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文 | 天風天睿投資
在“雙碳”目标指引下，大陸新能源産業迎來了高速發展的新時期。以光伏和風電為代表的可再生能源，正迅速改變着我們的能源格局。随着可再生能源發電并網比例快速提升，電力系統“雙側随機性”和“雙峰雙高”的“三雙”特征日益顯著，電網面臨消納壓力和運作安全挑戰。
為保證電力系統的穩定性、經濟排程以及電能的高品質，進一步形成可控制、可排程的電網，電力系統需要配置儲能，使可再生能源成為更友好的優質新型能源。
随着可再生能源滲透率逐漸提升，光伏和風電等可再生能源發電“時間+空間”錯配問題逐漸凸顯，進一步催生電力系統的長時儲能排程需求。長時儲能（持續放電時間4h以上的儲能技術）可以提升可再生能源發電消納能力，并有效降低電力系統消納壓力和運作成本。而具備材料本征安全性高、循環壽命長、電解液可循環利用、生命周期成本效益高、環境友好等優勢的全釩液流電池（以下簡稱“釩電池”），或将在長時儲能領域脫穎而出。
儲能，新能源浪潮中的不可或缺
近年來，人們對可再生能源的需求愈發迫切。光伏、風電等可再生能源正以其獨特的優勢和巨大的潛力，引領着未來能源革命的腳步。随着電網中可再生能源的占比不斷提高，電池儲能系統（Battery Energy Storage System，簡稱BESS）将在可再生能源供應與電網負荷之間扮演日益關鍵的角色，成為加速可再生能源替代傳統化石燃料不可或缺的技術。
按照儲能原理和技術的不同，儲能技術可劃分為電儲能、熱儲能和氫儲能三大類。其中除抽水蓄能外的儲能技術行業統稱為新型儲能，主要包括锂離子電池、液流電池、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、氫（氨）儲能等。相對于抽水蓄能，新型儲能普遍具有建設周期短、選址靈活、響應快速、調節能力強等優勢，能夠為電力系統提供更多時間尺度的調控能力。
圖1：儲能技術分類 資料來源：上海派能能源科技股份有限公司招股說明書、公開資料整理，天風天睿制圖
風光等可再生能源出力波動大且伴有不确定性。
從風光日内出力及電網負荷峰谷來看，風電一般日間出力低、夜晚出力高，光伏發電午間出力高、夜晚不再出力，而日用電負荷呈現早晚兩個高峰，風光出力峰值時期淨負荷高峰明顯減小，淨負荷呈現顯著“鴨子曲線”特征，負荷波動性顯著增加。
從季節性風光出力及電網負荷峰谷來看，風電出力高峰為春、秋兩季，光伏發電高峰為夏、秋兩季（白天），冬、夏季尤其是夜晚負荷電量高而可再生能源發電量低，電網負荷“冬夏”雙高峰特征明顯，難以比對可再生能源發力存在的季節性。
而從可再生能源出力及電網負荷地理位置分布來看，國内光伏資源及風能主要分布于東北、華北、西北地區，但用電負荷高的地區主要為東部地區，遠距離傳輸對電網穩定性及調峰能力提出了更高要求。
圖2：最佳儲能時長與風光滲透率關系 圖源：Albertus P , Manser J S , Litzelman S .Long-Duration Electricity Storage Applications, Economics, and Technologies[J].Joule, 2020, 4(1):21-32.DOI:10.1016/j.joule.2019.11.009.
随着可再生能源滲透率提升，風光等可再生能源發電“時間+空間”錯配問題日益凸顯，催生長時儲能需求。
風光等可再生能源的滲透率越高，對長時儲能的需求越高。此外，與短時儲能相比，長時儲能兼具快速響應調節和長期輸出平衡電網負荷的作用。
2022年1月，國家發改委、能源局印發《“十四五”新型儲能發展實施方案》，提出到2025年實作氫儲能、熱（冷）儲能等長時間尺度儲能技術突破；加大液流電池、鈉離子電池等關鍵技術裝備研發力度。根據全國能源資訊平台資料，截至2023年11月底，國内超過20個省市地區已明确新能源配儲要求，平均配儲時長已突破2小時，其中上海、西藏、福建、内蒙古、河北、甘肅河西等地區要求或規劃配儲時長已突破4小時；國内簽約4小時以上儲能項目已超20個，包含壓縮空氣儲能、液流電池、重力儲能等多種技術路線。
在海外，2022年底，美國能源部（DOE）宣布儲能時間達到10-24小時的長時儲能系統示範項目将有資格獲得總額為3.49億美元資金資助，以此支撐美國低成本、可靠、無碳的現代化電網建設。2022年2月，為支援英國的創新性長時儲能技術項目，英國商業、能源和工業戰略部(BEIS)宣布撥款3960萬英鎊，首批篩選出的24個項目覆寫綠氫電解槽、重力儲能、全釩液流電池、壓縮空氣儲能、海水+壓縮空氣聯合儲能等技術路線。
随着海内外長時儲能政策和項目接連落地，全球新型儲能市場規模持續增長。據儲能研究平台CNESA（中關村儲能産業技術聯盟，China Energy Storage Alliance，簡稱“CNESA”）資料，截至2023年6月底，國内儲能項目累計裝機達70.2GW，同比增長44%；其中新型儲能裝機為21.06GW、占比達30.9%；抽水蓄能裝機為48.51GW、占比為69.1%，同比下降約10%。新型儲能裝機中，锂電池占據主流，占比達95.9%，液流電池占比為0.8%。目前液流電池在儲能市場的滲透率仍然較低，随着政策對儲能安全重視度提升及儲能規劃趨向于長時，釩電池或将在新型儲能市場中加速滲透。
圖3：2023年6月國内累計儲能裝機構成 資料來源：CNESA，天風天睿制圖
釩電池，液流電池的優勝者
液流電池技術最早可追溯到1884年，法國工程師Charles Renard為軍用飛艇研發出了原始的鋅氯電池，當時尚未配備現代液流電池的核心元件——流體驅動系統。随着1950年代隔膜的問世，液流電池技術開始萌芽。其演化曆程大緻分為三個階段：
■ 萌芽期
1974年，美國航空航天局（NASA）的科學家塞勒（L.H.Thaller）試圖探索用于月球基地上儲存太陽能的方法，提出将二氯化鐵（FeCl2）和三氯化鉻（CrCl3）作為液流電池的電化學活性物質，以鹽酸作為基質，以陰隔膜為隔膜，設計了第一款Fe-Cr雙液流電池，開發出功率1kW的樣機。然而，由于運作過程中正極、負極電解液中的活性物質交叉污染，緻使電壓不穩，電池容量衰減且無法長期運作，這大大降低了電池的實際使用壽命。
為避免正負極活性物質交叉污染，解決思路一是将正負極活性物質全部用同一進制素的不同價态離子的化合物來建構，二是繼續改進隔膜。金屬釩化合物因具有多種的價态、且安全性較高，故而尤為引人注目。
■ 研發期
在衆多的液流電池化學體系中，因釩電池正負極電解液不存在交叉污染問題，且其安全性和可靠性較高，經過十餘年的探索，全釩液流電池技術得到了長足的發展。
1986年，澳洲新南威爾士大學（UNSW）的Maria Skyllas-Kazacos教授在國際上首次申請了全釩液流電池專利，并建造了1kW級的試驗電堆，能量效率達72-88%。該電池使用不同價态釩離子構成氧化還原電對；以石墨氈為電極，石墨-塑膠闆栅為集流體；質子傳導膜作為電池隔膜；正、負極電解液在充放電過程中流過電極表面發生電化學反應，可在5-45℃溫度範圍長期運作。
UNSW的研究成果是全釩液流電池發展史上的一個裡程碑，這标志着該技術開始從實驗室走向産業化。
■ 商業化初期
全釩液流電池經過多年探索和積澱，其技術已完全具備可行性。進入21世紀後，全釩液流電池開始真正走向商業化。
1997年，UNSW向Pinnacle出售釩電池專利；2001年，加拿大Vanteck公司收購了Pinnacle公司，獲得核心專利權；2002年，Vanteck公司改名為釩電池儲能系統技術開發公司（VRB Power Systems），并在2004年收購了Reliable Power公司，進而控制了整個北美地區的全釩液流電池市場，成為當時全球最大的全釩液流電池公司。
國内的全釩液流電池基礎研究起步較早，開始于20世紀80年代末期。中國工程實體研究院的電子工程研究所率先在1995年建成了500W、1kW全釩液流電池樣機。2006年，中國科學院大連化學實體研究所建成10kW全釩液流電池試驗電堆。2009年，北京普能世紀科技有限公司以低價收購VRB Power System，獲得其各項技術、專利、商标、裝置及核心技術團隊。同時，大連融科儲能技術發展有限公司（簡稱“融科儲能”）于2008年10月在大連市高新技術産業園區成立，由中國科學院大連化學實體研究所與大連博融控股集團共建。
得益于前期經驗積累和外部技術，中國的全釩液流電池技術研發和産業化程序大大加快，目前已成為該領域的全球主力。
全釩液流電池是液流電池中技術較為成熟、原材料更為可控、商業化程序領先的優選技術路線。
從技術路線産業化程度看——目前，全釩液流電池、鐵鉻液流電池這兩個技術路線産業化程度領先。鐵鉻液流電池因為鉻離子活性低、電池容量衰減快、電壓等級和能量密度低等一系列技術問題困擾，産業化程序一直較慢。鋅溴液流電池由于電池循環壽命短、電池效率低，以及溴化鋅電解液中溴的金屬腐蝕性，目前可能面臨被淘汰的局面。目前國内做鋅溴液流的公司比較少。
從關鍵原材料儲備量看——地殼中釩資源總量小，但大陸是全球目前已知釩儲量最高的國家。根據美國地質調查局的資料顯示，截至2022年全球釩資源儲量合計超過6,300萬噸（折金屬釩），其中已認定的釩資源中符合目前采掘生産要求的部分約為2,557萬噸。具體來看，中國、澳洲、俄羅斯與南非儲量分别為950、740、500、350萬噸，分别占比37.2%、28.9%、19.6%、13.7%。
據美國地質勘探局（USGS）礦産品2023年報告中顯示，2022年全球鉻礦産量約為4,100萬噸。全球鉻礦産量分布情況大緻：南非占比44%、土耳其17%、哈薩克斯坦16%、印度10%、芬蘭5%、其他8%。大陸鉻礦儲量僅有407萬噸，占全球儲量比不到百分之一，對外依存度超過90%，為全球最大進口國。
不同于锂電池和鐵鉻液流電池存在嚴重的資源瓶頸或進口依賴，釩電池原材料高度自給可控，上遊價格較為穩定，有利于大陸能源安全。
全釩液流電池不僅在液流電池領域衆多技術路線中脫穎而出，對比其他長時儲能技術，全釩液流電池還具備更好的選址靈活度和顯著的成本優勢。
現階段長時儲能技術路線主要為抽水蓄能、熔鹽儲熱、液流電池儲能、壓縮空氣儲能、氫儲能以及産業鍊成熟的锂電池儲能。其中，抽水蓄能作為傳統儲能方式，市場累計裝機規模最高、經濟性最好，但受選址條件限制，占比逐漸降低；壓縮空氣儲能在一定程度上仍受選址限制；熔鹽儲熱及氫儲能産業鍊尚不成熟，初始投資成本較高，轉化效率較低，度電成本較高；锂電池儲能産業鍊成熟，成本低，但安全性問題突出；與其他長時儲能技術相比，釩電池在應用場景、儲能時間尺度以及成本等方面綜合優勢突出。
表1：長時儲能路線性能對比 資料來源：CNESA、公開資料，天風天睿制表
與主流锂電池對比，全釩液流電池具有安全性好、循環壽命長、功率與容量子產品可拆分的優勢。
據不完全統計，過去十年發生約50多起電化學儲能爆炸事故。其中三元锂占事故總數的63.16%，主要原因是熱失控。锂電池的優點是能量密度高，損失小，響應速度快；但其自身循環壽命不及液流電池，且固體電極導緻的易燃問題對锂電池儲能的商業化應用産生巨大挑戰。
圖5：近十年儲能電站爆炸事故技術路徑統計 資料來源：星球儲能所、公開資料整理，天風天睿制圖
全釩液流電池具備本征安全性。從原材料屬性來看，锂電池電解液分别為六氟磷酸锂（LiPF6）的混合碳酸酯溶液，均為易燃物質；而釩電池采用水基電解液，無起火爆炸風險。從電池結構來看，锂電池正負極及電解液均共存于一個體系之中，當電池過充或處于低溫環境下時會出現析锂現象，形成锂枝晶，易造成短路、帶來熱失控風險；而釩電池電解液獨立儲存于電解罐中，充放電時反應物可通過循環泵從電極表面快速抽離，可有效避免濃差極化和熱積累效應，無熱失控風險。
釩電池也具備更好的經濟性。釩電池功率和容量互相獨立，擴容性強，長時儲能可降低邊際成本。釩電池的電堆作為發生反應的場所與存放電解液的儲罐分開，從根本上克服了傳統電池的自放電現象，降低了其自身的損耗。釩電池的功率隻取決于電堆大小，電池容量則隻取決于電解液儲量和濃度；當功率一定時，如要增加儲能容量，隻需要增大電解液儲罐容積或提高電解液體積或濃度即可，而不需改變電堆大小，這增加了設計的靈活性。如要實作電池規模的擴充，可通過增大電堆功率和增加電堆數量來提高功率，以及通過增加電解液來提高儲電量，該種方式可應用于建造千瓦級到百兆瓦級儲能電站，具有更強的适應性。
釩電池還具備長循環壽命，達到了所有電化學儲能技術之最。釩電池正負極均為釩離子，在充放電過程中可避免因離子穿過隔膜交叉污染導緻的容量衰減問題。釩電池的循環壽命可達20,000+次，使用年限可達20年，而锂電池循環次數普遍在10,000次以下。
相比锂電池，釩電池多出的兩個循環泵将産生額外的能量損耗，是以能量轉化率較锂電池（80-90%）更低，約為65%-75%；但考慮到釩電池循環壽命遠高于锂電池，故能量轉換率偏低并不會顯著降低釩電池全生命周期的經濟性。
釩電池的運作溫度區間較窄。釩電池最佳運作溫度為0-45℃，窄于锂電池（-20-60℃）。當溫度過低時，電解液凝固會影響電池正常運轉；當溫度過高時，正極五價釩會析出為五氧化二釩沉澱，造成流道堵塞、電堆性能惡化。為了降低熱管理難度，釩電池充放電過程中電解液循環流動，電堆熱量可直接通過輸送管中的熱交換器散熱，可通過風冷方式進行溫控。而锂電池儲能系統涉及大量電芯，對熱管理要求更高，主流溫控路線為風冷或液冷：液冷為目前主流趨勢，其勝在散熱溫差更低；風冷則具有結構簡單、成本低、更易維護的優勢。
釩電池産業鍊逐漸成型，投資價值初現
目前全釩液流電池的技術成熟度逐漸提高，産業鍊逐漸成型，處于導入期向成長期過渡階段。其上遊主要涉及各項原材料，包括五氧化二釩、全氟磺酸膜等；産業中遊為電解液配制、電堆裝配、控制系統等其他裝置，其中電解液配置技術和電堆制造技術壁壘最高；下遊儲能主要應用于發電側、電網側以及使用者側，主要包括風光發電配儲、電網調峰調頻、戶用、工商業以及獨立儲能等細分領域。
圖6：全釩液流電池産業鍊 資料來源：公開資料整理，天風天睿制圖
全釩液流電池由電解液、電堆和其他部件組成。其中電解液、電堆（隔膜、電極、雙極闆）是全釩液流電池的核心部件，其成本分别占總成本的四成左右。
圖7：全釩液流電池成本構成 資料來源：iFinD、公開資料整理，天風天睿制圖
全釩液流電池電解液主要原材料是釩金屬，國内釩資源存儲豐富，釩電池産業鍊有較好的資源基礎，是以在大規模商業化應用上具有良好潛質。
目前，大陸釩電池産業鍊的發展和投資機會更多集中于電解液、電堆、隔膜、電控系統等核心材料與部件的研發與應用。
■ 電解液制備是能量密度關鍵
受電解液濃度的限制，釩電池的能量密度相對較低（12-40Wh/kg）。這使得釩電池更适用于對體積、品質能量密度要求不高，但對安全性要求更高的大型、長時儲能電站應用場景，即靜态儲能領域，而非動力及移動電源等領域。
是以，電解液釩離子濃度成為了評價釩電池性能的關鍵名額，提高電解液濃度的方式包括更換電解質提升高濃度條件下的釩離子穩定性、使用含羧基和磺酸基團的添加劑來增加釩離子在高溫條件下的穩定性等。此領域國内布局企業衆多，其中不乏全球市占率達80%的全球最大釩電解液生産企業。
■ 隔膜是功率密度關鍵
隔膜是決定全釩液流電池功率密度的關鍵因素。隔膜作為全釩液流電池的核心材料之一，其性能和成本直接決定了電池的性能、可靠性及系統成本。
隔膜将正負極電解液實作分隔，防止釩離子混合出現自放電現象，并通過選擇性透過離子進而實作電池結構中完整回路的建構。
理想的全釩液流電池隔膜需要具備以下特征：（1）高選擇透性，減少釩離子的跨膜運輸導緻自放電；（2）優異的化學穩定性，高機械強度，使得薄膜在酸性條件下的壽命長，進而增長電池壽命；（3）低電阻率，提高電池倍率性能；（4）低水通量，在充放電過程中，使得陰、陽兩極電解液保持平衡；（5）加工生産成本低，有利于隔膜的廣泛應用。
現階段國内外普遍采用的是美國杜邦公司生産的Nafion膜，該膜具有耐腐蝕性和抗氧化的優點，其材料合成難度相對較小，但關鍵性的熔融擠出壓延成型技術長期為國外壟斷，導緻成本高昂。國内的隔膜生産公司在開發中已經取得了一定成果，但其機械強度較杜邦公司仍有一定差距。
■ 電極影響運作效率以及功率
液流電池中電極不參與到氧化還原反應，但提供了氧化還原反應的場所，影響全釩液流電池的功率。良好的電極材料會促進液流電池的充放電反應、增加電池結構的穩定性以及使用壽命，進而提高液流電池整體的運作效率以及輸出功率。
良好的電極需要滿足以下性能：（1）優異的導電性能；（2）突出的機械性能；（3）具有良好的結構特性；（4）成本優勢及環境友好特性。
國内外釩電池電極主要采用碳素電極。碳素電極包括碳氈、石墨氈、玻碳、碳紙等。其中石墨氈和碳氈是釩電池電極的主流材料，主要因為其具有成本相對較低、穩定性好、導電能力突出、高比表面積等優點。目前，釩電池電極基本可實作國産化。
■ 雙極闆支撐電堆結構
雙極闆串聯相鄰單電池的正負極，導通内電路，阻隔兩側電解液，支撐正負極，需要具備一定的機械強度、良好的導電性和耐腐蝕性。
釩電池雙極闆根據材質主要分為石墨雙極闆、金屬雙極闆、碳素複合材料雙極闆等。石墨質脆，金屬易腐蝕，是以，目前釩電池雙極闆主要采用碳素複合材料。碳素複合材料雙極闆碳含量越高，導電性能越強，但雙極闆韌性會變差，增加了電堆的組裝壓緊難度。目前，國内已有企業實作可焊接碳素複合闆的批量化生産。
在建構以新能源為主體的新型電力系統的大背景下，儲能将成為新型電力系統的一個基本要素。随着新能源發電占比逐漸提升，長時儲能對新型電力系統重要性将日益凸顯，市場需求逐漸釋放。
全釩液流電池具有安全性高、循環壽命長、電解液可循環利用、生命周期成本效益高、環境友好等諸多優勢，正逐漸開始商業化，是長時儲能市場強力競争者。我們認為，在電池系統、電解液制備、電堆效率提升以及隔膜制作等産業鍊關鍵環節具備核心技術優勢的企業，将有機會實作快速發展。