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锌基储能,锂的完美补充

锌基储能,锂的完美补充

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广东珠海,一座新建的GW级锌基液流电池工厂正准备投产

最近10个月内在建、新招标的项目,比过去十年的量还高数倍。


投融资历来是行业发展的风向标。今年以来,锌基液流电池领域的大额融资不断披露。


今年3月,国内锌铁液流电池制造商纬景储能宣布完成6亿元A轮融资,而位于东莞松山湖的大锌能源也于之前完成新瞳和险峰的融资。这些大多成立不满两年的企业,毫无疑问也站上了风口。


据统计,整个液流电池赛道在今年前五个月所吸纳的资金已超20亿元,融资总额超过2022年长时储能领域拿到的全部资金。目前整个行业初创企业的融资都处于A轮前后,彼此估值相近,在8到9亿元上下,随着企业拿下更多的配储项目,估值会更高。


今年以来,以锌基储能为代表的液流电池由于循环寿命长、安全性高、应用场景广等优点,而成为长时储能市场中的一股关键力量,市占率不断攀升。据不完全统计,仅最近十个月内在建、新招标的液流电池规模,便已超过过去十余年装机总和的数倍


液流电池产业从未有过今天这样的发展速度。人、财、物高速涌入,正推动这个新兴赛道走向产业化窗口。液流电池的多种技术路径,如全钒、锌铁、铁铬、全铁等,均有代表性企业出现,且各家产能已超越数百兆瓦。液流电池产业已来到GW时代,站到了产业化的窗口前。而其中,全钒虽然技术最成熟,但是原材料来源不稳定及价格暴涨暴跌波动剧烈一直成为限制其大规模量产的因素;而铁基的电池虽然原材料来源广,价格便宜,但因其能量密度过低性能较差以及技术不成熟,也一直无法大规模应用;与之相比,作为世界第一大产锌国的中国,拥有丰富的锌资源和产能供给,而能量密度和性能方面,锌又以较高的能量密度,原理性绝对安全和接近100%的环保回收效率而脱颖而出。





在使用场景方面,水系锌基电池应用范围广泛,可应用在风能发电方面、国家电网调峰、新能源电动汽车电源、UPS电源和EPS应急电源、配电、特种蓄电池、光伏发电等多种场景上边。同时,电池设计构思灵活多变,充、放电性能好,电容量高。


同时水系系统可全自动设备封闭式运作,生产制造低成本,绿色环保无污染自然环境适应力较高电池性能受环境温度影响较小,当环境温度完全恢复时,电池容量同样也可以完全恢复。该系统可全自动设备封闭式工作,并不会造成有机气体及废弃电解液。因为原理性绝对安全,不像锂离子电池相同容易造成发生爆炸,安全性高论上安全性高。因其活性物质存在于电解液中,并不会引起物象变化,可深度放电而不影响电池寿命。另外,其反应过程不造成H2等易燃易爆气体,无发生爆炸风险。同时,能量效率高、性价比高,使用寿命长寿命长。深放电循环性能强,过放电后再充电,容积非常容易完全恢复,并且超深度放电不引起电池的不可逆损伤。


坦白而言,包括锌基在内的液流电池产业距离真正实现类似目前锂电池的产业化,达成大规模生产与落地,还有一定的距离。它们的困难依旧不少:初装成本较高,技术不够成熟,电解液利用率、电堆效率须提升;产业链还不健全,上游原材料供给不稳定、下游被电网的调用次数不充足....


历经十余年的发展,锌基电池终于走到了产业化前夜。面对多种困难,企业们正在全力破局,各使解数。


5月10日,湖北省发改委公示了拟纳入湖北省2023年新型储能电站的试点示范项目清单,清单共包含21个项目,所需采购的试点示范项目规模达1GW(百万KW)


不同寻常的是,清单里没有任何项目是单独采用锂离子电池配储的,反而大规模配置了液流电池。招标需求中,全钒、铁基、锌基三种技术路径的液流电池加起来,合计规模达到了480MW(1MW=1000KW),占项目总规模的48%。


按照3小时平均储能时长、2.5元/WH平均初装成本计算,这480MW项目仅所涉的建设资金就高达36亿元,订单带来的收入足够支撑几家公司上市了。


今年3月,国家能源局发布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2023版)》中,强调了对中大型电化学储能电站的安全性要求,对电站可用的电池技术种类做了基本限定。《要求》明确,锂离子电池不得设置在人员密集场所,并将具有本征安全性的水系液流电池划为重点发展方向。


发生这一变化的关键诱因是长时储能需求的进一步爆发,以及电站对安全性、容量可扩展性的要求进一步提升。


对储能来说,在快速响应电网调频需求的同时,进一步解决风电、光电在昼夜、四季等不同时间段发电量波动的问题,配合电网调节用电与发电情况,促进风光电高比例并网,是其存在的根本原因。


当下,我国储能市场以储能时长在2~4小时之间的短时储能系统为主,市占率在92%以上。中国化学与物理电源协会秘书长王泽深认为,“短时储能不能满足电力系统跨天、跨月、乃至跨季、跨年的储能需要,难以解决峰谷时期供需匹配的经济性问题。这就需要建设储能时长在4小时以上的长时储能技术。”


王泽深在第十三届中国国际储能大会上


研究表明,相比短时储能,长时储能更有利于减少弃风弃光率,且更具性价比。


美国国家可再生能源实验室曾计算,当储能系统持续时长达到4~8小时,电网弃风弃光率便可得到控制。中信证券也曾测算,到2050年,无长时储能的电力系统与引入长时储能相比每度电的成本将高24%左右。


根据国家“十四五规划”,到2025年,我国新能源发电量占总发电量比重要达到39%左右,新能源消费比重要提高到20%左右。提高风光电消纳水平是刚需,在这一背景之下,长时储能在近期迎来爆发。


湖北招标项目中,明确储能时长的项目共14个,其中规划时长在4小时以上的项目有5个。


除了湖北省的招标会,其他地方如西藏、新疆,2022年平均配储时长已超3小时,且在今年涌现出大量以长时储能为主的建设项目,能源央国企,如中国能建、华能集团等,在今年也发布了大批针对长时储能的项目招标。尽管眼下,2小时储能依旧是市场主体,但市场格局正明显的发生变化。


这会是一个万亿市场。亿纬储能市场部总监叶婉柔说: “ 从2023年开始,3小时以上的储能需求占比将会从不足8%陆续提升到60%以上,时长会逐步提升”。麦肯锡曾做过预测,到2040年,全球长时储能累计装机容量可达1.5~2.5TW,到2050年,长时储能储电量将占全部储电量的95%。


而长时储能需求爆发下,液流电池正是最具竞争优势的技术之一。


储能时间长,必然要求电池更能“存”,容量要大,扩容要方便。而液流电池电堆和电解液能够分离,也就是功率和容量单元能解耦,可扩展性好,配置灵活,只需通过简单的堆加即可实现扩容。而锂电不行,锂电功率与容量单元一体,想增加容量,要重新上一整套系统,花费的额外成本会更高。


国网电力调度控制中心的王山(化名)也做出了解读:“长时储能领域,锂离子电池因为在高频率、长时间调度时燃爆风险更高,所以缺乏竞争优势。而液流电池因为本征安全,燃爆风险为0,是最适合长时储能的技术之一,所以会获得更多的尝试机会。”


对于储能来说,安全性、经济性、可持续性是三大关键指标。安全性是液流相对于锂电的优势,经济性则表现为寿命长,全生命周期成本低、容量扩充成本低、建设选址更方便,这是液流相对于压缩空气储能、铅酸、抽水蓄能等的优势。


政府项目招标情况是储能产业发展的晴雨表。它不仅反映行业发展速度,更重要的是,能彰显多元储能路径下不同细分赛道所分到蛋糕的大小。湖北招标中,5个长时储能项目中,4个均为液流储能电站。


液流电池正“取代”锂电走到聚光灯下,“今年是关键之年,储能需求被锂离子电池一家独占的市场格局已受撼动,巨大的市场空间正在释放,而液流电池也许是第一个享用这块‘蛋糕’的储能技术。但值得注意的是,液流电池和锂电之间,目前还不是互相取代的零和博弈,而更多的是互补关系,市场是增量市场,多个技术路线共同建设一个项目的情况会更普遍。”某全钒液流电池企业负责人表示,“但不管怎么说,机会来了。”


市场机遇到来,全国各地正在掀起“液流电池建设热”。


中国液流电池产业发轫于2007年前后。据国家能源司数据,十余年间,全国液流电池已投运装机量之和不过140MW左右。而在最近半年,如中核汇能、国家电投等能源央国企联合新、藏、鄂、冀等地方政府,展开了大规模液流电池项目建设计划,规模均在数百兆瓦左右。不完全统计下,最近10个月内在建、新招标的液流电池规模,便已超过过去十余年投运装机总和的数倍


国家电投于去年底投产的全球首个MW级铁铬液流电池示范项目外景


液流电池产业从未以今天这样的速度膨胀、发展。落地项目指数级增加,带动了真金白银的投入。2023年以来,液流电池赛道迎来了投融资的高峰。

不完全统计,液流电池赛道在今年前五个月吸纳的资金已远超20亿元,融资总额超过2022年长时储能领域拿到的全部资金。

大规模招标、大手笔投资,长时储能建设需求下,液流电池赛道似乎已经乘风而起。


能源是成本敏感型市场,储能不是为了建设而建设,新能源发展的初衷是全方位降低社会用能成本,经济账必须算明白。而眼下,液流电池因为成本较高,经济账并不亮眼。”

全生命周期成本是计算项目收益率的重要指标。据国泰君安数据,2021年时,液流电池在使用寿命比锂电池长2.5倍的情况下,其每度电的全生命周期成本依旧比锂电池高了11%,内部收益率不足锂电池的七分之一。

等待更长的时间,赚更少的钱,经济账算不明白,市场对液流电池的需求自然有限。

而随着技术进步与产量扩展,液流电池的全生命周期成本在过去两年中不断下探。上海电气集团中央研究院储能液流电池产品部部长杨霖霖「按25年使用寿命、储能4小时计算,钒液流电池在结束生命周期后仍有至少30%以上的残值可以回收,度电成本已降至0.2元/KWh。”

据国网能源研究院新能源所副所长黄碧斌介绍,目前锂电池的全生命周期度电成本约为0.5元/KWh,抽水蓄能的成本则为0.21元/KWh。经过两年发展,液流电池的全生命周期经济账已经优于锂电和抽蓄。

但仅仅是全生命周期成本更低依旧不够,据小饶介绍,国内大部分的投资机构,常规投资回收期一般在5~7年左右,而在储能领域,动态投资回收期也只能达到10年,“目前液流电池要想计算出成本优势,要花的时间在20年以上,投资机构可能会等不起。液流电池想发展,进一步降低初装成本是必须的。”

初装成本是项目在安装和建设阶段的成本,是项目的启动门槛。

当前,一个百兆瓦级的液流电池项目,初装成本基本在2.5元/Wh左右。对比之下,锂电池的初装成本约为1.2~2.4元/Wh不等,而两小时储能系统的平均投标价格为1.61元/Wh,且还有下降趋势。

国金证券统计称,今年储能项目整体报价环比明显下降,2小时储能系统加权平均报价环比最高下降了近10%。

晓涛表示,“眼下,锂矿价格不断下跌,从去年的60万元/吨跌到今年4月份将近15万元/吨,锂电储能的成本因此持续下探。对比之下,液流电池初装成本高的劣势愈发明显。由于产品性质不同,液流电池的初装成本注定高于锂电,但至少要降到能让投资机构容易接受的程度。”

眼下,启动门槛高已成为限制液流电池产业化发展的关键。

一套完整的液流电池,其构成主要包括电堆和电解液两部分,电堆是功率单元,主要负责电力的输入与输出,电解液是容量单元,主要负责存储电力。此外,液流电池还需要加装控制系统。


据国际可再生能源组织(IRENA)统计,钒液流电池成本主要分为电堆、电解液与周边设备成本三大块。电堆和电解液是主要成本,合计占比达到75%左右,其他构件成本占比 25%左右;其中,钒电解液成本约占40%,电堆成本约占 35%;电堆中,隔膜又是核心,成本约占电堆的40%。

目前,想方设法降低电池初装成本已成为企业发展的核心目标之一。而电解液和电堆这对“双电”系统的成本,正成为企业们“鏖战”初装成本的主要战场


在所有水系电池里面,锌基电池有最高的电池效能,锌铁液流电池的代表企业例如纬景储能、美国ZBB公司的最新数据是,锌溴液流电池电堆能量效率能达到82%。而相对应其他技术路线,液流储能科技的全钒液流电池电堆能量效率在78%上下,而大连融科作为行业龙头,2013年时,其承建的5MW级全钒液流电池系统能量效率便已达到80%,去年12月底,该公司并网的全国规模最大的液流电池储能电站,百兆瓦级的“大连液流电池储能调峰电站国家示范项目”,系统效率为76%;而铁基液流电池代表企业巨安科技的CEO孟锦涛表示,该公司的全铁液流电池电堆效率和系统效率均在80%左右。

值得注意的是,谈到电池性能,业内的说法其实并不统一。比如电解液能量密度,有的按单位体积披露,有的按单位质量披露,有的干脆只披露电解液浓度。不同单位下,企业的技术能力可能完全不同。

“能量效率也是一样,要分为电堆效率和系统效率两种。电堆效率高不代表电池充放电转换率高,因为还需要计算系统其他部分造成的损耗。但许多企业披露的数据都是电堆的。此外,相当数量的企业都会把实验室效率放出来,这种数据的可靠性还需要经过量产检验。”

这种现象出现的原因也很简单,王山认为,“许多液流电池初创企业刚刚走过中试阶段(产品在大规模量产前的较小规模试验),量产还只是规划和在建,批量交付尚未实现。行业处在这样的阶段,哪怕较为领先、有量产数据的企业也会希望再观察一下同行表现。”

他进一步指出,“更何况有些技术,如锌铁液流电池,在效率指标上确实稍逊一筹,所以在缺乏商业化成果、只能比技术数据的当下,有些企业其实不愿意公开披露相关信息。”产业处在发展早期,对待技术进步要有耐心,“同样需要看到,技术指标不是衡量企业能力的唯一标准,商业模式、电站运维能力、量产与工程能力同样重要。

在三种主流路线性能方面,目前液流电池的渗漏液技术并没有完全攻克,而钒液流电池还存在电解液、离子交换膜等至关重要材料的牵制。最后有多大进步,还得看技术和市面。钒金属价格飘忽,受政策等因素影响,2017-2018暴涨5-6倍,又暴跌,目前钒电解液成本占全钒液流电池储能电站成本的60%以上。


                   数据来源:统计局


虽然中国钒储量占全球39%,产量占全球67%,皆为世界第一,资源充裕。但中国钒目前并不能直接供给给钒液流电池产业。钒液流电池中的钒指的是五氧化二钒,这种材料的主要来源是钒钛磁铁矿。该种矿中的五氧化二钒含量并不高,主要成分是铁,且炼制过程需要高炉,因此钒一直以来都是钢铁厂冶铁的副产品。

钒炼制技术之复杂,成本之高,由钒液流电池企业直接冶炼并不现实,且五氧化二钒也不能直接用于制作电解液,中间还需专门的厂商给电解液长做提纯,提炼为高纯钒。一大套流程下来,钒液流电池企业想获得可靠、便宜的钒供应,千难万难。

中国科学院金属研究所研究员严川伟表示,“当前国内钒市场特点是仍是‘钢铁的江湖’,即钢铁副产钒占85%,而90%以上的钒又用回到钢铁行业。因此,获钒难、钒价高,已成为遏制钒液流电池产业发展的关键。”

量产,提高产能是企业现阶段的核心任务。多家液流电池企业负责人均对今年的市场增长颇有信心,“与现有的产能相比,市场需求几乎无限大。今年液流电池的市场需求至少是去年的四倍以上,能不能卖出去不是问题,产能才是问题。”

据不完全统计,仅今年3~6月,国内在建及规划液流电池产线便超过9条,产能规划合计超过8.2GW,潜在年产值超过700亿元。

纬景储能的“液流电池电堆智能产线”


头部玩家竞逐产能,液流电池迎来GW时代。中国液流电池产业化自2007年开始,彼时,今天的行业龙头大连融科、北京普能世纪等均先后成立。历经十余年的发展,液流电池终于站在了产业化的窗口前,在长时储能需求不断释放的今天,它们已离产业化不再遥远。

而液流电池崛起的背后,是不断高质量发展的中国新能源市场,是日益深化落实的“碳达峰、碳中和”政策。

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END.


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