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钒价暴涨全钒液流储能电池商业化开发面临严峻



  受诸多因素影响,进入7月份以后,仅仅一个月的时间,98%片状五氧化二钒价格从7月初的9.3-9.5万/吨迅速飙升到19-20万/吨,钒的市场价格实现了成倍增长。与2016年年初相比,钒的市场价格更是上涨了6-7倍,创造了2008年经济危机以来最高价格水平。

  如同当下的高温天气一样,火热行情之下,钒市场的未来趋势走向和对钒电池商业化成本所带来的影响备受关注。

  钒是一种银白色的金属,在地壳中的丰度约为0.02%,比铜、镍、锌、铬等都高。按地壳中元素丰度排列居13位。钒在自然界的分布很分散,不能形成单独的钒矿床,通常以含钒矿物或类质同象的形式存在,存在于65种矿物中。

  钒目前的主要来源是南非、中国、俄罗斯、新西兰、澳大利亚的磁铁矿,以及废催化剂、石油残渣、磷矿和石煤等。具备潜在供应能力的还有巴西、智利、芬兰等地的磁铁矿,加拿大艾伯塔和澳大利亚昆士兰含钒丰富的油页岩。

  根据美国地质调查局(USGS)不完全统计,2015年全球钒资源量已超6300万吨,全球钒储量约1500万吨,中国占全球总量的34%,居世界第一。目前国际市场上主要的钒供应国为中国、南非和俄罗斯。

  中国是钒资源比较丰富的国家,国家统计局数据,2015年钒矿基础储量为887.3万吨,四川553.8万吨,且集中分布在四川的攀枝花市、河北承德市。据了解,攀钢集团的钒产品产量占到全国的50%以上。

  从全球来看,世界钒产品原料主要来自钒钛磁铁矿,且近年来的比例逐步上升。据统计2015年世界约71%的钒来自于钢铁冶金工业加工钒钛磁铁矿得到的富钒钢渣,约17%的钒产量直接来自于含钒原矿生产,约12%的钒是由回收的含钒副产品及石煤矿物生产。

  根据国际钒技术委员会(VANITEC)统计,2016年全球钒产品产量为76530吨(钒含量),同比下降了9.3%。

  第一类是钒渣提钒,钒渣(国内含五氧化二钒品位在12-18%不等)是以钒钛磁铁矿为原料炼钢时的一种副产品。代表性的厂家是攀钢、承钢、承德建龙、四川川威等钢厂,目前以该方式供应的钒产品占总产量的将近90%。

  第二类是通过石煤提钒,污染严重、成本高。从石煤中提取钒的工艺相对来说还比较落后,已具规模的焙烧-浸出工艺存在比较严重的大气和水污染,没有达到绿色工艺的要求。代表性的厂家是陕西五洲、华源矿业等。

  第三类是从石油残渣和含钒废催化剂中提钒,进行综合回收利用。代表性的厂家是从石油飞灰或炉渣中提钒的大连博融和从含钒废催化剂中提钒的辽宁虹京集团。

  目前,世界钒生产企业主要集中在南非、俄罗斯、巴西、新西兰和中国。截止到2015年底,全球钒生产能力25.16万吨(折V2O5),其中中国攀钢集团产能4万吨,承钢集团产能2.2万吨,除此以外,建龙钢铁、德胜钢铁、川威钢铁等也是主要的钒制品生产企业。

  钒是一种重要的合金元素,可以细化晶粒,在炼钢中用作合金添加剂,主要用于钢铁工业。含钒的高强度合金钢广泛应用于输油/气管道、建筑、桥梁、钢轨等生产建设中。含钒高强度合金钢主要有:高强度低合金HSLA钢、建筑用螺纹钢筋、高碳钢线材、钢轨、工具和模具钢等。含钒钢具有强度高,韧性大,耐磨性好等优良特性,因而广泛应用于机械、汽车、造船、铁路、航空、桥梁、电子技术、国防工业等行业,其用量约占钒消耗量的90%。钢铁行业的用量在钒的用途中占最大比重,钢铁行业的需求直接影响到钒市场行情。

  钒在钛合金中可以作为稳定剂和强化剂,使钛合金具有很好的延展性和可塑性,大约有5%的钒用于生产航天工业所需的钛合金。例如飞机发动机、宇航船舱骨架、导弹、蒸汽轮机叶片、火箭发动机壳等方面。此外含钒合金还应用于磁性材料、硬质合金、超导材料及核反应堆材料等领域。

  钒在化学工业中也体现出重要的作用,在钒的应用比例中约占4%。主要用作制造硫酸和硫化橡胶的催化剂,颜料、缓蚀剂、显影剂、干燥剂等。

  此外,钒还可以用于生产全钒液流氧化还原电池,用于储能领域。近年来,钒在电池领域的应用前景被普遍看好,有望为钒行业带来成倍的需求空间。

  由于钒主要应用于钢铁领域,中国是世界最大的钢铁生产和消费国,因此中国也是世界最大的钒消费国。据统计,2016年全球钒消费量为82299吨(V),其中中国消费35685吨(V),占全世界的43.36%。2017年预计全球钒消费量将有望增长到88495吨(V)。

  (1)、前几年持续的价格低迷导致部分钒企业退出生产领域。自2008年经济危机以来,钒市场一路下滑,到2015年底,钒价格进入谷底,国内98%片状五氧化二钒价格一度跌破3万元/吨。低迷的价格造成几乎所有的钒企业出现亏损,因此大量的钒企业退出生产领域,造成供应减少。

  比较具有代表性的是南非Highveld破产导致全球市场减少了约2万吨五氧化二钒的供应,澳大利亚Windmurra因融资及成本原因,一直无法投产,其他国际矿山除了巴西的Largo外,并没有一家实现矿山投运生产。同时,中国国内众多的中小生产企业因成本原因退出了钒的生产领域。

  (2)、中国近几年环保监管力度不断加大造成众多中小企业关停。除了地方不断加码的环保要求外,国家自2016年以来更是开展了四轮中央环保督查行动。众多中小生产企业因环保压力,不得不主动或被动关停,特别是石煤提钒企业。

  (3)、原料供应持续下降,产品社会库存不断降低。受到最近几年钒产品和钢材价格低迷的影响,南非Highveld破产导致无钒渣供应,俄罗斯钒渣产量也出现一定程度削减。为了响应国家的去产能政策,2016年攀钢集团先后关停了西昌新钢业、成都钢钒等下属子公司,导致钒渣产量下降约21%。承德钒钛2016年度钒产品产量1.44万吨,销量1.18万吨,钒渣产量比2014年下降了30.5%。黑龙江建龙由于得不到俄罗斯的钒渣供应,导致市场减少了7000吨五氧化二钒供应。与此同时,在市场低迷阶段积累的产品社会库存,随着时间推移,不断消耗并减少。

  (4)、中国全面禁止钒渣进口成为引燃钒价格飙升的导火索。环保部在2017年7月18日向WTO提交禁止进口洋垃圾的文件显示,中国将禁止4类24种固体废料的进口,其中就包括了冶炼钢铁等所产生的含钒浮渣,熔渣,五氧化二钒。此政策实施预计将每年至少减少3万吨钒渣供应,对应将减少5000吨以上的五氧化二钒供应。这一政策公布,瞬间引燃本已脆弱的市场,价格闻风而动,在不到一个月的时间价格翻倍飙升。

  (1)、钢铁行业:作为钒应用最大的消费领域,钢铁行业一直保持高位运行,产量仍在增长。

  7月28日召开的中国钢铁工业协会五届六次常务理事(扩大)会议传出信息,2016年钢材价格单边上扬,去年我国退出钢铁产能超过6500万吨,但全年粗钢产量增长了1.2%。

  2017年1-6月份我国粗钢、生铁和钢材产量分别为41975万吨、36256万吨和55155万吨,同比分别增长4.6%、3.4%和1.1%。其中6月份粗钢、生铁和钢材产量分别为7323万吨、6168万吨和9757万吨,同比分别增长5.7%、2.2%和0.7%。6月份粗钢、生铁和钢材日均产量分别为244.1万吨、205.6万吨和325.23万吨,较5月份日均产量分别增长4.72%、3.25%和5.26%,粗钢日均产量创下历史新高。

  数据显示,上半年中钢协会员钢铁企业利润总额532.42亿元,较上年同期增加418.44亿元,同比增幅高达367.12%。从利润总额构成看,上半年主营业务利润为428.19亿元,同比增长746.23%,利润结构得到了显著改善。

  作为钒消耗量较大的品种螺纹钢,6月份产量达到1885万吨,价格突破3700元/吨,社会库存降低至420万吨,吨钢盈利超过1000元/吨。

  地条钢是用中频炉把废钢铁熔化,再倒入简易铸铁模具内冷却而成。其间,既不进行任何分析化验,也无温度等质量控制,用这种方法炼出的钢,产品直径、抗拉强度等均难以符合国家标准,大部分产品存在脆断的情况,质量存在严重隐患。

  钢铁的冶炼是在熔化的状态下,对其由在成分含量进行提纯和调整的过程。通过对炉内钢水进行控制温度、排除杂质、调整成分等过程的操作,使之达到冶炼所需要的范围。在达到这个范围时,方可出钢进行浇注。但是在冶金行业,使用废钢铁为原料的冶炼工艺中一般不使用感应炉为冶炼设备,由于设备本身的条件所限,无法较理想的完成上述三项任务。

  由于地条钢”生产销售存在严重的环境污染和质量安全隐患,党中央、国务院三令五申坚决打击“地条钢”非法生产,并要求于今年6月30日前彻底取缔。7月29日,国务院总理李克强作出批示强调,彻底取缔“地条钢”,化解过剩产能要坚定不移推进,防止死灰复燃。据估算,全国“地条钢”产能不少于1.2亿吨,产量不少于7000万吨/年。

  钒作为钢铁行业的“味精”在钢中起到细化晶粒,从而提高强度的作用。三级螺纹钢20MnSiVNb 20MnSiVNb是典型的低碳微合金高强度建筑工程结构用钢,其屈服强度高于400MPa,是典型的HRB400三级螺纹钢,用途极为广泛。三级螺纹钢筋是在20MnSi钢基础上添加微合金元素钒或铌而来。三级螺纹钢具有强度高,性能稳定,安全储备量大,抗震性能好,节省钢材,施工方便等优越性,因此其更适用于高层,大跨度和抗震建筑结构用钢。

  然而,由于部分螺纹钢生产企业通过“穿水”工艺提高螺纹钢的强度,从而减少了合金的加入量。根据国标GB1499-2007要求,HRB400螺纹钢中Mn含量要在1.6%左右,同时根据需要钢中可以添加V、Nb、Ti等合金以提高强度。部分企业通过“穿水”工艺直接将Q235的钢材变为HRB400使用,这类钢材容易导致螺纹钢表面生锈严重,“穿水”后螺纹钢强度提高,但韧性下降。

  今年5月,国家质检局开展严查螺纹钢质量行动,提出对钢铁企业的生产工艺、炼钢和轧钢设备务必检查到位,对违法违规者,要立即办理撤销工业产品生产许可证书手续。并于2017年6月30日前完成建筑用热轧钢筋生产许可获证企业全面排查,并向总局报送工作总结,总结中要逐家说明企业检查情况、发现问题和处理情况。此前国家铁路局也发布公告称高铁工程必须用不穿水螺纹钢。由此看来,国家即将淘汰钢筋生产过程中的“穿水工艺”,中小钢厂不得不采取通过加钒的方式来生产螺纹钢,未来钒需求增加。

  如果钢铁企业合金化过程中将提高钒的用量0.002%-0.005%,预计将提升钒的总需求达11%。

  美国航空巨头波音公司2017年6月20日发布市场展望年度报告,预计未来20年间全球需要新增41030架飞机,年均复合增长率为3.7%,总价值超过6万亿美元。全球新飞机交付量中,57%将用于航空业发展,43%将用于替换老旧飞机。新型飞机为节省燃油消耗将越来越多地使用诸如含钒钛合金材料、复合材料和碳纤维材料等。

  全钒液流储能电池具有寿命长、规模大、安全可靠、生命周期性价比高、快速响应、深度充放及环境友好等突出优势,已经成为世界范围内实现大规模储能的首选技术之一,应用于可再生能源(风能、太阳能等)并网发电、电网调峰储能、智能微网、离网电力供应、备用电源等领域。由于可再生能源具有间歇性、不稳定性、不可调控等自然属性,导致其并网、消纳和利用等方面存在众多困难和挑战。通过引入全钒液流电池储能技术,将可以有效提高电力系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动、降低供电成本、提高电力设备利用率等,促进可再生能源的并网和使用。全钒液流电池技术将在可再生能源系统设计、规划、调度、控制等方面带来重大变革,推动可再生能源发展,在构建能源互联网的进程中发挥重要作用。

  2016年大连融科储能获得200MW/800MWh储能调峰电站项目是全钒液流电池技术应用的标志性事件。该项目预计将增加五氧化二钒的消费达到8000吨。有分析认为,全钒液流电池技术如果在储能市场能够全面走向商业化,未来对导致钒的需求出现成倍增长。

  由上可见,在市场和政策的共同作用下,钒产业格局已经发生根本性改变,供需失衡已经由过去的供大于求状况转向目前的供应短缺局面,这是目前钒价格上涨的主要原因。同时,国家的行政干预打乱了市场正常的运行规律,加剧了市场的波动和预期,造成短时间市场价格的暴涨。

  钒电池,是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。钒电池将存储在电解液中的能量转换为电能,通过两个不同类型的、被一层隔膜隔开的钒离子之间交换电子来实现。电解液是由硫酸和钒混合而成的,酸性和传统的铅酸电池一样。由于这个电化学反应是可逆的,所以VRB电池既可以充电,也可以放电。充放电时随着两种钒离子浓度的变化,电能和化学能能相互转换。

  因此,钒电解液、隔膜、电极是钒电池的核心材料。钒作为物质基础,以钒电解液形式存在,钒电解液的性能将直接影响到电池系统的工作效率、使用寿命、运行工况等。为保障钒电解液性能,满足钒电池长时间苛刻的质量要求,从工业级98%片状五氧化二钒到电解液是一个比较复杂而且成本高昂的生产过程。

  大多数钒电池厂家使用的钒电解液浓度为1.5-1.7 mol/L,以1.6 mol/L计算,每立方钒电解液将消耗五氧化二钒为145.61公斤。

  根据储能应用领域的实际需求,钒电池储能系统容量时间可以从2小时到12小时甚至24小时不等,平均每kWh使用电解液60-80升,以70升计算。

  由此可见,钒价格的波动直接影响到全钒液流电池的成本。以2016年年初五氧化二钒3万元/吨计,目前20万元/吨五氧化二钒的价格已经给钒电池成本增加了1732.76元/kWh,电池成本增幅43.32%。如果仅以7月份五氧化二钒涨幅10万元/吨来计算,则钒电池成本增加了1019.27元/kWh,单月成本增幅达到25.48%!

  目前储能技术多种多样,主要分为物理储能(如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池)和电磁储能(如超导电磁储能、超级电容器储能等)三大类。根据各种储能技术的特点,飞轮储能、超导电磁储能和超级电容器储能适合于需要提供短时较大的脉冲功率场合,如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量,抑制电力系统低频振荡、提高系统稳定性等;而抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能适合于系统调峰、大型应急电源、可再生能源并入等大规模、大容量的应用场合。

  作为目前最成熟的液流电池,全钒液流电池循环寿命长、响应快速、成本较低和部署灵活,可广泛用于电网调峰、新能源并网、离网电力供应等领域。然而其缺点在于能量密度低,使用温度有局限性,复杂的系统结构和与之对应的高昂制造成本等。目前钒电池的成本要远高于铅酸/铅碳电池、锂电池、锌溴等储能电池,这也制约了钒电池快速实现商业化的进程。

  2017年普遍被认为是储能元年,在国家一系列政策的鼓励和扶持下,各种不同的储能技术百花齐放,蓬勃发展。然而,不同的储能技术都有各自的优缺点,目前还没有任何一种技术可以取代其他所有储能技术。各种储能技术相互竞争、相互依存,甚至相互补充的状态将长期存在。

  因此,在高钒价的背景下,探索适合的钒电池应用场景,充分发挥钒电池技术自身的特点和优势,显得尤为重要。钒电池具有突出的寿命长、规模大、安全可靠、生命周期性价比高、快速响应、深度充放及环境友好等突出优势,钒电池商业化开发首先要充分发掘出适合这些特点的刚性需求。在完成刚性需求的基础上,根据钒电池成本状况,徐图而进,尝试在竞争性或可替代性的应用领域尝试与其他储能技术进行竞争乃至扩大市场份额。

  钒虽然在钒电池的系统成本中占有很高比例,但是钒电池仍然存在较大的成本下降空间。隔膜、电极、双极板等电池功能材料可以通过技术突破和规模化量产,持续不断地降低成本。同样,钒电解液的能量密度提高、配方优化,也会在一定程度上降低成本。

  与此同时,钒电池的系统设计、集成与制造水平的改进和提升也会显著打来成本的下降。在这方面,大连融科已经建成年产300MW全钒液流电池系统生产线,成本得到了很好地控制。

  同样,通过电池性能的改进,效率的提升,也可以提高全钒液流电池在储能市场的综合竞争能力。

  目前,储能商业化实践在不断铺开。在商业化应用方面,在用户侧通过峰谷电价差实现套利、在电网侧探索试行容量电价、在发电侧推动建立灵活电源补偿机制等模式的实践逐渐增多。

  从现有项目看,储能系统的资产一般掌握在储能厂商或系统集成商的手中,收入就是为用户节约的部分电费。由于投资回收期较长,厂商或集成商的风险较大,同时还要支付项目的先期投入,压力也不小。近期,投融资机构对储能产业的渗透不断加强,从关注逐步向合作转化;由投融资机构参与的储能电站建设模式不断涌现。

  钒电池储能系统由于初期投入大,回报期长等,在商业化推进过程中具有一定的难度。通过金融租赁方式,用户就不必一次性负债或者动用自己的资金来投资。在这一模式中,金融租赁机构将是储能电站的所有权人和出租方,电站的使用者作为承租人向金融机构支付租金和利息,租赁期满,电站的所有权可以转移给出租人。

  与光伏等行业类似,储能也是重资产的行业,前期投资较大,但建成后收益是明确可预测的,这就可以做一些融资性的安排,例如资产证券化。

  此外,通过BOT、BOO、BOOT、BLT、PPP等方式,可以引入多样化资本,共同推动储能项目的获取与实施。

  由于钒是一种稀有金属,其价格经常波动,这对钒电池商业化开发带来了挑战。储能项目都有明确的项目周期和项目预算,无法承担钒价格剧烈波动所带来的影响。因此建立钒价格预警机制,合理确定储能项目成本非常重要。

  建立预警机制后,可以在钒价低迷时,加大钒的原料采购并合理建立库存。在钒价高位时,减少或暂停采购。同时提高储能项目预算,保障项目能够顺利得以实施。

  需要与钒原料企业建立紧密的合作伙伴关系,通过长期合同、参股或交叉持股等方式深度融合,建立风险共担、利润共享机制,锁定钒原料供应,促进双方共同发展。

  钒市场经历了多年低迷之后,产业结构逐渐失衡,有效供给大幅减少,市场面临短缺局面。自2016年以来,钒价格逐渐上涨,钒价值重新回归并得到一定程度的修复。当前,国内钒市场在经历了7月份因国家禁止钒渣进口政策刺激的飙涨之后,价格走势逐渐放缓,各方对此持观望态度。

  受到高价格刺激的影响,部分钒产能有望能够恢复,等到复产后的产能释放到市场后,钒的供应紧张情况将得到缓解,价格将重新回归于理性,当然这一切都需要有一定的时间。同时,还需要密切关注来自于环保和钢铁等方面国家政策的变化和影响。

  在目前高钒价的背景下,全钒液流电池商业化进程将面临严峻的成本挑战。部分钒电池项目将不得不推迟实施,部分潜在新项目将不得不让步与其他储能技术。钒电池商业化开发进程将延缓,应用领域将变窄,市场份额将减少。

  从产业上下游角度来看,在目前钒价格情况下,钒矿山企业获得了非常高的盈利水平,而钒电池则面临巨大的成本压力。然而,钒企业和钒电池企业从来不是一种博弈关系,相反,两者是上下游相互依存的关系。只有钒电池发展成功,才会有望为钒行业带来巨大的钒需求,促进钒行业的健康快速发展。同样,只有钒行业获得合理的盈利水平,钒资源的大规模开采与供应才能成为现实。

  作为具有革新性的储能技术,全钒液流电池储能技术自问世以来就收到储能领域的高度关注。2000年开始,日本住友电工开始进行钒电池的示范和验证工作。然而2005年钒价格的暴涨,导致住友电工不得不停止钒电池的继续开发。2008年经济危机之后,由于缺乏有效需求也没有新的应用开发,钒价格开始持续大跌。因此住友电工在2011年钒价格回落才重新开始进行钒电池的开发工作,并先后在横滨和北海道建设了1MW/5MWh和15MW/60MWh全钒液流电池储能系统。大连融科更是在2016年获得了200MW/800MWh全钒液流电池储能调峰电站项目,目前正在有序实施。

  因此,钒行业与钒电池行业作为上下游关系,两者相互依存,在钒市场的波动面前,需要协同协作、共同发展,一个良性健康的市场最终将会使所有上下游参与者获得受益。