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近期，眾為資本組織的眾為產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新沙龍活動成功舉辦。

在本次分享中，我們邀請到了國際著名燃料電池和液流電池專家、中科院大連化學(xué)物理研究所首席研究員及博士生導(dǎo)師張華民教授與眾為產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的專業(yè)人士深入交流，共話全釩液流電池儲能技術(shù)的技術(shù)進(jìn)展，市場需求與前景展望。

我們也對本次分享的內(nèi)容進(jìn)行了梳理，精華如下：

01

液流電池的技術(shù)演進(jìn)

從液流電池的各類技術(shù)來看，鐵鉻液流電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚需觀察。主要基于如下考量：

圖例：來自嘉賓現(xiàn)場分享內(nèi)容

1、鐵鉻液流電池用鹽酸做電解液帶來的蒸氣壓高，充電過程當(dāng)中還會產(chǎn)生氯氣，這都是一些腐蝕性氣體；

2、鉻的反應(yīng)活性比較低，要在60°C以上來運(yùn)行，在我國三北地區(qū)應(yīng)用時，把上萬立方米的電解液從零下30°C加熱到60°C并保持在這個溫度，需要大量的能量；

3、電解液濃度比較低，不到0.9個摩爾，是釩電解液濃度的一半，電堆的額定工作電流密度也比較低，占地面積就比釩電池要大一倍。

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最近比較熱的還有全鐵液流電池，分為沉積型、非沉積型。但它目前存在一定問題，比如沉積型全鐵液流電池，正極活性物質(zhì)在強(qiáng)酸條件下穩(wěn)定，負(fù)極沉積的鐵在強(qiáng)酸條件下易析氫，導(dǎo)致庫倫效率低；鐵沉積的動力學(xué)較慢，導(dǎo)致電壓效率較低；負(fù)極沉積的鐵枝晶容易刺穿隔膜等。非沉積型液流電池電解液的穩(wěn)定性也是很大挑戰(zhàn)。

鋅基液流電池目前還處在基礎(chǔ)研究階段。循環(huán)壽命、鋅枝晶和鋅累集等問題有待突破。

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我初步預(yù)判，十年之內(nèi)能夠真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的是全釩液流電池——全釩電池是指正負(fù)極兩端都是同一種物質(zhì)釩，釩有四個價態(tài)，在充放電的過程中價態(tài)變化，這就不容易造成能量衰減，也沒有其他雜質(zhì)元素引入，電池系統(tǒng)常年運(yùn)行造成的電解液價態(tài)失衡可以通過在線或離線進(jìn)行再生恢復(fù)。

02

釩液流電池的特點(diǎn)

1、功率和容量可獨(dú)立設(shè)計，尤其適合大規(guī)模、大容量儲能。釩液流電池的電池系統(tǒng)和電解液是分開的，想要增加儲能時間，只需增加電解液，電池的均勻性非常好，儲能容量大，從1000sKWh到100sMWh；輸出功率也大，從10sKW到100sMW。

2、能量效率高、充放電性能好、循環(huán)壽命長。釩液流電池儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到80%，但此時成本也相對較高。但我們在講轉(zhuǎn)換效率平衡的時候，大規(guī)模釩液流電池儲能系統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)都是要對標(biāo)抽水儲能的能量轉(zhuǎn)化效率，即不低于70%。

3、啟動和效應(yīng)速度快，充放電切換只需0.02秒。并且其系統(tǒng)是在常溫封閉環(huán)境下運(yùn)行，電解液可以半永久使用，性價比高。衰減或可通過電化學(xué)的方法來恢復(fù)，電池的壽命是比較長的，整個系統(tǒng)的充放電循環(huán)次數(shù)大約15000次。

并且電解液是水溶液，不會著火和爆炸，是一種本征安全的大規(guī)模儲能技術(shù)。但是受到釩離子溶解度的限制，能量密度比較低。

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此外，電池在使用過程中，釩僅僅是價態(tài)變化，可循環(huán)使用節(jié)約資源。整個電堆是五十個單電池疊加，回收簡單，殘余價值較大。

03

釩液流電池逐漸熱門的原因

當(dāng)下釩液流電池比較熱的原因主要得益于大環(huán)境，國家提出了實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，在十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)中也制定了方向。在新能源中，風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電技術(shù)等領(lǐng)域我們都是領(lǐng)先的，但儲能卻是一個瓶頸。儲能在電網(wǎng)中主要是促進(jìn)新能源的消納，解決發(fā)電時間和用電負(fù)荷時間不匹配的問題；因?yàn)轱L(fēng)能、太陽能等可再生能源是一種不連續(xù)、不穩(wěn)定的間歇型能源，在構(gòu)建“新能源+儲能”新型電力系統(tǒng)當(dāng)中，儲能的主要作用則是調(diào)峰。

目前，全球范圍內(nèi)鋰離子電池都適用在兩個小時之內(nèi)的儲能。安全因素是關(guān)鍵的制約條件。北京市目前將鋰離子電池、鈉離子電池的防火設(shè)為甲級乙級，而釩液流電池則為丁級。

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在2021年全球氣候峰會上，長時儲能理事會與麥肯錫發(fā)布報告稱，當(dāng)再生能源發(fā)電量達(dá)到電力系統(tǒng)的60%-70%的市場份額時，長時儲能系統(tǒng)將成為“成本最低的靈活性解決方案”。預(yù)測2030年，超過8小時以上的長時儲能可能占總儲能裝機(jī)量的30%，長時儲能會達(dá)到4-8個TWh，將超越短時儲能。國內(nèi)各個新能源發(fā)電大省都紛紛發(fā)文，要求風(fēng)能、光伏等新儲能電站的建設(shè)，必須配建四小時以上的儲能電站，通過比例調(diào)控、打分等級制調(diào)節(jié)儲能電站的配比。

04

新型電力系統(tǒng)需要怎樣的儲能技術(shù)

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1、電池本身需要安全，不會發(fā)生著火爆炸，最近幾次美國特斯拉充電站的爆炸著火，也透露出電池爆炸或著火后之后會產(chǎn)生氫氟酸和鹽酸。

2、在新型電力系統(tǒng)當(dāng)中，儲能系統(tǒng)的主要作用是調(diào)峰，因此在大規(guī)模、大容量儲能技術(shù)必須具備連續(xù)放電時間長的能力。

3、使用壽命要長，能夠與光伏、風(fēng)機(jī)等使用壽命一致。全釩液流電池滿足大型儲能電站對于“大規(guī)模、大容量、高安全性、低成本、長壽命、長時放電及環(huán)境友好”等要求。

05

釩液流電池的產(chǎn)業(yè)前景

從產(chǎn)業(yè)角度，釩液流電池具備一定優(yōu)勢，具體而言：技術(shù)自主可控，目前已經(jīng)形成完整自主知識產(chǎn)權(quán)體系，并主導(dǎo)制定國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)水平達(dá)到國際領(lǐng)先水平；資源自主可控，全國查明釩資源儲量約7000萬噸，中國釩儲量占全球35%、釩產(chǎn)量占全球48%；產(chǎn)業(yè)鏈自主可控，關(guān)鍵材料已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，裝備制造產(chǎn)能全球最大。

而過往開展的項(xiàng)目不多，主要是因?yàn)檫^去很長時間都是短時儲能需求，能量轉(zhuǎn)化效率比鋰電池低，市場認(rèn)知度較低，商業(yè)模式的創(chuàng)新有待加強(qiáng)，人才儲備也不足，產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模較小。

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談及釩液流電池成本問題，大家常常會說釩電池價格昂貴，這主要是跟鋰電池一、兩個小時儲能對比得出的。但隨著儲能時間越長，釩液流電池的成本就越低。釩液流電池在電解液10萬元/噸的情況下，對4小時釩液流電池儲能系統(tǒng)的價格是3000元/kWh，其中不含電解液的電池系統(tǒng)價格是6000元/kW，電解液占初期投資價格的50%，在運(yùn)行20年以上，結(jié)合各種殘值回收，實(shí)際價格約為1020元/kWh。

但釩液流電池也存在一個風(fēng)險即五氧化二釩的供應(yīng)。上面的預(yù)測都是基于電解液原料（五氧化二釩）的價格在理性的10～11萬/噸內(nèi)做出的，如果超過15萬/噸，全釩液流電池產(chǎn)業(yè)很有可能會夭折。

06

互動問答

1、哪些場景對于四小時以上的長時儲能需求更大呢？

張教授：首先是新能源占比比較高的地區(qū)，比如青海、新疆、內(nèi)蒙、西藏等，兩小時的儲能不能滿足他們的需求。比如風(fēng)能、太陽能都是典型的間歇性能源，波動發(fā)電。要保證電網(wǎng)運(yùn)行，波谷時候可以補(bǔ)充，發(fā)電高峰時候可以消納，這就需要長時儲能來平衡。發(fā)電側(cè)場景下更需要長時儲能，電網(wǎng)對于發(fā)電側(cè)提出了更高的要求，但目前電網(wǎng)在儲能投入的意愿還需繼續(xù)加強(qiáng)。

2、抽水蓄能目前發(fā)展情況怎樣？在抽水儲能和電化學(xué)儲能上該怎樣選擇？

張教授：

1）環(huán)境需要有水；

2）抽水儲能電站上下水庫，最好要有50米以上的高差，在南方水源比較充足情況下可行，但是在北方水源不夠，東北、西北、華北水資源都是不夠的，基本上很少有發(fā)展抽水儲能的空間；

3）三北地區(qū)也是風(fēng)能、太陽能發(fā)電是最集中的地方，但沒有抽水儲能的條件，只能靠電化學(xué)儲能。但目前即便是在有條件的地區(qū)，抽水儲能建站的搬遷、占地成本也越來越高。

3、像水泥、鋼鐵等用電大戶企業(yè)，這類企業(yè)的儲能需求是怎樣的？

張教授：這類高耗能的企業(yè)，目前國家已經(jīng)有一些要求，以前使用火電的用電大戶要求它們配備一定的綠色能源儲備系統(tǒng)，一般會有4小時以上的長時儲能需求。對于一些想要利用峰谷電價進(jìn)行套利的工商業(yè)主體，目前首先需要最少電價差在0.8元以上，這一般在南方地區(qū)有一定的可行性。這類企業(yè)的儲能需求是否需要四個小時以上的儲能系統(tǒng)還不確定，這里面的初始投入成本也是一個重要因素。

4、目前釩液流電池的成本還比較高，什么時候會迎來大規(guī)模市場份額增長的轉(zhuǎn)折點(diǎn)呢？

張教授：需隨著風(fēng)能、太陽能發(fā)電在電網(wǎng)中的占比增加，更多的單位配備四小時以上的儲能系統(tǒng)。因?yàn)殡S著時間的增長，電池的安全性會更加凸顯。目前鋰電儲能時間一長，積累的熱能不容易被散發(fā)出去。同時儲能規(guī)模做大以后，對電池的均勻性要求也會更高。

針對這個問題，眾為資本合伙人徐薇也結(jié)合自己對產(chǎn)業(yè)的觀察進(jìn)行了補(bǔ)充：

1）目前，在能源構(gòu)成中綠色能源占比不太高，電網(wǎng)調(diào)度對儲能的需求還沒有起來，當(dāng)綠電的占比越來越高，電網(wǎng)開始真正調(diào)度這些儲能資產(chǎn)的時候，行業(yè)相關(guān)方也會切實(shí)投入儲能建設(shè)，去考量經(jīng)濟(jì)賬——這或是一個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；

2）從政策上來說，各地都是區(qū)域化制定政策，比例也較為隨意，隨著之后配比政策逐漸科學(xué)化，長時儲能配備要求更高的時候，這幾個因素合并疊加，大家會主動投資儲能資產(chǎn)，而非被動去建儲能。

5、如何看待目前釩液流電池的能量轉(zhuǎn)換效率還不夠高的問題？

張教授：各個電池的特點(diǎn)不一樣，不能拿鋰電的優(yōu)點(diǎn)同釩電的缺點(diǎn)來比較。應(yīng)該同抽水儲能這個最常規(guī)的東西去比對標(biāo)，傳統(tǒng)的抽水儲能能量轉(zhuǎn)換效率是70到75之間，所以液流電池國家標(biāo)準(zhǔn)電堆能量效率要大于80%，系統(tǒng)的效率大于70%。鋰電的優(yōu)勢就是能量轉(zhuǎn)化效率高，但它的弱點(diǎn)是第一年可能衰減6%，此后逐年衰減2%-3%，所以鋰電壽命是五到八年的時間，這屬于短跑選手，而釩電是馬拉松選手。

6、怎么看待釩的生產(chǎn)過程中的環(huán)節(jié)污染問題？

張教授：鋼鐵生產(chǎn)釩沒有特殊的污染，但石煤提釩確實(shí)會產(chǎn)生污染，要能夠做到廢氣達(dá)標(biāo)排放，廢水循環(huán)使用，目前生產(chǎn)成本是8萬。之前我們咨詢了提釩企業(yè)和專家，他們都表示若保證廢水不排放、廢氣達(dá)標(biāo)排放，環(huán)保成本會增加，五氧化二釩的售價可能就要在10萬以上。我們判斷五氧化二釩的價格將來不會低于10萬。

7、如何降低釩液流電池的主要成本？

張教授：整個全釩液流電池成本下降其實(shí)不僅是靠核心原材料去降本，還要圍繞降低電池電堆里的電阻，提高電流密度來開展。提高電流密度要確保能量轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到80%，需要從電堆設(shè)計和材料創(chuàng)新這兩個方向發(fā)力，如果電堆的成本下降以后，整個系統(tǒng)成本都降下來，再加上電解液作為金融租賃產(chǎn)品的商業(yè)模式，成本會有很大下降。

8、如何看待氫儲能的發(fā)展前景？

張教授：氫儲能理論上的能量轉(zhuǎn)換效率才30%（電解1標(biāo)準(zhǔn)立方米的氫氣通常需要耗電4.3-4.5度電，1標(biāo)準(zhǔn)立方米的氫氣用燃料電池發(fā)電通常只能發(fā)1.3度電），就算設(shè)備不要錢，四度電能換一度電，那電價就漲了四倍，沒有經(jīng)濟(jì)性。

但氫氣是重要的化工原料。如何降低氫能的運(yùn)輸成本和安全風(fēng)險也是一個大問題，總體而言，我認(rèn)為氫是有能源屬性的，但是真正氫的屬性是重要的化工原料，作為儲能是不太合適的，沒有經(jīng)濟(jì)性。