全釩液流電池的成本結(jié)構(gòu)分析以及提效降本路線
分類：前沿資訊
- 作者：羅旋
- 發(fā)布時間：2022-05-13
【概要描述】新型液流電池全釩液流電池作為發(fā)展得最為成熟的液流電池，其在儲能方向上的發(fā)展十分迅速，這也很大程度上是由于其儲能能量大
全釩液流電池作為發(fā)展得最為成熟的液流電池，其在儲能方向上的發(fā)展十分迅速，這也很大程度上是由于其儲能能量大、充放電性質(zhì)優(yōu)良、輸出功率可調(diào)、安全性能高、壽命長、選址自由、環(huán)境友好、運(yùn)維成本較低等特點(diǎn)，使得其較傳統(tǒng)鉛酸電池以及新型鋰電池具有強(qiáng)大的長時儲能優(yōu)勢，其基本原理圖如下所示。 Source: International Renewable Energy Agency, based on Linden and Reddy, 2002. 而在我國，據(jù)鈦媒體2021年不完全統(tǒng)計，目前全釩液流電池成本大約在3-3.2元/Wh，與之對比鋰電池的平均成本可能僅為1.2-1.5元/Wh，約為全釩液流電池成本的40%左右。雖然全釩液流電池已具備技術(shù)以及安全性優(yōu)勢，全釩液流電池在前期的較高成本在一定程度上限制了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，使得其商業(yè)化進(jìn)程依舊比較緩慢，但隨著技術(shù)發(fā)展伴隨的成本降低，以及其后期較低的維護(hù)成本依然使其具有強(qiáng)大吸引力。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)測算，伴隨著全釩液流電池技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化的逐步展開，其成本有望在2030年降低至2元/Wh，大幅實(shí)現(xiàn)成本降低。 以一基本的儲能規(guī)模為10千瓦/120千瓦時的全釩液流電池為例[1]，其成本主要包括三個幾乎相等的部分：電堆成本、電解質(zhì)成本以及周邊設(shè)備成本，其主要組成部件包括質(zhì)子交換膜、電極材料、雙極板材料、集流體、活性電解液及電解液缸、催化劑等。公開資料顯示，釩電解液是全釩液流電池系統(tǒng)中的核心材料之一，在系統(tǒng)成本占比中達(dá)到40%以上，其性能將直接影響到電池系統(tǒng)的工作效率、運(yùn)行工況和使用壽命等；而電堆成本占全釩液流電池總成本的35%以上，其中主要成本源于離子交換膜的成本，其它構(gòu)件成本占比25%左右，其具體成本構(gòu)成可參考下圖。 據(jù)國際再生能源機(jī)構(gòu)IRENA預(yù)測，液流電池的總安裝成本到2030年可下降三分之二。據(jù)其公布的數(shù)據(jù)顯示，2016年時，全釩液流電池的總安裝成本為315美元/千瓦時，到2030年有望下降至108美元/千瓦時，而全釩液流電池總成本預(yù)計不會超過360美元/千瓦時。液流電池初期成本高，但其服役周期長，其電池通?？梢匝h(huán)超過10000圈，因此長期而言，液流電池依然在成本上具有很大優(yōu)勢。有研究表明[2]，全釩液流電池在年發(fā)電量約為10 GWh的情況下，可以實(shí)現(xiàn)降低成本至120美元/kWh（不包括安裝成本）這一途徑是可行的。 Source: International Renewable Energy Agency, based on Noack et al., 2016. Source: International Renewable Energy Agency, based on Darling et al., 2014. 目前而言，對于降低全釩液流電池成本的路徑主要從以下方面考慮： （1）提高材料化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性：在液流電池結(jié)構(gòu)中的電解液材料、電極材料以及隔膜材料的化學(xué)穩(wěn)定性都有助于延長液流電池系統(tǒng)使用壽命，有助于系統(tǒng)整體成本的降低； （2）降低材料成本：降低全釩液流電池系統(tǒng)中所主要使用的活性氧化還原物質(zhì)、電解液以及電池堆材料等的成本，也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體降本的重要手段； （3）提高系統(tǒng)整體性能：包括提高薄膜電導(dǎo)率，促進(jìn)電極催化反應(yīng)動力學(xué)過程，提升反應(yīng)活性，從而在固定能量輸出的情況下，實(shí)現(xiàn)電池堆尺寸的降低。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報道[3]，通過對液流電池整體性能調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)能量密度由15Wh/L-70Wh/L提升至117Wh/L。 在離子交換膜材料方面，目前商業(yè)領(lǐng)域主要用于液流電池的是杜邦公司所生產(chǎn)的Nafion質(zhì)子交換薄膜，Nafion薄膜以磺酸基團(tuán)為交換基團(tuán)作為全釩氧化還原液流電池的標(biāo)準(zhǔn)隔膜，其在電解液中的穩(wěn)定性高，但由于存在釩離子滲透率較高、不易降解等缺陷，尤其是其昂貴的價格在限制了液流電池的進(jìn)一步發(fā)展。因此，目前在離子交換膜方面降本的策略主要是著力于降低薄膜電阻，減輕釩離子滲透，提高液流電池用質(zhì)子交換膜的性能，避免活性物質(zhì)污染以延長離子交換膜使用壽命以及整體系統(tǒng)性能提高，以實(shí)現(xiàn)液流電池成本降低。 在活性物質(zhì)方面，由于全釩液流電池其活性物質(zhì)主要為不同價態(tài)的釩離子，并且使用水作為電解質(zhì)溶劑。據(jù)美國地質(zhì)勘探局USGS數(shù)據(jù)，全球已探明釩礦儲量共計2200萬噸，其中中國儲量達(dá)950萬噸，占總比重的43%；俄羅斯和南非分列二三位，分別占全球釩礦儲量的23%和16%，并且目前中國釩礦產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量62%，釩礦產(chǎn)量與儲量都相對豐富，這也是我國與西方國家在液流電池路線選擇上，我國更加推崇全釩液流電池體系的原因，而西方國家受制于釩礦儲量更傾向選擇發(fā)展性能一般的鋅溴液流電池體系，因此嘗試在釩礦資源上降本也是降低全釩液流電池整體成本的一個手段。此外，在全釩液流電池成本降低的途徑中也有其它方法可以采取。例如液流電池系統(tǒng)可以通過集成堆棧的方式以實(shí)現(xiàn)成本降低；此外，也可以通過使用鹽水電解質(zhì)，在損失一定性能的前提下，達(dá)到成本的有效降低，即構(gòu)建鹽水電解質(zhì)電池儲能系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)液流電池成本降低。下面將依據(jù)公開資料對世界上的主流全釩液流電池生產(chǎn)商進(jìn)行一定分析，對其所提及的降本及性能優(yōu)勢進(jìn)行一定總結(jié)與梳理。 下一代液流電池儲能系統(tǒng)開發(fā)商聲稱WattJoule在2020年的產(chǎn)品ElectriStor Gen1已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了200美元/千瓦時的價格，僅為市場價格的三分之一，并且在其將要推出的第二代和第三代產(chǎn)品中，伴隨著能量密度以及效率的大幅度提高，釩電解液成本的不斷降低，其產(chǎn)品價格將分別下降至150美元/千瓦時和100美元/千瓦時。根據(jù)其公開資料表示，與市場上全釩液流電池用釩電解液能量密度低，溫度范圍有限，需要主動冷卻設(shè)備，并且需要昂貴的高純度釩相比，WattJoule釩電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)了電解質(zhì)能量密度的提升，不需要昂貴的冷卻設(shè)備，并且在保證相同能量輸出的情況下，實(shí)現(xiàn)釩的用量、要求純度的逐代降低，從而實(shí)現(xiàn)整體成本的大幅度降低。 ElectriStor 參數(shù)指標(biāo)及價格 WattJoule通過提高電解質(zhì)存儲能量密度和輸出功率密度實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)安裝成本和占地面積的減少，工作溫度范圍的改善和增大減少了全釩液流電池系統(tǒng)中空調(diào)、冷卻機(jī)等設(shè)備的使用，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本、運(yùn)營成本的整體降低。WattJoule的釩電解質(zhì)通過先進(jìn)的利用途徑將其要求純度降低，其目前可實(shí)現(xiàn)對工業(yè)級別純度釩的直接使用，實(shí)現(xiàn)了電解液生產(chǎn)工藝的簡化與升級，使其電解液制造成本顯著降低，這也被其描述為商業(yè)機(jī)密般的純化工藝。另外，在其官方披露的其產(chǎn)品核心競爭力主要包括：液體電解質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換堆棧、芯材套裝以及系統(tǒng)配套軟件四個方面?？梢钥闯?，目前在學(xué)術(shù)界的理論分析和一些公司的宣傳策略上所展示的成本遠(yuǎn)低于實(shí)際招投標(biāo)的裝機(jī)成本（大于3000元/KWh)，這也意味著全釩液流電池在實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)后還存在巨大的降本空間，這些低成本數(shù)值更是預(yù)示著未來可能的成本極限以及全釩液流電池巨大的應(yīng)用推廣潛力。 WattJoule電解質(zhì)生產(chǎn)流程示意圖 日本專注于做液流電池的公司LE SYSTEM Co., Ltd.也在其公開資料中強(qiáng)調(diào)其生產(chǎn)的全釩液流電池最大優(yōu)勢就是通過其原創(chuàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對工業(yè)廢棄物中的釩進(jìn)行有效回收以及高效利用，從而大幅度降低其成本。其主要通過對石油焦炭發(fā)電廠中的電除塵煤灰（EP soot）中的偏釩酸銨進(jìn)行回收提純，具體方法是采用還原爐煅燒的方法去除偏釩酸銨生料中的雜質(zhì)得到四氧化二釩，并隨后在還原缸中進(jìn)行二次還原與提純，得到3.5價的釩電解質(zhì)。 VRB Energy在其公開資料中表示其所生產(chǎn)的產(chǎn)品VRB-ESS具備世界上最先進(jìn)的釩氧化還原電池技術(shù)。其核心技術(shù)包括專有的低成本離子交換膜和雙極材料、長壽命電解質(zhì)配方以及創(chuàng)新的流通池設(shè)計。VRB Energy聲稱其技術(shù)進(jìn)步顯著降低了核心電池組組件的成本，其生產(chǎn)的第五代電池堆設(shè)計具有先進(jìn)的流場設(shè)計，可優(yōu)化電解液在電池堆中的分布，實(shí)現(xiàn)整體效率提高以及材料利用的優(yōu)化。其聲稱專有的電解質(zhì)配方專為低成本制造、最佳性能和長壽命而設(shè)計，因此可以在保證性能的同時，大幅度實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本的降低。并且其第二代 VRB-ESS 與以前安裝的系統(tǒng)相比，成本降低了35%，占地面積減少了50%，性能提高了10%。 中國GEC金能科技則在其公開資料上聲稱其擁有世界領(lǐng)先的全球超高性價比儲能釩電池專利技術(shù)，在釩電池用全氟離子膜、電極、電堆、電解液以及釩電池全系統(tǒng)模塊化方面有著巨大的技術(shù)優(yōu)勢、產(chǎn)品優(yōu)勢和成本優(yōu)勢。GEC通過自主研發(fā)的溶液鑄膜法實(shí)現(xiàn)全氟離子交換膜生產(chǎn)，并且技術(shù)工藝簡單、生產(chǎn)設(shè)備便宜、可實(shí)現(xiàn)全氟離子交換膜的再生循環(huán)利用、膜成本低、結(jié)晶度高、拉伸模量大、各向同性、壽命長，可以很好地應(yīng)用于全釩液流電池，并降低成本。其生產(chǎn)的高性能全釩液流電池通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)其流阻低、電阻低、電流密度高、功率密度高、工作溫度寬、無需換熱器、能量效率高、模塊化程度高、生產(chǎn)成本低、使用壽命長、全壽命成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鉛酸、鋰電等傳統(tǒng)電池。其生產(chǎn)的高性能釩電解液采用獨(dú)特的生產(chǎn)配方，可以制得高電導(dǎo)率、寬工作溫度、無需換熱器、高穩(wěn)定性、充放電過程釩離子遷移少液位變化小等優(yōu)勢，可以極大程度上降低成本，并且這些技術(shù)都申請了相應(yīng)發(fā)明專利。 西班牙公司HydraRedox聲稱其開發(fā)了一種全新的釩氧化還原方法，可以克服了傳統(tǒng)氧化還原流動技術(shù)的缺點(diǎn)和局限性，進(jìn)而大規(guī)模降低其成本。其全釩液流電池體系技術(shù)采用高度定制化模式，其預(yù)計壽命高達(dá)其他技術(shù)壽命的 3 倍，并且具有卓越的性能特征，可以大幅度降低成本。 Power Stac在官方資料中強(qiáng)調(diào)其生產(chǎn)的全釩液流電池體系可以在較低成本和較長壽命的前提下實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定供電。在其產(chǎn)品數(shù)據(jù)上可以發(fā)現(xiàn)其電解質(zhì)工作溫度較行業(yè)水平更寬，達(dá)到-30-60攝氏度，正如我們提到的，這可以帶來冷卻設(shè)備的減少使用，這也可能是其成本具有一定優(yōu)勢的原因。 StorEn Technology聲稱其全釩液流電池可以實(shí)現(xiàn)以最低的成本或周期提供最高的功率密度。其宣稱所生產(chǎn)的電池組的功率密度，遠(yuǎn)高于當(dāng)前的技術(shù)水平。其團(tuán)隊開發(fā)的MULTIGRIDS創(chuàng)新流動設(shè)計系統(tǒng)可將電池動力側(cè)的成本降低 50% 以上，同時通過在較低壓力下運(yùn)行來保持電池組運(yùn)行的可靠性和持續(xù)性。并且在其公開資料上提到，其所掌握的電池技術(shù)和專利結(jié)合其專有的電池管理系統(tǒng) (BMS)可以使得電池后期幾乎免維護(hù)，從而很大程度上降低了電池維護(hù)成本。并且其開發(fā)的Multigrids系統(tǒng)可以消除全釩液流電池系統(tǒng)中擴(kuò)大液流電池堆尺寸的主要技術(shù)障礙的“過度充電”現(xiàn)象，避免大量小型電池組堆疊所導(dǎo)致的系統(tǒng)復(fù)雜性和成本的提高，實(shí)現(xiàn)構(gòu)建具有數(shù)千安培電流的大型TITANstack堆棧，因此其技術(shù)創(chuàng)新極大程度減輕了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并顯著降低了成本。 中國全釩液流電池制造商融科儲能是中國較為重要的全釩液流電池生產(chǎn)商之一。其資料顯示，融科儲能公司持續(xù)著力在高性能電池材料技術(shù)（電解液、雙極板、離子膜等）、高功率密度電堆技術(shù)、高效率電池系統(tǒng)技術(shù)等方面的創(chuàng)新研發(fā)，從其公開資料上其技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)的特有優(yōu)勢并未進(jìn)行相關(guān)公示。但其宣稱其下設(shè)大連融科儲能裝備公司已建成全球規(guī)模最大、現(xiàn)代化程度最高的全釩液流電池儲能裝備生產(chǎn)基地，并且融科儲能已成為全球領(lǐng)先的全釩液流電池全產(chǎn)業(yè)鏈開發(fā)、完整自主知識產(chǎn)權(quán)及高端制造能力的服務(wù)商。中國全釩液流電池制造商融科儲能的產(chǎn)品TPower也在運(yùn)行溫度上得到改善，據(jù)其公開資料顯示，其工作溫度為-35-40攝氏度，其它兩款產(chǎn)品的運(yùn)行溫度都相對較窄，與Visblue資料所顯示的-40-50攝氏度的運(yùn)行溫度，以及更高的效率相比還有一些發(fā)展空間。 Largo公司在其公開資料顯示其全釩液流電池產(chǎn)品的核心競爭力在于專有的 VRFB 電解液處理技術(shù)專利、業(yè)界領(lǐng)先的液流電池堆技術(shù)以及高純度釩產(chǎn)品供應(yīng)。其公開資料顯示，其獨(dú)有的專利純化工藝解決了典型 VRFB系統(tǒng)中的幾個技術(shù)障礙，并且Largo 擁有世界上品質(zhì)最高的釩資源礦場之一的Maracás Menchen礦場，是世界上成本最低的釩初級生產(chǎn)商之一，從而帶來真正的成本優(yōu)勢。其所生產(chǎn)的VCHARGE系統(tǒng)包含的高性能液流電池可將核心電池材料減少5倍，從而顯著節(jié)省成本并在任何已知液流電池中占用最小的空間。并且其VCHARGE系統(tǒng)允許通過多種配置將電力和能源與項目要求相匹配，其垂直堆疊設(shè)計允許在相同的占位面積內(nèi)實(shí)現(xiàn) 2 倍的功率或能量密度，具有顯著的成本優(yōu)勢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先現(xiàn)在的儲罐水平。此外，其系統(tǒng)的鋼制容器設(shè)計為電池提供強(qiáng)大的保護(hù)，防止天氣、紫外線降解和破壞，以防止電池堆在長期應(yīng)用時成本優(yōu)勢退化，從而帶來顯著的成本優(yōu)勢。 VANEVO公司的降本策略則主要集中在堆棧技術(shù)的創(chuàng)新。VANEVO全釩液流電池堆棧通過取消密封元件，避免使用用于支撐的大型端板，因此堆棧質(zhì)量明顯更輕，并且其堆棧是通過膠合而非壓制的方式，這種方式可以經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn) VANEVO 電池組，這也是其多項核心專利的主要技術(shù)內(nèi)容，由于零配件使用的減少以及自動化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，其成本大幅度降低。 Voterion公司所生產(chǎn)的Volterion powerRFB 也是將發(fā)展重心投入在堆棧的研究上。據(jù)公開資料顯示，Volterions堆棧具有專有的設(shè)計和制造工藝，其堆棧與采用墊圈的傳統(tǒng)堆疊不同，而是利用高精度激光焊接工藝進(jìn)行堆疊。墊圈往往會隨著時間的推移而凝固并因此可能導(dǎo)致泄漏，但 Volterion 電池組通過新的工藝使其具有非常優(yōu)越的密封性能。并且由于密封墊圈不需要壓縮力，可以減少 Volterion 電池組中較為昂貴的端板使用，從而在實(shí)現(xiàn)緊湊、輕便、安全可靠的同時，具有非常具有優(yōu)勢的成本效益。此外，每個Volterion堆棧都有一個專用的電子堆棧監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置在堆棧內(nèi)部，以確保最佳操作條件，并保證較長的使用壽命。 總而言之，全釩液流電池的降本之路是其在儲能領(lǐng)域快速發(fā)展的重要一步，目前的總體策略主要是通過提高材料化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性、降低材料成本以及提高系統(tǒng)整體性能等方式進(jìn)行成本控制，在技術(shù)不斷進(jìn)步的同時，我們對全釩液流電池技術(shù)未來在儲能領(lǐng)域所發(fā)揮的作用持有非常積極的態(tài)度。 參考資料： [1] Darling, R. 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