液流电池逆袭成储能新贵,它凭什么?

2022-08-12 11:32:22 甲子光年 微信号 


小众的概念,大众的市场。

作者 | 张怡

编辑 | 九月

过去,锂电池是绝对的市场宠儿,被广泛应用在手机、家电新能源车以及最近迅速崛起的储能行业。

但就在今年,锂电池似乎遇到了一个新对手,液流电池。

6月29日,国家能源局综合司发布《防止电力生产事故的二十五项重点要求(征求意见稿)》,规定中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池,且不宜选用梯次利用动力电池(主要来自于锂电池)。此消彼长下,原本名不见经传的液流电池,被推入大众视野。

二级市场的反应最为强烈。7月,全钒液流电池概念股集体上涨,攀钢钒钛(000629)、安宁股份等成分股一度涨停。

但事实上,液流电池作为电化学储能技术并不是个新事物,全钒、铁铬、锌铁等液流电池技术经历了近半个世纪的发展。

液流电池诞生于20世纪70年代的能源危机,在NASA资助下被研发,用于长期太空飞行能源代替计划,本就为储能而生。但因当年油价舒缓,以及后续登月计划停摆,液流电池的落地应用随之搁浅。

直到近几年,储能市场随着新能源风口冒头,这项并不为人熟知的技术在国内回春,或将在未来搅动锂电独大的新型储能格局。

1.更安全的储能选项

液流电池,即Redox Flow Battery(RFB),是电化学储能中的技术路线之一,是一种利用金属氧化还原(Redox)过程中产生的能量差,以实现化学能与电能转换的技术。

?液流电池工作示意图

与锂电池将电解质储存于电池内部不同,液流电池的电解液储存于电池堆外部容器,充放电时,正负极电解质会分别循环泵入电池堆发生氧化反应,反应完成后,电解液会被重新泵回外部容器还原成原来的状态,照此循环往复。

过去几年中,鲜少人关注到液流电池,更吸引眼球的是锂电池、铅酸电池等电化学储能技术。

锂离子电池凭借成熟的技术和商业化程度,一度统治了储能市场。据CIAPS(中国化学(601117)与物理电源行业协会)统计,2021年,中国电化学储能装机中,锂电池的功率占比超过9成,其次是铅蓄电池,占比5.5%,液流电池以及其他电化学储能技术分别占2.9%、0.6%。

锂元素位列元素周期表前排,因此锂离子极为活泼,由于其重量轻、容量大、能量密度高等优势,被广泛应用于各行各业。但另一面,稳定性差的先天缺点为锂电池埋下了安全隐患。

2018年以来,国内外储能行业频发事故:

今年4月,美国亚利桑那州的钱德勒储能站发生了持续一个星期的设备闷烧、冒烟现象,当地不得不紧急疏散附近居民;

今年1月韩国相继发生两起储能事故:一起发生在韩国蔚山南区SK能源公司电池储能大楼,另一起则发生在庆北郡建威太阳能(000591)发电厂。据不完全统计,2017年至今韩国已出现超过30起锂电相关储能事故;

?2021年4月16日,北京丰台的一起储能站爆炸事故,造成3人遇难,1人重伤。

锂电池充放电过量、短路、受挤压导致的电池过热失控是主要导火索,成了如今三元锂电池在储能界失格的重要原因。

其他技术路线的优缺点也十分明显。

铅酸电池技术最为成熟,性能稳定,可寿命极短,直接影响了铅酸技术的应用范围;钠硫电池具有能量密度高、循环寿命长的优点,但对工作温度的要求极为苛刻,必须在300~350℃内,直接导致其规模占比被归入“其他电化学储能技术”一类。

全靠“同行”衬托,“无名之辈”液流电池的优势开始凸显出来。

由于液流电池是将能量储存于水性电解液中,且能量转化不依赖于固体电极,因此几乎没有燃烧爆炸的风险,符合储能的安全需求。另一方面,这一技术路径能灵活调控电池容量,通过增加电解液轻松扩容,不需要经历复杂的拆解程序。

更重要的是,液流电池原料在国内储藏丰富、价格低廉,不依赖进口,性价比极高。因此,中国科学院大连化学物理研究所副所长李先锋盛赞液流电池,“在大规模长时间储能的情况下,液流电池有显著的经济性优势,在电力系统储能领域具有广阔的应用前景。”

刚刚过去的7月,全钒液流电池的概念股集体上涨。目前,市面上主要有全钒、铁铬、锌铁、铁溴4种液流电池,区别主要在电解液使用金属化合物不同。

钒、铁、铬、溴、锌等这些被液流电池技术青睐的金属,都位于化学元素周期表第四周期,较排在第二周期第一位的锂在化学性质上稳定了不少,这也是液流电池稳定性更强的原因。

液流电池在充放电次数方面也有明显优势。

锂电池的充放电次数有限,一般在1000~4500次。某业内人士向「甲子光年」解释,“这主要因为每次充放电过程中,锂电池除了化学能转化,还会产生物理形变。就目前技术而言,当电解质完全变成固态,锂电池就无法重复循环过程了。”

而液流电池一般大于15000次,超过锂电池的3倍。国内全钒液流电池企业大连融科总经理王晓丽曾公开表示,全钒液流电池充放电循环为2万次以上,寿命可以达到20多余年。专注锌铁液流电池的纬景储能也透露,其技术团队已经在实验室环境下实现了100万次以上的充放电实验。在储能场景下,液流电池的使用寿命远超20年,这意味着,液流电池发一度电的单位成本远低于锂电池。

但液流电池并非完美无缺。目前,锂电池的能量密度逼近500Wh/L ,应用场景丰富,除了储能,还能应用在电动车、大型数码产品上。但液流电池受限于较低的能量密度(15~85Wh/L),仅适用于储能这一个场景。

2.液流电池回春

倒退十年,很少有人把电化学储能当作一个主流行业看待。即使是近些年,抽水储能依然占据绝对市场。

抽水储能电站

中关村储能产业技术联盟数据统计,截至2021年,中国电力储能项目中,抽水储能占比86.3%,新型储能占比12.5%,熔融盐储热占比1.2%。这其中,在新兴储能市场占比仅0.9%的液流电池,看上去并不起眼

但纬景储能刘雷告诉「甲子光年」,“由于地理条件的限制,很多抽水储能的资源其实是远离用电侧的,不适用于地势平缓或缺乏水资源的地区。储能的市场的需求是巨大且急迫的,这也为新型储能的发展前景奠定了基础。”

早在十多年前,国内液流电池创业者已经开始入场。

2007年,俞振华和几位合伙人创建北京普能;第二年,大连恒融新能源公司与中科院大连化学物理研究所共同创立大连融科;2009年,上海电气(601727)储能成立,都长期重点研发和制造全钒液流电池。

当时,中国储能还是一个沉睡的市场。液流电池虽在美国、日本等地已经应用于一些储能项目,但在国内,它还停留实验室阶段,产业和政策几乎空白。

拓荒者最先嗅到机会——风、光等可再生能源想要大规模并网,必然需要大规模储能技术支持,才能持续、稳定地供电。“如何把一年1000小时的太阳能发电、2000小时的风能发电,合理覆盖到8000小时的日常生产活动中,是必须解决的难题,这也奠定了储能市场的巨大发展空间。”刘雷说。

率先的是全钒液流电池,这也是国内技术最成熟、商业化程度最高的液流电池技术路径。

2009年,北京普能收购加拿大全钒液流电池企业VRB POWER,截至目前,北京普能在全球在全球12个国家投运了70余个全钒液流电池项目;

大连融科是国内最大全钒液流电池全产业链服务提供商,具备全钒液流电池全产业链技术开发和生产能力,今年2月,全球最大的液流电池储能电站——大连100MW/400MWh液流电池储能调峰电站进入单体调试阶段。

另一个技术路线铁铬液流电池,今年也因北京冬奥会突然走红。人们发现,由国家电投研制的铁铬液流电池——容和一号,运行超过400天,已经为本届冬奥会地区持续稳定存储、提供清洁能源超过5万千瓦时,目前开始商业量产。消息放出时,宁德时代(300750)的股价一度受到冲击,2月11日收盘时,宁德时代跌破500元/股,盘中甚至跌破年线。

国内锌铁液流电池的研发开始得较晚。2013年,刘雷和创始团队已经开始在全球范围内寻找新能源储能的解决方案,考察了各个技术路线,包括锂电池,以及液流电池的不同技术路径。

当时,锂电池技术路径已经很成熟,并且是一个充分竞争的市场。相比之下,听上去更陌生的液流电池,更适合新型储能场景的需求,而且经历几十年的发展,液流电池形成了相对完善的技术体系。

排除了在国内更为人熟知的全钒和铁铬路线,刘雷和团队最终选定锌铁液流电池。在他们研究看来,锌铁原料供给大、价格低,更具竞争力。

而且在2013年,纬景储能创始团队率先突破电化学还原反应的关键问题(抑制锌枝晶)并取得专利,未来不必担心技术成本。纬景储能介绍,目前,锂电池的度电成本(充放一度电的单位成本)约在5~6毛钱,全钒液流电池在3~4毛钱左右,“纬景能把锌铁液流电池的度电成本压缩在2毛以内”。

但液流电池走出实验室,逐渐成为可落地的储能支持技术,最终离不开政策支持。

2021年7月,国内储能行业迎来了明确的政策拐点,《关于加快推动新型储能发展的指导意见》首次从国家层面对新型储能建设提出了量化要求,为液流电池、重力储能、热储能等新型储能技术开拓了更大的发展空间。

三、推动技术进步,壮大储能产业体系

(五)提升科技创新能力。开展前瞻性、系统性、战略性储能关键技术研发,以“揭榜挂帅”方式调动企业、高校及科研院所等各方面力量,推动储能理论和关键材料、单元、模块、系统中短板技术攻关,加快实现核心技术自主化,强化电化学储能安全技术研究。坚持储能技术多元化,推动锂离子电池等相对成熟新型储能技术成本持续下降和商业化规模应用,实现压缩空气、液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期,加快飞轮储能、钠离子电池等技术开展规模化试验示范,以需求为导向,探索开展储氢、储热及其他创新储能技术的研究和示范应用。

引自《关于加快推动新型储能发展的指导意见》

3.何时走到台前

2021年起,液流电池相关储能项目落地增多:

2021年3月,北京普能签约湖北襄阳100MW储能项目;

2021年5月,宁夏伟力得GW级全钒液流电池正式投用;

2021年6月,中科院大连化物所研发的全钒液流电池系统在大连瓦房店建成,将与今年8月正式投入商用;

2021年10月,纬景储能与江西电建合作的江西省余干县200kW/600kWh“智慧能源(600869)示范项目”成功并网。

纬景储能体会到了液流电池的突然“受宠”。刘雷告诉「甲子光年」,在2021年江西示范项目成功并网之后,我们收到了更多地方政府抛来的橄榄枝。今年上海解封后的两个月内,纬景储能已经在国内部署了多个GW级别的量产工厂,并和江苏盐城、湖北猇亭等地方政府签订了合作项目。

在刘雷看来,新产业能否落地,取决于企业和政府的相互吸引与信任。“企业需要考量当地是否真心认同自己的技术理念,需要分辨这个项目是有长期规划、还是为了短期业绩;相应地,地方政府对合作企业有严格的考核,要研究合作企业和其所在产业的发展远景,要分辨这个企业是否有足够的技术积累和规模化生产能力。”

今年二级市场也表现出了对液流电池的热情,但面对这突如其来的青睐,行业更需要保持谨慎的态度。

一方面,短期的股价波动受市场情绪影响多过产业发展实况,钒电池板块自7月5日到21日涨幅超过10%,但随着热度褪去,7月22日以来,钒电池板块由热转冷,已经开启了下跌趋势;另一方面,市场对钒电池的关注度远超出了液流电池这个主概念,反而带火了一系列钒原料供应商,如攀钢钒钛、中核钛白(002145)等。

液流电池从小众到大众,还有很长的路要走。

初装成本是制约液流电池落地的难题之一。光大证券(601788)7月研报,2022年初,锂电池储能成本约为1.8元/Wh。纬景储能介绍,目前液流电池初装的行业平均价在3元/Wh上下。

大连融科总经理王晓丽也提到,钒电池产业刚刚兴起,虽然产业链基本完善,但是还没有达到规模效应显现的阶段。

在技术方面,液流电池和锂电池同样面临离子交换隔膜依赖进口的难题。据阿里巴巴1688网,液流电池常用的美国杜邦树脂交换膜,零售单价接近 20000元/平方米。虽然东岳、科润等国内厂商已经研发出了更便宜的膜,但是目前国产离子交换膜的市场渗透率低,距离国产替代进口还有一段距离。

各个技术路径的液流电池也面临着待突破的难题:

全钒液流电池虽然是商业化最成熟的技术,但其工作温度被限制在5~40℃,可应用范围少;

铁溴液流电池的工作温度为20~50℃,同样限制性强;

相比之下,铁铬与锌铁液流电池的工作温度更具有普适性,前者工作温度为-40~70℃,后者为-10~45℃。但铁铬液流电池的能量密度最高只能达到20Wh/L ,几乎在所有液流电池中垫底,而锌铁液流电池则面临电解液形成锌枝晶穿透隔膜导致电池短路的隐患。

整体而言,液流电池市场规模小、市场认知度低、产能不足,距离拐点仍有很长的路要走。GGII(高工产业研究院)预测,未来10年液流电池有望进入高速增长阶段。

在刘雷看来,目前液流电池处在蛰伏期。作为一个需求走在供给前面的市场,储能目前最大的问题其实不是竞争,也不必跑马圈地,而是为真实且急迫的“双碳”目标提供更可靠、更多元化、更灵活的解决方案,液流电池便是选项之一。


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(责任编辑:王治强 HF013)
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