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鐵鉻液流電池：原材料豐富，前景廣闊
鐵鉻電子對價態(tài)變化實現能量轉換
鐵鉻液流電池是產業(yè)上最早出現的液流電池技術，利用鐵鉻電對的價態(tài)變化實現能量轉換。鐵鉻電池分別采用 Fe3+/Fe2+電對和 Cr3+/Cr2+作為正極和負極的活性物質，通過活性金屬的價態(tài)變化實現電能與化學能相互轉換與能量儲存。在鐵鉻液流電池中，活性物質儲存于電解液中，具有流動性，可以實現電化學反應場所（電極）與儲能活性物質在空間上的分離，電池功率與容量設計相對獨立，適合大規(guī)模蓄電儲能需求。
鐵鉻電池系統(tǒng)主要由功率單元（單電池、電堆或電堆模塊）、儲能單元（電解液及儲罐）、電解液輸送單元（管路、閥門、泵、換熱器等）電池管理系統(tǒng)等組成。作為鐵鉻電池的核心部件，功率單元在一定程度上決定了系統(tǒng)的能量轉換效率和建設成本。根據應用領域不同，功率單元可以分為單電池、電堆和大功率模塊等。其中，鐵鉻電池單電池是電堆及系統(tǒng)的基本單元，單電池主要通過離子傳導膜將正負極電解液進行分離，兩側分別由電極、液流框、集流體等部件組成的正負極半電池，然后通過夾板及緊固件進行壓緊而成；電堆又由多個單－電池通過疊加形式進行緊固而成，每組單電池之間通過雙極板進行連接，具有多個電解液循環(huán)管道和統(tǒng)一電流輸出的組合體，一定數量的電堆再組合電解液循環(huán)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、能量轉換系統(tǒng)及輔助設備構成大功率模塊的基本組成單元。
鉻鐵礦豐富疊加電化學技術優(yōu)勢，大儲前景廣闊
1. 優(yōu)勢：鐵鉻電池較其他電化學電池具有明顯的技術優(yōu)勢，在大規(guī)模儲能技術應用前景廣闊。根據鐵鉻電池的工作原理及結構特點，其高安全、高靈活性和長壽命的技術特點使其在可再生能源發(fā)電儲能裝置、電網調峰調頻、電網削峰填谷、不間斷電源或應急電源等領域擁有很廣闊的應用前景。
1）電對元素特性疊加水性電解質溶液，鐵鉻電池系統(tǒng)安全性較高。鐵-鉻液流電池的電解質溶液為含有 Fe3+/Fe2+電對和 Cr3+/Cr2+電對的水性溶液，不會發(fā)生燃燒或爆炸的風險。且電解質溶液儲存在兩個分離的儲液罐中，電池堆與儲液罐分離，在常溫常壓下運行，安全性高。即使在運行過程中，隔膜發(fā)生破裂，正負極活性物質發(fā)生互混，也不會引起燃燒和爆炸。
2）適配儲能循環(huán)壽命長，模塊/定制化設計靈活穩(wěn)定。鐵-鉻液流電池在充放電過程中，電極材料只提供反應界面，本身不參與反應，而且電極反應均為液相反應，無相態(tài)變化，不會發(fā)生類似同態(tài)電極的脫落成片結構坍塌等問題，可以長期保持穩(wěn)定狀態(tài)，理論充放電循壞次數可以達到 10000 次，與全釩液流電池持平，壽命遠遠高于鈉硫電池、鋰離子電池和鉛酸電池。另外鐵鉻液流電池的額定功率和額定容量是獨立的，功率大小取決于電池堆，容量大小取決于電解質溶液，可以根據用戶需求進行功率和容量的量身定制。而且其電能儲存在電解質溶液內，而電解質溶液存儲在儲罐里，不存在自放電現象，尤其適用于做備用電源等。因而方便進行模塊化設計，通過電堆組合維持系統(tǒng)的性能穩(wěn)定。
3）原材料資源豐富，環(huán)境適應性強，疊加回收優(yōu)勢成本較低。鐵-鉻液流電池的電解質溶液原材料資源豐富且成本較低，鉻鐵礦全球探明儲量達到了 5.1 億噸，較釩/鋰儲量優(yōu)勢明顯，不會出現短期內資源制約發(fā)展的情況。另外電池在使用過程中，金屬鐵和鉻離子只發(fā)生價態(tài)變化，并不會被消耗，可以永久性循環(huán)使用、節(jié)約資源，另外鐵鉻電池電堆及系統(tǒng)廢棄時，碳材料和樹脂材料均可以作為燃料使用，部分金屬則可以繼續(xù)使用，因此鐵鉻電池回收簡單、殘余價值高、環(huán)境負荷小，因而是可持續(xù)發(fā)展的儲能技術。相較全釩液流電池，鐵鉻電池的成本占比最大的部分是膜、PCS 以及鐵鉻電解液，鐵鉻液流電池的膜占比是全釩液流電池的兩倍，但膜的成本較低，另外 Fe3+的低氧化特性也可以使用低廉的碳氫化合物膜，也可以進一步降低鐵鉻液流電池的成本。此外其電解液占比僅為 9%，所以其經濟實惠的優(yōu)勢明顯展露出來。
2. 劣勢：鐵鉻電池負極活性弱，容易受制于 Cr 離子金屬特性而產生析氫問題。鐵-鉻液流電池負極 Cr2+/Cr3+電對相較于正極 Fe2+/Fe3+電對在電極上的反應活性較差，是影響電池性能的主要原因之一。且 Cr3+離子電化學反應活性較差、易老化、易發(fā)生析氫反應、容量衰減快、能量效率低等原因仍然限制著鐵鉻液流電池商業(yè)化發(fā)展。另外反應過程中電池正負極電解液一定程度上會形成交叉感染，所以需要配備循環(huán)泵、電控設備等輔助設備，增加了系統(tǒng)的復雜性。
鐵鉻電池能量密度低，且能量效率轉換低是制約其商業(yè)推廣的最大挑戰(zhàn)。目前鐵鉻液流電池的能量密度僅為10-20Wh/L，顯著低于鋰電池的 300-400Wh/L，也低于全釩液流電池的15-30Wh/L。因此其本體會受到電池體積大、密度大、重量大及電解液溶解度等的限制，因此鐵鉻體系的比能量較低，整體能量密度較低，只適合大規(guī)模的儲能電站。另外材料所需的離子交換膜價格昂貴，對表面催化劑的要求較高，也對鐵鉻電池推廣起到了一定的限制作用。
產業(yè)鏈上下游公司有望受益
鐵鉻鐵鉻液流電池的整個系統(tǒng)由能量單元（電解液及儲罐）、功率單元（單電池、電堆或電堆模塊）、輸運系統(tǒng)（管路、閥門、泵、換熱器等）、控制系統(tǒng)、附加設施等部分組成，其中能量單元和功率單元是核心模塊。鐵鉻液流電池的正負極電解液為含有鐵離子和鉻離子的溶液，是其真正的儲能介質，能量單元的核心。產業(yè)鏈條為上游鉻礦經過冶煉生成鉻鹽，中游鉻鹽加工進而用于生產鐵鉻液流電池，下游鉻中間品多范圍跨行業(yè)應用于鋼鐵、電池、皮革等行業(yè)。
鉻產業(yè)鏈條行業(yè)覆蓋范圍廣，跨度較大。鉻鐵礦按工業(yè)用途劃分為冶金級、化工級、耐火級和鑄石級，其中冶金級鉻鐵礦全球產量占比超過 95%。因耐磨、耐高溫、耐腐蝕及其親鐵性的性質，冶金級鉻鐵礦被冶煉成鉻鐵合金被添加到不銹鋼、特鋼等鋼材中。不銹鋼是目前鉻元素最大的消費下游，因含有鎳鉻而具有不銹、耐蝕性主要特性。鉻鐵按不同含碳量分為高碳鉻鐵（含碳為4~8%）、中碳鉻鐵（含碳為0.5~4%）、低碳鉻鐵（含碳0.15~0.50%）、微碳鉻鐵（含碳為 0.06%）、超微碳鉻鐵（含碳小于 0.03%）。中、低、微碳鉻鐵由高碳鉻鐵添加硅石冶煉成，因其含碳量少也被用廣泛于加工特殊鋼材。另外化工級鉻礦還可以加工成氧化鉻綠、三氧化鉻、紅礬鈉等鉻鹽，用于顏料、涂料、陶瓷、飼料、電鍍、合金、皮革等眾多行業(yè)等。鉻鐵電解法和鉻鹽碳還原法可提純至金屬鉻。隨鐵鉻液流電池的商業(yè)化，未來電池領域或將成為新的消費增長點。
上游產業(yè)鏈：全球鉻鐵礦資源豐富，鉻鐵礦資源總量超過120億噸，主要分布于南非、津巴布韋、哈薩克斯坦、巴基斯坦、土耳其和印度等國家，已探明總鉻鐵礦儲量約75億噸。其中南非資源量最大，約占世界資源總量的一半，是全球最大的鉻資源出口國。南非、津巴布韋、哈薩克斯坦鉻鐵礦資源量約占世界鉻鐵礦探明資源總量的95%。其中津巴布韋雖鉻礦儲量豐富，但開發(fā)程度較低，于2021年宣布禁礦。哈薩克斯坦鉻礦多用于本國生產，出口量較低。
中國鉻資源缺少，僅西藏、甘肅、內蒙古、新疆等地區(qū)有礦藏分布。根據中國冶金報，我國鉻資源總探明儲量為5700萬噸，全球占比不足1%，對外依存度極高超過90%。目前，隨著國內不銹鋼市場持續(xù)旺盛，疊加儲能鐵鉻電池的蓬勃興起，解決進口礦供應成為市場的決定性因素。我國需求企業(yè)主要從南非、土耳其等國進口鉻鐵礦，未來預計導通津巴布韋的礦石供應鏈，不斷深化與以上礦資源國家及地區(qū)的貿易合作，在一定程度上將減緩鉻鐵礦原材料供應不確定性的風險。
鉻資源缺少，隨著高碳鉻鐵產量爬坡，頭部礦業(yè)將享受超額收益。隨著中國不銹鋼的需求不斷起量，鉻礦需求將不斷上升，國際上鉻鐵價格將面臨長期壓力，再加上宏觀政策上對鉻鐵礦加工貿易的限制，因此會長期出現國內鉻鐵行業(yè)發(fā)展力不足，對國外礦石依存度過高，上游受制于礦石供應商，所以頭部礦業(yè)將享受市場增長賦予的超額收益。
下游儲能：國內對鐵/鉻液流電池的研究始于20世紀90年代，早期以跟蹤研究為主。中科院大連化學物理研究所的衣寶廉院士團隊于1992年曾經推出過270W 的小型鐵/鉻液流電池電堆。中科院大連化物所和沈陽的金屬所的研究中，負極析氫與電解液離子互混問題長期難以解決。2019年11月，中國國家電投公司所屬的中央研究院和上海發(fā)電設備成套設計研究院聯(lián)合項目團隊研發(fā)的國內首個 31.25kW 鐵/鉻液流電池電堆“容和一號”成功下線，經測試，性能指標滿足設計參數要求。首批次共8臺電堆，應用于張家口戰(zhàn)石溝光伏電站250kW/1.5MWh鐵-鉻液流電池儲能示范項目，并已于 2020年12月投入試運行，成為國內首座百千瓦級鐵-鉻液流電池儲能示范電站。2022年1月，“容和一號”量產線投產，單條產線可年產5000臺“容和一號”電堆，標志著鐵/鉻液流電池儲能技術產業(yè)化向前邁進了一大步，為液流電池儲能技術帶來了新的增長點。與此同時，國家電投還在內蒙古霍林河啟動了全球首個兆瓦級鐵/鉻液流電池儲能示范項目建設，預計將在22年年底投產，屆時將再度刷新全球鐵/鉻液流電池儲能系統(tǒng)的最大實證容量紀錄。
發(fā)展趨勢：鐵鉻液流電池材料的改進是未來實現產業(yè)化大規(guī)模推廣的關鍵。鐵鉻當前負極鉻離子的活性還有待提高，析氫副反應影響較大，離子傳導膜在高溫運行條件下的溶脹依然較大，循環(huán)穩(wěn)定性較差等。未來依然需要適配儲能進行技術創(chuàng)新和突破：
1）電池材料改進：優(yōu)化離子傳導膜的離子選擇性以提高庫侖效率，選擇合適的添加劑降低析氫副反應的影響，提高活性物質的電化學反應以及電極材料的活性以降低電池的電化學極化，另外提高雙極板的電導率以及減小離子傳導膜、電極、雙極板的厚度，從而降低電池的歐姆極化。
2）電池結構設計優(yōu)化：降低電解液的流動阻力，提高電解液分布均勻性以及過電勢分布均勻性，以降低電池的濃差極化，縮短電子、質子的傳遞路徑，提高傳質效率。
3）降低成本：鐵鉻液流電池對膜的要求較低，非氟磺酸膜實現突破后可以替代價格昂貴的全氟磺酸膜，將進一步降低電池成本，進而推動鐵鉻液流電池的產業(yè)化應用。
重力儲能：商業(yè)化早期，發(fā)展?jié)摿薮?/strong>
重力儲能利用重力與高差實現電力充放
重力儲能作為物理儲能，利用重力與高差實現電力充放。實現新重力儲能是一種機械式儲能，儲能介質分為水和固體物質，基于高度落差對儲能介質進行升降來實現儲能系統(tǒng)的充放電過程。水介質型重力儲能系統(tǒng)可以借助密封良好的管道、豎井等結構，其選址的靈活性和儲能容量受到地形和水源限制。固體重物型重力儲能主要借助山體、地下豎井、人工結構物等結構，重物一般選擇密度較高的物質，如金屬、水泥、砂石等以實現較高的能量密度。根據重力儲能的儲能介質和落差實現路徑的不同，目前將重力儲能分為以下4類：新型抽水儲能、基于構筑物高度差的重力儲能、基于山體落差的重力儲能和基于地下豎井的重力儲能。
EV公司推出EVx系統(tǒng)，在中國布局首個商業(yè)化案例
Energy Vault公司提出混凝土砌塊儲能，開拓重力儲能新方向。在基于構筑物高度差的重力儲能技術路徑中，Energy Vault公司提出以混凝土砌塊儲能塔為基礎的重力儲能發(fā)電方案，其原理是電力充裕時，起重機將儲能模組EVx從地上吊起，像積木一樣往高處堆放，當模組堆疊在高處時，系統(tǒng)完全“充電”，每個儲能模組代表約1MW 的勢能；當需要電力時，系統(tǒng)會協(xié)調儲能模組EVx排出。2020年，EV公司在初期儲電吊塔EV1產品的基礎上研發(fā)了可以進行機組模塊拼裝的 EVRC 儲能產品，并在瑞士當地建設了一些項目示范中心，與當地電網嫁接進行項目試驗。2021年推出了EVx 平臺，其儲能模組EVx和彈性中心EVRC儲能容量在10MWh以上，可滿足電網2~12小時的彈性儲能。
Energy Vault公司重力儲能在手訂單量充裕，與中國天楹深度合作。2022年2月，EV公司在紐交所上市，公司于上市后簽訂了一系列儲能項目。2022 年初，EV 公司授權中國天楹子公司Atlas在中國區(qū)獨家使用許可技術建造和運營重力儲能系統(tǒng)設施，計劃在江蘇如東推動中國第一個100MWh重力儲能項目落地，該項目是EVx系統(tǒng)的首次商業(yè)化應用的案例。2022年8月，EV公司與美國木星電力簽訂了220MWh的儲能項目。2022年9月與美國 WellheadElectric、WPower 簽訂了275.2MWh的電池儲存項目。
中國天楹（000035.SZ）：
如東項目穩(wěn)步推進，已簽訂多份戰(zhàn)略合作協(xié)議
中國天楹與 Energy Vault公司實現深度綁定，積極拓展重力儲能業(yè)務。2022年1月30日，中國天楹旗下控股子公司 Atlas Renewable LLC與重力儲能技術開發(fā)商Energy Vault公司簽署了《技能答應運用協(xié)議》，EV公司授權Atlas在中國區(qū)（含香港和澳門）獨家運用答應技能建造和運營重力儲能體系設備。中國首個應用 EV 公司技術的100MWh重力儲能項目將在江蘇如東縣落地。今年7月，全球首個25MW/100MWh重力儲能示范項目已開始灌注樁基施工進入實際動工階段，項目預計將于 2023 年年初投入商業(yè)運營。
今年以來中國天楹先后簽署多個重力儲能戰(zhàn)略合作協(xié)議。今年以來，中國天楹與貴州畢節(jié)人民政府、內蒙通遼市人民政府、湖北省宜昌市人民政府、中國投資協(xié)會、三峽建工、中建七局、國家電投、中電建、國網綜能等單位達成戰(zhàn)略合作，合作內容均有涉及重力儲能。畢節(jié)市“風光水儲”一體化能源基地，將建設不低于40萬千瓦時的重力儲能項目；通遼千萬千瓦級風光儲氫氨一體化零碳產業(yè)園，重力儲能規(guī)模2GWh；與國家電投浙江公司協(xié)議中，在長三角地區(qū)獲取不低于1GWh重力儲能項目；與中電建水電公司協(xié)議中，力爭在“十四五”期間在全國共同開發(fā)投資不少于2GW的重力儲能電站。
