综述：填补缺口：能源转型中的钒资源获取

本综述深入探讨了钒液流电池（VFB）这一长时储能（LDES）技术发展所面临的钒供应链核心挑战。文章系统梳理了全球钒经济在（生产）、（加工）与（电池部署）等维度的最新动态，并评估了通过扩大（原生开采）、增加（二次生产）以及（国家行为体干预）等策略来缓解供应风险、构建（弹性供应链）的机遇与挑战。为应对（能源转型）中的（关键矿物）供应问题提供了详实的数据支撑和前瞻性视角。

　　

能源转型与矿物转型

电网脱碳是实现气候中和的关键基石。尽管过去十年可再生能源发电取得了前所未有的渗透率，但其间歇性特性给电网的灵活性、可预测性和韧性带来了巨大挑战。长时储能（LDES），特别是持续时间为6至36小时的储能技术，对于提高可再生能源渗透率、避免弃电和减少配电基础设施的过度建设至关重要。美国能源部（DOE）预测，广泛采用LDES作为电网关键环节的脱碳路径每年可带来100-200亿美元的全国性节约，但到2050年实现约225-460吉瓦（GW）的所需容量，需要约3300亿美元的投入。然而，LDES技术要在2030年实现大规模市场应用，需在2021年成本基础上降低45%–55%。

当前LDES供应链在原材料采购、制造技术、劳动力技能以及可靠的现场示范和成本曲线可用性方面存在显著脆弱性，这些因素是大规模投资和LDES商业应用以及更广泛的能源转型的关键障碍。LDES在固定式储能用例中的最优部署受到上述所有变量的影响，同时也受到不同应用场景中功率和容量技术规格的影响。DOE报告进一步指出，为了维持基于LDES的电网脱碳，仅美国就需要在2030年前每年建设3吉瓦的LDES（这比目前不到1吉瓦的总部署量有大幅提升）；到2035年，年LDES制造和调试能力需要进一步急剧提升至10-15吉瓦。虽然填补技术空白、实现规模化制造效率、重新配置市场激励措施以及扩展到大规模、标准化、电网兼容的电池储能系统（BESS）模块可以实现显著的成本降低，但关键原材料的获取和剧烈的价格波动仍然是一个令人困扰的问题，近年来地缘政治紧张局势加剧以及对关键原材料自由贸易的限制更是雪上加霜。

流动遭遇湍流：钒液流电池的机遇与供应链挑战

钒液流电池（VFBs）是最成熟的长时储能（LDES）技术之一，因其使用水性电解质而具有大规模安全性、功率和容量独立调制、长循环寿命（商业规格现已超过20年服役周期）、低自放电、通过电解质再平衡易于缓解交叉污染以及持续回收的良好前景等独特组合优势。VFBs的最佳放电时长为4-10小时，这使其成为在不同背景下进行能量套利的优秀候选者——在发电过剩期间充电，在需求超过新发电量时放电。VFBs因减少可再生能源弃电而避免的碳排放受到了极大关注。基于2018年代表性生命周期评估的VFB模型显示，2019年全球部署的VFBs（估计为2485兆瓦时（MWh））通过与风能和太阳能发电相结合，基于 mitigated curtailment，实现了全球归一化碳节约分别为2.131和1.825公吨兆吨（mMT） CO₂。与锂离子电池（LiBs）等其他储能解决方案相比，VFBs也显示出相对优势。一项比较研究考虑2019年部署的VFBs，计算出与使用LiBs的情景相比，VFBs节省了0.231 mMT的CO₂；VFBs较低的往返效率被其显著更好的可回收性所抵消。这些属性导致了容量不断增加的现场示范和微电网集成项目，主要用于负载均衡、电网稳固、不间断电源和远程储能等应用，主要与太阳能和风能装置耦合。

VFBs每吉瓦时（GWh）需要约3400–5500公吨（mT）的钒。钒电解质通常约占VFB总质量的85%。因此，电解质（估计约占VFB资本成本的30%）是成本的关键驱动因素，并且对钒价格极其敏感。目前与VFBs相关的资本成本估计在250-600美元/千瓦时范围内，储能的平准化成本（LCOS）在200-600美元/兆瓦时范围内。一项针对10兆瓦时VFB的技术经济分析发现，在单位资本成本低于668美元/千瓦时的情景下，这是一项盈利的投资（净现值（NPV）> 0）；通过增加可循环性（7300–14600次循环）和进一步降低输入成本，盈利能力得到进一步提高。考虑到全球钒产量在2024年已达到135,000 mT，预计到2030年，具有数吉瓦时容量的大型VFB的部署有可能对钒供应链造成压力。反过来，大型VFB装置对钒的需求有可能严重扰乱和重塑钒市场。上述讨论强调，用于LDES和电网稳固的VFBs的经济可行性、制造和部署与钒供应链深度交织。

逐吨分析：能源转型中准确的钒库存

钒是地壳中第22丰富的元素，平均浓度为150克/吨，与锌相当，且比当前电化学储能技术的主要元素镍、钴和锂丰富得多。保守估计全球钒储量为63,000,000 mT，如果能够解决可及性、可用性和经济可行性问题，已知储量足以满足甚至最激进的固定储能估计需求。然而，现有的用于理解钒供应链的资源仅提供了其全球广度的不完整视图。投资决策和公共政策在关键材料领域面临的一个关键挑战是缺乏透明度、依赖过时的矿产储量信息以及对快速变化的资源勘探、回收和生产格局的不完全了解。

为了理解具有高度精确性的钒供应链，需要对其底层动态有一个连贯的高分辨率视图。这需要将钒供应链的全部——从生产到储能——作为一个动态函数进行精细定义的映射。与消费电子产品中广泛分散的电池不同，VFBs本身是20年以上的矿产储备，其中的钒可以以高达95%的效率被回收和再循环。为了实现明智的决策，我们与全球钒社区合作，通过国际组织Vanitec，开发了关于钒生产和加工以及VFB装置的严格动态存储库。这些存储库提供了钒通过战略性矿产供应链流动的实时快照，旨在每季度更新一次，以反映全球矿山和生产设施、加工设施和VFB装置的状态，在这个前所未有的增长时期。

解决钒材料关键性以实现VFB腾飞

中国VFB容量的大规模增长是对电堆开发、制造能力和产品可靠性进行广泛且持续投资的结果，这部分得益于VFB制造商与钢铁生产商和钒提取商的垂直整合，从而带来了前所未有的低价格。中国的VFB故事还部分得益于特定的政策干预，例如支持采购和电网集成1000兆瓦（MW）以上规模的VFBs；为VFB电解质和组件制造提供特许债务工具，这导致了超过35家制造商的出现，包括包头市的一个5吉瓦（GW）超级工厂；以及要求光伏和风电场整合占发电量5%到15%的LDES的监管要求。研发、供应链建设、劳动力发展、现场示范和电网集成的前所未有的规模和整合，与大幅增加的钒产量密不可分，这或许可以为VFBs的商业化腾飞提供一条潜在路径。然而，大量的政策干预和超出市场需求的广泛钒生产，导致市场供应过剩，提供了国家行为体干预的范例，这种干预可能扭曲技术采用并掩盖作为特定技术可行性试金石的市场力量。

对于VFBs，需要填补几个系统级的空白，例如长期性能数据、可靠的成本曲线以及特定应用中的现场示范，以便能够精确量化可靠性和传输效益，从而为开发稳健的商业案例奠定基础。特别是，将VFBs整合到电力市场中 largely unexplored。需要以公共事业委员会等监管机构可接受的方式对资源充足性和传输可靠性的效益进行透明量化，这要求LDES技术（如VFBs）被证明是用于发电、输电和配电的综合资产。住友电工与圣地亚哥燃气与电力公司合作的8兆瓦时示范项目自2015年开始运营，并已整合到加州独立系统运营商（CAISO）市场以及一个微电网中。该装置以及同一运营商在日本北海道安装的用于频率调节的60兆瓦时VFB，提供了3至5年窗口的可靠（尽管仍不完全完整）数据集，并在很大程度上缓解了因早期运营商破产而引起的担忧。同样，美国能源部清洁能源示范办公室资助了众多LDES现场示范项目，这些项目预计将作为奖励条件的一部分提供重要的长期运营数据。除了电池性能的技术数据外，特定的用例和操作场景将允许对储能的平准化成本进行可信的评估，并能够开发经过验证的BESS成本曲线。在某些情况下，现场示范项目将能够探索12至36小时的循环以及超过40年的延长使用寿命，这对于解锁新的应用空间至关重要，并有可能 dramatically reduce the levelized cost of storage (LCOS)。

回到采购钒的关键方面，以使供应与预期的VFB增长同步步进，所编制的数据库描绘了一个丰富且多样化的供应链。虽然二次生产和原生采矿的增加可能会缓解钒供应的一些预计短缺，但实现这一潜力将取决于利益相关者的努力，这些努力允许市场需求刺激供应链的发展而不受干扰或中断。最终，价格机制至关重要，如果VFBs实现商业腾飞并为最终用户提供价值，预计钒的价格上涨将适时激励供应反应。与钢铁渣的副产品/共生产可能已接近饱和，因为双联钢厂代表过时的技术（除非能够解决从钙钒青铜中提取钒这一极其具有挑战性的问题，或许可以通过设计高度特异性的分子配体来实现）。从长远来看，大幅扩大原生钒矿开采对于建立地理多样化且有弹性的供应链至关重要，数据库显示了大量可以实现这种扩张的不同途径。然而，考虑到使绿地项目甚至废弃的棕地项目获得批准、资金和运营的巨大成本——以及世界银行最近一份关于许多关键材料的报告中记录的10多年准备时间的经济现实——二次生产代表了一种有价值的临时来源。

如今，全球只有17%的钒产量通过二次生产实现。然而，在开发二次资源方面已经取得了巨大进展，例如来自休斯顿墨西哥湾沿岸和中西部石油管理防御区（PADDs）炼油厂的废催化剂（以及焦炭残渣和飞灰），这些炼油厂处理来自加拿大油砂的重油。2020年国际海事组织规定要求将远洋船舶燃料中的硫含量从3.5%强制降至0.5%，这导致钒基加氢脱硫催化剂的消耗速度大大加快，从而极大地增加了废催化剂的供应，为未来十年扩大二次生产提供了一个独特的机会。

结论

应对当今钒的供需不匹配问题，并为钒消费向储能方向的逆转和更广泛转变做好准备，需要短期和长期的调整。前面几节概述了复杂的部门和地理相互依赖性，并概述了几种提高产量以与快速增长的VFB需求保持同步、同时降低成本和风险的途径和策略，从而为LDES确保可靠和有弹性的脱碳电网提供了一种手段。供应链的动态数据库是进行精细的技术经济性和生命周期评估所需的关键环节，这些评估将为预测成本结构、估算产量、模拟供应链能源强度以及检查碳足迹提供信息，因为可持续发展目标和技术主权已成为关键驱动因素。无论钒供应链演变出何种路径，实时跟踪从生产到VFB部署的底层动态，都将为投资者、政策制定者、能源研究人员和制造商进行明智的战略决策奠定至关重要的基础。生产、加工和能源存储数据库中收集的信息将填补关键的知识空白，有助于确定可持续勘探的优先目标，例如识别未开发或未充分表征的可开采储量，建立关于矿石质量的透明度（夸大其词的情况并不少见），实现原材料成本和可用性与LDES建设的精细映射，识别特定应用中LDES的差异化增长率，以及实现需求与供应的更系统和透明的映射。

数据库将寻求回答的具体问题涉及亚洲VFB增长预测情景的可行性以及二次生产作为有效临时来源的能力。钒市场参与者必须掌握支撑市场决策的实时信息。此处讨论的动态数据库捕捉了钒经济的整体和最新快照，并追踪其通过前所未有的增长走向循环的路径。追踪钒的生产和加工有助于消除关于钒供应可扩展性和可及性的误解。未来利用动态数据库的工作将能够对风险状况、供应弹性和资源映射进行更严格和量化的建模，以进行具有高度精细度的地理信息情景分析。除了解决供应链问题，扩展钒市场以实现更复杂、更稳健的经济结构——在其他金属（如黄金和铜）方面已经存在得多——是一项紧迫的任务。