近几年,随着新能源行业的兴起,尤其是光伏、风能等产业的不断扩张,对于储能的需求与日俱增。当前储能市场处于扩张期,各大企业都在紧锣密鼓抢占市场,而抢占市场的关键便是寻找更具性价比的技术。
市场中储能电池路线选择非常丰富,包括铅酸电池、锂离子电池、超级电容、钠硫电池、钒电池等等。不过在今年,国家能源局发布文件表示,将三元锂离子电池、钠硫电池从中大型电化学储能方案中剔除。同时,钒电池开始进入到国家级大型化学储能示范项目当中,这意味着钒电池的春天到来了吗?
特点鲜明的钒电池
钒电池全称为全钒氧化还原液流电池,也称作钒液流电池(英文缩写VRB),是一种可充电的液流电池,通过采用不同氧化态的钒离子来储存化学势能。目前大多用于电网储能,例如连接到发电厂或电网中。
钒电池的发展最早可以追溯至1933年,由P. A. Pissoort所提出,将钒应用在电池领域,后续人们也进行了诸多尝试。直到上世纪80年代,澳大利亚新南威尔士大学的Maria Skyllas-Kazacos首次成功地研制出全钒液流电池,并在1986年申请了专利。
钒电池的优点在于,方便规模化,电池的容量完全取决于储罐的大小,既可以做到微波炉那么大,也能做到小型别墅那么大,电池容量几乎没有上限。
也可以在完全放电的情况下长时间保存而没有其他不良影响,即便没有可用的电源为其充电只需要更换电解质就能再进行充电。即便电解质不小心混合了,电池也不会遭受到永久性的损害。
这也意味着电池的安全性非常好,即便有大电流与过充过放的情况发生,也毫无压力,并不会起火或爆炸。同时使用寿命长,通常用个20年也没有问题。
之所以将三元锂电池与钠硫电池禁止在中大型化学储能电站中使用,便是因为安全问题。钠硫电池核心温度较高,外层需要防高温材料包裹,一旦破损会造成安全事故。三元锂电池有内短路风险,主要是锂晶体生长造成。
动力电池因充放电次数增加会出现容量快速衰减问题,在无人值守情况下可能出现过充风险。相比之下,钒电池由于安全性高的缘故,比较适合与中大型储能电池中的应用。
当然,缺点在于钒氧化还原技术有相对较差的体积比能量,通常只有15-40Wh/L,甚至不如铅酸电池,这也让钒电池设计体积都很大,基本只能做固定式的应用。
并且钒电池对于环境温度有较高要求,一旦温度超过45℃,正极溶液就会析出五氧化二钒沉淀物堵塞流道,使电池无法正常工作,最终报废。但电解液只要反应就会放热,因此温度控制有难度。当然现在的电解液经过调试,可以保持在50℃以内都不会析出沉淀物。
此外,这种电池中的钒化合物具有较强的毒性。相比之下,磷酸铁锂电池中的磷酸铁锂几乎是无毒的,同时电池本身也不具有有毒重金属或其化合物。而三元锂电池的主要材料之一,锰酸锂也是无毒的。
钒电池能否成为储能市场的未来?
中国对钒电池的研究始于上世纪90年代末,到2008年,大连融科储能技术发展有限公司成立,成为国内首家专门从事钒电池销售的企业,2009年,北京普能世纪科技有限公司收购全球最大钒电池企业加拿大VRB Power System公司。
目前钒电池核心技术主要掌握在日本、中国、澳大利亚、加拿大等国。同时钒电池产业链发展也处于早期阶段,具备钒电池技术的企业数量较少。
值得一提的是,中国是钒电池原材料的最大生产来源国。据统计,2021年中国钒矿产量达到7.3万吨,较2020年增加了2万吨,占全球产量的66.36%。中国钒资源储量占全球39%,与产量同处世界第一,而锂资源中国储量占比仅为7%。
需要注意的是,尽管国内在储量及产量上占有优势,但由于钒电池产业还处于初级阶段,因此成本较高。一方面由于运行电流密度较低,导致电堆成本较高;另一方面由于钒电解液本身价格较高,加上利用率仅为60%左右,导致电解液成本也较高。
同时在短时储能上(2小时以内),钒电池的投资回报率是低于锂电池的,经济性也较差。在4小时储能中,钒电池与锂电池经济性已相差不远。随着储能时间的拉长,尤其是8小时以上时,钒电池的经济性将显著提升并超过锂电池。
因为钒电池的特性,只需要增加钒电解液的容积就行,这也意味着储能时长越长,钒电池的单位投资成本也就越低。
目前钒电池成本达到3-3.2元/Wh,是锂电池的2-3倍,铅酸电池的3-5倍,其中钒电池中电解液成本约占总成本的41%。有机构预测,未来5年内钒电池成本将降至2元/Wh,未来十年成本降至1.3元/Wh。
麦肯锡预测,2025年全球8小时以上的长时储能累计装机量将达到30-40GW,2040年将达到1.5-2.5TW,也是目前全球储能系统装机量的8-15倍。2021年,钒电池在国内新兴储能中装机占比还不足1%,有巨大的发展潜力。
据统计,2022年1-10月期间,国内包括备案、开工、在建、中标、招标等全钒液流电池项目规模合计达到1.3GW/5.4GWh。其中,已经开工、中标、在建的项目合计超过2.0GWh,预计将于2023年逐步落地。
从储能招投标来看,部分2小时储能项目已经配备了10%的钒电池,部分4小时及以上储能的项目配备了50%甚至100%的钒电池。2022年上半年,在建独立储能电站中钒电池的规模已达到302MW/1104MWh,占2022年上半年在建独立储能电站4%,增长迅速。
小结
钒电池的特点在于方便规模化、安全性高以及寿命较长,但由于系统效率较低,导致钒电池通常体积较大,并不适用于移动,只能作为中、大型储能设备使用。并且由于当前材料成本较高,让钒电池在中低时长储能领域中并不具备太大的经济效益,随着储能时间的拉长,钒电池的作用便愈发凸显。未来随着钒电池成本的下降,或许将在中低时长储能市场中也占有一席之地。
(黄山明 电子发烧友网)
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