作者 | 張怡


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編輯 | 九月

過去,鋰電池是絕對的市場寵兒,被廣泛應用在手機、家電、新能源車以及最近迅速崛起的儲能行業。

但就在今年,鋰電池似乎遇到了一個新對手,液流電池。

6月29日,國家能源局綜合司發布《防止電力生產事故的二十五項重點要求(征求意見稿)》,規定中大型電化學儲能電站不得選用三元鋰電池,且不宜選用梯次利用動力電池(主要來自于鋰電池)。此消彼長下,原本名不見經傳的液流電池,被推入大眾視野。

二級市場的反應最為強烈。7月,全釩液流電池概念股集體上漲,攀鋼釩鈦、安寧股份等成分股一度漲停。

但事實上,液流電池作為電化學儲能技術并不是個新事物,全釩、鐵鉻、鋅鐵等液流電池技術經歷了近半個世紀的發展。

液流電池誕生于20世紀70年代的能源危機,在NASA資助下被研發,用于長期太空飛行能源代替計劃,本就為儲能而生。但因當年油價舒緩,以及后續登月計劃停擺,液流電池的落地應用隨之擱淺。

直到近幾年,儲能市場隨著新能源風口冒頭,這項并不為人熟知的技術在國內回春,或將在未來攪動鋰電獨大的新型儲能格局。

1.更安全的儲能選項

液流電池,即Redox Flow Battery(RFB),是電化學儲能中的技術路線之一,是一種利用金屬氧化還原(Redox)過程中產生的能量差,以實現化學能與電能轉換的技術。

與鋰電池將電解質儲存于電池內部不同,液流電池的電解液儲存于電池堆外部容器,充放電時,正負極電解質會分別循環泵入電池堆發生氧化反應,反應完成后,電解液會被重新泵回外部容器還原成原來的狀態,照此循環往復。

過去幾年中,鮮少人關注到液流電池,更吸引眼球的是鋰電池、鉛酸電池等電化學儲能技術。

鋰離子電池憑借成熟的技術和商業化程度,一度統治了儲能市場。據CIAPS(中國化學與物理電源行業協會)統計,2021年,中國電化學儲能裝機中,鋰電池的功率占比超過9成,其次是鉛蓄電池,占比5.5%,液流電池以及其他電化學儲能技術分別占2.9%、0.6%。

鋰元素位列元素周期表前排,因此鋰離子極為活潑,由于其重量輕、容量大、能量密度高等優勢,被廣泛應用于各行各業。但另一面,穩定性差的先天缺點為鋰電池埋下了安全隱患。

2018年以來,國內外儲能行業頻發事故:

今年4月,美國亞利桑那州的錢德勒儲能站發生了持續一個星期的設備悶燒、冒煙現象,當地不得不緊急疏散附近居民;

今年1月韓國相繼發生兩起儲能事故:一起發生在韓國蔚山南區SK能源公司電池儲能大樓,另一起則發生在慶北郡建威太陽能發電廠。據不完全統計,2017年至今韓國已出現超過30起鋰電相關儲能事故;

2021年4月16日,北京豐臺的一起儲能站爆炸事故,造成3人遇難,1人重傷。

鋰電池充放電過量、短路、受擠壓導致的電池過熱失控是主要導火索,成了如今三元鋰電池在儲能界失格的重要原因。

其他技術路線的優缺點也十分明顯。

鉛酸電池技術最為成熟,性能穩定,可壽命極短,直接影響了鉛酸技術的應用范圍;鈉硫電池具有能量密度高、循環壽命長的優點,但對工作溫度的要求極為苛刻,必須在300~350℃內,直接導致其規模占比被歸入“其他電化學儲能技術”一類。

全靠“同行”襯托,“無名之輩”液流電池的優勢開始凸顯出來。

由于液流電池是將能量儲存于水性電解液中,且能量轉化不依賴于固體電極,因此幾乎沒有燃燒爆炸的風險,符合儲能的安全需求。另一方面,這一技術路徑能靈活調控電池容量,通過增加電解液輕松擴容,不需要經歷復雜的拆解程序。

更重要的是,液流電池原料在國內儲藏豐富、價格低廉,不依賴進口,性價比極高。因此,中國科學院大連化學物理研究所副所長李先鋒盛贊液流電池,“在大規模長時間儲能的情況下,液流電池有顯著的經濟性優勢,在電力系統儲能領域具有廣闊的應用前景?!?/p>

剛剛過去的7月,全釩液流電池的概念股集體上漲。目前,市面上主要有全釩、鐵鉻、鋅鐵、鐵溴4種液流電池,區別主要在電解液使用金屬化合物不同。

釩、鐵、鉻、溴、鋅等這些被液流電池技術青睞的金屬,都位于化學元素周期表第四周期,較排在第二周期第一位的鋰在化學性質上穩定了不少,這也是液流電池穩定性更強的原因。

液流電池在充放電次數方面也有明顯優勢。

鋰電池的充放電次數有限,一般在1000~4500次。緯景儲能首席智造官劉雷向「甲子光年」解釋,“這主要因為每次充放電過程中,鋰電池除了化學能轉化,還會產生物理形變。就目前技術而言,當電解質完全變成固態,鋰電池就無法重復循環過程了?!?/p>

而液流電池一般大于15000次,超過鋰電池的3倍。國內全釩液流電池企業大連融科總經理王曉麗曾公開表示,全釩液流電池充放電循環為2萬次以上,壽命可以達到20多余年。專注鋅鐵液流電池的緯景儲能也透露,其技術團隊已經在實驗室環境下實現了100萬次以上的充放電實驗。在儲能場景下,液流電池的使用壽命遠超20年,這意味著,液流電池發一度電的單位成本遠低于鋰電池。

但液流電池并非完美無缺。目前,鋰電池的能量密度逼近500Wh/L ,應用場景豐富,除了儲能,還能應用在電動車、大型數碼產品上。但液流電池受限于較低的能量密度(15~85Wh/L),僅適用于儲能這一個場景。

2.液流電池回春

倒退十年,很少有人把電化學儲能當作一個主流行業看待。即使是近些年,抽水儲能依然占據絕對市場。

抽水儲能電站

中關村儲能產業技術聯盟數據統計,截至2021年,中國電力儲能項目中,抽水儲能占比86.3%,新型儲能占比12.5%,熔融鹽儲熱占比1.2%。這其中,在新興儲能市場占比僅0.9%的液流電池,看上去并不起眼。

但劉雷告訴「甲子光年」,“由于地理條件的限制,很多抽水儲能的資源其實是遠離用電側的,不適用于地勢平緩或缺乏水資源的地區。儲能的市場的需求是巨大且急迫的,這也為新型儲能的發展前景奠定了基礎?!?/p>

早在十多年前,國內液流電池創業者已經開始入場。

2007年,俞振華和幾位合伙人創建北京普能;第二年,大連恒融新能源公司與中科院大連化學物理研究所共同創立大連融科;2009年,上海電氣儲能成立,都長期重點研發和制造全釩液流電池。

當時,中國儲能還是一個沉睡的市場。液流電池雖在美國、日本等地已經應用于一些儲能項目,但在國內,它還停留實驗室階段,產業和政策幾乎空白。

拓荒者最先嗅到機會——風、光等可再生能源想要大規模并網,必然需要大規模儲能技術支持,才能持續、穩定地供電?!叭绾伟岩荒?000小時的太陽能發電、2000小時的風能發電,合理覆蓋到8000小時的日常生產活動中,是必須解決的難題,這也奠定了儲能市場的巨大發展空間?!眲⒗渍f。

率先登場的是全釩液流電池,這也是國內技術最成熟、商業化程度最高的液流電池技術路徑。

● 2009年,北京普能收購加拿大全釩液流電池企業VRB POWER,截至目前,北京普能在全球在全球12個國家投運了70余個全釩液流電池項目;

● 大連融科是國內最大全釩液流電池全產業鏈服務提供商,具備全釩液流電池全產業鏈技術開發和生產能力,今年2月,全球最大的液流電池儲能電站——大連100MW/400MWh液流電池儲能調峰電站進入單體調試階段。

另一個技術路線鐵鉻液流電池,今年也因北京冬奧會突然走紅。人們發現,由國家電投研制的鐵鉻液流電池——容和一號,運行超過400天,已經為本屆冬奧會地區持續穩定存儲、提供清潔能源超過5萬千瓦時,目前開始商業量產。消息放出時,寧德時代的股價一度受到沖擊,2月11日收盤時,寧德時代跌破500元/股,盤中甚至跌破年線。

國內鋅鐵液流電池的研發開始得較晚。2013年,劉雷和創始團隊已經開始在全球范圍內尋找新能源儲能的解決方案,考察了各個技術路線,包括鋰電池,以及液流電池的不同技術路徑。

當時,鋰電池技術路徑已經很成熟,并且是一個充分競爭的市場。相比之下,聽上去更陌生的液流電池,更適合新型儲能場景的需求,而且經歷幾十年的發展,液流電池形成了相對完善的技術體系。

排除了在國內更為人熟知的全釩和鐵鉻路線,劉雷和團隊最終選定鋅鐵液流電池。在他們研究看來,鋅鐵原料供給大、價格低,更具競爭力。

而且在2013年,緯景儲能創始團隊率先突破電化學還原反應的關鍵問題(抑制鋅枝晶)并取得專利,未來不必擔心技術成本。緯景儲能介紹,目前,鋰電池的度電成本(充放一度電的單位成本)約在5~6毛錢,全釩液流電池在3~4毛錢左右,“緯景能把鋅鐵液流電池的度電成本壓縮在2毛以內”。

但液流電池走出實驗室,逐漸成為可落地的儲能支持技術,最終離不開政策支持。

2021年7月,國內儲能行業迎來了明確的政策拐點,《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》首次從國家層面對新型儲能建設提出了量化要求,為液流電池、重力儲能、熱儲能等新型儲能技術開拓了更大的發展空間。

三、推動技術進步,壯大儲能產業體系

(五)提升科技創新能力。開展前瞻性、系統性、戰略性儲能關鍵技術研發,以“揭榜掛帥”方式調動企業、高校及科研院所等各方面力量,推動儲能理論和關鍵材料、單元、模塊、系統中短板技術攻關,加快實現核心技術自主化,強化電化學儲能安全技術研究。堅持儲能技術多元化,推動鋰離子電池等相對成熟新型儲能技術成本持續下降和商業化規模應用,實現壓縮空氣、液流電池等長時儲能技術進入商業化發展初期,加快飛輪儲能、鈉離子電池等技術開展規?;囼炇痉?,以需求為導向,探索開展儲氫、儲熱及其他創新儲能技術的研究和示范應用。

引自《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》

3.何時走到臺前?

2021年起,液流電池相關儲能項目落地增多:

● 2021年3月,北京普能簽約湖北襄陽100MW儲能項目;

● 2021年5月,寧夏偉力得GW級全釩液流電池正式投用;

● 2021年6月,中科院大連化物所研發的全釩液流電池系統在大連瓦房店建成,將與今年8月正式投入商用;

● 2021年10月,緯景儲能與江西電建合作的江西省余干縣200kW/600kWh“智慧能源示范項目”成功并網。

緯景儲能體會到了液流電池的突然“受寵”。劉雷告訴「甲子光年」,在2021年江西示范項目成功并網之后,我們收到了更多地方政府拋來的橄欖枝。今年上海解封后的兩個月內,緯景儲能已經在國內部署了多個GW級別的量產工廠,并和江蘇鹽城、湖北猇亭等地方政府簽訂了合作項目。

在劉雷看來,新產業能否落地,取決于企業和政府的相互吸引與信任?!?strong>企業需要考量當地是否真心認同自己的技術理念,需要分辨這個項目是有長期規劃、還是為了短期業績;相應地,地方政府也要對合作企業有嚴格的考核,要研究合作企業和其所在產業的發展遠景,要分辨這個企業是否有足夠的技術積累和規?;a能力?!?/p>

今年二級市場也表現出了對液流電池的熱情,但面對這突如其來的青睞,行業更需要保持謹慎的態度。

一方面,短期的股價波動受市場情緒影響多過產業發展實況,釩電池板塊自7月5日到21日漲幅超過10%,但隨著熱度褪去,7月22日以來,釩電池板塊由熱轉冷,已經開啟了下跌趨勢;另一方面,市場對釩電池的關注度遠超出了液流電池這個主概念,反而帶火了一系列釩原料供應商,如攀鋼釩鈦、中核鈦白等。

液流電池從小眾到大眾,還有很長的路要走。

初裝成本是制約液流電池落地的難題之一。據光大證券7月研報,2022年初,鋰電池儲能成本約為1.8元/Wh。緯景儲能介紹,目前液流電池初裝的行業平均價在3元/Wh上下。

大連融科總經理王曉麗也提到,釩電池產業剛剛興起,雖然產業鏈基本完善,但是還沒有達到規模效應顯現的階段。

在技術方面,液流電池和鋰電池同樣面臨離子交換隔膜依賴進口的難題。據阿里巴巴1688網,液流電池常用的美國杜邦樹脂交換膜,零售單價接近 20000元/平方米。雖然東岳、科潤等國內廠商已經研發出了更便宜的膜,但是目前國產離子交換膜的市場滲透率低,距離國產替代進口還有一段距離。

各個技術路徑的液流電池也面臨著待突破的難題:

● 全釩液流電池雖然是商業化最成熟的技術,但其工作溫度被限制在5~40℃,可應用范圍少;

● 鐵溴液流電池的工作溫度為20~50℃,同樣限制性強;

● 相比之下,鐵鉻與鋅鐵液流電池的工作溫度更具有普適性,前者工作溫度為-40~70℃,后者為10~45℃。但鐵鉻液流電池的能量密度最高只能達到20Wh/L ,幾乎在所有液流電池中墊底,而鋅鐵液流電池則面臨電解液形成鋅枝晶穿透隔膜導致電池短路的隱患。

整體而言,液流電池市場規模小、市場認知度低、產能不足,距離拐點仍有很長的路要走。GGII(高工產業研究院)預測,未來10年液流電池有望進入高速增長階段。

在劉雷看來,目前液流電池處在蟄伏期。作為一個需求走在供給前面的市場,儲能目前最大的問題其實不是競爭,也不必跑馬圈地,而是為真實且急迫的“雙碳”目標提供更可靠、更多元化、更靈活的解決方案,液流電池便是選項之一。

關鍵詞: 液流電池逆襲成儲能新貴 它憑什么|甲子光年 液流電池