发布者 | 中标研 2023-05-22
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一、储能定义及技术路线
(一)储能定义储能是指通过介质或设备把能量存储起来,在需要时再释放的过程。其通过灵活的充放电控制,实现产能和用能在时间和空间的匹配,是灵活性的依仗。储能是支撑新型电力系统的重要技术和基础装备。能够为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种服务,是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段;储能能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平,支撑分布式电力及微网,是推动主体能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术;储能能够促进能源生产消费开放共享和灵活交易、实现多能协同,是构建能源互联网,推动电力体制改革和促进能源新业态发展的核心基础。
表1 储能技术特点及适用场景
技术参数 | 配置灵活性 | 放电时间 | 启动时间 | 响应速度 | 技术水平 | 最优适用场景 |
抽水蓄能 | 一星 | 2h-天 | 3-5min | min | 商用 | 大规模调峰、长时调频 |
压缩空气 |
洞穴式:一星 临界:三星 |
1h-天 | 约6min | 约1min |
洞穴式:商用 超临界:示范 |
可再生能源并网、辅助服务 |
飞轮储能 | 三星 | s-min | <2 ms | <2 ms | 商用 | 快速调频、企业级UPS |
铅蓄电池 | 四星 | 0.5-10h | <1 s | < 10ms | 商用 | 分布式及微网、工商业、变电站备电 |
锂离子电池 | 五星 | 0.1-10h | <1 s | < 10ms | 商用 | 综合 |
液流电池 | 三星 | 1-10h | s级 | ms级 | 示范-商用 | 大规模调峰、可再生能源并网 |
钠硫电池 | 四星 | 1-8h | s级 | ms级 | 商用 | 综合 |
超级电容器 | 三星 | s-min | <1 s | ms级 | 示范 | 快速调频 |
氢能 | 三星 | h—周 | 3-5 min | <1 s | 示范 | 天-周级长时间供电 |
蓄热/蓄冷 | 三星 | 0.5-10h | — | — | 商用 | 光热电站及电-热转换 |
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二、电化学储能
1、定义及特点电化学储能是一种通过锂离子电池、液流电池等方式将电能储存起来的一种新型储能方式,主要应用于分钟至小时级的作业场景。在诸多储能技术中,电化学储能相对于其他储能形式在规模和场地上拥有较好的灵活性和适应性,同时在调度响应速度、控制精度、电力系统调频以及建设周期多方面具有比较的优势,有着不可替代的重要作用,具有更广阔的应用前景,在近两年全球储能市场发展势头强劲。相比于机械储能、电磁储能、储氢、储热等其他储能技术,电化学储能技术的优势非常明显,其部署灵活,又被称为“平地上的抽水蓄能站”。表3 电化学储能与其他储能形式对比
2、系统组成
电化学储能系统主要由电池模组,储能变流器(PCS),以及电池管理系统(BMS)和能量管理系统(EMS)组成。其中,电池模组负责储电;PCS是连接于电池系统与电网(或负荷)之间的实现电能双向转换的变流器;而BMS和EMS是储能系统的管理和控制中枢,BMS主要负责监测电池数据,保护电池安全;EMS主要通过数据采集、网络监控和能量调度来实现储能系统内部微电网的能量控制,保证微电网和整套系统正常运行。
投资分析1 |
在储能赛道的布局上可遵循从价值量环节出发,寻找最为受益的环节:电池组在储能系统中成本占比最高,也是价值量最高的环节,变流器成本占比第二。从成本占比结构来看,电池组成本占比约60-70%;变流器成本占比10-20%,其他成本约占20-30%。除此以外,在高压场景下,对于熔断器、继电器等零部件需求同样提升。从技术壁垒角度看,电池组和变流器也是相对较高的环节。另外,近年来储能电站着火事件频发,因此储能热管理同样受到市场密切关注,属于产业链延伸业务。 |
表4 典型锂离子电池参数对比
项目 | 磷酸铁锂电池 | 三元锂电池 | 铅炭电池 | 钒液流电池 |
工作电压(V) | 2.8-3.7 | 3.2-4.2 | 2 | 1.5 |
能量密度(Wh/kg) | 130-160 | 200-220 | 25-50 | 7-15 |
功率密度(W/kg) | 500-1000 | 1000-1500 | 150-500 | 10-40 |
倍率性能 | 0.25-2C(长期2C/瞬时5C) | 0.5-4C(长期2C/瞬时5C) | 0.8-1.2C | 2-5C |
SOC推荐使用范围 | 10%-90% | 10%-85% | 30%-80% | 30%-90% |
电池组循环次数 | 3000-6000 | 2500-4500 | 1000-3000 | >10000 |
工作温度 | 充电-10-45℃/放电-20-55℃ | 充电-30-55℃/放电-30-60℃ | -20-60℃ | -5-60℃ |
响应速度 | 毫秒级 | 毫秒级 | <10ms | 毫秒级 |
安全性 | 保护措施得当燃烧风险较低 | 燃点低,燃烧等风险较高 | 析氢等弱风险 | 五氧化二钒等毒性弱风险 |
环保性 | 环境友好 | 环境友好 | 存在一定环境风险 | 环境友好 |
电池效率 | 98%@0.1C/90%@1C | 98%@0.1C/90%@1C | 80-90% | 60%-75% |
电芯成本(元/kWh) | ≤650 | ≤950 | ≤550 | ≤2300 |
除电池外系统成本 | ≤750 | ≤900 | ≤800 | ≤750 |
年平均运维费用 | ≤2% | ≤2% | ≤1.5% | ≤5% |
使用寿命 | 15年 | 15年 | 12年 | 15年 |
全系统成本(元/kWh) | 1300-1600 | 1500-2000 | 800-1350 | ≤3050 |
度电成本(元/kWh) | 0.63 | 0.86 | 0.61 | 0.73 |
表5 储能成组方案对比
储能系统类型 | 磷酸铁锂电池 | 三元锂电池 | 铅炭电池 | 钒液流电池 |
常用集装箱规格 | 40尺 | 40尺 | 40尺 | 20尺(另需配置电解液储罐) |
BMS设计难度 | 复杂,需要考虑SOC估算精度以及均衡算法 | 十分复杂,电压抖动剧烈,SOC估算难度较大,一致性需要精准的均衡算法 | 简单,主要以监控为主 | 一般 |
系统集成可行性 | 可行,国内主流技术路线,方案相对成熟 | 待验证(已被禁止在储能电站中使用),一致性问题较严重,标准尚未统一 | 可行 | 可行 |
运维特点 | 可实现无人运维 | 难实现无人运维,安全因素是制约 | 电池寿命短,运维差别化服务难 | 可长时间运行,但增添电解液作业繁琐,工程浩大 |
初始投资 | 适中 | 较大 | 相对少 | 较大 |
3.5锂离子电池储能产业链
锂离子电池储能产业链如下图所示。此外,电池管理BMS、能量管理EMS、储能系统安装领域的头部企业如下:电池管理BMS:科工电子、高特电子、高泰昊能、力高新能源、协能科技、宁德时代、派能科技能量管理EMS:派能科技、国电南瑞、中天科技、许继电气、平高电气、阳光电源储能系统安装:永福股份、特变电工、正泰电器、中国电建、中国能建4、铅酸电池与铅炭电池
4.1 铅酸电池与铅炭电池对比铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池放电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;充电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。铅炭电池是一种电容型铅酸电池,它是在铅酸电池的负极中加入了活性碳,能够显著提高铅酸电池的寿命。铅碳电池是一种新型的超级电池,是将铅酸电池和超级电容器两者合一。铅炭电池是铅酸电池的创新技术,相比铅酸电池有着诸多优势。铅炭电池有以下优势:一是充电快,提高8倍充电速度;二是放电功率提高了3倍;三是循环寿命提高到6倍,循环充电次数达2000次;四是性价比高,比铅酸电池的售价有所提高,但循环使用的寿命大大提高了;五是使用安全稳定,可广泛地应用在各种新能源及节能领域。此外,铅炭电池也发挥了铅酸电池的比能量优势,且拥有非常好的充放电性能—90分钟就可充满电(铅酸电池若这样充、放,寿命只有不到30次)。而且由于加了碳(石墨烯),阻止了负极硫酸盐化现象,改善了电池失效的一个因素。
5.3 钒液流电池项目
2022年10月30日,由中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员李先锋团队提供技术支撑的迄今全球功率最大、容量最大的百兆瓦级液流电池储能调峰电站正式并网发电。该项目是国家能源局批准建设的首个国家级大型化学储能示范项目,总建设规模为200兆瓦(MW)/800兆瓦时(MWh)。本次并网的是该电站的一期工程,规模为100兆瓦(MW)/400兆瓦时(MWh)。
投资分析2 |
全钒液流电池储能技术在大规模长时储能领域颇具应用前景,因其具备安全性高、易扩容、输出功率和容量大、循环寿命长、性价比高、电解液可循环利用、钒资源自主可控、对环境友好等突出优势,特别是百兆瓦级液流电池技术被纳入“十四五”新型储能核心技术装备攻关重点方向。 《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)》更是把储能的关注点吸引到“超‘钒’脱俗”的全钒液流电池储能上。在产业链不断拓展的推动下,全钒液流电池产业正由导入期向成长期过渡,处于大规模产业化的前夕,一旦占比成本高的钒电解液规模化生产、全产业链协作,并从技术上实现全钒液流电池能量密度的突破,具有本征安全性的液流电池将在中大型电化学储能中真正发挥其优势。11月中核汇能公布的首次GWh液流电池储能系统集采中标结果显示,投标最低价已至2.2元/Wh。国内液流电池储能项目正在各地紧罗密布地开展,液流储能电池产线规模化建设提速。目前液流电池在新型储能中的渗透率不到1%,一旦产业链成熟,未来有望实现跨越式增长。 注:五氧化二钒和隔膜占据了原料成本的 60-80%。且随着储能时长增长,五氧化二钒成本所占比例逐渐增加。五氧化二钒市场目前是典型的现货市场,短期钒价波动会直接影响全 钒液流电池造价,因此,相对稳定的钒价有利于液流电池行业的成本控制。 |
6.2 钠离子电池发展情况
钠离子电池理论上循环寿命也是可以接近锂离子电池;钠离子电池有钠资源优势、成本优势、性价比高。碳酸锂接近60万元每吨,而碳酸钠1吨只需要2000元-3000元,这是天然的成本优势,因为资源丰富,所以原料价格低。2015年之后,世界各国都开始了对钠离子电子的产业化研究,到今天全球大概有几十家钠离子电池公司,我国也是其中布局较早的,目前我国在钠离子电池领域处于世界领先地位,中科海钠、宁德时代、立方 新能源等企业均已实现钠离子电池的初步量产,并推出了成熟的产品线。表6 钠离子电池与其他储能方式对比
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