用,储液罐中的电解液不断送入正极室和负极室内,以维持离子的浓度,实现对电池的充放电。



▲钒电池的工作原理



       液流电池的工作原理决定了其是目前电化学储能技术路线中安全性较高的技术路线。与锂电池不同的是,液流电池的电解液与电堆是相分离的,其电解质离子存在于水溶液中,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,液态的电解液使得过充过放也不会造成爆炸和电池容量的下降。


       钒电池的电堆作为发生反应的场所与存放电解液的储罐分开,从根本上克服了传统电池的自放电现象。功率只取决于电堆大小,容量只取决于电解液储量和浓度,设计灵活。当功率一定时,要增加储能容量,只需要增大电解液储罐容积或提高电解液体积或浓度即可,而不需改变电堆大小。


       同时,可通过增大电堆功率和增加电堆数量来提高功率,通过增加电解液来提高储电量,便于实现电池规模的扩展,可用于建造千瓦级到百兆瓦级储能电站,适应性很强。


2.全生命周期成本


       钒电池的正、负极活性物质分别存在于正、负极电解液中,充放电时无其他电池常有的物相变化,可深度放电而不损伤电池;在充放电过程中,作为活性物质的钒离子仅在电解液中发生价态变化,不与电极材料发生反应,不会产生其他物质,经长时间使用后,仍然保持较好的活性。因此,钒电池电池使用寿命长。全钒液流电池充放电循环次数在10000次以上,部分可达20000次以上。



▲钒电池和其它储能技术的对比


       目前钒电池储能的初装成本高,但由于钒电池循环寿命长,从全生命周期来看,钒电池储能的成本低于锂电池成本。





       对具备完整投资数据的钒电池项目和锂电池储能项目的成本进行对比发现,若按全生命周期计算,钒电池的成本在0.3-0.4元/Wh,已经低于锂电池的成本(0.5元/Wh左右)。


       同时,在电池寿命到期后,钒电解质溶液可以回收再次利用。电解质溶液的成本占储能系统总成本的40%,储能系统报废后,残值较高。


       钒电池在长时间储能上的全生命周期成本已经具备竞争力。而且,钒电池仍处于产业化的初期,技术进步和规模化应用以后成本仍有进一步降低空间。


3.没有资源壁垒


       从资源的角度来看,不同于锂电池,中国锂原料对外依赖度较高,钒储量及产量中国处全球第一,发展钒电池所需的资源可以实现自主可控。


       截至2021年底,全球钒金属储量6300万吨,其中已认定符合当前采掘和生产要求的钒矿金属钒储量超过2400万吨,全球99%以上的钒矿储量集中在中国、澳大利亚、俄罗斯和南非四国;其中,中国钒矿储量约为950万吨,占世界钒资源储量的39%,位居世界第一;澳大利亚、俄罗斯、南非占比分别为25%、21%和15%。


4.钒电池的缺点


       钒电池目前最大的缺点是初装成本较高,是锂离子电池的2倍以上。根据已披露具体投资金额的钒电池项目进行成本测算,项目总投资成本集中在3.8-6.0元/Wh;其中,四小时储能系统成本集中在3.8-4.8元/Wh,2-3小时储能系统成本略高,在4.65-6元/Wh,整体仍较锂电池高。





       另外,钒电池的能量密度和转换效率偏低。全钒液流电池在运行过程中对环境温度要求较高,同时还需要用泵来维持电解液的流动,因此其损耗较大,能量转化效率低于锂电池,为70-75%。受钒离子溶解度和电堆设计的限制,与其他电池相比,全钒液流电池能量密度较低,仅为12-40Wh/kg。


5.真正的市场:长时储能


       截至2021年底,中国累计储能装机46.1GW,位居全球第一。其中,抽水蓄能装机规模39.8GW,占比86.3%;新型储能累计装机5729.7MW,占比12.5%,熔融盐储热累计占比1.2%。


       在新型储能装机中,锂离子电池累计装机规模占比89.6%,铅蓄电池累计装机规模占比5.9%,压缩空气储能占比3.2%,液流电池占比0.9%,其他其他电化学储能(超级电容、飞轮储能)合计占比0.4%。


       液流电池的0.9%基本都为钒电池。受益于资源、安全性、环保性和政策端的多重优势,随着多个大型钒电池项目的逐步落地,全钒液流电池的装机规模有望实现跨越式增长。



▲国内近两年主流钒电池落地项目


       钒电池作为一种优良的长时储能技术,其真正的市场还没有到来。


       目前,全球电力系统中可再生能源的装机占比还很小,对长时储能的需求还并不明显。但麦肯锡预计,长时储能的潜在市场空间将从2025年开始大规模增长。届时,长时储能赛道的正面竞争将真正开始。


       钒电池是目前商业化较为成熟的液流电池技术路线,具备示范项目运行多年、产业链逐步成型、全生命周期成本低等优势,预计其在长时储能领域的市场空间较为乐观。但面对压缩空气、熔盐储能等其它长时储能技术的竞争,钒电池究竟能否成为长时储能领域的王者,还需要时间验证。


来源:IESPlaza综合能源服务网

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