全钒液流电池储能专题：海阔天空，不同“钒”响

全钒液流电池具备本征安全、长寿命、灵活、资源自主可控、绿色环保等多方面优势，主要适用于大规模、中长时储能场景。全钒液流电池利用正、负极电解液中钒离子价态的变化来实现电能的储存和释放，相较于锂电池储能，其优势主要体现在1）安全性：钒离子水系电解液体系具有本征安全性，基本不存在起火爆炸风险；2）长寿命：全钒液流电池中电极不参与反应，同时反应过程不涉及相变，循环寿命可达20000次，且生命周期中容量衰减后可完全恢复；3）灵活性：全钒液流电池功率单元与能量单元相互独立，可根据不同应用场景灵活设计系统功率与储能时长，储能时长越长则全钒液流电池的单位投资成本越低；4）资源自主可控：中国为钒资源生产与消费大国，钒产量约占全球2/3，上游资源相对可控；5）绿色环保：全钒液流电池电解液可循环利用，全生命周期内对环境的影响较小。考虑到当前技术水平下全钒液流电池的能量密度、转换效率、初始投资较锂电池仍有一定差距，我们认为全钒液流电池主要适用于大规模、长周期的储能场景。 储能市场爆发已至，全钒液流电池发展提速。目前储能在电力系统中主要用于解决短时间、小范围的供需不平衡，而随着新能源逐步成为电力系统的主体，储能系统需要配套的储能时长亦将随之提升。我们认为全钒液流电池在中长时储能的场景中具备较强的比较优势，未来应用前景向好。与此同时，近年来海内外锂电池储能安全事故频发，随着储能行业安全标准趋严，全钒液流电池本征安全的优势将进一步凸显。从经济性角度出发，我们测算当前4h全钒液流电池储能系统的全生命周期度电成本或已低于锂电池储能，而当储能时长超过4h之后全钒液流电池的度电成本优势将更为明显。综上，未来全钒液流电池有望成为一类重要的储能装机形式，若按照10%/30%的装机比例测算，则2025/2030年国内全钒液流电池储能装机空间或超10/90GWh。 全钒液流电池储能方兴未艾，产业链各环节迎发展良机。1）上游资源：当前钒资源供需两端均主要来自钢铁行业，全钒液流电池有望成为未来重要的需求增量，国内头部钒资源企业正积极布局相关领域；2）中游制造集成：全钒液流电池储能系统主要包括功率单元（电堆）与能量单元（电解液）两大部分，当前产业链生态初步建立，头部全钒液流电池集成商一体化程度较高； 3）下游应用：短期内全钒液流电池的主要应用场景为大规模电网侧/发电侧项目，投资主体为大型发电/电网企业，长期来看全钒液流电池储能在大型工商业用户侧场景中亦有广阔的发展空间。 投资建议：现阶段具备成熟全钒液流电池储能产品/方案的厂商相对较少，建议优先关注大连融科、北京普能等起步较早、技术领先、项目经验丰富、一体化程度高的全钒液流电池储能集成商。此外攀钢钒钛、河钢股份等产能领先的钒资源企业亦有望充分受益下游需求增长。 风险提示：储能市场发展不及预期、技术迭代风险、原材料价格上涨、市场竞争加剧、模型假设与测算结果存在偏差等 1.全钒液流电池：潜力巨大的长时储能形式 1.1.全钒液流电池是目前技术成熟度最高的液流电池技术 液流电池是一种具备较大潜力的电化学储能技术。液流电池概念最早由日本科学家Ashimura和Miyake于1971年提出，1974年NASA科学家L. H. Thaller以FeCl2和CrCl3作为正负极活性物质构建了全球第一款具有实际意义的液流电池模型。与一般的固态电池不同，液流电池的正极和负极以电解质溶液的形式储存于电池外部的储罐中，通过正、负极电解质溶液活性物质发生可逆的氧化还原反应来实现电能和化学能的相互转化。液流电池能量密度相对较低，但在使用寿命、充放电深度、系统容量等方面具有较大优势，因此在大规模储能领域正得到越来越多的关注。 图1：液流电池结构示意图 全钒液流电池是目前技术最为成熟、产业化程度最高的液流电池技术。根据电极活性物质的不同，液流电池可分为多种技术路线，其中已有商业化应用的代表体系包括全钒、铁铬、锌溴等。从技术成熟度的角度出发，目前全钒液流电池处于领先位臵，其最早由澳大利亚新南威尔士大学的Skyllas-Kazacos教授及其团队于1985年开创，日本住友电工、加拿大VRB、国内大连化物所等机构从20世纪90年代起相继开始进行产业化的研究，目前国内外均有几十至百MWh级别商业化项目投运。相较而言，铁铬液流电池存在析氢反应和铬离子电化学反应活性不足等问题，锌溴电池的单体容量则相对有限，目前基本处于工程化示范阶段。 图2：全钒液流电池反应方程式 表1：不同技术路线液流电池商业化阶段 1.2.全钒液流电池具备安全、长寿、灵活等多方面优势 1.2.1.安全性 相较于锂离子电池，全钒液流电池具有更好的安全性。对于锂离子电池而言，一旦电池内部出现短路或工作温度过高，电解液就极易发生分解、气化，进而引发电池燃烧或爆炸，造成极大的安全隐患。而全钒液流电池的电解液为钒离子的酸性水溶液，在常温常压下运行，不存在热失控风险，具有本征安全性。根据实证结果，在理论100% SOC下，即便将正负极电解液直接互混，温度由32℃升至70℃，全钒液流电池系统不会产生燃烧、起火等风险。 因此，对于人员密集、规模比较大、安全性要求较高的储能场景，全钒液流电池是一种更为安全可靠的技术。 图3：锂离子电池存在多种热失控诱因 图4：全钒液流电池一般在常温常压下运行 全钒液流电池更高的安全性使其可以采取更为紧密的排布方式，从而在项目层面减少土地的占用。相较于锂离子电池，全钒液流电池在单体能量密度上存在较大差距，例如大连融科20尺储能集装箱产品TPower的储能容量为0.5MWh，而当前主流锂电池储能集成商的20尺集装箱系统储存容量一般超过3MWh。但是对于大型储能项目，锂离子电池储能系统需要满足更为严格的消防及安全标准，因此在集装箱的排布上必须留出更大的安全距离。住建部2022年6月发布的《电化学储能电站设计标准（征求意见稿）》中明确指出锂离子电池预制舱长边及短边间距均不宜小于 3m ，同时锂离子电池设备宜分区布臵，屋外电池预制舱（柜）布臵分区内储能系统额定能量不宜超过50MWh，相邻分区的间距不应小于 10m ，而对于全钒液流电池，征求意见稿并未作出相应的规定。表2列示了部分建成及在建全钒液流电池储能电站和锂电池储能电站的占地面积情况，就这些项目而言全钒液流电池储能电站的单位占地面积明显小于锂电池储能电站。因此，我们认为全钒液流电池的本征安全性可以使其采取更为紧密的排布方式，从而部分弥补其在能量密度上的劣势，节省储能项目的土地占用。 图5：全钒液流电池更高的安全性使其可以采取更为紧密的排布方式 表2：部分锂电池、全钒液流电池储能电站占地面积对比 1.2.2.长寿命、低衰减 全钒液流电池循环次数明显优于锂离子电池，且生命周期内容量可完全恢复，生命周期内度电容量可利用率高。一方面，全钒液流电池使用不同价态的钒离子作为电池的活性物质，反应过程仅为钒离子的价态变化，不涉及液固相变，且克服了电解质交叉污染的问题；另一方面，全钒液流电池的在充放电过程中电极材料不参与电化学反应，属于惰性电极，电极和双极板等材料稳定性好，不涉及更换；此外，针对全钒液流电池因电解液在正负极之间的迁移和副反应造成的钒离子价态失衡带来的容量衰减问题，一般可以通过低成本的物理和化学手段进行恢复。因此，全钒液流电池理论上具备极长的循环寿命，而从早期项目的实证情况来看，全钒液流电池长寿命的优点亦得到了充分验证。例如住友电工2005-2007年实施的4MW/6MWh全钒液流电池系统配合风场在三年间进行了20多万次的充放电，大连融科与国电龙源合作投运的5MW/10MWh全钒液流电池系统从2012年12月并网至今已有9年多的日历使用时间，效率和容量均未见衰减。相较而言，目前磷酸铁锂电池的循环次数仅为5000-10000次，若考虑到储能系统中电芯一致性的问题，则系统层面的循环寿命往往更低，同时锂离子电池的可用容量亦会随着循环次数的增加而明显下降。因此，我们认为从全生命周期的角度来看，全钒液流电池具备一定的优势。 图6：全钒液流电池可基本实现容量零衰减 1.2.3.灵活性 全钒液流电池功率单元与能量单元相互独立，可根据不同应用场景灵活设计。一套完整的全钒液流电池储能系统主要由功率单元（电堆）、能量单元（电解液和电解液储罐）、电解液输送单元（管路、泵阀、传感器等）、电池管理系统等部分组成，其中功率单元决定系统功率的大小，而能量单元决定系统储能容量的大小，两者相互独立。因此，在系统设计层面，全钒液流电池储能可实现功率和容量分开设计以及储能时长按需定制，电解液储罐既可独立外臵，亦可与电堆共同集成至一体化的集装箱产品，整体的方案设计更为灵活。从成本的角度来看，对于固定功率的全钒液流电池储能系统，储能时长越长则功率单元的单位投资成本越低，进而整体系统的单位投资成本越低，因此全钒液流电池更适用于中长时储能场景。 图7：全钒液流电池增加输出功率只需要增加电堆数量 图8：全钒液流电池增加储能容量只需要增加电解液 1.2.4.资源储量丰富且自主可控 钒是地球上广泛分布的微量元素之一，储量相对丰富。根据美国地质调查局（USGS）的统计，目前全球钒储量（本段均以钒金属当量计）超过6300万吨，2021年底可开发的资源储量约为2400万吨，当年的全球产量则约为11万吨，其中90%左右以钒合金的形式用于钢铁行业。按当前的技术水平，1GWh的全钒液流电池所需的钒金属用量不到0.5万吨，且钒电解液可长期循环使用，因此整体来看我们认为全球的钒资源储量可充分支撑全钒液流电池的大规模发展。 图9：全球钒资源分布图 中国为钒生产与消费大国，钒资源自主可控。根据USGS的估算，2021年底中国钒储量规模约为950万吨（本段均以钒金属当量计），在全球储量中的占比约为40%，而从产量来看，2021年中国钒产量达到7.3万吨，在全球产量中的占比接近2/3，因此无论是从储量还是产能的角度出发，我国对钒资源均有较强的掌控能力。相较而言，2021年国内锂资源的全球储量占比仅为7%，产量占比不到15%，锂电产业链对海外矿产资源的依赖较强。 图10：2021年全球钒储量分布情况 图11：2021年全球锂储量分布情况 1.2.5.绿色环保、资源可循环利用 全钒液流电池在运行过程中不涉及污染与排放，且电解液可循环利用，是一种绿色环保的储能形式。全钒液流电池中钒元素以离子形式存在于酸性水系溶液中，而不是以钒的氧化物形式存在（如五氧化二钒），有一定的腐蚀性但无毒性，且工作过程中封闭运行，对环境与人体基本不会产生危害。此外，从全生命周期的角度来看，锂电池储能系统在寿命到期后各类材料的回收处理难度较大，而全钒液流电池的钒电解液可在电池领域长期循环使用或进行钒提取进入钢铁、合金等其他市场领域，电堆关键部件（如碳电极、双极板、离子交换膜等）以及管路、阀泵等的处理也更为简单，无环境负担，所以无论是从回收成本角度还是污染排放角度均优于锂电池。根据根特大学的研究，在钒电解液50%回收的条件下，全钒液流电池在陆地酸化、人体毒性、细颗粒物形成、矿产资源消耗、化石能源消耗等方面的环境影响几乎全面低于锂离子电池。 图12：全钒液流电池全生命周期内环境影响优于锂离子电池 1.3.全钒液流电池主要适用于大规模、长周期的储能场景 随着储能场景日渐多元化，多种储能技术并存将成为长期发展趋势。目前全球范围内传统火电装机仍占据主体地位，风电、光伏的发电占比仅为10%左右，因此储能在电力系统中主要起到辅助的作用，用于解决短时间、小范围的供需不平衡。但长期来看，随着新能源逐步成为电力系统的主体，储能的应用场景也将持续拓宽，功率范围将涵盖kW级的用户侧场景到GW级的发电侧、电网侧场景，储能时长则从秒级、分钟级、小时级到跨日、跨季不等。考虑到不同场景的储能需求存在较大差异，我们认为未来不太可能出现一种储能技术“一统天下”的局面，而是多种储能技术并存，共同支撑电力系统的安全与稳定。 图13：多种储能技术互补是长期的发展趋势 全钒液流电池在大规模、长周期