有色金属钒行业研究报告：储能领域消费扩容钒价或率先受益

有色金属钒行业研究报告：储能领域消费扩容，钒价或率先受益钒行业概况钒元素的基本信息：钒是银白色金属，元素符号为V，原子序数为23，原子量为50.94。钒的熔沸点很高，熔点为1890℃，沸点为3380℃，密度为6.110g/cm。它是一种延展性过渡金属，具有天然的耐腐蚀性和对碱、酸和盐水的稳定性。钒在自然界中存在形式：根据金属百科网站信息，钒在地壳中分布广泛，含量为0.02%，超过铜、镍、锌、锡、钴、铅和其他金属。自然界中，钒很少形成独立的矿物，主要与其他矿物形成共生矿或复合矿。目前发现的含钒矿物有70多种，典型代表如钒钛磁铁矿、钾钒铀矿等，此外还有大量的钒赋存于铝土矿和含碳物质中（如石油、煤）。世界上除美国从钾钒铀矿中提钒外，其他主要产钒国家（约70%）都从钒钛磁铁矿中提取钒。现在已探明的钒资源储量的98%赋存于钒钛磁铁矿中，五氧化二钒（V2O5）含量可达1.8%。钒的应用领域：钒常以钒铁、钒化合物和金属钒的形式广泛应用于钢铁、航天、化工和储能等行业。钢铁行业是钒下游主要的应用领域，含钒钢具有强度高、韧性大、耐磨性好等优点，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。钢铁行业也是钒消费占比最高的领域。钒在航空工业中的应用主要是以钛-铝-钒合金的形式用于飞机发动机等领域；在化工领域钒主要用作制造硫酸和硫化橡胶的催化剂等。近年来钒液流电池成为钒的新应用领域，在储能行业快速发展的前景下，未来有望成为钒消费最重要的增长点之一。钒的产业链：钒的生产主要来自钒钛磁铁矿直接提取和钒渣提钒。钒产业链可分为两大部分：1）获得钒渣：钒钛磁铁矿经过高炉或电炉冶炼获得含钒铁水，再通过吹炼将其中的钒选择性氧化获得钒渣；2）钒渣提钒：目前从钒渣提钒产业化技术分为钠化焙烧（加入碳酸钠）、钙化焙烧（加入石灰石）等工艺，将碳酸钠或石灰石加入钒渣粉进行混料、焙烧、浸出、过滤、调节PH、沉淀、催化或还原等过程可获得V2O5和三氧化二钒（V2O3）。钒产品分为初级产品、二级产品和三级产品。初级产品包括钒矿、钒渣等，二级产品包括V2O5和V2O3，三级产品包括钒铁、钒氮合金、钒酸盐、钒钛铝合金、钒离子溶液等，分别应用于钢铁、化工、航天、储能等应用领域。钒在钒液流电池中的应用分析钒液流电池的原理及优缺点钒液流电池结构及工作原理：钒液流电池是将不同价态的钒离子溶液分别作为正负极的活性物质的新型储能和高效转化装置。活性物质分别储存在各自的电解液储罐中，采用离子交换膜作为电池组的隔膜将正极和负极隔开，通过外接泵将电解液注入电池堆体内，流过电极表面并发生电化学反应，在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，通过集流体收集和传导电流，使存储在溶液中的化学能转化为电能。这个可逆的反应过程使钒液流电池顺利完成反复的充放电过程。钒液流电池具有功率大、容量大、安全性高、寿命长等优点。通过增加电极的数量和面积可以有效提高功率，通过增加电解液的体积可以增加钒液流电池的容量，因此钒液流电池可以达到很高的工作功率和容量。与使用非水电解液的锂电池不同，钒液流电池采用钒离子水溶液作为电解液，大大降低发生过热、燃烧、爆炸的可能性，安全性更好。此外，由于钒液流电池正负活性物质分别只存在于正极和负极电解液中，不像其他电池存在充放电过程中电极结构的变化（导致容量衰减），因此电池使用寿命长。钒液流电池存在体积庞大、成本高、对温度要求高等缺点。钒液流电池的质量和体积庞大，因此其比能量和比功率远低于其他电池系统，导致其不适用于电动汽车等场景。与锂电池相比，钒液流电池最大的劣势是成本，主要来自电解液和电堆，降低两者成本是业内共识。此外，钒液流电池对环境温度的要求苛刻，正极电解液中的五价钒在高温下（高于45℃）易析出沉淀、堵塞流道，在低温下（低于电解液的冰点）电解液凝固，因此一般的运行温度都要求在0~45℃之间，限制了钒液流电池的应用。全钒液流电池储能系统的初次投资成本随储能时长的增加而不断降低。根据张华民在《全钒液流电池的技术进展、不同储能时长系统的价格分析及展望》一文的分析，以兆瓦级全钒液流电池储能系统为例，在V2O5价格为10万元/吨时，钒液流电池所用电解液价格约为1500元/kWh，除电解液外的电池储能系统市场价格为6000元/kW。当储能时长为1小时的情况下，储能系统的初次投资成本为7500元/kWh，但当储能时长延长到4小时后，不包括电解液部分的价格则被分摊为1500元/kWh，此时全钒液流电池储能系统的总价格为3000元/kWh。因此，全钒液流电池储能系统工作时间越长，单位kWh价格越便宜。钒液流电池全生命周期成本更低。由于全钒液流电池的电解液可再生循环使用，因此其残值很高。同样以储能时长为4小时的钒液流电池储能系统为例，其中废金属的残值估值为300元/kW，折合为75元/kWh，电解液残值约为原有的70%即1050元/kWh，合计残值为1125元/kWh，实际成本为1875元/kWh。而对于储能时长为10小时的系统来说，废金属残值折合为30元/kWh，合计残值为1080元/kWh，实际成本仅为1020元/kWh。因此对于全钒液流电池储能系统来说，储能时间越长，其全生命周期成本越低。钒液流电池是大规模长时储能最具前景的发展方向之一。适合长时间、大规模的储能形式主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和钒液流电池三类。其中抽水蓄能作为最成熟可靠的储能技术，是国内重点投资建设的储能形式。抽水储能的主要限制是项目的建设选址要求较高且建设周期较长。压缩空气储能也属于成熟技术，但系统的能量转换效率偏低且项目选址也受限。与这两种储能技术相比，钒液流电池的储能上限低于抽水蓄能，但有着系统安全性高、项目建设周期短、选址灵活等优点，且随着技术进步，钒液流电池的经济性优势将逐渐强化，未来有望成为大规模长时储能的重要技术路线之一。钒液流电池发展现状钒液流电池储能当前市场规模较小。根据中国储能网的统计，截至2021年全球储能累计装机规模达205.3GW，其中抽水蓄能占比最高，达到86.4%，电化学储能累计装机为21.1GW，占比10.3%。在电化学储能系统中，锂离子电池是最主流的技术路线，占比达到93.9%，液流电池装机量仅有0.26GW，占比为1.2%。规模储能时代的到来给钒液流电池带来了巨大的发展机遇，其大功率、大容量、长寿命、高安全性等特点能够满足大规模长周期储能项目的需求以及目前低碳发展的要求。政策支持将推动钒液流电池的商业化进程。2016年12月，钒液流电池储能产业化技术被正式列入国家《能源技术创新“十三五”规划》并推广实施。“十四五”期间新能源发电占比持续提升背景下，钒电池行业有望迎来全面发展的新阶段。2021年7月，发改委、工信部发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》中明确提出要坚持储能技术多元化，实现液流电池长时储能技术进入商业化发展初期。我国已初步形成完整的钒液流电池产业链。我国在钒液流电池领域走在世界前列，在技术方面，目前国内解决了液流电池关键材料、高性能电堆和大规模储能系统集成等关键科学和工程问题，取得了一系列技术突破，完成了从实验室基础研究到产业化应用的发展过程。我国已形成了初步完整的钒液流电池产业链，电池堆、双极板、隔膜、电极、电解液等相关领域都有相应企业从事细分产业的产品研发和生产。全钒液流电池目前正在各国进行百兆瓦级的示范。经过十几年的发展，全钒液流电池储能系统的技术可行性、商业应用性已经得到认可。我国钒液流电池已实现在智能电网、通信基站、偏远地区供电等项目中的应用。目前已有镇海网源友好型风电场储能项目、国家电投海阳储能示范项目进入并网阶段，同时襄阳全钒液流电池集成电站等工程项目处于建设中。美国、澳大利亚、日本等国家均布局了钒液流电池储能项目。2022年4月，由住友电工建设的全钒液流电池储能系统在日本北海道岛正式上线。需求分析全球钒消费量保持稳定增长，2021年突破12万吨。根据国际钒技术委员会（Vanitec）统计，自2017年起全球钒消费量逐年增加，于2019年突破10万吨。2021年全球钒消费量达到12.04万吨，同比增长9.7%，增速创五年以来新高。中国是全球最大的钒消费国家。根据Vanitec数据，2020年中国钒消费量占全球钒消费总量的60%，位居首位，欧洲和北美消费占比分别为12%和10%。2016年起，中国钒消费量逐年增长，2020年钒消费量达到6.56万吨，同比增长22.6%，增速创近五年新高。2020年全球其他地区钒消费量为4.42万吨，同比下降8.9%。受新冠疫情影响，2020年中国以外地区钒消费量均下降，全球钒消费进一步向中国集中。钒目前主要用于钢铁行业，消费占比超过90%。根据Vanitec数据，2020年全球约92.7%的钒被用于钢铁行业，主要为钒铁和钒氮等合金类产品；约3.5%的钒用于化工和催化剂领域，产品包括氧化钒、钒酸铵、硫酸氧钒等；用于钛合金领域的钒占比约为2.1%，用于储能领域的钒消费占比为1.7%。由于2020年中国粗钢产量上升而海外粗钢产量下降，国内用于钢铁行业的钒消费占比更高，达到96.6%，用于钛合金、化工/催化剂和储能领域的消费占比仅为1.4%、1.8%和0.2%。钢铁领域是当前钒消费的主导力量。（报告来源：报告研究所）钢铁行业用钒量预测我国钢铁行业用钒主要集中在螺纹钢筋产品中。钒在钢铁工业中主要用作合金添加剂，以钒铁、氧化钒铁、钒氮合金等形式存在。根据国际钢铁协会数据，2021年全球粗钢产量为19.52亿吨，同比增长3.8%，钢铁产量的持续增长是钒消费量增加的重要推动力。我国钢铁领域用钒主要集中在螺纹钢筋中，根据《“十三五”钒行业市场分析及发展趋势预测》（丁瑞锋著）一文数据，2020年钢筋用钒占国内钢铁行业用钒量的比例达到70%。钒在钢中的消费强度不断提升，支撑钒消费量稳定增加。根据Vanitec数据，2018年以来我国钒在钢中的消费强度不断上升，2020年达到57g/t（金属量），首次超过全球平均值。我国钒在钢中消费强度的提升主要受到螺纹钢新国标的影响。2018年11月1日，螺纹钢新国标（GB/T1499.2-2018）正式实施，要求每吨螺纹钢增加钒铁含量0.02‰-0.03‰以提高性能。与北美和欧洲等发达国家相比，我国钢中钒的消费强度仍有一定的提升空间，未来有望继续支撑钒消费量的稳定增长。预计钢铁行业钒用量将保持小幅增长态势。考虑到中钢协提出到2025年全国粗钢产量将降至10亿吨以下，我们预计未来我国粗钢产量将小幅下滑，全球粗钢产量将保持小幅增长态势。另一方面，2018年螺纹钢新国标出台后，我国钢材中用钒量相应提高。我们预计2025年国内钢铁行业用钒量将达到6.55万吨，对应钒在钢中的消费强度为66g/t。预计2025年全球钢铁行业用钒量将增至12.45万吨，对应2021-2025年CAGR为3.4%。展望2030年，我们预计国内钢铁行业用钒量为6.59万吨，单位用钒量提升被粗钢产量下滑抵消，预计全球钢铁行业用钒量将增至13.67万吨，2025-2030年CAGR为1.9%。储能行业用钒量预测2021年全球储能市场累计装机规模已超过200GW。根据中关村储能产业技术联盟（CNESA）的统计，截至2021年底，全球已投运储能项目的累计装机规模达203.5GW，同比增长6.5%，2016-2021年CAGR为3.5%。从国内储能装机情况来看，2021年中国储能累计装机规模达到43.4GW，同比增长21.9%，占全球累计装机规模的21.3%，2016-2021年CAGR为12.3%，增速明显快于全球平均水平。预计到2026年中国新型储能市场累计装机规模有望超过40GW。根据CNESA的统计，2021年中国新型储能累计装机量达到5.73GW，同比增长74.5%。未来以锂离子电池、钠离子电池、钒液流电池为代表的新型储能市场预计将继续保持高速增长，根据CNESA保守场景下的预测，2026年中国新型储能市场累计装机规模有望达到48.51GW，2021-2026年CAGR为53.3%。预计到2030年中国钒液流电池累计装机规模有望达到24GW。根据EVTank的统计，2021年中国钒液流电池新增装机量0.13GW，2022年国内大量的钒液流电池储能项目开工建设，预计全年新增装机量将达到0.6GW。未来在政府补贴的持续投入、产业链成熟化发展和规模效应降本等多种因素的影响下，钒液流电池的渗透率有望逐步提升。EVTank预计2025年中国钒电池新增装机规模将达到2.3GW，2030年新增装机规模将达到4.5GW，2022-2030年累计新增装机量将达到24GW。未来10年全球钒液流电池装机容量CAGR有望达到40%。根据GuidehouseInsights预测数据，到2031年，全球钒液流电池装机容量将达到32.8GWh，2022-2031年的CAGR达到41%，其中亚太地区2031年装机量将达到14.5GWh，CAGR为37.4%，北美地区达到5.8GWh，西欧达到9.3GWh。预计2030年全球钒液流电池用钒量将超过10万吨。受益于储能行业的蓬勃发展，预计新型储能市场规模将继续保持高增长率，同时钒液流电池的渗透率也将快速上升。基于钒液流电池在新型储能市场不同渗透率的假设，我们预计在乐观/中性/悲观场景下，2030年国内新增钒液流电池装机量为14.5/11.6/10.5GWh，海外新增钒液流电池装机量为18.4/14.7/13.3GWh，由此计算出2030年全球钒储能行业用钒量将达到12.9/10.3/9.3万吨。乐观场景下，受益于钒液流电池的需求拉动，到2030年全球钒需求量有望翻一番。预计2030年储能领域用钒量占比将增至40%以上。我们预测到2025年，全球钒消费结构的主体仍为钢铁行业，约占全球钒消费总量的77.1%，储能领域占比达到17.3%。随着新型储能装机规模的不断扩大和钒液流电池渗透率提升，我们预计到2030年储能领域用钒量占全球钒消费结构的比例将有望上升至41.3%，钢铁领域用钒量占比将下降到54.8%，钒合金领域和催化剂领域占比为1.3%和2.6%。储能领域用钒量的快速增长将对钒的消费结构产生重要影响，未来有望成为钢铁行业之外钒最重要的消费领域。供应分析全球钒资源概况全球钒矿资源主要分布于中国、俄罗斯、南非和澳大利亚。根据美国地质调查局（USGS）数据，2021年全球已探明的钒矿储量约2400万吨（金属量）。其中中国钒矿储量高达950万吨，占比为39%，其次为澳大利亚、俄罗斯、南非，储量占比分别为25%、21%、14%。中国是全球钒资源储量最高的国家。我国钒矿资源及产能主要集中在四川攀枝花、河北承德、辽宁朝阳等地。根据《钒产业2020年年度评价》（陈东辉等）一文分析，四川攀枝花矿区钒钛磁铁矿的探明储量近百亿吨，居国内首位，河北承德地区和辽宁朝阳地区钒钛磁铁矿储量居全国第二、三位。中国主要钒产业及产区基本定型：1）四川主产区（10万吨氧化钒产能区）是国内及世界第一大钒系产品产区；2）河北主产区（4万吨氧化钒产能区）是国内及世界第二大钒系产品产区；3）辽宁主产区是世界钒资源、钒提取工艺及钒系产品最全的特色产区。全球钒产量概况及发展趋势中国是全球最大的钒生产国，产量占比达到2/3。根据USGS数据显示，自2018年以来全球钒产量呈上升趋势，2021年世界钒总产量为11.0万吨。其中，中国产量位居首位，2021年中国钒总产量为7.3万吨，占全球产量的67.4%。其次为俄罗斯、南非和巴西，产量分别为1.95万吨、0.91万吨、0.67万吨，占比分别为18%、8%、6%。全球主要钒生产企业合计产能约10万金属吨，行业集中度高。根据《“十三五”钒行业市场分析及发展趋势预测》（丁瑞锋等）数据，全球钒生产企业主要分布在中国、俄罗斯和南非等国，其中鞍钢集团攀钢有限公司是全球最大的钒生产企业，其产能约为2.24万金属吨。俄罗斯Evraz集团和中国河钢集团承钢公司是全球第二和第三大钒企，其产能分别为1.74和1.57万金属吨。全球主要钒企合计产能为10.48万金属吨，2020年合计产量为9.34万金属吨，占全球钒总产量的比例超过80%，行业集中度较高。全球钒生产主要来自钒渣提钒，供应增长存在限制。根据《2020年全球钒工业发展报告》（吴优）一文分析，2020年全球约13.8%的钒产量来自于钒钛磁铁矿直接提钒，约74.8%来自钒钛磁铁矿经钢铁冶金加工得到的钒渣，剩余部分则来自二次回收的含钒副产品（含钒燃油灰渣、废化学催化剂等）及含钒石煤。在中国，钒的生产主要来自钒渣，占比高达87%，钒钛磁铁矿直接提钒占比仅有0.3%。由此可见，现有钒市场的产能扩张受到钢铁产能的制约。石煤提钒产量未来有望小幅增加。石煤是除钒钛磁铁矿外另一重要含钒矿物资源，矿物组成以石英为主，包含炭质、高岭石和云母类矿物等，矿石组成和钒的赋存形态较为复杂。传统的石煤提钒工艺是将含钒石煤与氯化钠混合高温焙烧，进而实现钒的提取。由于在提钒过程中易产生大量含HCl和氯气的废气，且钒的提取率偏低，在国家环保力度不断加大的背景下，该工艺的发展面临诸多限制。由于环保处理费用较高，石煤提钒成本也高于钒渣提钒，使得该工艺对钒价的敏感性较高。根据《“十三五”钒市场分析及发展趋势预测》一文（丁瑞锋著），2016-2020年我国石煤提钒产量逐渐回升，2020年钒产量达到12480吨（以V2O5计）。产量增长主要得益于石煤提钒企业环保达标并陆续投产。目前国内有部分企业还在建设石煤提钒项目，如西部矿业等，未来石煤提钒产量有望小幅增加。全球新增钒生产项目数量较少，供给端增量有限。截至目前，中国以外的钒市场暂未启动新矿山建设，也没有正在进行的重大扩建项目或复产项目。总体来看，中国以外的钒供应增量有限，未来全球钒新增供应预计主要来自中国。中国市场未来钒新增供应一方面来自原有钒生产企业的增产，另一方面来自近年来新建的提钒项目和石煤提钒产能的释放。随着液流电池领域用钒量预期提升，国内钒产能扩张有复苏态势。价格分析钒的价格受政策环境、经济环境、应用领域等多方面因素的影响。受2008年世界金融危机及2011年欧债危机的持续影响，钒价格持波动下降，在2015年下降到最低点。自2016年，钒价格触底盘整回升。2017年之后，钒价格在政策及其他因素的影响下前后出现了两次大幅震荡（2017年及2018-2019年）。钒价格持续走低至2015年，2016年开始盘整回升。受全球经济下行的影响，钢铁产业持续低迷，导致钒产业严重受挫，加上石煤类提钒企业与加工型涉钒企业受成本、环保、矿难等因素影响出现大面积停产、减产，2015年相关企业开工率不足20%，钒供应端不断出清，行业在2015年底跌至谷底。2016年下半年开始，由于钢铁市场的回暖、钒野柳电池需求增长以及钒产量持续缩减导致钒供给不足，钒价格开始盘整回升，并快速回升到2013年的水平，2016年底突破了8万元/吨。2017年至2018年，受国内螺纹钢新标实施的影响，钒价格大幅升高。2017年，国家要求全面取缔“地条钢”，使国内钒库存持续下降。加上国家严格实施的生态环保法规，钒产业大规模复产和扩产受限，供需失衡的差距被进一步放大。2017年中国禁止钒渣进口进一步激化行业供需矛盾，带动钒价格一路攀升。随后受下游抵制采购及铌、锰等竞争元素的替代，钒价格回落。但钢铁市场的刚性需求使钒价格再次持续升高。2018年钢筋新国标颁布后，钒供给不足状况加剧，加上中间贸易商的炒作，钒价格失控暴涨，2018年末突破历史最高点，价格逼近50万元/吨（以V2O5计）。2019年至2021年，钒价因供过于求出现大幅下跌。2019年，高钒价导致钒产业无序复产、扩产，加上铌元素在高强度微合金化螺纹钢生产应用中的替代，钒行业出现严重的供给过剩，钒价格大幅降低。2020年新冠疫情的爆发导致海外钢铁产量大幅下降，钒消费量同步下滑。2020年国内钒消费量虽然保持上升，但由于海外钒价走低导致进口量大增，中国首次成为钒净进口国，国内钒价格震荡下降。2021年之后，随着海内外经济复苏，钒价格开始回升。2020年末以来，随着全球经济在疫情后逐步复苏，钒价格开始缓慢上升。2021年末，受中国钢铁行业限产政策的影响，钢铁用钒需求降低，钒价格短期出现下跌，而后随着部分区域钢厂限产政策放开，钒消费量上升带动价格重新回升。钒价格随供需失衡具有高弹性特征。截至2021年，全球钒产品的产销量约12万吨，市场规模较小，加上下游需求高度集中于钢铁领域以及行业集中度较高等特点，钒价在历史上呈现高波动状态。2017-2018年，由于钢铁行业用钒量快速增长以及环保政策导致供给收缩，钒行业出现供应短缺，钒价在1年左右的时间涨幅超过400%。液流电池用钒量快速增长，供应端增长缓慢，钒价或再次出现大涨行情。根据上文预测数据，随着钒液流电池的应用推广和渗透率提升，至2025年全球液流电池用钒量或将超过3万吨，到2030年则有望超过10万吨。钒液流电池的发展将带动钒消费量快速增长。从供应端来看，钢铁行业增速放缓导致钒渣供应量增长有限，石煤提钒则受制于环保和成本等因素未来扩产空间有限，预计未来钒供应将保持缓慢增长态势。基于过去10年行业5%的供应增速得以延续的假设，在钒液流电池装量增长的乐观场景下，预计2025年全球钒供应缺口将达到3.0万吨，2030年缺口将扩大至9.6万吨。供需增速的错配或使得钒行业再次出现供不应求的行情，刺激钒价大幅上涨。钒价上涨的制约之一：铌铁的替代效应。钒和铌是同族的相邻元素，两者的理化性质有很多相近之处，均为钢铁微合金化应用的主要元素。钒和铌在许多钢种中可以互相替代或协同使用。2018年中国钢筋新国标推行后造成钒价暴涨，铌对钒的替代作用凸显，2017-2019年国内铌铁的进口量连续三年超过30%。2020年随着钒价跌至低位，铌铁进口量大幅降低。若未来由于储能用钒量增长导致钒价上涨，铌对钒的替代效应或将再次出现，对钒价形成压制。钒价上涨的制约之二：钒液流电池推广对钒价的敏感性。2018-2019年，由于钒价暴涨，全球钒液流电池产业化进程基本处于停滞状态，钒液流电池的应用推广对钒价的敏感性较高。基于当前钒价10万元/吨（以V2O5计）和储能时长为4h的假设，钒液流电池储能系统的总价格为3000元/kWh，其中含钒电解液的成本为1500元/kWh，占比为50%，钒的原料成本为800元/kWh，占比为27%。若钒价涨至2018年历史高位50万元/吨，钒的原料