全钒液流电池行业深度报告：安全稳定、寿命长，钒电池长时储能空间广阔

全钒液流电池具备安全性高、扩容性强、循环寿命长、全生命周期成本低等优点，是目前商业化较为成熟的液流电池，在长时储能领域大有可为。 优点1：安全性高、易扩容。锂电池易发生内部短路而导致自燃，2011-2022年4月，全球34起储能电站爆炸事件中锂电池占32起。而全钒液流电池电解质离子存在于水溶液中，不会发生热失控、燃烧和爆炸；同时，电堆、电解液相独立，可通过增大电堆功率和电解液来提高储电量，可扩展于百兆瓦级储能电站。 优点2:循环寿命长、易回收，全生命周期成本低。钒电池寿命长，循环次数可达10000-20000次；由于钒在电解液仅发生价态变化，基本可以完全回收。钒电池全生命周期成本在0.3-0.4元/Wh，已经低于锂电池（0.5元/Wh）。 优点3：钒资源自主可控。截至2021年底，中国钒资源储量占全球39%，产量占全球68%，均处全球第一。而锂资源中国储量占比仅7%，资源集中于智利（41%）、澳大利亚（25%）、阿根廷（10%）。 缺点1：初装成本高为最大缺点。目前钒电池项目投资成本集中在3.8-6.0元/Wh，是目前锂电池储能电站的投资成本（约1.8元/Wh）的2倍以上。 缺点2：钒电池高速增长或拉动钒价上涨。假设2026年钒电池在新型储能中占比20%，在保守和理想两种情形下，VO的消耗量约11.6万吨和18.5万吨（4小时储能时长）。而2021年中国VO产量约13.1万吨；若钒资源开发力度不及预期，钒电池大规模应用将拉动钒价上涨，进一步抬升电解液成本。 缺点3：能量密度低、能量转换效率低于锂电池。全钒液流电池能量密度较低，仅为12-40Wh/kg，低于锂电池的80-300Wh/kg。钒电池需要用泵来维持电解液的流动，因此其损耗较大，能量转化效率为70-75%，低于锂电池（90%）。 钒电池在长时储能潜力巨大。麦肯锡预计2025年全球长时储能（8小时以上）累计装机量将达到30-40GW，2040年将达到1.5-2.5TW（是目前全球储能系统装机量的8-15倍）。全钒液流电池示范项目运行多年、产业链逐步成型、全生命周期成本低，是目前商业化较为成熟的液流电池，预计将在长时储能应用广泛。 Guidehouse Insights预计到2031年，全球钒电池每年新增装机量将达到32.8GWh（2022年预计约1.6GWh），2022-2031年复合增长率41%。 补贴和鼓励资源开发，技术驱动降本，钒电池有望高速增长。政策方面可通过补贴来降低初装成本，提高拥有钒钛磁铁矿的钢铁公司产能、加强钒资源开发来扩大钒供给。技术进步及国产材料替代还将进一步降低钒电池成本。2021年钒电池在国内新型储能中装机占比不到1%，目前已有多个钒电池项目在建，我们预计2026年中国钒电池年新增装机量达3.0GW和4.7GW（假设钒电池在新型储能中占比20%，保守和理想情况），2021-2026年复合增长率分别为42%和56%。 投资建议：我们认为钒电池在储能领域空间广阔，首次给予钒行业“增持”评级。 推荐拥有丰富钒资源且逐步布局钒电池产业链的攀钢钒钛，建议关注河钢股份。 风险分析：资源开发不及预期导致钒价上涨风险，技术更新带来的降本不及预期。 投资聚焦 全钒液流电池储能项目逐步进入大规模商业化的落地期，我们看好钒电池在长时储能领域的推广空间。 我们的创新之处 本篇报告分析对比了当下全钒液流电池与锂电池在储能领域的成本情况。同时，着重分析了长时储能的装机需求，钒电池作为较为成熟的液流电池路线在长时储能领域应用空间广阔。 同时，我们预测了国内钒电池装机情况。考虑2021年以来有多个钒电池项目在建，我们预计2026年中国钒电池年装机量可达3.0GW和4.7GW（假设钒电池在新型储能领域占比20%，保守和理想情况），2021-2026年复合增长率分别为42%和56%。 股价上涨的催化因素 钒电池在储能领域的大范围推广在即，后续项目推进以及政策层面的支持和鼓励政策出台。 投资观点 全钒液流电池因其具备安全性高、扩容性强、循环寿命长、全生命周期成本低的优势能够符合储能快速发展对产品的要求，能够有效弥补锂电池储能在安全方面的不足。同时，钒电池储能项目目前已经有多个示范项目安全稳定运行多年，产业链配套已经逐步完善，随着技术进步和国产化材料的逐步替代，钒电池成本仍有进一步下降空间。 我们认为钒电池作为商业化较为成熟的液流电池，在储能领域大有可为，尤其是长时储能领域，首次给予钒行业“增持”评级。推荐拥有丰富钒资源且逐步布局钒电池产业链的攀钢钒钛，建议关注河钢股份。 1、钒电池优点：安全性高、全生命周期成本低、资源自主可控 1.1、安全性高、易扩容是最大优点 全钒液流电池，是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。全钒液流电池是以+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。 充放电过程中，主要是依靠电解液中H+在离子膜上的定向移动形成电流回路。全钒液流电池在电堆内部发生氧化还原反应，其化学反应方程式为(正向充电，反向放电)： 2+ + + 正极：VO+ HO-e⇌VO+2H 3+ 2+ 负极：V+ e⇌V 图1：钒电池工作原理图 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，由于全钒液流电池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下降。 锂电池储能安全问题频发 由于锂离子电池的能量密度占优以及成本的不断下降，近几年锂电池在储能领域迅速推广，但与此同时，锂电池储能爆炸的事故也在增加。根据我们的统计，2011-2022年4月全球共计发生34起储能电站爆炸事件，其中，日本1起、比利时1起、中国3起、美国4起、韩国25起。从爆炸的电池类型来看，仍以锂电池为主，合计32起，占比94%，剩余为美国1起铅酸电池，日本1起钠硫电池；而2017年以来的储能爆炸事件均为锂电池爆炸。 锂电池储能爆炸的主要原因是储能对电池的容量较电动车的需求明显增大，而锂离子电池很容易发生电池内部的短路而导致自燃，且电池本身的设计以及外界的电、热干扰都会影响到储能系统的安全性。随着锂电池数量的增加，起火概率增加。 表1：2011-2022年全球储能爆炸事件汇总 相较于锂电池，全钒液流电池本身的水基电解质特性使得其不会发生燃烧和爆炸。钒电池在水溶液中使用化学反应可逆的钒离子，其功能与电极结构无关，所以即使在大电流下也非常灵活，过充也没有安全问题。另一方面，全钒液流电池的功率和容量相互独立，功率由电堆的规格和数量决定，容量由电解液的浓度和梯级决定。通过增加钒电解液的容量即可以做到容量的扩充，因此可以做到在大容量装机规模上依然是安全的。 功率和容量相互独立，扩容性强 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（见图1），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。 1.2、循环寿命长、基本全回收，全生命周期成本低 钒电池循环寿命长 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。 钒电池全生命周期成本已经低于锂电池 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。我们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了对比。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）。 表2：钒电池与锂电池单位投资成本及全生命周期成本对比 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%（见图19），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。 1.3、中国钒资源产储量全球第一，自主可控 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。 表3：钒和锂的资源、产量以及中国数据对比（2021年） 资源储量对比：钒资源中国居全球第一，锂资源集中于南美和澳洲 锂：储量集中在南美和澳洲，中国储量占比7%。据USGS数据统计，截至2021年底，智利、澳大利亚、阿根廷三国锂资源储量占比合计超过76%，中国锂资源储量约为150万吨，占全球比重为6.7%，占比较低。 钒：储量集中在中国、澳洲、俄罗斯和南非，中国资源储量全球第一。据USGS统计，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%。 图2：2021年全球锂资源储量分布（%） 图3：2021年全球钒资源储量分布（%） 钒锂产量对比：钒完全自给，锂高度依赖进口 中国锂盐产量全球占比67%，资源高度依赖进口。据USGS，全球2021年锂矿产量折10.5万金属吨，其中澳大利亚的产量占全球的53%、智利产量占比25%，中国仅占13%。据安泰科统计，2021年中国锂盐产量合计约35.5万吨碳酸锂当量，占全球锂盐产量的67%，锂资源高度依赖进口。 中国钒产量全球占比68%，资源可完全自给。全球生产钒的国家主要有中国、俄罗斯、南非和巴西。据USGS数据，2021年全球钒产量为10.7万金属吨，其中中国产量7.3万吨，占比68%；俄罗斯、南非和巴西钒产量分别为1.9万吨、0.9万吨和0.7万吨，占比分别为18%、8%和6%。。 图4：2021年全球锂资源产量各国占比（%） 图5：2021年全球钒资源产量各国占比（%） 钒、锂静态可开采年限相当 据USGS统计，以2021年全球钒产量约10.7万金属吨（折19.1万吨五氧化二钒），全球钒资源静态可开采年限约224年；以2021年全球锂矿产量10.5万金属吨（55万吨碳酸锂当量）折算，全球锂矿资源静态可开采年限约214年，二者基本相当。但考虑锂需求的高速增长，锂资源实际可开采年限或逐步降低。 2、钒电池缺点：初装成本为最大制约 2.1、钒电池初装成本为锂电池2倍以上 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。我们根据已披露具体投资金额的钒电池项目进行了成本测算，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。 表4：全钒液流电池电站项目信息及成本计算 2021年锂价格的持续飙升导致锂储能项目初始投资额不断