近期,钒电池受到热议,支持者认为,钒电池具有绿色环保、使用寿命长等特性,而随着其技术的迅猛发展,其必将为人类带来一场前所未有、意义重大深远的新能源产业革命。而反对者认为,这只是研究机构以及钒电池公司吹出来的非常美好的泡沫,目的只是为了融资需要。金融街PE经过研究发现,虽然目前钒电池领域的确存在不少问题,但其的确有可能颠覆过去人类使用能源的进程,值得我们期待。
钒电池发展现状
钒电池(VRB,VanadiumRedoxFlowBattery)是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的高效可逆燃料电池,具有功率大、容量大、效率高、成本低、寿命长、绿色环保等一系列独特优点,在风力发电、光伏发电、电网调峰、分布电站、军用蓄电、交通市政、通讯基站、UPS电源等广阔领域有着极其良好的应用前景,在日本、加拿大、美国、澳大利亚、西欧等国家和地区已开始取代容量小、寿命短、污染大的铅酸电池。
与其它化学电源相比,钒电池具有明显的优越性,主要优点如下:
1.功率大:通过增加单片电池的数量和电极面积,即可增加钒电池的功率,目前美国商业化示范运行的钒电池的功率已达6兆瓦。
2.容量大:通过任意增加电解液的体积,即可任意增加钒电池的电量,可达吉瓦时以上;通过提高电解液的浓度,即可成倍增加钒电池的电量。
3.效率高:由于钒电池的电极催化活性高,且正、负极活性物质分别存储在正、负极电解液储槽中,避免了正、负极活性物质的自放电消耗,钒电池的充放电能量转换效率高达75%以上,远高于铅酸电池的45%。
4.寿命长:由于钒电池的正、负极活性物质只分别存在于正、负极电解液中,充放电时无其它电池常有的物相变化,可深度放电而不损伤电池,电池使用寿命长。目前加拿大VRBPowerSystems商业化示范运行时间最长的钒电池模块已正常运行超过9年,充放循环寿命超过18000次,远远高于固定型铅酸电池的1000次。
5.响应速度快:钒电池堆里充满电解液可在瞬间启动,在运行过程中充放电状态切换只需要0.02秒,响应速度1毫秒。
6.可瞬间充电:通过更换电解液可实现钒电池瞬间充电。
7.安全性高:钒电池无潜在的爆炸或着火危险,即使将正、负极电解液混合也无危险,只是电解液温度略有升高。
8.成本低: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,易回收,不需要贵金属作电极催化剂,成本低。
9.钒电池选址自由度大,可全自动封闭运行,无污染,维护简单,运营成本低。
从世界和中国钒电池市场规模来看,近几年都会继续保持一个较快速度的增长,市场前景十分看好。具体从数据来看,预计到2010年,世界钒电池市场规模将达到10750亿元,比2008年增长74.8%,而到2020年,这一规模将达到72500亿元,比2010年增长574.42%。而从中国来看,预计到2010年,中国钒电池市场规模将达到5275亿元,比2008年增长39.22%,而到2020年,这一规模将达到16300亿元,比2010年增长209%。具体见图表一、二。
图表一 世界钒电池市场规模
年份 |
2008 |
2010 |
2020 |
|||
市场领域 |
需求/GW |
产值/亿元 |
需求/GW |
产值/亿元 |
需求/GW |
产值/亿元 |
光伏发电 |
0.75 |
150 |
3.75 |
750 |
50 |
10000 |
风力发电 |
30 |
6000 |
50 |
10000 |
312.5 |
62500 |
储能调峰 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
分布电站 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
通信基站 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
UPS/EPS |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
电动公交 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
军用储电 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
总计 |
30.75 |
6150 |
53.75 |
10750 |
362.5 |
72500 |
数据来源:Golden Energy Fuel Cell 金融街PE(JRS-PE)整理
图表二 中国钒电池市场规模
年份 |
2008 |
2010 |
2020 |
|||
市场领域 |
需求/GW |
产值/亿元 |
需求/GW |
产值/亿元 |
需求/GW |
产值/亿元 |
光伏发电 |
0.065 |
13 |
0.125 |
25 |
7.5 |
1500 |
风力发电 |
3 |
600 |
6.25 |
1250 |
30 |
6000 |
储能调峰 |
14.16 |
2832 |
20 |
4000 |
44 |
8800 |
分布电站 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
通信基站 |
1.72 |
344 |
— |
— |
— |
— |
UPS/EPS |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
电动公交 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
军用储电 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
总计 |
18.945 |
3789 |
26.375 |
5275 |
81.5 |
16300 |
数据来源:Golden Energy Fuel Cell 金融街PE(JRS-PE)整理
随着风能、太阳能等清洁资源的大幅度利用,其发电的不稳定性缺点正在成为阻碍其深度发展的重要障碍。如果没有大容量、安全的储能设备为其提供支持,清洁能源等的发展就是一句空话。储能设备在清洁能源整个产业链中处于相当重要的环节,而钒电池因其自身的优势在储能设备未来的发展中必将占据重要的地位。
钒电池是目前发展势头强劲的优秀绿色环保蓄电池之一,它具有特殊的电池结构,可深度大电流密度放电;充电迅速;比能量高;价格低廉;在大规模储能领域具有锂离子电池、镍氢电池不可比拟的性价比优势。与制造复杂、价格昂贵的燃料电池相比,无论是在大规模储能还是电动汽车动力电源的应用前景方面,钒电池都更具竞争实力,可作为太阳能等清洁发电系统的配套储能装置;为混合动力汽车提供电力等。而且,目前国内钒电池领域仍是处于未实现商业化的阶段,在实现商业化的过程中必然会有诸多的投资机会。
同时,钒电池的推广应用符合目前政府所提倡的节能减排的重要国家战略。钒电池以其能量转换效率高、蓄电容量大、运行安全和环境友好等优点可以使我国终端能源消费发生了根本性变化,可以达到提高能源使用效率、节约现有能源、并且减少污染从而最终达到节能减排的目的。
另外,我国在商业钒电池国产化的技术上获得重大突破,已经在其中的多项关键核心技术上拥有了完全的自主知识产权,这为投资钒电池提供了重要的技术支持。这里我们以一个中国普通地级市为例,假如用电高峰值约为500万千瓦,将10小时峰段用电全部由钒电池谷段储能供电,投资收益见下表:
日储存电量 |
500 × 10 = 5000 万千瓦时 |
峰谷差价(工业) |
1 元/千瓦时 |
直接年收益 |
365 × 500 × 10 × 1 = 183 亿元 |
投资总成本 |
500 × 0.4 + 500 × 10 × 0.04 = 400 亿元 |
投资净成本 |
500 × 0.4 = 200 亿元 |
净投资回收期 |
投资净成本/直接年收益 = 200/183 = 1.1 年 |
平均年净利润 |
183 – 200/20 = 173 亿元(钒电池寿命20年计) |
500万千瓦储能调峰钒电池投资收益
钒电池注意事项
不过,需要提醒投资人注意的是,并不代表在技术上已经不存在任何问题了。比如说,第一,钒电池正极液中的五价钒在静置或温度高于45摄氏度的情况下易析出五氧化二钒沉淀,析出的沉淀堵塞流道,包覆碳毡纤维,恶化电堆性能,直至电堆报废,而电堆在长时间运行过程中电解液温度很容易超过45摄氏度。第二,石墨极板要被正极液刻蚀,如果用户操作得当,石墨板能使用两年,如果用户操作不当,一次充电就能让石墨板完全刻蚀,电堆只能报废。在正常使用情况下,每隔两个月就要由专业人士进行一次维护,这种高频次的维护费钱、费力。
除了技术上问题以外,钒电池还存在着成本过高的问题。以一个五千瓦电池为例,电解液(一立方,1.8mol/L)17万、控制系统10万、隔膜7万、板框4万、石墨板1.5万、泵0.7万、碳毡0.4万,总共40.6万,这只是主要材料成本,还并未计入次要材料成本和人力成本。因此,一个五千瓦钒电池的成本在四十万以上,高出相同规格铅酸电池的成本数倍。这为钒电池的推广普及带来重要的障碍。