钒电池行业：储能金属，卓尔不“钒”

11 中邮证券 2023年3月6日 证券研究报告 储能金属，卓尔不“钒” 行业投资评级：强大于市|维持 李帅华/魏欣 中邮证券研究所新材料团队 投资要点 钒电池安全可靠，长时储能下成本占优：全钒液流电池作为新型储能的一种，具有安全性高、循环寿命极长、环境友好、响应速度快、容量规模易调节等优点。长时储能场景下钒电池占地面积大、初始投资成本高的缺点能够得到较好弥补。根据我们测算，储能时长越长，初始投资成本越低，4小时储能项目下，行业平均水准可以做到3000元/kWh的初始投资成本和0.85元/kWh的度电成本，行业头部企业可以做到2650元/kWh的初始投资成本，在考虑回收残值情况下，其度电成本与磷酸铁锂电池成本接近。 产业链国产替代推动降本：产业链不成熟是钒电池成本较高的另一大原因，随着国内企业在电解液、 质子交换膜、电极、双极板等关键环节不断推进国产替代，目前已形成了初步完整的全钒液流电池产业链，未来在政策支持下有望实现从1到10的腾飞，规模扩张下成本仍有降低空间。 钒资源自主可控，储能用钒打破平衡：钒是我国的优势资源，在储量、产量、消费三方面占比分别达36.54%/70%/57.6%，钒下游需求主要用于钢铁工业（91.4%），储能是钒的新需求，2021年占比约为2.44%，我们预计2025年钒电池占新型储能累计装机渗透率将从目前的2.44%提升至接近20%，五氧化二钒供需缺口达到1.72万吨。 投资建议：建议关注钒钛股份。 风险提示：政策变动风险；模型假设与实际不符风险；技术迭代风险；原材料价格上涨风险等。 请参阅附注免责声明2 —钒电池：国内起步较早，政策东风支持 目录 二优缺点：安全有保证，长时储能下成本占优 三产业链：关键环节推进国产替代 四供需：钒资源自主可控，储能用钒打破平衡 五钒价回顾与投资建议 3 4 4 一 钒电池：国内起步较早，政策东风支持 1.1钒电池介绍 液流电池是一种新型的大规模高效电化学储能技术，国际上液流电池的种类主要有全钒液流电池、锌溴电池、铁铬电池、多硫化钠溴电池4种技术路线，其中全钒液流电池目前成熟度最高，商业化进程最快，国内外参与其研究开发的机构与企业较多。 全钒氧化还原液流电池又称钒电池（VanadiumRedoxBattery，VRB），原理主要是通过钒离子价态变换实现电的储能和释放。 具体来看，钒电池由两个电解液储液罐和中间的电堆构成，工作时，正负两极的电解液罐分别含有V4+、V5+和V2+、V3+的水溶液，通过外接泵将电解液压入电池堆，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用离子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生氧化和还原反应，实现对电池的充放电。 图表1：储能技术分类 资料来源：CNESA，中邮证券研究所 请参阅附注免责声明 图表2：钒电池反应原理 资料来源：LESYSTEMCo.,Ltd.，中邮证券研究所 5 1.2钒电池发展历程 全钒液流电池技术最早由澳大利亚新南威尔士大学 Skyllas-Kazacos在1985年提出。 随着清洁能源发展对技术成熟度高、大规模、高安全、长时储能技术需求的急剧增加，日本、美国等签约了大量全钒液流电池示范项目，加速推进了全钒液流储能示范项目的应用和推广。 我国在20世纪80年代末开始研究全钒液流电池技术，1995年研制出500W、1kW的样机，拥有电解质溶液制备、导电塑料成型等专利。 此后中国科学院大连化学物理研究所、大连融科储能技术发展有限公司、清华大学、中科院沈阳金属所、中南大学等机构开始从事全钒液流电池的研发工作，攻克多项关键核心技术。 图表3：储能技术分类 资料来源：《液流电池储能技术研究进展》，中邮证券研究所 6 1.3政策东风加速钒电池发展 钒电池作为新型储能的一种，已经进入商业化初期。 2022年3月21日，十四五新型储能发展实施方案发布，提出到2025年，新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段；到2030年，新型储能全面市场化发展。其中液流电池被重点提及，《实施方案》将百兆瓦级液流电池技术纳入“十四五”新型储能核心技术装备攻关重点方向之一。 2022年7月1日，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，不宜选用梯次利用动力电池。 钒电池已成为新型储能电站的重要力量。 请参阅附注免责声明 图表4：国家储能政策梳理 资料来源：国家发改委、国家能源局、Powerlab，中邮证券研究所 7 1.4钒电池项目情况 2016年国家能源局批复了第一个百兆瓦级全钒液流电池储能调峰电站，2022年5月大连液流电池国家100MW/400MW示范项目接入大连电网，2022年11月中核汇能1GWh全钒液流电池储能系统招标完成，这是钒电池首个GWh级别项目。 图表5：2021年至今部分全钒液流电池项目情况 资料来源：北极星储能网，中邮证券研究所 请参阅附注免责声明8 9 9 二 优缺点：安全有保证，长时储能下成本占优 2.1钒电池的优点 钒电池具有安全性高、循环寿命极长、环境友好、响应速度快、容量规模易调节等优点。 安全性是储能技术需要首先考虑的因素。据不完全统计，过去几年全球储能领域共发生70起储能安全事故，2022年1-10月，全球就已经发生了17起以上的储能着火事故，其中三元电池、磷酸铁锂电池均有涉及。 钒电池本征安全，理论上不存在着火爆炸危险。钒电池的电解液为钒离子的稀硫酸水溶液，电池中的化学反应在溶液中进行，固体电极只是负责电流的传导，受到各种副反应的影响较少，理论上只要控制好充放电截止电压，保持电池系统存放空间通风良好，即可保证安全，不存在着火爆炸的危险。此外，隔膜即使出现破损，电解液混合后也不会导致电堆完全损坏。 使用寿命长，几乎无衰减。影响电池使用寿命的一个重要因素是电池的深度充放电，当电池中的活性物质被反应完全时，继续充电或放电便很容易产生副产物，从而使电池容量减小。由于全钒液流电池是通过电解液中钒离子价态的变化实现电能的存储和释放，没有电极固体中复杂的副反应，即使常年运行由于微量的副反应和正、负极电解液微量互串的累计造成容量衰减，也可以通过在线或离线再生反复循环利用，因此钒电池项目通常可以运营15-20年。 全生命周期环境友好，易回收利用。钒电池的电堆和系统主要是由碳材料、塑料和金属材料组装而成，当全钒液流电池系统废弃时，金属材料可以循环利用，碳材料、塑料可以作为燃料加以利用；电解液方面，由于全钒液流电池的充放电主要是钒离子的价态变化，因此其充放电几乎不产生杂质，也不产生环境污染物，回收处理的难度低，环境非常友好。 响应速度快、充电便捷。钒电池组充满电解液瞬间启动。运行过程中，充放电状态切换仅需0.02秒，响应速度为1毫秒。另外可以 通过直接更换电解液实现钒电池的瞬间充电。 请参阅附注免责声明10 2.1钒电池的优点 输出功率和储能容量相互独立，模块化程度高，配置灵活。钒电池储能系统的输出功率由电堆的大小和数量决定，而储能容量由电解液的体积决定。如果需要增加输出功率，只要增大电堆的电极面积和电堆数量即可实现；如需增加储能容量，只要增加电解液的体积即可实现。 以融科储能200MW/800MWh国家示范储能电站的一期工程为例，单体电堆的额定输出功率是31.5kW，有8个这样的单体电堆组成了一套可实现单独充放电控制的500kW/2MWh储能模块，由50套储能模块构建1套具有就地监控系统的25MW/100MWh储能单元，最后再由4套储能单元构建出100MW/400MWh全钒液流电池储能系统。 图表6：全钒液流电池储能系统的输出功率和储能容量可独立设计 资料来源：《全钒液流电池的技术进展、不同储能时长系统的价格分析及展望》，张华民，中邮证券研究所 图表7：国家储能示范电站模块化结构示意图 请参阅附注免责声明11 2.2钒电池的缺点 钒电池主要缺点体现为能量密度低，全钒液流电池能量密度一般为15-50Wh/kg，同铅酸电池相当，低于锂离子电池，因此实际占地较大，以100兆瓦/400兆瓦时的钒电池的大型储能项目来说，用同样的场地，如果换做锂电池大概可以达到800-1000兆瓦时。 工作环境相对局限，钒电池通常需要在0-45℃的环境下工作，温度过低会导致电解液凝固，而温度过高则会导致溶液中的V5+形成V2O5析出，从而堵塞电解液通道，导致电池报废。 成本是制约全钒液流电池发展的核心问题。目前钒电池的系统投资成本约为3000-4000元/kWh，锂离子电池约为1500-2000元/kWh，结合中核汇能招标价，全钒液流电池储能系统平均单价约3.1元/Wh，中标价为2.65元/Wh，磷酸铁锂储能的平均单价是1.44元/Wh，钒电池的投资成本约是磷酸铁锂的2倍左右。 图表8：多元电化学储能电站成本占比 资料来源：《规模化多元电化学储能度电成本及其经济性分析》，刘阳等， 中邮证券研究所 请参阅附注免责声明12 2.3不同储能技术对比 图表9：不同储能技术对比 资料来源：2021年储能白皮书，《规模化多元电化学储能度电成本及其经济性分析》，中邮证券研究所整理 请参阅附注免责声明13 2.4钒电池适用于长时储能领域 可再生能源占比提升需长时储能配套发展。长时储能通常是指大于4小时，可以实现数天、数月充放电循环的储能系统。由于太阳能、风能等可再生能源发电具有不稳定、不连续、不可控等特点，大规模并网会给电网安全稳定运行带来冲击，因此也造成了大量的弃风弃光现象，发展配套储能电池系统并实现电能并网是目前新能源发电利用的重要问题。根据相关文献，风能/太阳能发电量占比50%-80%时，10小时以内的长时储能将不可或缺。 4小时以上长时储能已成为真实刚需。根据相关经验，新能源占比达到15-20%之后，4小时以上的长时储能需求成为刚需。内蒙古发布《关于加快推动新型储能发展的实施意见》提出，新建市场化并网新能源项目，配建储能规模原则上不低于新能源项目装机容量的15%，储能时长4小时以上。科技部下发的《“十四五”国家重点研发计划“储能与智能电网技术”重点专项2022年度项目申报指南》中也提出，储能技术时长持续4个小时以上，将作为一项重要的考核指标进行验收。在美国加州等光伏占比要求较高的地区，已开始使用6-8小时的储能进行调峰。 图表10：可再生能源占比提高要求储能时长提升 资料来源：《Long-DurationElectricityStorageApplications,Economics, andTechnologies》，中邮证券研究所 请参阅附注免责声明14 2.4钒电池适用于长时储能领域 锂离子电池、钠电池在长时储能场景下存在缺陷，更适用于4h以下储能。 成本方面，磷酸铁锂电池提供功率与贮存能量的装置绑定在一起，提升容量的情况下，电池成本等比例增加。 技术方面，锂离子和钠电池均采用涂布电极，很难储能时长十小时以上。 安全性方面，增加电池容量将伴随电芯的加厚，安全隐患更大。 寿命方面，锂电池通常可以用14年左右，钠离子电池寿命更短，且使用后期都面临容量衰减，储能电站通常寿命都是在20年以上。 图表12：钒电池生命周期内无效率衰减 抽水蓄能、压缩空气储能对地理条件有一定要求。从目前的已开发的各种储能技术来看，抽水蓄能、压缩空气、液流电池是主流应用，前两者在地理条件上有较多要求，需要靠近河流或岩石洞穴等。 综合来看，钒电池循环寿命长，通常可以运行20年以上，容量无衰减，安全性高，散热性好，且储能电站一般位于空旷地区，占地面积大的缺陷得到弥补，因此有望在长时储能领域首先爆发，与锂离子电池、抽水蓄能等储能形式形成互补。 图表11：已开发