全钒液流电池的成本结构分析以及提效降本路线


来 源: 原创 作 者: 罗旋 发表在: 资讯 发表时间: 2022-05-13 11:24:06

全钒液流电池作为发展得最为成熟的液流电池,其在储能方向上的发展十分迅速,这也很大程度上是由于其储能能量大、充放电性质优良、输出功率可调、安全性能高、寿命长、选址自由、环境友好、运维成本较低等特点,使得其较传统铅酸电池以及新型锂电池具有强大的长时储能优势,其基本原理图如下所示。


Source: International Renewable Energy Agency, based on Linden and Reddy, 2002.

     而在我国,据钛媒体2021年不完全统计,目前全钒液流电池成本大约在3-3.2元/Wh,与之对比锂电池的平均成本可能仅为1.2-1.5元/Wh,约为全钒液流电池成本的40%左右。虽然全钒液流电池已具备技术以及安全性优势,全钒液流电池在前期的较高成本在一定程度上限制了其产业化发展,使得其商业化进程依旧比较缓慢,但随着技术发展伴随的成本降低,以及其后期较低的维护成本依然使其具有强大吸引力。据有关机构测算,伴随着全钒液流电池技术与产业化的逐步展开,其成本有望在2030年降低至2元/Wh,大幅实现成本降低



全钒液流电池结构示意图

     以一基本的储能规模为10千瓦/120千瓦时的全钒液流电池为例[1],其成本主要包括三个几乎相等的部分:电堆成本、电解质成本以及周边设备成本,其主要组成部件包括质子交换膜、电极材料、双极板材料、集流体、活性电解液及电解液缸、催化剂等。公开资料显示,钒电解液是全钒液流电池系统中的核心材料之一,在系统成本占比中达到40%以上,其性能将直接影响到电池系统的工作效率、运行工况和使用寿命等;而电堆成本占全钒液流电池总成本的35%以上,其中主要成本源于离子交换膜的成本,其它构件成本占比25%左右,其具体成本构成可参考下图。

     据国际再生能源机构IRENA预测,液流电池的总安装成本到2030年可下降三分之二。据其公布的数据显示,2016年时,全钒液流电池的总安装成本为315美元/千瓦时,到2030年有望下降至108美元/千瓦时,而全钒液流电池总成本预计不会超过360美元/千瓦时。液流电池初期成本高,但其服役周期长,其电池通常可以循环超过10000圈,因此长期而言,液流电池依然在成本上具有很大优势。有研究表明[2]全钒液流电池在年发电量约为10 GWh的情况下,可以实现降低成本至120美元/kWh(不包括安装成本)这一途径是可行的。


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,对于降低全钒液流电池成本的路径主要从以下方面考虑:

(1)提高材料化学循环稳定性:在液流电池结构中的电解液材料、电极材料以及隔膜材料的化学稳定性都有助于延长液流电池系统使用寿命,有助于系统整体成本的降低;

(2)降低材料成本:降低全钒液流电池系统中所主要使用的活性氧化还原物质、电解液以及电池堆材料等的成本,也是实现系统整体降本的重要手段;

(3)提高系统整体性能:包括提高薄膜电导率,促进电极催化反应动力学过程,提升反应活性,从而在固定能量输出的情况下,实现电池堆尺寸的降低。据有关文献报道[3],通过对液流电池整体性能调控,可以实现能量密度由15Wh/L-70Wh/L提升至117Wh/L

     在离子交换膜材料方面,目前商业领域主要用于液流电池的是杜邦公司所生产的Nafion质子交换薄膜,Nafion薄膜以磺酸基团为交换基团作为全钒氧化还原液流电池的标准隔膜,其在电解液中的稳定性高,但由于存在钒离子渗透率较高、不易降解等缺陷,尤其是其昂贵的价格在限制了液流电池的进一步发展。因此,目前在离子交换膜方面降本的策略主要是着力于降低薄膜电阻,减轻钒离子渗透,提高液流电池用质子交换膜的性能,避免活性物质污染以延长离子交换膜使用寿命以及整体系统性能提高,以实现液流电池成本降低

     在活性物质方面,由于全钒液流电池其活性物质主要为不同价态的钒离子,并且使用水作为电解质溶剂。据美国地质勘探局USGS数据,全球已探明钒矿储量共计2200万吨,其中中国储量达950万吨,占总比重的43%;俄罗斯和南非分列二三位,分别占全球钒矿储量的23%和16%,并且目前中国钒矿产量占世界总产量62%,钒矿产量与储量都相对丰富,这也是我国与西方国家在液流电池路线选择上,我国更加推崇全钒液流电池体系的原因,而西方国家受制于钒矿储量更倾向选择发展性能一般的锌溴液流电池体系,因此尝试在钒矿资源上降本也是降低全钒液流电池整体成本的一个手段。此外,在全钒液流电池成本降低的途径中也有其它方法可以采取。例如液流电池系统可以通过集成堆栈的方式以实现成本降低;此外,也可以通过使用盐水电解质,在损失一定性能的前提下,达到成本的有效降低,即构建盐水电解质电池储能系统,以实现液流电池成本降低。下面将依据公开资料对世界上的主流全钒液流电池生产商进行一定分析,对其所提及的降本及性能优势进行一定总结与梳理。

    下一代液流电池储能系统开发商声称WattJoule在2020年的产品ElectriStor Gen1已经实现了200美元/千瓦时的价格,仅为市场价格的三分之一,并且在其将要推出的第二代和第三代产品中,伴随着能量密度以及效率的大幅度提高,钒电解液成本的不断降低,其产品价格将分别下降至150美元/千瓦时和100美元/千瓦时。根据其公开资料表示,与市场上全钒液流电池用钒电解液能量密度低,温度范围有限,需要主动冷却设备,并且需要昂贵的高纯度钒相比,WattJoule钒电解质实现了电解质能量密度的提升,不需要昂贵的冷却设备,并且在保证相同能量输出的情况下,实现钒的用量、要求纯度的逐代降低,从而实现整体成本的大幅度降低


ElectriStor 参数指标及价格

     WattJoule通过提高电解质存储能量密度和输出功率密度实现了系统安装成本和占地面积的减少,工作温度范围的改善和增大减少了全钒液流电池系统中空调、冷却机等设备的使用,从而实现系统成本、运营成本的整体降低。WattJoule的钒电解质通过先进的利用途径将其要求纯度降低,其目前可实现对工业级别纯度钒的直接使用,实现了电解液生产工艺的简化与升级,使其电解液制造成本显著降低,这也被其描述为商业机密般的纯化工艺。另外,在其官方披露的其产品核心竞争力主要包括:液体电解质、能量转换堆栈、芯材套装以及系统配套软件四个方面。可以看出,目前在学术界的理论分析和一些公司的宣传策略上所展示的成本远低于实际招投标的装机成本(大于3000元/KWh),这也意味着全钒液流电池在实现规模化生产后还存在巨大的降本空间,这些低成本数值更是预示着未来可能的成本极限以及全钒液流电池巨大的应用推广潜力。


WattJoule电解质生产流程示意图

     日本专注于做液流电池的公司LE SYSTEM Co., Ltd.也在其公开资料中强调其生产的全钒液流电池最大优势就是通过其原创技术实现对工业废弃物中的钒进行有效回收以及高效利用,从而大幅度降低其成本。其主要通过对石油焦炭发电厂中的电除尘煤灰(EP soot)中的偏钒酸铵进行回收提纯,具体方法是采用还原炉煅烧的方法去除偏钒酸铵生料中的杂质得到四氧化二钒,并随后在还原缸中进行二次还原与提纯,得到3.5价的钒电解质。

     VRB Energy在其公开资料中表示其所生产的产品VRB-ESS具备世界上最先进的钒氧化还原电池技术。其核心技术包括专有的低成本离子交换膜和双极材料、长寿命电解质配方以及创新的流通池设计。VRB Energy声称其技术进步显着降低了核心电池组组件的成本,其生产的第五代电池堆设计具有先进的流场设计,可优化电解液在电池堆中的分布,实现整体效率提高以及材料利用的优化。其声称专有的电解质配方专为低成本制造、最佳性能和长寿命而设计,因此可以在保证性能的同时,大幅度实现系统成本的降低。并且其第二代 VRB-ESS 与以前安装的系统相比,成本降低了35%,占地面积减少了50%,性能提高了10%

     中国GEC金能科技则在其公开资料上声称其拥有世界领先的全球超高性价比储能钒电池专利技术,在钒电池用全氟离子膜、电极、电堆、电解液以及钒电池全系统模块化方面有着巨大的技术优势、产品优势和成本优势。GEC通过自主研发的溶液铸膜法实现全氟离子交换膜生产,并且技术工艺简单、生产设备便宜、可实现全氟离子交换膜的再生循环利用、膜成本低、结晶度高、拉伸模量大、各向同性、寿命长,可以很好地应用于全钒液流电池,并降低成本。其生产的高性能全钒液流电池通过技术创新实现其流阻低、电阻低、电流密度高、功率密度高、工作温度宽、无需换热器、能量效率高、模块化程度高、生产成本低、使用寿命长、全寿命成本远远低于铅酸、锂电等传统电池。其生产的高性能钒电解液采用独特的生产配方,可以制得高电导率、宽工作温度、无需换热器、高稳定性、充放电过程钒离子迁移少液位变化小等优势,可以极大程度上降低成本,并且这些技术都申请了相应发明专利。

     西班牙公司HydraRedox声称其开发了一种全新的钒氧化还原方法,可以克服了传统氧化还原流动技术的缺点和局限性,进而大规模降低其成本。其全钒液流电池体系技术采用高度定制化模式,其预计寿命高达其他技术寿命的 3 倍,并且具有卓越的性能特征,可以大幅度降低成本。

     Power Stac在官方资料中强调其生产的全钒液流电池体系可以在较低成本和较长寿命的前提下实现持续稳定供电。在其产品数据上可以发现其电解质工作温度较行业水平更宽,达到-30-60摄氏度,正如我们提到的,这可以带来冷却设备的减少使用,这也可能是其成本具有一定优势的原因。

     StorEn Technology声称其全钒液流电池可以实现以最低的成本或周期提供最高的功率密度。其宣称所生产的电池组的功率密度,远高于当前的技术水平。其团队开发的MULTIGRIDS创新流动设计系统可将电池动力侧的成本降低 50% 以上,同时通过在较低压力下运行来保持电池组运行的可靠性和持续性。并且在其公开资料上提到,其所掌握的电池技术和专利结合其专有的电池管理系统 (BMS)可以使得电池后期几乎免维护,从而很大程度上降低了电池维护成本。并且其开发的Multigrids系统可以消除全钒液流电池系统中扩大液流电池堆尺寸的主要技术障碍的“过度充电”现象,避免大量小型电池组堆叠所导致的系统复杂性和成本的提高,实现构建具有数千安培电流的大型TITANstack堆栈,因此其技术创新极大程度减轻了系统的复杂性,并显著降低了成本。

     中国全钒液流电池制造商融科储能是中国较为重要的全钒液流电池生产商之一。其资料显示,融科储能公司持续着力在高性能电池材料技术(电解液、双极板、离子膜等)、高功率密度电堆技术、高效率电池系统技术等方面的创新研发,从其公开资料上其技术创新点的特有优势并未进行相关公示。但其宣称其下设大连融科储能装备公司已建成全球规模最大、现代化程度最高的全钒液流电池储能装备生产基地,并且融科储能已成为全球领先的全钒液流电池全产业链开发、完整自主知识产权及高端制造能力的服务商。中国全钒液流电池制造商融科储能的产品TPower也在运行温度上得到改善,据其公开资料显示,其工作温度为-35-40摄氏度,其它两款产品的运行温度都相对较窄,与Visblue资料所显示的-40-50摄氏度的运行温度,以及更高的效率相比还有一些发展空间。

     Largo公司在其公开资料显示其全钒液流电池产品的核心竞争力在于专有的 VRFB 电解液处理技术专利、业界领先的液流电池堆技术以及高纯度钒产品供应。其公开资料显示,其独有的专利纯化工艺解决了典型 VRFB系统中的几个技术障碍,并且Largo 拥有世界上品质最高的钒资源矿场之一的Maracás Menchen矿场,是世界上成本最低的钒初级生产商之一,从而带来真正的成本优势。其所生产的VCHARGE系统包含的高性能液流电池可将核心电池材料减少5倍,从而显着节省成本并在任何已知液流电池中占用最小的空间。并且其VCHARGE系统允许通过多种配置将电力和能源与项目要求相匹配,其垂直堆叠设计允许在相同的占位面积内实现 2 倍的功率或能量密度,具有显着的成本优势,远远领先现在的储罐水平。此外,其系统的钢制容器设计为电池提供强大的保护,防止天气、紫外线降解和破坏,以防止电池堆在长期应用时成本优势退化,从而带来显著的成本优势。

     VANEVO公司的降本策略则主要集中在堆栈技术的创新。VANEVO全钒液流电池堆栈通过取消密封元件,避免使用用于支撑的大型端板,因此堆栈质量明显更轻,并且其堆栈是通过胶合而非压制的方式,这种方式可以经济高效地生产 VANEVO 电池组,这也是其多项核心专利的主要技术内容,由于零配件使用的减少以及自动化生产的实现,其成本大幅度降低。

     Voterion公司所生产的Volterion powerRFB 也是将发展重心投入在堆栈的研究上。据公开资料显示,Volterions堆栈具有专有的设计和制造工艺,其堆栈与采用垫圈的传统堆叠不同,而是利用高精度激光焊接工艺进行堆叠。垫圈往往会随着时间的推移而凝固并因此可能导致泄漏,但 Volterion 电池组通过新的工艺使其具有非常优越的密封性能。并且由于密封垫圈不需要压缩力,可以减少 Volterion 电池组中较为昂贵的端板使用,从而在实现紧凑、轻便、安全可靠的同时,具有非常具有优势的成本效益。此外,每个Volterion堆栈都有一个专用的电子堆栈监控系统,该系统配置在堆栈内部,以确保最佳操作条件,并保证较长的使用寿命。

     总而言之,全钒液流电池的降本之路是其在储能领域快速发展的重要一步,目前的总体策略主要是通过提高材料化学循环稳定性、降低材料成本以及提高系统整体性能等方式进行成本控制,在技术不断进步的同时,我们对全钒液流电池技术未来在储能领域所发挥的作用持有非常积极的态度。



参考资料:

[1] Darling, R. M., Gallagher, K. G., Kowalski, J. A., Ha, S. and Brushett, F. R. (2014) ‘Pathways to low-cost electrochemical energy storage: a comparison of aqueous and nonaqueous flow batteries’, Energy Environ. Sci., vol. 7, no. 11, pp. 3459–3477 [Online].

[2] Minke, C., Kunz, U. and Turek, T. (2017) ‘Techno-economic assessment of novel vanadium redox flow batteries with large-area cells’, Journal of Power Sources, vol. 361, pp. 105–114 [Online].

[3] Fan, L., Jia, C., Zhu, Y. G. and Wang, Q. (2017) ‘Redox Targeting of Prussian Blue: Toward Low-Cost and High Energy Density Redox Flow Battery and Solar Rechargeable Battery’, ACS Energy Letters, vol. 2, no. 3, pp. 615–621 [Online].

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