新型储能金属钒资源需求预测与供应分析

  浩博电池网讯：

一、前言

  随着国内外大规模储能项目的陆续启动，储能技术未来势必会迎来爆发式增长。近年来，电化学储能产业快速发展，其中钒液流电池储能技术以其本征安全、全生命周期经济性好及环境友好等特点，受到储能领域的广泛关注。钒具有优异的物理和化学性能，化合价有+2、+3、+4和+5，不同价态可形成相邻价态的电对；具有耐盐酸和硫酸的特性，是钒液流电池的关键金属材料。钒用途十分广泛，主要应用于钢铁、储能、化工和钛合金等领域，被中国、美国、欧盟、日本、澳大利亚等国家和地区列入战略性矿产、危机矿产、关键矿产清单。

  目前，业界对钒液流电池的研究主要集中在应用方面，鲜有对钒金属的需求及供应保障的相关研究。本文在全球能源转型的背景下，围绕电化学储能技术及钒液流电池的发展趋势，研究储能领域对钒的需求和供应保障情况，以期为相关行业发展提供参考。

二、储能领域成为钒应用的新增长极

  （一）钒的应用领域

  钒广泛应用于钢铁、储能、化工和钛合金（航空航天）等领域，是现代工业与国防部门所必须的重要资源，被誉为现代工业的“金属维生素”。钢铁冶金是钒最主要的应用领域，据安泰科信息股份有限公司数据，2022年全球88.83%的钒用于钢铁冶金（见图1），大部分含钒产品是由钒钛磁铁矿经选矿、高炉冶炼（电炉）、转炉还原、加工处理等工序获得。钒在钢铁领域主要作为合金添加剂，实现钢材的微合金化；钒的添加可提高钢材产品性能，也可以有效节约钢材使用量，实践表明，在结构钢中加入0.1%的钒，强度可提高10%~20%，结构重量减轻15%~25%，成本降低8%~10%；若采用含钒高强度钢时，可减轻金属结构质量40%~50%，比普通结构钢的成本低15%~30%，这对实现“双碳”目标具有积极作用。

  钒的另外一个重要应用领域是钛合金行业，钛合金是一种广泛应用于航空航天领域的高级合金材料，含钒合金是钛合金最重要的添加剂，钛合金制作的关键原料就是各种牌号的含钒合金。2022年，全球约2.83%的钒用于钛合金领域；全球约4.37%的钒用于储能行业，3.97%的钒用于化工行业。钒在储能领域主要是用作钒液流电池，钒化合物在一些重要的化学工业生产中可用作催化剂。根据安泰科信息股份有限公司的统计数据，近年来全球储能领域钒消费量持续增长。2018年全球储能领域钒消费量占全球钒消费总量的1.8%，2022年迅速增长至4.37%（见图1）。

  （二）钒液流电池的优势

  随着储能行业的快速发展，钒液流电池需求前景良好。钒液流电池是一种以金属钒离子为活性物质的、呈循环流动液态的氧化还原可再生电池，正负极都是钒。钒液流电池已具备产业化应用的条件，且性价比高、经济性好；钒液流电池储能系统的储能时长越长，每千瓦时的实际成本就越低，是高功率、大容量、长时间储能技术的最佳选择（见表1）。

  1.本征安全

  钒液流电池是水系循环体系电池，其电解液为钒离子的稀硫酸水溶液，在室温状态下即可工作（5~40℃），充放电过程中没有固相反应，只需控制好充放电截止电压，并确保电池系统存放空间通风良好，即可本征安全，没有起火爆炸等隐患，这是钒液流电池与其他电化学电池相比最为突出的优势。

  2.寿命更长

  钒液流电池可通过周期性电解液共混实现对可逆容量的恢复，因此，钒液流电池具有更长的使用寿命。到目前为止，钒液流电池循环寿命可达到12000~18000次，约为锂离子电池的2倍以上，使用年限在15~20年，也有研究认为其使用年限可长达20年以上。

  3.扩容简单，设计灵活

  钒液流电池的输出功率和储能容量可进行独立设计，电堆是进行电化学反应的场所，其输出功率取决于电极的大小和电堆的数量；电解液是能量存储的介质，其储能容量取决于电解液的浓度和体积，因此可根据实际情况自由选择功率单元和能量单元数量。若想要增大输出功率，只需增大电极的面积和增加电堆的数量即可；若想增加储能容量，只需加大电解液的浓度和电解液的体积，因此钒液流电池适合于需要大规模、大容量、长时间储能装备的应用场所。

  4.强大的深放电能力

  钒液流电池所使用的电极不含活性物质，只负责提供氧化还原反应的活性位点，电极本身并不发生氧化还原反应。因此钒液流电池与其他传统电池相比，充放电没有记忆效应，可以进行100%深度放电而不会损坏电池。

  5.对环境友好，易于回收利用

  钒电解液是钒液流电池最核心的材料之一，是单一钒离子的硫酸溶液，减小了正负极电解液交叉污染的风险，充放电极少产生杂质，也无污染物，对环境友好。此外，钒液流电池回收利用

  率高，在系统使用寿命结束时，所有的电解质成分（包括钒资源、水和硫酸）都可以通过沉淀电化学氧化方法，借助于pH值变化很容易被分离出来。

  6.全生命周期成本较低，经济性好

  钒液流电池初始投资成本较高，主要是由于离子交换膜和电解液等材料成本较高，而且钒液流电池能量密度低、体积大，因此电解液使用量会更大，导致其成本更高。但经过实际研究，不同储能时长的钒液流电池储能系统的实际价格不同，当储能时长越长时，电解液的储能系统价格就被单位分摊的更多，实际成本就越低。因此钒液流电池储能时长越长，其实际成本就越低。

三、储能用钒需求趋势分析

  近年来，全球储能市场规模持续平稳增长，尤其是自2019年以来，全球清洁能源迅速发展，越来越多的国家开始加速能源转型，储能产业成为全球经济复苏的抓手之一，全球储能累计装机规模逐年快速增长。根据中国能源研究会储能专委会/中关村储能产业技术联盟（CNESA）全球储能项目库的不完全统计，截至2021年年底，全球累计储能市场装机规模同比增长9.58%，与2017年相比增长了19.38%。

  （一）电化学储能进入快速发展期

  在全球储能技术中，抽水储能仍然占据主导地位，但电化学储能正异军突起，成为储能市场冉冉升起的一颗新星。近年来，电化学储能在储能领域占比逐年快速提升，累计装机规模大幅度攀升，成为储能市场的重要增量。根据中国能源研究会储能专业委会、中关村储能产业技术联盟全球储能项目库的不完全统计，2021年全球电化学储能累计装机规模比2017年增加了7倍多，电化学储能累计装机规模占全球储能市场累计装机规模比例从2017年的1.67%增长到2021年的11.70%，实现了飞速发展（见图2）。

  电化学储能得益于高效的能量转化、受地理环境影响小和可再生能源整合的优势，随着技术的进步和成本的逐年下降，未来将持续增长。根据IEA和睿咨得能源（Rystad Energy）等综合预测，在可持续发展情景（即与实现《巴黎协定》目标相一致的发展轨迹所需的条件）下，预计到2030年全球电化学储能新增装机容量约为169 GW·h，到2040年新增装机容量约为426 GW·h（见图3）[24~26]，分别较2021年增加了约8倍和21倍；预计到2030年我国电化学储能新增装机容量约为104 GW·h，到2040年新增装机容量约为316 GW·h，分别较2021年增加了约35倍和110倍。

  （二）钒液流电池发展潜力巨大

  钒液流电池主要应用于持续时间较长（大于等于4 h）的电网规模应用，目前电化学储能领域非液流电池占比大于98%，其中锂离子电池占90%，而钒液流电池占比小于1%。根据CRU国际有限公司的预测，钒液流电池将快速发展，预计到2030年钒液流电池占电化学储能市场份额为1%~25%，到2040年钒液流电池占电化学储能市场份额为15%~40%（见图4）。

  基于对储能领域不同类型电池安全性、成本、环境友好性和技术性能的分析，考虑各类电池的发展具有诸多的不确定性，本文设置3种不同情景，分析电化学储能领域全钒液流电池的发展趋势，预测2022—2040年全钒液流电池新增装机容量（见表2、图5）。

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