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大约一半成本在钒电解液上 全钒液流电池如何“破冰”

作者:朱凯 来源:证券时报 发布时间:2022-01-28 浏览:

中国储能网讯:中国目前仍较严重依赖火电。2020年,中国火电发电5.33万亿千瓦时(kWh),占比达71.2%,而风能、光伏发电量占比仅7.51%。国家能源局综合司2021年4月发布《关于2021年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知(征求意见稿)》称,到2025年中国风光发电量占比要达到16.5%左右。

随着“碳达峰碳中和”进程推进,我国的能源供给结构将随之演变,非化石能源的电力供给份额将快速提升。国金证券认为,储能有助于解决因风光发电带来的电网不稳定及弃电问题,储能参与电网调峰调频,可更好保障电网稳定运行。

目前,磷酸铁锂电池占到我国电化学储能装机量的90%以上,但锂电池的安全问题正日益凸显。据不完全统计,近10年间,全球至少发生34起储能电站的起火、爆炸事故。去年4月16日,北京国轩福威斯光储充技术有限公司的磷酸铁锂电池储能电站发生严重火灾爆炸事故,造成人员伤亡。

在此背景下,全钒液流电池有望率先成为我国新型电力储能系统的“后备军”。接受证券时报记者调研的多位行业专家认为,钒电池的活性物质为钒离子水溶液,常温常压运行,不会发生燃烧和爆炸;钒电池充放电循环寿命可达15000次以上,日历寿命可达20年;中国是钒资源大国,储量居世界首位,国家能源安全有保障,定价权掌握在自己手里。

锂电池安全事故频发

2021年4月16日下午,北京国轩福威斯光储充技术有限公司位于北京丰台的储能电站发生火灾事故,当天晚上火灾被扑灭。事故救援过程中,2名消防员牺牲,1名消防员受伤且伤情稳定,1名电站内员工失联。

据不完全统计,2011年至2021年的10年间,全球至少发生34起储能电站起火爆炸事故。其中,日本1起、美国2起、比利时1起、中国4起、韩国26起。其中的32起事故均与锂电池相关,26例为采用三元锂离子的储能电池,2例为磷酸铁锂电池,4例为未透露细节的锂电池。此外,钠硫电池和铅酸电池引发的事故各一例。

进入2022年,储能锂电池引发的事故仍在上演。1月12日上午,韩国蔚山南区SK能源公司发生火灾,起火地点为三层楼的电池储能大楼。随后的1月17日,位于韩国庆尚北道军威郡牛宝郡新谷里的太阳能发电厂发生火灾。起火设施是发电厂中由450kW的PCS和容量为1500kWh的锂离子电池组成的储能系统,其作用是将太阳能发电厂白天产生的电力存储在电池中,然后在日落时分将电力释放到电网系统中。

据悉,韩国的储能电站起火爆炸事故频发,与韩国各大电池企业以三元锂电池为主流产品有关。

(国电南瑞集装箱型钒电池储能电站,图片来源:国电南瑞公司官网)

“储能新贵”钒电池

对于电力系统来说,维持发电与用电的平衡是一个无法回避的现实问题。储能系统,以前更多是一种“锦上添花”,但随着“双碳”目标的提出,储能的重要性和迫切性迅速取得业内共识。

记者了解到,当前,磷酸铁锂电池占国内电化学储能装机量的90%以上;铅酸电池储能项目占比少;钒电池储能总装机量,与铅酸电池差不多,目前在辽宁、河南等地有项目;其他的铁铬液流、锌溴液流应用非常少。

钒电池,全称全钒氧化还原液流电池,是一种以钒为活性物质呈循环流液态的氧化还原电池。由于安全性能突出以及循环寿命长,钒电池有望在某些领域发展为锂电池的“继任者”。与动力电池相比,储能电池多用于电源、电网、用户侧以及基站、3C产品等,与国家能源安全有着更为紧密的关联。

据凯盛融英(CAPVISION)的调研结果,目前,国电投、国家能源集团和一些地方能源集团、华润、上海电气等都在积极布局钒电池生产。浙江杭州等地有初创型公司成立,参与钒电池的研发制造。

国金证券分析师牛波认为,经美国、日本、澳大利亚等国的使用验证,与铅酸、镍氢电池相比,钒电池具有大功率、长寿命、支持频繁大电流充放电、安全性高等优势,主要用于再生能源并网发电、电网储能、大型智能微电网等。

一位不愿透露姓名的电力投资央企相关负责人对记者表示,按照全球的能源发展规划,尤其是针对新型电力系统的,不管哪一类,对于储能系统都是有依赖的。中国大多数的用户终端都是交流电,基于这个现状,储能会在我国今后的电力系统中发挥重要作用。

(提钒转炉,图片由受访的钒资源企业提供)

国际上,上世纪80年代开始有全钒液流电池的研究成果落地;90年代末,中国开始从事相关研究;2008年,大连融科储能技术发展有限公司成立;2009年,北京普能世纪科技有限公司收购全球最大钒电池企业加拿大VRB Power System公司。

近日接受证券时报记者采访时,大连融科副总经理王晓丽表示,未来的储能市场,不会存在一种技术路径“包打天下”,各种技术都有各自的适应空间。钒电池的优势在于4-10小时中长时储能区间,其安全性、经济性和电网调节作用明显占优。

王晓丽介绍,由大连融科承建的5MW/10MWh全钒液流电池储能系统于2012年12月投入运行,这是当时世界上第一套实际并网运行的5MW级液流电池储能系统,时至今日,功率、容量和效率都无衰减,且运行稳定,有效验证了钒电池的长寿命、高安全以及可靠稳定特性。此外,目前在建的大连恒流100MW/400MWh钒电池储能调峰电站国家示范项目,也是世界上规模最大的钒电池储能项目之一。

支持储能的国家级政策频出

证券时报记者了解到,2021年我国储能市场已出现拐点迹象,钒电池厂家收到的意向订单明显增多。

去年下半年以来,面向储能的国家级政策频出,各地也陆续出台省市级政策支持新型储能及抽水蓄能发展。2021年7月,发改委、能源局发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》,明确了储能的市场主体地位,并允许其参与各类电力市场。意见提出到2025年新型储能装机规模达3000万kW以上,2030年新型储能全面市场化发展的目标。

浙商证券分析师邓伟接受记者采访时表示,近年来,我国储能装机量迅速增长,钒电池相关储能项目取得显著进展。以钒电池为代表的液流电池,2019年装机规模为20MW,2020年达到100MW,钒电池装机量增长迅速。不过目前我国钒电池渗透率仅为1%左右,未来发展前景广阔。

7月,发改委发布《关于进一步完善分时电价机制的通知》,要求上年度最大系统峰谷差超过40%地区,峰谷电价价差不低于4:1,其他地方不低于3:1。同时建立尖峰电价机制,尖峰电价在峰段电价基础上上浮比例不低于20%。在用户侧拉大峰谷价差。

8月,发改委、能源局发布《关于鼓励可再生能源发电企业自建或购买调峰能力增加并网规模的通知》,鼓励可再生能源发电企业自建或购买调峰,明确了初期调峰挂钩比例按功率的15%,功率比例的20%以上可以优先并网,明确时长4小时以上,兼顾储能型调峰的物理性质与电力系统平衡需求。

“储能配置在新能源的发电端,当前还是让新能源企业自己买单。”王晓丽补充道,政府给予的支持,就是允许配置了储能系统的新能源项目“优先核准、优先并网、优先调度”,另外就是进一步拉大用户端的峰谷价差,逐步创造储能的发展环境。同时,各地方政府出台相关政策,主要方向也是为储能构筑一个“市场”,并支持这个市场自主自发地发展下去。

据统计,2021年以来,超过20个省(区)出台了新能源并网配储方案,新版“两个细则”明确了储能的市场主体地位,完善了成本分摊机制,进一步拓展了储能收益空间。国金证券认为,储能行业发展的初期驱动因素已经齐全,中长期的驱动将来自成本继续下降、成熟的市场机制以及商业模式的迭代。

事关国家能源安全

目前,磷酸铁锂电池占到我国电化学储能装机量的90%以上。记者注意到,除了锂离子电池的安全问题之外,部分锂电材料价格持续上涨,以及资源定价权掌握在海外巨头手里,都对我国的国家能源安全构成一定威胁。

标普全球数据显示,自2021年初至2021年12月14日,碳酸锂价格已上涨413%,北亚到岸价格32600美元/公吨,而氢氧化锂价格在同一时期攀升254%,至北美地区到岸价格31900美元/公吨。分析人士称,疫情加剧供应紧张,再加上全球对绿色能源的追捧,预计锂、石墨、钴等锂离子电池关键材料价格还将持续上涨。

事实上,全球锂资源中,约有超过一半在南美洲的“锂三角区”,智利、玻利维亚和阿根廷等国拥有世界最大的锂储备量。截至2020年,中国锂资源储量约为150万吨,占全球总资源储量的7.12%。我国虽然是锂盐加工大国,但锂资源仍高度依赖进口。

另一方面,智研咨询发布的《2021-2027年中国钒行业市场运行状况及发展前景预测报告》显示,中国是钒资源比较丰富的国家。我国钒钛磁铁矿广泛分布于四川、湖南、安徽、广西、湖北及甘肃等省区,其中四川钒储量居全国之首。2020年,中国钒矿产量占全球钒矿总产量的61.63%。

(图片来源:USGS,浙商证券研究所)

接受证券时报记者采访时,四川德胜集团钒钛有限公司副总经理、总工程师徐瑜说,我国产钒的主要来源有钒钛磁铁矿和石煤。钒钛磁铁矿提钒的产出率较高。钒在工业领域应用广泛,最大的需求在钢铁生产过程中。近年来,国内基建投资规模稳中有降,未来钢铁钒含量的标准还会进一步提高。综合来看,钢铁用钒的总量不会大规模增长,总体将保持基本稳定。

攀钢钒钛2020年年报指出,钒是一种重要的合金元素,主要用于钢铁工业,含钒钢具有强度高、韧性大、耐磨性好等优良特性;钒可以作为催化剂和着色剂应用于化工行业;钒还被用于生产可充电氢蓄电池或钒氧化还原蓄电池,随着高端装备及新能源储能相关政策的深入实施,公司将加快钒铝合金和钒化工产品的发展进程。

“在能源安全角度,钒的优势在于,矿产资源主要掌握在我们国家自己手里。”徐瑜说。且钒电池所使用的钒存在于电解液中,电池运行中不损失、不消耗,可永续循环使用,是一种资源友好型储能技术。

降成本:强化可比优势

证券时报记者向行业企业了解到,目前,1kWh电解液大约使用8-9公斤五氧化二钒。如果钒价格不超过10万元/吨,电解液成本大概在1300-1500元/kWh。过去几年,钒价格出现“过山车”般大起大落——2017-2018年,钒价格约为5万元/吨;2019年12月份,钒价格猛涨至54万元/吨;2021年,五氧化二钒价格回落至11-12.5万元/吨。

相较锂电池而言,钒电池成本居高不下的原因在于目前产业链上中下游还不够完善,缺少规模化生产带来的红利。

前述匿名电投央企人士对记者说,根据我国的电网规模,每年的用电量大概在7-8万亿kWh。实际上不管哪一种储能方式,都根本无法与我国电力系统相匹配。短期内如果没有政策强有力支持,这个产业一定是被动朝前走的。

“从产能和价格上看,近10年来,钒的市场经历了过山车。2018年的钒价出现非理性高企,此前一直做钒电池的厂家因此受到冲击而举棋不定。”徐瑜对此深有感触。

他说,未来随着钢铁产能进一步受控,以及非钢领域的钒电池、催化酶等应用推进,总体上供需趋于平衡的可能性比较大。作为厂家,我们不想再看到钒价的暴涨或暴跌,希望维持一个价格长期均衡的市场。

(五氧化二钒成品,图片由受访企业提供)

大连融科副总经理王晓丽说,无论是哪种储能技术,最大的瓶颈还是在于市场机制,即价格的疏导以及商业模式的建立。市场对于储能设备的终极目标,一定是高安全、长寿命、高效率和低成本,以及整个生命周期内对环境资源的友好程度。当前来看,钒电池的短板在于效率偏低和初始投资成本偏高,这也是企业做推广的难点。

她认为,钒电池技术和成本的“天花板”还很高,需要加快技术提升和产业规模壮大速度,快速满足市场要求。并且钒电池具有长寿命、高安全、容量零衰减等“技术基因”,综合考虑寿命等因素后,度电成本下降一定会是未来的趋势,钒电池具有独特的可比优势。

记者了解到,关于降低成本,还有一个很大的潜力来自占电池成本50%(按照储能时长4小时)的电解液,通过把原料端、集成端和应用端三方聚拢起来,探索一种逐年分摊支付的方式,可以有效降低客户初始投资。

“我们希望钒的应用是多元化和多极化的,从长远来看,才会有一个稳定健康的市场。”王晓丽说。

对策:行业联盟“破冰之举”

2021年12月的中央经济工作会议指出,要正确认识和把握“碳达峰碳中和”。会议提到,要科学考核,新增可再生能源和原料用能不纳入能源消费总量控制,创造条件尽早实现能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变,加快形成减污降碳的激励约束机制,防止简单层层分解。

徐瑜对证券时报记者表示,在任何一个行业产业链当中,上游是基础,资源端一定是所有储能最主要的环节。钒电池中的资源不消耗、残值高、可循环利用,在可行性上,国家可出台投资参股、金融租赁等金融支持钒电解液的政策。

多位业内人士向记者表达了期待,那就是,未来能否实行钒电池用的钒定价与钢材用的钒定价实行“双轨制”,即在通过钒电池领域原材料的相对稳定价格和市场需求,来抑制钢铁端钒价的大起大落,并获得盈利平衡。此举无疑也是为了更好支持产业链的稳健发展。

王晓丽告诉记者,储能时长在4个小时以上的电池,大约一半的成本在钒电解液上面,所以说,行业联盟将成为“破冰之举”。从全钒液流电池行业来看,1GWh需要8000-9000吨的五氧化二钒,短期内如果全钒液流项目上得较快,可能会对钒市场形成冲击。如果国家正确引导,全钒液流的技术路线经过长时储能验证之后,未来可鼓励企业新增钒产能,保障合理利润,引导行业走向健康发展。

“钒价格的稳定有利于液流电池行业的成本控制,保障行业企业的利润空间,减少经营风险。未来,钒生产企业和业内企业之间也可以通过电解液租赁等方式加深合作,实现钒产业与钒电池产业共赢。”王晓丽表示。

产钒企业人士乐观预计,作为一种储能行业的新兴金属,钒有望逐步、部分地取代锂、钴、镍等金属。

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关键字:全钒液流电池

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