靳毅:储能行业转债技术路线全梳理

点击次数:   来源:   更新时间:2022/9/19 15:46:29  【打印此页】 【关闭

本文主要是对储能行业的概览及主要的技术路线介绍。储能是我国政策支持发展的行业。我国绿电装机量不断提升,而储能可以有效提升供电稳定性,起到削峰填谷的作用,因而成为政策支持发展的重点行业。以电化学储能为代表新型储能技术是最未来主要的增量。目前锂电池储能技术最成熟,但由于储能电池不需要考虑能量密度等问题,可以更多考虑性价比,因此钠电池、钒电池等产品将更广泛适用于储能之中。

核心结论

当前的储能行业可类比2020年的新能源汽车行业,处于行业爆发的前期,业绩成长确定性强;而转债中也有许多储能相关的标的,大多数的评级、规模、性价比都较高,本文主要是对储能行业的概览及主要的技术路线介绍。

全球储能将迎来爆发期,据集邦咨询TrendFroce预计2025年全球新增储能装机量将达到362GW,中国、欧洲、美国将是最主要的增量。环保低碳思潮成为共识,叠加在欧洲蔓延的能源危机,加剧了各国对能源安全的思考,全球迎来新一轮绿色电力装机热潮,而配套的储能设备也迎来爆发期。

储能是我国政策支持发展的行业。我国绿电装机量不断提升,而储能可以有效提升供电稳定性,起到削峰填谷的作用,因而成为政策支持发展的重点行业。据集邦咨询TrendFroce预计至2025年中国储能市场将突破100GWh。

以电化学储能为代表新型储能技术是最未来主要的增量。储能技术繁多,可分为热储能、电储能和氢储能,其中电储能可分为机械储能、电化学储能和电磁储能。由于电化学储能相应速度快,建设灵活,因此越来越广泛的应用到各个行业当中,而涉及储能的转债标的也以电化学储能为主。目前锂电池储能技术最成熟,但由于储能电池不需要考虑能量密度等问题,可以更多考虑性价比,因此钠电池、钒电池等产品将更广泛适用于储能之中。

报告正文

1、储能市场将迎来爆发期

1.1 碳中和+能源安全,海外储能增长

全球储能市场快速增长。在能源安全越来越受到关注的当下,全球储能装机量迅速增长,根据中商情报网统计,2021年全球储能累计装机量达到203.5GW,同比增长6.49%,同比增速延续了2019年的增长趋势,新增装机规模12.4GW,其中美国、中国和欧洲是最主要的增量。

技术推动新型储能项目快速增长。截至2021年底,全球抽水储能的累计装机规模首次低于90%,同比下降了4.1pcts,而与此相对的是以电化学储能为代表的新型储能的占比提高至12.2%,累计装机规模为25.4GW,同比增长了67.7%,新增装机10.2GW,同比增长117%,由于新型储能相比机械储能更加灵活、更加符合在人口集中地区装机的需求,因此未来有广阔的增长空间。

全球“碳中和”持续推进,欧美国家的能源结构加速转型,风电光伏等绿电装机量增长。2021.5,欧洲议会环境委员会投票通过《欧洲气候法》草案,提出到2030年温室气体排放量相比1990年至少减少55%。草案正式生效后具备法律效力,确保欧洲2050年实现碳中和。而拜登政府也高度关注碳中和,2021.1上任首日即宣布重返《巴黎协定》,提出美国将通过发展可再生能源,到2035年实现无碳发电,2050年实现碳中和,并计划投资2万亿美元,用于基础设施、清洁能源等重点领域。其余发达国家也均有相关法律出台。

欧洲能源危机加剧,电价普遍上涨,带来对可再生能源的旺盛需求。2021年下半年开始,欧洲的电价出现了加速上涨的过程。进入2022年之后,随着俄罗斯减少油气出口,以及近期席卷北半球的热浪,欧洲电价进一步上涨。以英国为例,根据英国能源监管机构(Ofgem)统计显示,截至2022年5月末,英国协议电价为214英镑/MWh,而去年同期电价为70英镑/MWh,一年之内涨价了两倍。在能源危机的背景下,欧洲各国迫切寻求能源独立,而光伏、风电等新能源发电必然是最优的替代方式。

1.2 中国储能市场迎来新时代

我国绿电装机量不断提升,对供电稳定性提出了更高的要求,储能装机具有必要性。我国的发电结构一直以来都是以火电为主,近年来风电、光伏等绿电装机占比不断提升,从而加重发电量的间接性和波动性,“弃风限电”、“弃光限电”等情况难以避免,会对资源造成极大浪费。根据国家能源局统计,2022Q1弃风电量60亿千瓦时,弃光电量24亿千瓦时。此外,储能也可以起到调峰调频的作用。

储能调峰对电力波动具有明显的平缓作用。根据薛晨、任景、张小东等人发表的《西北电网储能独立参与电网的模拟分析》,西北地区某省级电网的新能源发电量波动较大,因此需要对10:00-16:00的发电进行调峰。在储能配合火电参与调峰后,增加了电力储备,能够分担火电机组的调峰压力,避免机组低负荷率运行,降低了调峰的边际成本。

国家层面鼓励储能发展。新型储能是构建新型电力系统的重要技术和基础装备,是实现碳达峰碳中和目标的重要支撑,也是催生国内能源新业态、抢占国际战略新高地的重要领域。近些年来,国家陆续出台各项产业政策,为新型储能行业的发展提供了良好的环境。储能技术的发展关系到能源、交通、电力等多个重要行业的发展,尤其在当今能源枯竭日益加剧、能源消费供求不平衡的大环境下,储能能够突破传统能源模式时间与空间的限制,其重要作用日益凸显,已成为国家重点发展的战略新兴产业。

各省市对“十四五”期间储能提出了具体装机量目标,储能成为风光电基地建设的标配。在国家层面的政策号召之下,各省市以及自治区相继发布相关文件,明确新能源配置储能的标准。2022年以来,宁夏、上海、四川成都、浙江义乌等均明确新能源配置储能的标准,普遍要求储能装机规模不得低于10%-20%。除此之外,大部分省市也发布了“十四五”期间的储能装机目标,全国各省在新型储能和抽水蓄能方面的布局会更加纵深化发展,为一大批风电、光伏新增发电项目并网做好调峰准备。

预计2025年全球新增储能装机量将达到362GW。根据集邦咨询TrendFroce预测,预估未来5~10年全球储能市场将迎来飞速发展,至2025年全球储能新增装机量约为362GWh。以目前各国储能市场成长速度来看,中国即将反超欧美地区,将迈向规模化、市场化,形成以发电侧为主,受优惠政策驱动,强制配储,电网侧、用电侧为辅的储能结构,预计至2025年中国储能市场将突破100GWh。海外方面,预测2025年美国新增装机量达133GWh。欧洲受惠于政策和经济性推动,储能装机需求激增,由于俄乌冲突导致欧洲天然气等能源供应紧张,用电成本不断上涨进而引发市场恐慌,欧盟目前已定下2030年新能源装机目标,连带刺激储能需求上涨,预测2025年新增装机量达54GWh。

2、从技术革新角度看储能发展

本章节将从技术角度,对储能产业链、钠电池、钒电池、熔盐储能进行介绍。储能系统的主要要求是寿命长、污染低、易维护、安全性高,而对于能量密度要求并不高,因此衍生出了许多技术路线,除了传统的机械储能、正处于高速成长期的锂电池储能之外,还衍生出了钠电池、钒电池、熔盐储能等新的产业机会,由于不同的技术路演有不同的特点,在储能大规模运用后将呈现百花齐放的局面。

2.1电化学储能:应用最广泛的路线

储能技术路线繁多,目前抽水蓄能是目前技术最成熟,也是最主要的储能方式。从大类区分,储能主要分为热储能、电储能和氢储能,其中电储能是最主要的储能方式。而电储能分为机械储能、电化学储能和电磁储能。目前机械储能中的抽水蓄能是最主要的储能方式,具有规模大、能量储存集中、技术成熟、成本低、寿命长等优点,但是启动速度慢,建设周期长,而且受到地理环境和土木工程制约较大,缺乏灵活性。

电化学储能是未来市场空间增长最大的技术方向。电化学储能电站通过化学反应进行电池正负极的充电和放电,实现能量转换。电化学储能的响应速度较快,基本不受外部条件干扰,但投资成本高、使用寿命有限,且单体容量有限。随着技术手段的不断发展,电化学储能正越来越广泛地应用到各个领域。根据CIAPS测算,到2025年全国电化学储能行业市场规模将达到40GW,2021-2025年CAGR67%,到2030年规模将达到110GW,2025-2030年CAGR为22%。此外,涉及储能的转债标的也基本处于电化学储能产业链上。

出于环保及安全角度考虑,新型储能电池将会替代传统电池技术,而经济性要求倒逼锂电池技术革新。以铅酸电池为代表的传统储能技术,由于其对环境危害较大,已逐渐被性能更高、更安全环保的电池所替代,如磷酸铁锂电池。根据国家能源局颁布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022年版)(征求意见稿)》,中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池。此外,由于锂及锂盐制品价格高企,迫切需要更具性价比的技术代替锂电池。政策监管及经济性的要求共同倒逼了储能电池技术革新。

储能系统是以电池为核心的综合能源控制系统。主要包括电芯、EMS(能量管理系统)、BMS(电池管理系统)、PCS(双向变流器)等多个部分,其中电芯是储能系统的核心,成本占比约67%,2021年锂电池主要包括磷酸铁锂和三元电池两类。BMS主要负责电池的监测、评估、保护及均衡等;能量管理系统(EMS)负责数据采集、网络监控和能量调度等;储能变流器(PCS)可以控制储能电池组的充电和放电过程,进行交直流的变换。

无论电化学储能使用何种技术,从产业链角度,都可分为上游、中游、下游。上游是原材料及电池结构件,中游主要是电池总装及系统集成,下游是储能装机应用场景。其中多数技术变革首先发生在上游,目前主要的发展方向是钠离子电池和钒电池。

2.2 钠离子电池:安全和性价比的选择

①钠电池的技术特点

钠离子电池主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作,与锂电池工作原理相似。钠电池的构成主要包括正极、负极、隔膜、电解液和集流体。正负极之间由隔膜隔开以防止短路,电解液浸润正负极以确保离子导通,集流体则起到收集和传输电子的作用。充电时,Na+从正极脱出,经电解液穿过隔膜嵌入负极,使正极处于高电势的贫钠态,负极处于低电势的富钠态。放电过程与之相反,Na+从负极脱出,经由电解液穿过隔膜嵌入正极材料中,使正极恢复到富钠态。为保持电荷的平衡,充放电过程中有相同数量的电子经外电路传递,与Na+一起在正负极间迁移,使正负极分别发生氧化和还原反应。

钠离子电池与锂离子电池相比主要是在正负极材料、电解液溶质和集流体方面存在不同。钠离子电池的正极材料为铁锰铜/镍三元体系以及磷酸体系,负极材料则是采用硬炭,电解液溶质用六氟磷酸钠来替代六氟磷酸锂,集流体采用更便宜的铝箔。

②钠电池的优势

相比锂电池,钠电池在经济性、安全性等方面具有优势,而在能量密度方面低于锂电池:

1)钠电池的价格低于锂电池。钠资源储量丰富、分布均匀,原材料成本较为低廉。钠元素在地壳中占比约2.75%,且遍布全球;相比之下锂元素仅为0.0065%,且75%集中在美洲,反应在价格上,钠的价格2元/kg,锂的价格150元/kg,此外钠电池的负极可以使用更便宜的铝箔,因此综合来看,钠电池的原材料成本相比锂电池可下降30-40%。

2)钠电池与锂电池的生产设备大多兼容,对于设备和工艺投入较少。锂电池结构与钠电池结构基本相同,都可生产成方形、圆柱、软包、刀片等常见电池形态,因此生产设备也基本可以互相兼容。

3)钠离子的倍率性能更好,功率输出和接受能力更强,当前已公开的钠电池具备3C及以上的充放电倍率,更适合规模储能调频的应用。钠离子的溶剂化能比锂离子更低,即具有更好的界面离子扩散能力;同时,钠离子的斯托克斯直径比锂离子的小,相同浓度的电解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率;更高的离子扩散能力和更高的离子电导率意味着钠离子电池的倍率性能更好,功率输出和接受能力更强。

4)钠电池的高低温性能更加优异。根据目前初步测试结果,钠电池在-40℃低温下可以放出70%以上容量,高温80℃可以循环充放使用,这将在储能系统层面降低空调系统的功率配额,也可以降低温度控制系统的在线时间,进而降低储能系统的一次投入成本和运行成本。目前宁德时代推出的第一代钠离子电池,在-20℃的低温环境中,也拥有90%以上的放电保持率。

③钠电池的市场空间

钠离子电池有望在2023年实现产业化,到2026年理论装机量将达到369.5GW。目前国内处于钠电池研发前列的企业主要是宁德时代和中科海钠,均预计在2022-2023年实现产业化。EVTank在《中国钠离子电池行业发展白皮书(2022年)》中根据钠离子电池各潜在应用场景对电池的需求量进行了测算,理论上,钠离子电池在100%渗透的情况下在2026年的市场空间可达到369.5GWh,其理论市场规模或将达到1500亿元。

2.3钒电池:理论上容量无上限

①钒电池的技术特点

钒电池结构与传统电池构造有较大区别。钒电池全称为全钒氧化还原液流电池,是一种基于金属钒元素的氧化还原电池储能系统。钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中,通过外接泵把电解液压入电池堆体内,在机械动力作用下,使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动,采用质子交换膜作为电池组的隔膜,电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应,通过双电极板收集和传导电流,从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。

②钒电池的优点

钒电池相比锂电池,具有寿命长、容量大、安全性高、资源丰富等优点:

1)钒电池寿命可在10年以上。由于钒电池的正负极活性物质是以溶剂形式溶解在电解液中,因此可以深度充放电而不损伤电池,循环次数可超过10000次。

2)容量大,可被扩展为大型储能电站。虽然钒电池的能量密度和功率密度低于锂电池,但是由于电堆作为发生反应的场所与存放电解液的储罐分开,从根本上克服了传统电池的自放电现象,功率只取决于电堆大小,电量只取决于电解液体积和浓度,因此可灵活控制电量和功率,可以按照需求调整电站的大小。

3)安全性高。由于钒电池的电解质离子存在水溶液中,不会发生热失控、燃烧和爆炸,即使正负极电解液混合短路,也只会让电解液温度略微上升。

4)国内资源储量丰富。全球已探明的钒金属储量为2200万吨,主要分布在中国、俄罗斯、澳大利亚、南非、巴西、美国等地,其中中国钒储量达950万金属吨,位居世界第一。

③钒电池的市场空间

现在是钒电池产业化的前夜,预计到2030年国内新增装机量4.5GW。目前钒电池产业化的主要壁垒在于初始投资成本高,但是随着政府补贴的持续投入、产业链成熟化发展、以及伴随规模效应降本等多种因素影响下,钒电池将凭借优异的特性由政策导向市场导向过渡,其渗透率将逐步提升。根据EVTank颁布的《中国钒电池行业发展白皮书(2022年)》,2022年国内大量的钒电池储能项目开工建设,预计全年新增装机量将达到0.6GW,到2025年钒电池新增规模将达到2.3GW,2030新增量将达到4.5GW,届时钒电池储能项目累计装机量将达到24GW。

2.4熔盐储能:长时储能的优选

①熔盐储能技术特点

熔盐储能是一种稍显冷门的储能技术路线,具有初始投资成本低、热容高、安全性好等优点。熔盐储能与电池储能相同,也是一种长时储能,基本的思路是利用熔盐的储热能力,在电力供给盈余或电力需求低谷时主动将电力以热能的形式储藏起来,在电网需要时再将热能转化为电能,从而实现削峰填谷、系统调频的作用,为电力供给提供弹性。在该应用场景下,熔盐储能主要有双罐系统和单罐系统两种形式。

双罐系统:适用于大面积供暖、供工业蒸汽、发电、电厂的调峰、清洁电能的消纳等领域,主要流程包括:

储热循环:冷盐罐中的低温熔盐通过熔盐泵进入到熔盐电加热器,通过智能互补系统利用风电、光伏、夜间低谷电在电加热器中加热熔盐,加热后的高温熔盐进入到热盐罐中进行储存,完成熔盐储热循环。

放热循环:热盐罐中高温熔盐通过熔盐泵进入到换热系统中与给水进行换热,给水被加热成蒸汽,放热后的熔盐进入到冷盐罐中进行储存,完成熔盐放热循环。

蒸汽/水换热循环:给水被加热后产生的蒸汽与热用户侧循环水回水进行换热,蒸汽换热后的凝结水经过处理后可回到熔盐放热循环中继续循环使用,换热后的循环水供水供热用户使用,经热用户使用后的循环水回水,再与蒸汽进行换热,完成蒸汽/水换热循环。

单罐系统:适用于小面积供暖、供生活热水、清洁电能的消纳等领域,主要流程仅包括储热循环和放热循环。

②熔盐储能应用场景

作为一种高温热储能技术,在非电市场,熔盐储能在生产工业蒸汽领域的市场价值相对更大,目前新增的熔盐储能项目很多都与蒸汽生产相关。目前,熔盐储热技术有5大典型应用场景,从初始的光热发电走向综合能源服务。

1)光热发电:熔盐储热技术应用于光热电站其特点是将储热和传热介质合为一体,简化了整个电站设备组成,有利于后期的运维。同时可以提高太阳能的利用效率,减少功率波动,提高电力系统灵活性;促进电网平稳性输出,缓解新能源电力发展过程中的限电问题。

2)清洁供热:可将弃风/弃光电、低谷电等电能储存起来,在需要的时候释放,减少用户用能成本,提高整个系统的能源利用率;可实现削峰填谷,平滑光电、风电的输出功率,提升新能源发电的消纳能力;为食品加工、纺织等企业提供稳定持续的蒸汽、热风等高品质热源。

3)移动储热供热:无管路热损失,热能利用率高;可实现废余热高效回收利用,节能减排双收益;无需管道铺设,投资少、运行成本低;设备运行灵活,操作安全简单;可实现供热管网辐射不到的企业或工厂。

4)火电灵活性改造:减小供热机组热负荷,或增大供热机组发电出力调节范围,提高电厂的运行灵活性;通过调峰给用户供热提高电厂的经济效益;突破供热对机组电负荷调节的限制,实现能量的梯级利用。

5)综合能源服务:通过与光伏、风电、核能等系统互补耦合,为用户提供高效智能的多种能源供应,提高能源利用率;实现能源生产和环境治理的融合,减少污染物排放和降低企业用能成本;提高清洁能源的使用比例,优化能源结构。

③熔盐储能已经有了初步应用

熔盐储热招标/签约/建设中总规模达到3047MW,有望实现跨越式增长。根据国海证券公用事业组统计,2022年招标/签约/建设中的熔盐储热项目达16个,总装机规模达3074MW,其中甘肃省金昌市高温熔盐储能绿色调峰电站储能规模达到600MW/3600MWh,熔盐储热项目规模大型化趋势明显。

纵览以上这几种技术,每种都有自己的特点:锂电池工艺成熟,钠电池性价比高,钒电池容量大、寿命长,熔盐储能可长时,且可配套锅炉。我们只列出了目前转债标的涉及的路线,以后若有涉及转债的新技术路线出现,我们也将进行持续补充。


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