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依「技術成熟、成本效益、均衡發展、帶動產業、電價可接受」原則,達成再生能源目標

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焦點專欄

液流電池- 儲能電池 供應鏈評估

  • 發佈日期:2022/12/30
  • 資料來源:本站
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隨著再生能源的發展,全球已經重視儲能系統對於能源轉型是不可或缺的一環,為因應大規模太陽能發電與風力發電併入電力系統,其間歇性會使得電網不穩定,因此需要儲能系統來穩定電力電壓與頻率,本文主要參照美國能源部發布的能源供應鏈的戰略報告,聚焦鋰離子電池與液流電池的發展重點。

儲能電網市場預計將快速擴張,但在全球走向淨零排放的趨勢下,市場增長速度會更快。國際能源署(International Energy Agency, IEA)最近發布了一項關於如何在2050年前實現淨零排放的研究,該研究預計2030年全球電網電力儲存容量將增長至接近2,500 GWh。圖1顯示國際能源署基於平均儲存持續時間為4小時的儲能電池預測的儲能電網增長。

電池供應鏈包括原物料採購、精煉、組件製造(電極、電解質和隔離膜)、最終產品和回收利用。一個典型的電池系統供應鏈,分為上游組件(原物料和精煉材料)、中游組件(電極和隔離膜等子組件)、下游組件(電池單元、電池組和最終產品)和材料回收,並將它們發送到上游和中游組件步驟。

圖1、全球儲能電網儲存量成長預測
圖2、典型的電池供應鏈(包括回收和再利用)
一、鋰離子電池 1. 上游材料

鋰離子電池的原物料包括鈷、鐵、鎳、錳、鋰和石墨。根據2021年統計,中國生產了全球約82%的天然石墨,剛果生產了全球70%的開採鈷。天然和合成石墨均可用於鋰離子電池的陽極。天然石墨有片狀、不定形狀、塊狀和片狀幾種形式,但只有片狀石墨適用於鋰離子電池負極。合成石墨由石油焦、瀝青焦和針狀焦等烴類材料精煉而成。針狀焦是一種優質的石油和煤焦油基焦,是合成石墨的主要原料。雖然合成石墨成本比天然石墨高,但其質量更高,具更長的循環壽命、更高的快速充電能力和更好的安全性(BloombergNEF,2021)。

碳酸鋰和氫氧化鋰是生產用於鋰離子電池、陰極和電解質的主要化合物;鈷的精煉包括氧化鈷、金屬鈷、鈷粉和硫酸鈷或其他鈷化合物,中國擁有全球72%鈷的精煉能力(BloombergNEF,2021);精煉鎳分為C1和C2兩類,只有純度>99%的C1鎳可用於生產鋰離子電池;高純硫酸錳(HPMSM),由碳酸鹽礦石或高純度電解金屬錳(EMM)製成,用於鋰離子電池生產的HPMSM幾乎全部(95%)在中國完成;精製石墨產品為包覆球形石墨由合成或天然石墨製成,天然石墨經過濃縮、微粉化並製成球體,提純至99.95%的石墨後,塗上不定形狀碳。合成石墨在被不定形狀碳包覆之前被粉碎、粉碎、煅燒、造粒和石墨化。合成塗層球形石墨比天然塗層球形石墨更昂貴,但它具有更好的熱性能和使用壽命。因此,合成石墨預計應用於要求更高的車輛。

2. 中、下游材料

鋰離子電池有五個主要組成部分:陽極、陰極、電解質、電解液和隔離膜。陰極製造的企業包括日本住友和中國的天津B&M、深圳迪能、寧波杉杉和容貝新能源科技。陽極製造商包括、日立和Nippon Carbon;隔離膜製造商包含恩傑、Celgard、DuPont和Entek。

中國擁有當前全球鋰離子電池製造能力(約520 GWh)的80%,包括正在建造的鋰離子製造設施,以及計劃中的2800GWh中的近60%。美國是第二大製造商,佔當前全球產能的13%,其中Tesla-Panasonic佔多數。歐洲有800GWh已宣布或正在建設中,而美國則有200 GWh。

鋰離子電池達到使用壽命後,有多種處理方式,通常由於性能和容量的下降,這些電池可以維修、再製造、翻新、重新利用或回收。維修、再製造和翻新並不是真正的報廢,是在相同應用或相同目的中重複使用電池的過程。世界各地都在尋求以循環經濟研究來增加電池的價值,其中減少浪費和能源,同時從原物料資源中獲得附加價值。真正的報廢過程是再利用和回收。在再利用時,電池被修改用於新的目的或應用,被賦予「第二次生命」。回收過程中,電池被分解成組件並重新組裝成相同或全新的物品。

圖3、目前和計劃中的鋰離子電池製造設施
3. 競爭力

中、美政府有多項鼓勵回收利用和二次利用的政策,包括回收行業標準和生命週期管理,規範汽車製造商和電池製造商合法負責回收電動汽車電池,建立了國家電池編碼和追蹤系統,並設置由電動汽車製造商建立的廢舊電池分布和區域收集中心網路。歐洲也在制定回收和二次使用的政策和標準,要求銷售電池的公司(進口商、分銷商、製造商、二次利用公司)負責報廢處理或處置,涵蓋安全性、可追溯性、收集網絡、回收目標、可持續性和第二生命(Li and Frith 2021)。

產品競爭力的一個重要方面是組件設計的全球標準化、與這些組件互連的協議以及與這些組件的操作相關的規範,有了國際標準,零組件就可以更容易地賣給其他國家的消費者。例如,採用組合充電系統協議(Combined Charging System protocols)允許製造商跨境銷售電動汽車和充電設備,而無需開發專門的生產線,隨著電網儲能技術和市場開始預期增長,參與國際標準制定對於提高競爭力和供應鏈彈性至關重要。

4. 風險評估(產品需求供應鏈) 表1、風險評估矩陣—鋰電池(美國)
二、液流電池

液流電池的電力是由大型桶槽中的氧化還原活性電解質流經電化學電池產生,電池的陽、陰極由允許離子傳導的離子交換膜隔開,電解液被泵運輸通過電化學電池。儘管液流電池的比能量相對較低(~20Wh/kg),但它們的獨特之處在於它們將能量和額定功率能分開設計,從而可以更輕鬆、更經濟地擴展從kW到MW的更大尺寸範圍,國內主要從事液流電池研發與應用的單位主要為台電、核研所及工研院等,其中,台電於2010年開始進行能量型液流電池研發與應用,同時,能源局為因應大規模太陽光電與風力發電併入電力系統,需要儲能系統來穩定電力電壓與頻率,在2014年起開始補助法人機構進行儲能技術研發,希望在發展再生能源及轉型過程能減少相關問題同時兼具發展產業效益的綠能技術。

液流電池通常設計的儲能持續時間約為 10 小時,本文討論三種商用液流電池-釩液流電池、鋅液流電池和鐵液流電池。

1. 上游材料

三種類型的液流電池(釩、鋅、鐵液流電池)在技術上已經成熟並在小市場中商業化。鐵、鋅和釩是液流電池中使用的主要金屬,鐵和鋅含量豐富,而釩則較為有限。釩鐵和五氧化二釩形式的釩來自多個國家,包括巴西、南非、中國、奧地利、加拿大、俄羅斯和日本,全球資源的廣泛多樣性表明供應鏈具有彈性和靈活性,然而,鑑於釩目前被用作鋼鐵的合金劑,以及化學工業的催化劑,未來釩用於儲能應用的任何增長都可能改變供應鏈。

液流電池的精煉材料包括純化的金屬化合物(例如五氧化二釩或氯化亞鐵)、硫酸或鹽酸等酸以及氯化物鹽。

2.中、下游材料

流電池的子組件很容易獲得,商品化產品包括風扇、泵、聚乙烯罐和管道、碳氈、鋼熱交換器和玻璃纖維。液流電池的技術幾乎完全用於固定市場。截至2021年10月,全球累計部署液流電池超過200MWh,日本和中國各佔三分之一,另外900 MWh正在開發中,美國部署了約46MWh。釩液流電池的生產成本最高,鐵、釩和鋅金屬則可以通過火法冶金或濕法冶金系統從電池中回收。美國有多家液流電池技術開發商和供應商,包括ESS Inc.、Largo Clean Energy、VCHARGE、StorEn、Ashlawn Energy、Avalon Battery Corp.、UniEnergy Technologies, LLC、Stryten Energy LLC和ViZn Energy systems。

3.風險評估

風險評估矩陣突顯液流電池市場的狀態仍就位於早期,全球液流電池市場都沒有接近50億美元的重要性門檻,然而,風險評估卻顯示全球和國內對這些用於電網儲能的電池需求預計將顯著增長。

釩、鋅和錳都在2021年關鍵材料草案清單上,因此它們及其精煉化合物被認為供應不安全。美國是鐵礦石的淨出口國;硫酸、鹽酸和聚乙烯等精煉材料也有穩定供應;泵和熱交換器亦然。

表2、風險評估矩陣—液流電池(美國)

為了實現淨零排放,鋰離子電池是目前最具成本效益和廣泛使用的技術,持續時間為6小時或更短,為了在電網儲能技術的製造和安全收購方面具有全球競爭力,可以在以下領域加大力度:

  1. 發展二次利用產業,將報廢電池重新用於電網儲存
  2. 發展可持續的上游、中游和回收設施和產業
  3. 為電網儲存開發各種具有成本效益的可持續技術

生活的基本活動圍繞經濟和穩定的電網,持續和安全地升級電網,為家庭、企業、工業和交通運輸提供整潔的能源,需要將原物料、設備製造、強大的勞動力和政策相互連接的供應鏈整合起來,確保未來電網的建設有彈性的供應鏈,將確保未來的零碳排生活,並有機會領先全球。

參考文獻
  • U.S. Department. (2022, Febuary 24). Grid Energy Storage, Supply Chain Deep Dive Assessment. U.S. Department of Energy Response to Executive Order 14017, “America’s Supply Chains”
  • International Energy Agency (IEA). (2021). Net Zero by 2050, A Roadmap for the Global Energy Sector. Paris: International Energy Agency. Retrieved from https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050
  • International Flow Battery Forum. (2021). What Is a Flow Battery? Retrieved November 3, 2021, from https://flowbatteryforum.com/what-is-a-flow-battery/
  • United States Geological Survey. (2022). Mineral Commodity Summaries. Washington DC: USGS. doi:10.3133/mcs2022
  • BloombergNEF. (2021, October 16). Cell and Component Manufacturing Database. Retrieved from BloombergNEF: bnef.com
  • GRID ENERGY STORAGE SUPPLY CHAIN DEEP DIVE ASSESSMENT 51
  • BloombergNEF. (2021). Global Graphite Outlook 2021-2030. New York: BloombergNEF. Retrieved from www.bnef.com
  • BloombergNEF. (2021, October 10). Storage Data Hub - Storage Assets. New York: BNEF. Retrieved October 16, 2021
  • BloombergNEF. (2021, October 16). Storage Data Hub,Battery and Component Manufacturers. New York: BloombergNEF.
  • The White House. (2021). Building Resilient Supply Chains, Revitalizing American Manufacturing, and Fostering Broad-Based Growth, 100-Day Reviews under Executive Order 14017. Washington DC: The White House. Retrieved from https://www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2021/06/100-day-supply-chain-review-report.pdf?utm_source=sfmc%E2%80%8B&utm_medium=email%E2%80%8B&utm_campaign=20210610_Global_Manufacturing_Economic_Update_June_Members
  • NAATBatt. (2021, October 15). NAATBatt Lithium-Ion Battery Supply Chain Database. Retrieved from NREL Transportation & Mobility Research: https://www.nrel.gov/transportation/li-ion-battery-supply-chain-database.html
  • Li, D., & Frith, J. (2021). Lithium-Ion Battery Recycling Market Outlook. New York: Bloomberg New Energy Finance.
  • U.S. Geological Survey. (2021, November 11). 2021 Draft List of Critical Materials. Federal Register. Reston, VA, United States: U.S. Geological Survey. Retrieved from https://www.federalregister.gov/documents/2021/11/09/2021-24488/2021-draft-list-of-critical-minerals
  • National Minerals Information Center. (2018). Minerals Yearbook - Metals and Minerals. Washington D.C.: USGS. Retrieved from https://www.usgs.gov/centers/national-minerals-information-center/minerals-yearbook-metals-and-minerals
  • Stryten Energy. (2022, January 19). Stryten Energy Enters the Long-Duration Energy Storage Market with Acquisition of Storion Energy’s Vanadium Redox Flow Battery Technology. Retrieved from Stryten: https://www.stryten.com/stryten-acquires-storion-energy
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