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(lèi)：前沿資訊
- 作者：羅旋
- 發(fā)布時(shí)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(chǔ)能方向上的發(fā)展十分迅速，這也很大程度上是由于其儲(chǔ)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(chǔ)能方向上的發(fā)展十分迅速，這也很大程度上是由于其儲(chǔ)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(zhǎng)、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(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)，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(guó)，據(jù)鈦媒體2021年不完全統(tǒng)計(jì)，目前全釩液流電池成本大約在3-3.2元/Wh，與之對(duì)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?xún)?yōu)勢(shì)，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(cè)算，伴隨著全釩液流電池技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化的逐步展開(kāi)，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(chǔ)能規(guī)模為10千瓦/120千瓦時(shí)的全釩液流電池為例[1]，其成本主要包括三個(gè)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(kāi)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(guó)際再生能源機(jī)構(gòu)IRENA預(yù)測(cè)，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(shí)，全釩液流電池的總安裝成本為315美元/千瓦時(shí)，到2030年有望下降至108美元/千瓦時(shí)，而全釩液流電池總成本預(yù)計(jì)不會(huì)超過(guò)360美元/千瓦時(shí)。液流電池初期成本高，但其服役周期長(zhǎng)，其電池通?？梢匝h(huán)超過(guò)10000圈，因此長(zhǎng)期而言，液流電池依然在成本上具有很大優(yōu)勢(shì)。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(duì)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(zhǎng)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(dòng)力學(xué)過(guò)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(bào)道[3]，通過(guò)對(duì)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(jià)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(zhǎng)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(jià)態(tài)的釩離子，并且使用水作為電解質(zhì)溶劑。據(jù)美國(guó)地質(zhì)勘探局USGS數(shù)據(jù)，全球已探明釩礦儲(chǔ)量共計(jì)2200萬(wàn)噸，其中中國(guó)儲(chǔ)量達(dá)950萬(wàn)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(chǔ)量的23%和16%，并且目前中國(guó)釩礦產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量62%，釩礦產(chǎn)量與儲(chǔ)量都相對(duì)豐富，這也是我國(guó)與西方國(guó)家在液流電池路線選擇上，我國(guó)更加推崇全釩液流電池體系的原因，而西方國(guó)家受制于釩礦儲(chǔ)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(gè)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(guò)集成堆棧的方式以實(shí)現(xiàn)成本降低；此外，也可以通過(guò)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(chǔ)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(kāi)資料對(duì)世界上的主流全釩液流電池生產(chǎn)商進(jìn)行一定分析，對(duì)其所提及的降本及性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行一定總結(jié)與梳理。 下一代液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商聲稱(chēng)WattJoule在2020年的產(chǎn)品ElectriStor Gen1已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了200美元/千瓦時(shí)的價(jià)格，僅為市場(chǎng)價(jià)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(jià)格將分別下降至150美元/千瓦時(shí)和100美元/千瓦時(shí)。根據(jù)其公開(kāi)資料表示，與市場(chǎng)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(dòng)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(jià)格 WattJoule通過(guò)提高電解質(zhì)存儲(chǔ)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(yíng)成本的整體降低。WattJoule的釩電解質(zhì)通過(guò)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(duì)工業(yè)級(jí)別純度釩的直接使用，實(shí)現(xiàn)了電解液生產(chǎn)工藝的簡(jiǎn)化與升級(jí)，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(jìng)爭(zhēng)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(gè)方面。可以看出，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(lái)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(zhuān)注于做液流電池的公司LE SYSTEM Co., Ltd.也在其公開(kāi)資料中強(qiáng)調(diào)其生產(chǎn)的全釩液流電池最大優(yōu)勢(shì)就是通過(guò)其原創(chuàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)對(duì)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(jià)的釩電解質(zhì)。 VRB Energy在其公開(kāi)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(zhuān)有的低成本離子交換膜和雙極材料、長(zhǎng)壽命電解質(zhì)配方以及創(chuàng)新的流通池設(shè)計(jì)。VRB Energy聲稱(chēng)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(jì)具有先進(jìn)的流場(chǎng)設(shè)計(jì)，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(chēng)專(zhuān)有的電解質(zhì)配方專(zhuān)為低成本制造、最佳性能和長(zhǎng)壽命而設(shè)計(jì)，因此可以在保證性能的同時(shí)，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(guó)GEC金能科技則在其公開(kāi)資料上聲稱(chēng)其擁有世界領(lǐng)先的全球超高性?xún)r(jià)比儲(chǔ)能釩電池專(zhuān)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(shì)、產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)。GEC通過(guò)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(jiǎn)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(zhǎng)，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(guò)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(wú)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(zhǎng)、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(wú)需換熱器、高穩(wěn)定性、充放電過(guò)程釩離子遷移少液位變化小等優(yōu)勢(shì)，可以極大程度上降低成本，并且這些技術(shù)都申請(qǐng)了相應(yīng)發(fā)明專(zhuān)利。 西班牙公司HydraRedox聲稱(chēng)其開(kāi)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(dòng)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(jì)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(zhǎng)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(lái)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(shì)的原因。 StorEn Technology聲稱(chēng)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(chēng)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(duì)開(kāi)發(fā)的MULTIGRIDS創(chuàng)新流動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)可將電池動(dòng)力側(cè)的成本降低 50% 以上，同時(shí)通過(guò)在較低壓力下運(yùn)行來(lái)保持電池組運(yùn)行的可靠性和持續(xù)性。并且在其公開(kāi)資料上提到，其所掌握的電池技術(shù)和專(zhuān)利結(jié)合其專(zhuān)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(kāi)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(guò)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(guó)全釩液流電池制造商融科儲(chǔ)能是中國(guó)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(chǔ)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(kāi)資料上其技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)的特有優(yōu)勢(shì)并未進(jìn)行相關(guān)公示。但其宣稱(chēng)其下設(shè)大連融科儲(chǔ)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(chǔ)能裝備生產(chǎn)基地，并且融科儲(chǔ)能已成為全球領(lǐng)先的全釩液流電池全產(chǎn)業(yè)鏈開(kāi)發(fā)、完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)及高端制造能力的服務(wù)商。中國(guó)全釩液流電池制造商融科儲(chǔ)能的產(chǎn)品TPower也在運(yùn)行溫度上得到改善，據(jù)其公開(kāi)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(duì)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(kāi)資料顯示其全釩液流電池產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力在于專(zhuān)有的 VRFB 電解液處理技術(shù)專(zhuān)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(kāi)資料顯示，其獨(dú)有的專(zhuān)利純化工藝解決了典型 VRFB系統(tǒng)中的幾個(gè)技術(shù)障礙，并且Largo 擁有世界上品質(zhì)最高的釩資源礦場(chǎng)之一的Maracás Menchen礦場(chǎng)，是世界上成本最低的釩初級(jí)生產(chǎn)商之一，從而帶來(lái)真正的成本優(yōu)勢(shì)。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(guò)多種配置將電力和能源與項(xiàng)目要求相匹配，其垂直堆疊設(shè)計(jì)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(shì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先現(xiàn)在的儲(chǔ)罐水平。此外，其系統(tǒng)的鋼制容器設(shè)計(jì)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(zhǎng)期應(yīng)用時(shí)成本優(yōu)勢(shì)退化，從而帶來(lái)顯著的成本優(yōu)勢(shì)。 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(guò)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(guò)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(xiàng)核心專(zhuān)利的主要技術(shù)內(nèi)容，由于零配件使用的減少以及自動(dòng)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(kāi)資料顯示，Volterions堆棧具有專(zhuān)有的設(shè)計(jì)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(huì)隨著時(shí)間的推移而凝固并因此可能導(dǎo)致泄漏，但 Volterion 電池組通過(guò)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(shí)，具有非常具有優(yōu)勢(shì)的成本效益。此外，每個(gè)Volterion堆棧都有一個(gè)專(zhuān)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(zhǎng)的使用壽命。 總而言之，全釩液流電池的降本之路是其在儲(chǔ)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(guò)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(shí)，我們對(duì)全釩液流電池技術(shù)未來(lái)在儲(chǔ)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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