2023年铁铬液流电池和重力储能发展分析
铁铬液流电池：原材料丰富，前景广阔
铁铬电子对价态变化实现能量转换
【资料图】
铁铬液流电池是产业上最早出现的液流电池技术，利用铁铬电对的价态变化实现能量转换。铁铬电池分别采用 Fe3+/Fe2+电对和 Cr3+/Cr2+作为正极和负极的活性物质，通过活性金属的价态变化实现电能与化学能相互转换与能量储存。在铁铬液流电池中，活性物质储存于电解液中，具有流动性，可以实现电化学反应场所（电极）与储能活性物质在空间上的分离，电池功率与容量设计相对独立，适合大规模蓄电储能需求。
铁铬电池系统主要由功率单元（单电池、电堆或电堆模块）、储能单元（电解液及储罐）、电解液输送单元（管路、阀门、泵、换热器等）电池管理系统等组成。作为铁铬电池的核心部件，功率单元在一定程度上决定了系统的能量转换效率和建设成本。根据应用领域不同，功率单元可以分为单电池、电堆和大功率模块等。其中，铁铬电池单电池是电堆及系统的基本单元，单电池主要通过离子传导膜将正负极电解液进行分离，两侧分别由电极、液流框、集流体等部件组成的正负极半电池，然后通过夹板及紧固件进行压紧而成；电堆又由多个单－电池通过叠加形式进行紧固而成，每组单电池之间通过双极板进行连接，具有多个电解液循环管道和统一电流输出的组合体，一定数量的电堆再组合电解液循环系统、电气系统、能量转换系统及辅助设备构成大功率模块的基本组成单元。
铬铁矿丰富叠加电化学技术优势，大储前景广阔
1. 优势：铁铬电池较其他电化学电池具有明显的技术优势，在大规模储能技术应用前景广阔。根据铁铬电池的工作原理及结构特点，其高安全、高灵活性和长寿命的技术特点使其在可再生能源发电储能装置、电网调峰调频、电网削峰填谷、不间断电源或应急电源等领域拥有很广阔的应用前景。
1）电对元素特性叠加水性电解质溶液，铁铬电池系统安全性较高。铁-铬液流电池的电解质溶液为含有 Fe3+/Fe2+电对和 Cr3+/Cr2+电对的水性溶液，不会发生燃烧或爆炸的风险。且电解质溶液储存在两个分离的储液罐中，电池堆与储液罐分离，在常温常压下运行，安全性高。即使在运行过程中，隔膜发生破裂，正负极活性物质发生互混，也不会引起燃烧和爆炸。
2）适配储能循环寿命长，模块/定制化设计灵活稳定。铁-铬液流电池在充放电过程中，电极材料只提供反应界面，本身不参与反应，而且电极反应均为液相反应，无相态变化，不会发生类似同态电极的脱落成片结构坍塌等问题，可以长期保持稳定状态，理论充放电循坏次数可以达到 10000 次，与全钒液流电池持平，寿命远远高于钠硫电池、锂离子电池和铅酸电池。另外铁铬液流电池的额定功率和额定容量是独立的，功率大小取决于电池堆，容量大小取决于电解质溶液，可以根据用户需求进行功率和容量的量身定制。而且其电能储存在电解质溶液内，而电解质溶液存储在储罐里，不存在自放电现象，尤其适用于做备用电源等。因而方便进行模块化设计，通过电堆组合维持系统的性能稳定。
3）原材料资源丰富，环境适应性强，叠加回收优势成本较低。铁-铬液流电池的电解质溶液原材料资源丰富且成本较低，铬铁矿全球探明储量达到了 5.1 亿吨，较钒/锂储量优势明显，不会出现短期内资源制约发展的情况。另外电池在使用过程中，金属铁和铬离子只发生价态变化，并不会被消耗，可以永久性循环使用、节约资源，另外铁铬电池电堆及系统废弃时，碳材料和树脂材料均可以作为燃料使用，部分金属则可以继续使用，因此铁铬电池回收简单、残余价值高、环境负荷小，因而是可持续发展的储能技术。相较全钒液流电池，铁铬电池的成本占比最大的部分是膜、PCS 以及铁铬电解液，铁铬液流电池的膜占比是全钒液流电池的两倍，但膜的成本较低，另外 Fe3+的低氧化特性也可以使用低廉的碳氢化合物膜，也可以进一步降低铁铬液流电池的成本。此外其电解液占比仅为 9%，所以其经济实惠的优势明显展露出来。
2. 劣势：铁铬电池负极活性弱，容易受制于 Cr 离子金属特性而产生析氢问题。铁-铬液流电池负极 Cr2+/Cr3+电对相较于正极 Fe2+/Fe3+电对在电极上的反应活性较差，是影响电池性能的主要原因之一。且 Cr3+离子电化学反应活性较差、易老化、易发生析氢反应、容量衰减快、能量效率低等原因仍然限制着铁铬液流电池商业化发展。另外反应过程中电池正负极电解液一定程度上会形成交叉感染，所以需要配备循环泵、电控设备等辅助设备，增加了系统的复杂性。
铁铬电池能量密度低，且能量效率转换低是制约其商业推广的最大挑战。目前铁铬液流电池的能量密度仅为10-20Wh/L，显著低于锂电池的 300-400Wh/L，也低于全钒液流电池的15-30Wh/L。因此其本体会受到电池体积大、密度大、重量大及电解液溶解度等的限制，因此铁铬体系的比能量较低，整体能量密度较低，只适合大规模的储能电站。另外材料所需的离子交换膜价格昂贵，对表面催化剂的要求较高，也对铁铬电池推广起到了一定的限制作用。
产业链上下游公司有望受益
铁铬铁铬液流电池的整个系统由能量单元（电解液及储罐）、功率单元（单电池、电堆或电堆模块）、输运系统（管路、阀门、泵、换热器等）、控制系统、附加设施等部分组成，其中能量单元和功率单元是核心模块。铁铬液流电池的正负极电解液为含有铁离子和铬离子的溶液，是其真正的储能介质，能量单元的核心。产业链条为上游铬矿经过冶炼生成铬盐，中游铬盐加工进而用于生产铁铬液流电池，下游铬中间品多范围跨行业应用于钢铁、电池、皮革等行业。
铬产业链条行业覆盖范围广，跨度较大。铬铁矿按工业用途划分为冶金级、化工级、耐火级和铸石级，其中冶金级铬铁矿全球产量占比超过 95%。因耐磨、耐高温、耐腐蚀及其亲铁性的性质，冶金级铬铁矿被冶炼成铬铁合金被添加到不锈钢、特钢等钢材中。不锈钢是目前铬元素最大的消费下游，因含有镍铬而具有不锈、耐蚀性主要特性。铬铁按不同含碳量分为高碳铬铁（含碳为4~8%）、中碳铬铁（含碳为0.5~4%）、低碳铬铁（含碳0.15~0.50%）、微碳铬铁（含碳为 0.06%）、超微碳铬铁（含碳小于 0.03%）。中、低、微碳铬铁由高碳铬铁添加硅石冶炼成，因其含碳量少也被用广泛于加工特殊钢材。另外化工级铬矿还可以加工成氧化铬绿、三氧化铬、红矾钠等铬盐，用于颜料、涂料、陶瓷、饲料、电镀、合金、皮革等众多行业等。铬铁电解法和铬盐碳还原法可提纯至金属铬。随铁铬液流电池的商业化，未来电池领域或将成为新的消费增长点。
上游产业链：全球铬铁矿资源丰富，铬铁矿资源总量超过120亿吨，主要分布于南非、津巴布韦、哈萨克斯坦、巴基斯坦、土耳其和印度等国家，已探明总铬铁矿储量约75亿吨。其中南非资源量最大，约占世界资源总量的一半，是全球最大的铬资源出口国。南非、津巴布韦、哈萨克斯坦铬铁矿资源量约占世界铬铁矿探明资源总量的95%。其中津巴布韦虽铬矿储量丰富，但开发程度较低，于2021年宣布禁矿。哈萨克斯坦铬矿多用于本国生产，出口量较低。
中国铬资源缺少，仅西藏、甘肃、内蒙古、新疆等地区有矿藏分布。根据中国冶金报，我国铬资源总探明储量为5700万吨，全球占比不足1%，对外依存度极高超过90%。目前，随着国内不锈钢市场持续旺盛，叠加储能铁铬电池的蓬勃兴起，解决进口矿供应成为市场的决定性因素。我国需求企业主要从南非、土耳其等国进口铬铁矿，未来预计导通津巴布韦的矿石供应链，不断深化与以上矿资源国家及地区的贸易合作，在一定程度上将减缓铬铁矿原材料供应不确定性的风险。
铬资源缺少，随着高碳铬铁产量爬坡，头部矿业将享受超额收益。随着中国不锈钢的需求不断起量，铬矿需求将不断上升，国际上铬铁价格将面临长期压力，再加上宏观政策上对铬铁矿加工贸易的限制，因此会长期出现国内铬铁行业发展力不足，对国外矿石依存度过高，上游受制于矿石供应商，所以头部矿业将享受市场增长赋予的超额收益。
下游储能：国内对铁/铬液流电池的研究始于20世纪90年代，早期以跟踪研究为主。中科院大连化学物理研究所的衣宝廉院士团队于1992年曾经推出过270W 的小型铁/铬液流电池电堆。中科院大连化物所和沈阳的金属所的研究中，负极析氢与电解液离子互混问题长期难以解决。2019年11月，中国国家电投公司所属的中央研究院和上海发电设备成套设计研究院联合项目团队研发的国内首个 31.25kW 铁/铬液流电池电堆“容和一号”成功下线，经测试，性能指标满足设计参数要求。首批次共8台电堆，应用于张家口战石沟光伏电站250kW/1.5MWh铁-铬液流电池储能示范项目，并已于 2020年12月投入试运行，成为国内首座百千瓦级铁-铬液流电池储能示范电站。2022年1月，“容和一号”量产线投产，单条产线可年产5000台“容和一号”电堆，标志着铁/铬液流电池储能技术产业化向前迈进了一大步，为液流电池储能技术带来了新的增长点。与此同时，国家电投还在内蒙古霍林河启动了全球首个兆瓦级铁/铬液流电池储能示范项目建设，预计将在22年年底投产，届时将再度刷新全球铁/铬液流电池储能系统的最大实证容量纪录。
发展趋势：铁铬液流电池材料的改进是未来实现产业化大规模推广的关键。铁铬当前负极铬离子的活性还有待提高，析氢副反应影响较大，离子传导膜在高温运行条件下的溶胀依然较大，循环稳定性较差等。未来依然需要适配储能进行技术创新和突破：
1）电池材料改进：优化离子传导膜的离子选择性以提高库仑效率，选择合适的添加剂降低析氢副反应的影响，提高活性物质的电化学反应以及电极材料的活性以降低电池的电化学极化，另外提高双极板的电导率以及减小离子传导膜、电极、双极板的厚度，从而降低电池的欧姆极化。
2）电池结构设计优化：降低电解液的流动阻力，提高电解液分布均匀性以及过电势分布均匀性，以降低电池的浓差极化，缩短电子、质子的传递路径，提高传质效率。
3）降低成本：铁铬液流电池对膜的要求较低，非氟磺酸膜实现突破后可以替代价格昂贵的全氟磺酸膜，将进一步降低电池成本，进而推动铁铬液流电池的产业化应用。
重力储能：商业化早期，发展潜力巨大
重力储能利用重力与高差实现电力充放
重力储能作为物理储能，利用重力与高差实现电力充放。实现新重力储能是一种机械式储能，储能介质分为水和固体物质，基于高度落差对储能介质进行升降来实现储能系统的充放电过程。水介质型重力储能系统可以借助密封良好的管道、竖井等结构，其选址的灵活性和储能容量受到地形和水源限制。固体重物型重力储能主要借助山体、地下竖井、人工结构物等结构，重物一般选择密度较高的物质，如金属、水泥、砂石等以实现较高的能量密度。根据重力储能的储能介质和落差实现路径的不同，目前将重力储能分为以下4类：新型抽水储能、基于构筑物高度差的重力储能、基于山体落差的重力储能和基于地下竖井的重力储能。
EV公司推出EVx系统，在中国布局首个商业化案例
Energy Vault公司提出混凝土砌块储能，开拓重力储能新方向。在基于构筑物高度差的重力储能技术路径中，Energy Vault公司提出以混凝土砌块储能塔为基础的重力储能发电方案，其原理是电力充裕时，起重机将储能模组EVx从地上吊起，像积木一样往高处堆放，当模组堆叠在高处时，系统完全“充电”，每个储能模组代表约1MW 的势能；当需要电力时，系统会协调储能模组EVx排出。2020年，EV公司在初期储电吊塔EV1产品的基础上研发了可以进行机组模块拼装的 EVRC 储能产品，并在瑞士当地建设了一些项目示范中心，与当地电网嫁接进行项目试验。2021年推出了EVx 平台，其储能模组EVx和弹性中心EVRC储能容量在10MWh以上，可满足电网2~12小时的弹性储能。
Energy Vault公司重力储能在手订单量充裕，与中国天楹深度合作。2022年2月，EV公司在纽交所上市，公司于上市后签订了一系列储能项目。2022 年初，EV 公司授权中国天楹子公司Atlas在中国区独家使用许可技术建造和运营重力储能系统设施，计划在江苏如东推动中国第一个100MWh重力储能项目落地，该项目是EVx系统的首次商业化应用的案例。2022年8月，EV公司与美国木星电力签订了220MWh的储能项目。2022年9月与美国 WellheadElectric、WPower 签订了275.2MWh的电池储存项目。
中国天楹（000035.SZ）：
如东项目稳步推进，已签订多份战略合作协议
中国天楹与 Energy Vault公司实现深度绑定，积极拓展重力储能业务。2022年1月30日，中国天楹旗下控股子公司 Atlas Renewable LLC与重力储能技术开发商Energy Vault公司签署了《技能答应运用协议》，EV公司授权Atlas在中国区（含香港和澳门）独家运用答应技能建造和运营重力储能体系设备。中国首个应用 EV 公司技术的100MWh重力储能项目将在江苏如东县落地。今年7月，全球首个25MW/100MWh重力储能示范项目已开始灌注桩基施工进入实际动工阶段，项目预计将于 2023 年年初投入商业运营。
今年以来中国天楹先后签署多个重力储能战略合作协议。今年以来，中国天楹与贵州毕节人民政府、内蒙通辽市人民政府、湖北省宜昌市人民政府、中国投资协会、三峡建工、中建七局、国家电投、中电建、国网综能等单位达成战略合作，合作内容均有涉及重力储能。毕节市“风光水储”一体化能源基地，将建设不低于40万千瓦时的重力储能项目；通辽千万千瓦级风光储氢氨一体化零碳产业园，重力储能规模2GWh；与国家电投浙江公司协议中，在长三角地区获取不低于1GWh重力储能项目；与中电建水电公司协议中，力争在“十四五”期间在全国共同开发投资不少于2GW的重力储能电站。
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