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全钒与铁铬液流电池技术、优缺点、经济性对比分析

作者:中国储能网新闻中心 来源:储能 发布时间:2022-11-12 浏览:

中国储能网讯:此前,国家发改委、国家能源局于2022年3月发布的《“十四五”新型储能发展实施方案》指出,到2025年,新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段,具备大规模商业化应用条件,新型储能技术创新能力显著提高,核心技术装备自主可控水平大幅提升;到2030年,新型储能全面市场化发展,新型储能核心技术装备自主可控,技术创新和产业水平稳居全球前列。

值得注意的是,虽然相关政策提出推动储能多元化技术开发,开展钠离子电池、新型锂离子电池、液流电池等关键核心技术,但国内锂离子电池大规模储能电站着火爆炸事故频发,对此,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)》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,因此相对稳定安全的液流电池受到越来越多的关注。

什么是液流电池?

液流电池结构。液流电池主要由电池堆(包括离子交换膜、双极板等)、电解液、储液罐、循环泵及其他结构件构成。电池堆内部由离子交换膜隔绝正极电解液和负极电解液并形成两个反应室。电池运作时,循环泵驱动电解液在各自反应室中循环流动并在各自电极附近发生氧化还原反应,通过和外界接通的双极板形成电流。

图:液流电池结构示意图

液流电池原理:以化学能储存电能。电池充电时,电能被转化成化学能后存储在储液罐的电解液中;电池放电时,电解液中的化学能被转化为电能。

液流电池有三种常见的技术路线:

第一,全钒液流电池。是目前国内示范项目规模最大的电池技术,电解液为不同价态钒离子的硫酸溶液,代表企业为大连融科。

第二,铁铬液流电池。电解液为不同价态铁离子和铬离子的盐酸溶液,主要引领者为国家电投集团子公司和瑞储能。

第三,锌溴液流电池。由于锌溴电池循环寿命短、电池效率低,以及溴化锌电解液中溴的金属腐蚀性,目前可能面临被淘汰的局面。目前国内做锌溴液流的公司比较少。

我们主要针对全钒液流电池与铁铬液流电池进行详细说明。

什么是全钒液流电池?

全钒液流电池(Vanadium Redox Battery,VRB),是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。通过两个不同化合价的、被隔膜隔开的钒离子之间交换电子来实现电能与化学能的相互转化。钒电池充电后,正极为 V5+,负极为 V2+;放电后,正负极分别为 V4+和 V3+溶液。正极和负极之间由隔膜隔开,该隔膜只允许 H+通过,,H+也就起到了电池内部导电的作用。

随着相关示范项目的带动,全钒液流电池成本有望降低,从而在产品技术端推进其商业化进程。2022 年 5 月,全球最大 100MW/400MWh 级全钒液流电池储能电站正式并网,将加速全钒液流电池商业化脚步。

国内全钒液流项目建设情况:

什么是铁铬液流电池?

铁铬液流电池对大多数来说比较陌生,所以先简单介绍下。顾名思义,它是以价格低廉、原料丰富的铁离子和铬离子作为活性物质。

其实,这电池虽然才在储能系统中实现量产,但绝不是第一天才出现。上个世纪70年代的时候,美国NASA(对,你没听错,就是对岸航空航天军)就提出了液流电池概念。日本也在十年之后开发了千瓦级别的样机。但是,因为铬离子活性低、电池容量衰减快等一系列技术问题始终萦绕在科学家的心头,产业化的进程便被一拖再拖。

据了解,液流电池技术路线中,目前,钒液流电池、铁铬液流电池这两个技术路线产业化程度领先。

相对钒液流电池技术,铁铬液流电池优势更为明显。

一是,全球铬储量大,度电成本低。全球铬探明储量达到6.85亿吨,而钒仅有2200万吨,这是铁铬液流电池成本较低的关键,并且有大幅下降的空间。

二是,温度适应范围更广。铁铬液流电池可以适应零下20摄氏度的环境,运行温度范围为“-20C—70C”。相对于钒液流电池运行温度为“5C-50C”。

铁铬液流电池具备较强的竞争优势,未来有望大规模应用于太阳能、风能等发电侧以及智能微网、用户侧等多个领域。

铁铬液流电池受到市场的青睐,也进一步赋能铬产业链前景向好。广发证券预测2022年全球铁铬液流电池出货量为0.42GW,带动重铬酸钠需求量1.17万吨,2025年全球铁铬液流电池出货量为12.01GW,带动重铬酸钠需求量33.47万吨。

全钒、铁铬液流电池技术路线对比

全钒液流电池和铁铬液流电池是目前两个主流的液流电池技术路线。下文对二者做对比分析。

上游资源:钒元素和铬元素

地壳中钒资源总量小,但我国储量第一

根据USUG数据,2021年全球钒矿石储量2400万吨,中国储量有950万吨,占比40%,我国是全球钒储量最高的国家。全球年均钒需求约12万吨,下游90%用于钢铁冶金行业。

图:全球钒资源储量和产量占比

地壳中铬资源总量大,但我国依赖进口

根据USUG数据,2021年全球铬铁矿储量5.75亿吨,铬资源储备丰富。

图:全球铬资源储量和占比

中国铬矿对外依存度超过90%,为全球最大进口国。中国铬矿储量仅有407万吨,占全球储量比不到百分之一。我国铬矿石年进口量约1400万吨,主要自南非进口,下游应用90%用于钢铁冶金行业。

关键材料价格差异:五氧化二钒和铬铁合金

全钒液流电池和铁铬液流电池的电解液关键原材料分别为五氧化二钒、铁铬合金。

铬铁由于元素供应丰富,整体价格更便宜。五氧化二钒近期均价约10万元/吨,而铁铬合金均价仅为0.8万元/吨,远低于钒。

钒价波动可能性更大。从原料来源考虑,目前75-85%的钒来自钢铁冶金加工得到的钒渣提取,可以认为钒供给受限于钢铁产能,目前供给偏刚性,容易导致更大的价格波动。铬可直接从铬矿石中提取,不存在类似问题。

表:电化学储能技术对比

全钒液流电池的优点

电压等级、能量密度略高于铁铬液流

钒离子的反应活性比铁铬离子高,电池功率相对高。根据上文数据,全钒液流电池的开路电压等级在1.26伏,铁铬液流在1.18伏,因此全钒电池的电压等级和能量密度比铁铬电池略高,但同样作为液流电池两者相比锂电池来说目前仍有较大差距。

单体电堆功率、商业化进程更领先

在液流电池领域,全钒电池的商业化进程最快。全钒电池的投运项目总量、单个项目规模目前均领先于铁铬电池,技术成熟度和商业成熟度目前更胜一筹。

全钒电池单体电堆功率更大,技术更成熟。单体电堆功率可以作为判断技术成熟度的关键辅助指标,目前全钒液流电池项目单体电堆功率已经达到400V,而铁铬电池单体电堆功率在30-40V,仍需进一步追赶。据业内人士推断,到十四五末,铁铬电池单体电堆功率或可达到目前全钒电池水平。

全钒液流电池的缺点

储能技术成本费用过高,很难大规模大面积应用

全钒液流电池的储能技术成本费用还是相对较高的。这给大规模应用带来了困难。

技术生产技术还没稳定,渗漏液技术并没有攻克

钒液流电池还存在电解液、离子交换膜等至关重要材料的牵制。最后有多大进步,还得看技术和市面。

铁铬液流电池的优点

铁铬电解液成本低

铁铬电池比全钒电池最大的优势在于电解液成本更低。尽管电池结构相似,由于钒价格更高,全钒电池电解液成本可占据电池总成本的53%,对比之下铁铬电池电解液成本占比仅10%。

根据测算,铁铬电解液单瓦时成本仅为全钒电解液的11%,成本优势显著。

表:全钒电池和铁铬电池成本构成对比

(以上数据为圆澄投研团队自主测算,不代表具体项目成本)

在长时储能大趋势下,随着系统配储时长增加,电解液的成本占系统成本比重预计将不断上升,低成本电解液的优势未来将越发明显。

铁铬液流电池的缺点

能量密度低

市面上的锂电池能量密度基本上都可以达到400Wh/L,而铁铬液流电池的能量密度最高也只能做到20Wh/L,两者相差甚远,也正是因为铁铬液流电池的能量密度低,所以体积也比其他电池要大很多。

能量转换率不高

目前新能源车辆上的动力电池能量转换率都能达到80%以上,而铁铬液流电池的能量转换率则要远低于80%,毕竟是最近新推出的电池技术,这方面还有着很大的进步空间。

液流电池未来发展趋势

长时储能长期趋势明确,但由于技术不成熟、成本过高、需求迫切性不足等原因,短期内仍未有大规模应用。国内储能装机目前仍然以政策要求强制配储2-4小时的短时储能为主。

未来随着配储时长逐步提升,液流电池的单瓦时成本会摊薄下降。前文提到液流电池功率和容量是独立设计的,提升储能容量后增加最多的成本是电解液和储液罐,功率不变条件下电堆成本相当于固定成本,结果就是储能时长越长,电堆成本越被摊薄,整体电池系统成本越低。目前液流电池项目为2-4小时,若未来储能时长提升到8-10小时或以上,液流电池的经济性就会进一步体现。

图:不同储能市场全钒液流电池成本

在液流电池领域,全钒电池发展相对成熟,但铁铬电池远期的成本优势更为明显。行业内做全钒电池技术路线的公司有5-6家,领先企业大连融科背靠中国科学院大连化学物理研究所。目前做铁铬电池路线的仅有1-2家,领先企业为国电投子公司和瑞储能,技术源自国家电投中央研究院储能研究所。除铁铬液流电池以外,国电投中央研究院在飞轮储能、水储热、熔盐储热、固体储热、相变储热等技术方面也都深耕布局。铁铬电池路线是五大发电集团之一的国家电力投资集团主推的技术路线,其认为铁铬液流电池是最适合大规模推广的。

未来占液流电池主流的是全钒液流还是铁铬液流仍存在不确定性。对于液流电池本身,未来锂电池成本可能快速下降,或者氢储能发展速度远超预期,甚至以后会出现更新更好的技术取代现有的技术路线,一切皆有可能,科技在曲折中不断进步,我们作为观察者长期跟踪。

本文由储能综合圆澄投资整理

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关键字:液流电池

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