我国钒电池行业现状及前景分析市场进入商业化初期装机量有望大幅超预期

2021-10-08 02:42

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一、钒电池行业概况

1.钒电池概念及优点

钒电池全称全钒氧化还原液流电池，是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。钒电池是一种蓄电池，利用钒离子在不同氧化态下的不同化学势能保存能量，具有充放电效率高、容量可以随着贮液罐的增加而提高、电解液可以循环使用等优点。

钒电池主要优点

优点	简介
大功率	通过增加单片机电池的数量和电极面积，可以提高钒电池的功率。美国商业示范运行的钒电池功率已达6兆瓦。
大容量、储能容量可控	通过任意增加电解液的体积，可以任意增加钒电池的功率，达到超过GWH；通过增加电解液的浓度，可以成倍增加钒电池的功率。
高效	由于钒电池电极的催化活性高，正负活性物质分别储存在正负电解液储槽中，避免了正负活性物质的自放电消耗，充放电能量转换钒电池的效率高达75%以上，远高于铅酸电池的45%。
使用寿命长	由于钒电池正负活性物质分别只存在于正极和负极电解液中，在充放电过程中其他电池的相位没有变化，可以在不损坏电池的情况下进行深放电，电池使用寿命长。加拿大VRB动力系统商业示范中运行时间最长的钒电池组件已正常运行9年多，充放电循环寿命超过18000次，远高于固定铅酸电池的1000次。
响应速度快	钒电池组充满电解液瞬间启动。运行过程中，充放电状态切换仅需0.02秒，响应速度为1毫秒。
瞬间充电	通过改变电解液可以实现钒电池的瞬间充电。
安全性高	钒电池无爆炸、火灾隐患，即使正负电解液混合，也无危险，但电解液温度略有上升。
制造和安置便利	波流电池选址自由度大，系统可全自动封闭运行，无污染，维护简单，操作成本低。
深充深放	系统深充深放不会对电池性能造成影响，系统放电深度（DOD）≥90%。在快速、大电流密度下充放电，不会对电池造成损伤。
环境友好	电解液均为液体，能无限次循环使用，且电解液可回收利用，不会对环境造成污染；电堆材料中电极采用炭/石墨毡，双极板大多采用石墨或碳材料，报废后不会对环境造成污染。其他材料多为高分子材料，可回收利用。

资料来源：观研天下整理

2.钒电池发展历程

1974年，Thaller提出了一种电化学储能技术，这种新的蓄电池称作液流电池，也是钒电池的前身，钒电池在海外市场逐渐发展起来。与其他国家相比，我国钒电池行业起步较晚，1995年，中国工程物理研究院电子工程研究所首先在中国展开钒电池的研究。此后，随着研发能力不断提高，我国钒电池产品持续迭代，行业向好发展。

我国钒电池行业发展历程

时间	事件
1995年	中国工程物理研究院电子工程研究所首先在中国展开钒电池的研究，研制成功500W和1kW的样机,拥有电解质溶液制备等多项专利。
2006年	中国科学院大连化学物理研究所研制成功10kW试验电堆,并通过国家科技部验收,标志着中国的全钒液流电池系统取得阶段性成功。研究开发的全钒液流储能电池示范系统由千瓦级电池模块、系统控制模块和LED屏幕三部分组成。利用该系统可实现利用储能电池储存夜间电能,在日间对LED屏幕进行供电。
2006年	清华大学利用在膜分离功能材料制备、膜过程与设备设计等方面的研究经验和技术积累,以及电解质溶液热力学、功能膜材料物理化学、化工过程传质学的丰富理论研究成果,在电堆流道设计、电堆密封结构、锁紧方式方面取得研究成果，并成功研发出全钒液流电池测试平台。
2009年	北京普能世纪科技有限公司于2009年收购VRB公司,由此掌握钒电池的核心专利权。普能公司已经在钒电池的电堆集成技术、关键材料研发以及电解液制备技术三方面取得重大成果，占据了国际领先地位。
2011年	《“十二五”钒钛资源综合利用及产业基地规划》于年中发布，中国钢铁工业协会钒业分会也于2011年5月正式成立，表明中国钒钛业发展已上升至国家层面，钒资源新的利用方向-钒电池也开始逐渐为市场所关注。
2015年12月18日	国内最大钒钛生产商攀钢参与合作研发的千瓦级钒电池产品已批量生产，兆瓦级产品处于商业化示范阶段。
2016年	湖北省科技厅召开国家国际科技合作重点专项“高性能纳米线钒系锂离子动力电池联合研发”项目验收会。该项目面向清洁高效能源的可持续发展，通过与哈佛大学开展合作，建成了单次百公斤级纳米线钒系正极材料中试线和自动化电子生产线，完成了纳米线钒系动力电池的装配和装车实验，进行了电动汽车示范运行，对我国发展清洁高效能源系统产生了积极影响。
2020年6月11日	中国科学院大连化学物理研究所发布消息称，该所研究员李先锋、张华民领导的科研团队近日成功研发出新一代低成本、高功率全钒液流电池电堆。

数据来源：公开资料整理

二、钒电池行业市场发展环境

1.国内钒资源丰富

钒具有天然的耐腐蚀性和对碱、酸和盐水的稳定性，存在于60多种不同的矿物中，包括钒矿、角闪锌矿、玫瑰铅矿和铜矿。钒也存在于原油、煤炭和沥青砂等化石燃料中。钒金属是生产钒电池的主要原材料，我国钒储量及产量丰富为钒电池行业的发展奠定基础。

（1）钒储量

钒资源全球储量2000万吨，区域分布集中，主要分布于中国、俄罗斯、南非和澳大利亚四国，其中中国占比高达47%。

全球钒资源分布情况

数据来源：观研天下数据中心整理

中国钒矿资源主要集中在四川攀枝花和河北承德地。攀枝花钒钛磁铁矿资源量达90.6亿吨，占全国52%。河北承德地区钒钛磁铁矿资源量达83.72亿吨，占全国25%。

中国钒资源分布情况

数据来源：观研天下数据中心整理

（2）钒产量

在产量方面，中国独占鳌头。数据显示，2020年全球钒产品产量约8.6万吨，其中中国产量为5.3万吨，占比61.6%，其次为俄罗斯、南非和巴西，产量分别为1.8、0.88、0.62万吨。

2020年全球钒产品产量占比

数据来源：观研天下数据中心整理

2.电化学储能或持续增长，钒电池渗透率或快速上升

根据观研报告网发布的《2021年中国钒电池行业分析报告-产业格局现状与发展规划趋势》显示，虽然目前储能方式中抽水储能为主要方式，但电化学储能的渗透率正在快速上升。数据显示，全球电化学储能占比从2018年的3.7%提升到2020年的7.5%，2020年全球电化学储能达到14.25GW，同比增长49.65%。抽水储能受到地理环境的限制较多且相应速度偏慢，电化学储能布置灵活、响应速度较快，预期将成为未来储能增长的主要组成部分。综合安全、全生命周期成本来看，钒电池将在储能领域占据主导地位，预期2025年钒电池在储能领域渗透率有望达到15%-20%。

2010-2020年全球储能装机规模及增速

数据来源：观研天下数据中心整理

2015-2020年全球电化学储能装机规模占比

数据来源：观研天下数据中心整理

3.国内政策支持

近十年来，产业政策一直在鼓励钒电池的发展，主要技术取得重要突破，产品日趋成熟，目前钒电池已经进入商业化初期，项目规模逐渐上升。

我国钒电池行业相关政策

时间	政策	制定部门	主要内容
2012年	《钒钛资源综合利用和产业发展“十二五”规划》	国家发改委	国家发改委发布《钒钛资源综合利用和产业发展“十二五”规划》，提出把“钒电池开发”等作为钒钛产业结构升级的重要任务。
2015年	《关于对电池涂料征收消费税的通知》	国务院	为促进节能环保，经国务院批准，自2015年2月1日起对电池、涂料征收消费税。具体政策内容包括：将电池、涂料列入消费税征收范围，在生产、委托加工和进口环节征收，适用税率均为4%。对无汞原电池、金属氢化物镍蓄电池、锂原电池、锂离子蓄电池、太阳能电池、燃料电池和全钒液流电池免征消费税。
2017年1月	《能源技术创新“十三五”规划》	国家能源局	国家能源局正式发布《能源技术创新“十三五”规划》，明确了2016年至2020年能源新技术研究及应用的发展目标。全钒液流电池储能产业化技术被列入了国家十三五能源新技术发展规划内，目标在2016-2020年，实施百兆瓦以上级全国产化材料全钒液流电池储能装置示范应用工程;建造300MW/年液流电池产业化基地，实现规模化生产。研究内容：开展全钒液流电池用高性能、低成本非氟离子传导膜的规模化制备，开展30kW及以上级高功率密度电堆、高集成度集装箱式200kW以上级的全钒液流电池模块的工程化技术开发;制定全钒液流电池标准。
2019年2月	《全钒液流电池储能电站安全卫士技术规则》（征求意见稿）	国家能源局	国家能源局发布《全钒液流电池储能电站安全卫士技术规则》（征求意见稿），标准起草组认真总结了全钒液流电池储能电站的设计及运行实践经验，吸取了相关科研成果，考虑了我国全钒液流电池储能电站技术发展情况，并广泛征求了有关设计、管理和运行单位意见的基础上，完成了本标准的制定工作。
2021年7月	《关于加快推动新型储能发展的指导意见》	国家发改委和能源局	国家发改委和能源局发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》，文件提出要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，实现液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期。

资料来源：观研天下整理

钒电池项目一览表

时间	地点	项目	规模
2021年9月7日	湖南省娄底市	湖南省娄底群联储能项目	100MW/200MWh
2021年以来	河南省开封市	河南开封市建设储能新材料产业园	-
2021年1月6日	湖北省襄阳市	北京阳光鸿志新能源钒电池研发生产项目	-
2021年2月7日	河北承德市	东梁风电场丰宁森吉图全钒液流电池风储示范项目	3MW/12MWh
2021年5月21日	宁夏省中宁县	宁夏中宁全钒液流电池储能装备产业园项目	-
2021年8月12日	河南省淅川县	河南淅川全钒液流储能电池装备制造项目	500MW/2000MWh
2021年8月29日	湖北省襄阳市	国家电投100MW/500MWh全钒液流电池储能项目	100MW/500MWh
2020年1月22日	福建省霞浦县	霞浦县全钒液流储能电池项目	1000MW
2020年6月2日	河北省承德市	10千瓦光伏+储能系统（ESS）试点示范项目	5kW/20kWh
2020年10月21日	四川省攀枝花市	攀枝花全钒液流储能研发及产业园	-
2020年10月22日	安徽省巢湖市	上海电气（安徽）储能科技有限公司液流储能电池项目	200MW/1GWH
2020年12月23日	新疆省阿瓦提县	晟嘉电气新疆阿瓦提全钒液流储能电站	7.5MW/22.5MWH
2019年1月5日	湖北省枣阳市	湖北枣阳平凡瑞丰全钒液流电池储能项目	10MW/40MWh
2019年9月5日	河北省承德市	江西电建与河钢承钢全钒液流电池储能示范项目	5MW/20MWh
2019年11月	辽宁省瓦房店市	辽宁瓦房店镇海100MW网源友好型风电场示范项目	10MW/40MWh

资料来源：观研天下整理

三、钒电池VS锂电池

1.相较锂电池，钒电池劣势

相较锂电池，钒电池最大的劣势就是成本。成本是制约钒电池发展的核心原因。全钒液流电池（钒电池）每千瓦投资成本在4500-6000元，而抽水储能、锂电池每千瓦成本在750~1200元、2500~-4500元，高成本使得钒电池在储能领域的应用并不广泛，而锂电池成本的持续下降使得钒电池行业发展压力进一步增大。

储能成本对比

类别	储能系统成本（元/KWh）
抽水储能	750-1200
压缩空气储能	200-2500
超级电容	9500-13500
铅蓄电池	800-1000
锂电池	2500-4500
全钒液流电池	4500-6000

数据来源：公开资料整理

1991-2018年锂电池成本

数据来源：观研天下数据中心整理

钒电池的成本主要来自于电堆和电解液。电解液成本主要受到钒价的影响，或通过商业模式创新展开。钒电池电解液的主要由五氧化二钒和硫酸组成，而钒作为相对稀缺的金属，价格较高，钒电池电解液降成本的难度较大。但由于钒电解液的回收利用率较高，因此通过租赁、或者到期出售电解液的模式新建钒电池储能可以有效解决电解液成本较高的问题。假设钒电池电解液回收率达到90%，则从全生命周期看，钒电池电解液成本仅为初期投入成本的10%，钒电池建设成本将大幅降低。

电堆的成本主要来自于隔膜等材料。目前，电堆成本的下降已经逐步展开：大连化物所通过开发可焊接多孔离子传导膜，使得电堆膜材料的使用面积下降30%、电堆的总成本下降40%，假设电解液的成本不变，目前钒电池成本下沿已下降至2844元/kwh。随着技术的进步，钒电池电堆成本仍将持续下降。

钒电池成本占比

数据来源：观研天下数据中心整理

2.相较锂电池，钒电池优势

相较锂电池，钒电池最大的优势就是安全。在当前环境下，储能产业仍处在技术之争的阶段，除抽水储能外，各电化学储能方式尚未有明确的发展方向。从储能最终客户角度来看，作为新能源配套的供电侧基础设施，储能设施的底线是安全。锂电池虽然在当下具有一定成本优势，但不论是三元还是铁锂结构均反复出现安全性事故。

8月24日，国家发改委、国家能源局下发《电化学储能电站安全管理暂行办法（征求意见稿）》，提出要进一步加强对电化学储能电站的安全管理，将安全作为电化学储能的核心要求。在相关政策的监管下，我国钒电池凭借安全特性或将成为电化学储能的主要方式。叠加钒电池生命周期成本较低优势，未来钒电池将会成为储能的最佳选择，推动储能达到经济性。

时间	事故
2021年1月	湖南邦普循环火灾（宁德孙公司)
2021年4月	北京集美大红门25MWh锂电储能电站火灾
2021年7月	特斯拉澳大利亚“The Victorian Big Battery”火灾
2021年7月	东莞凯德新能源火灾