儲能技術(shù)多元發(fā)展,各有不同的應(yīng)用場景。我國新型儲能技術(shù)基本上與國際先進水平并跑,壓縮空氣儲能、儲熱儲冷、鋰離子電池、液流電池和鈉離子電池技術(shù)已達到或接近世界先進水平。
01 新型儲能類型與應(yīng)用概述
新型儲能是指抽水蓄能以外的儲能技術(shù)。儲能形式根據(jù)技術(shù)路徑不同主要分為熱儲能、電儲能和氫儲能三大類,其中電儲能又可按能量儲存形式分為物理儲能、電磁儲能和電化學(xué)儲能。物理儲能除了抽水蓄能外,還包括壓縮空氣儲能、飛輪儲能、重力儲能等;電磁儲能包括超導(dǎo)儲能、超級電容器儲能等;電化學(xué)儲能包括鋰離子電池、鈉電池、鉛蓄電池、液流電池、鈉硫電池、燃料電池等儲能形式;熱儲能主要包括熔融鹽儲能、熱(冷)儲能等。
儲能技術(shù)呈現(xiàn)多元化發(fā)展格局,各有不同的應(yīng)用場景。每種儲能技術(shù)均具有一定的獨特性,在實際應(yīng)用中,需要用戶綜合考慮各種儲能技術(shù)的特點以及優(yōu)缺點,選擇最適宜的技術(shù)方案。比如,飛輪儲能、超級電容、超導(dǎo)儲能可以解決秒級或分鐘級以下的調(diào)頻需求;抽水蓄能、壓縮空氣儲能、燃料電池和電化學(xué)儲能等則更適用于進行小時級調(diào)峰;氫儲能適合執(zhí)行季節(jié)性調(diào)峰。不同儲能技術(shù)的特點如下表所示。
表1 主要儲能技術(shù)比較
資料來源:深企投產(chǎn)業(yè)研究院整理。功率按照現(xiàn)實項目(包括規(guī)劃項目)的最大功率,非理論值。
按照時長要求的不同,儲能的應(yīng)用場景可分為容量型(≥4小時)、能量型(約1~2小時)、功率型(≤30分鐘)和備用型(≥15分鐘)四類,對應(yīng)的應(yīng)用場景如下表所示。
表2 儲能技術(shù)應(yīng)用場景
資料來源:中國能建《關(guān)于“熔鹽儲熱”技術(shù)》,天風(fēng)證券等,深企投產(chǎn)業(yè)研究院整理。
從各類儲能技術(shù)的研發(fā)推廣進程看,目前我國儲能技術(shù)基本上與國際先進水平并跑,壓縮空氣儲能、儲熱儲冷、鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池和鈉離子電池技術(shù)已達到或接近世界先進水平;抽水蓄能、飛輪儲能、超級電容和儲能新技術(shù)與世界先進水平還有一定的差距,如下圖所示。
圖1 2022年中國儲能技術(shù)和世界先進水平的比較成熟度
資料來源:陳海生等《2022年中國儲能技術(shù)研究進展》。
綜合分析我國各儲能技2022年的基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范的情況,各種儲能技術(shù)可以大致分為四個梯隊。其中,第一梯隊為抽水蓄能,單機規(guī)模100MW以上,占2022年全國儲能裝機的77.1%左右;第二梯隊為鋰離子電池、壓縮空氣儲能、液流電池、鉛蓄電池和儲熱儲冷技術(shù),單機規(guī)??蛇_10-100MW,其中鋰離子電池裝機最多,有可能未來形成單獨的一個梯隊;第三梯隊為鈉離子電池、飛輪儲能和超級電容器,目前單機規(guī)模可以達到MW級,其中鈉離子發(fā)展受關(guān)注最多,有可能未來進入第二梯隊;第四梯隊為重力儲能、熱泵儲電、壓縮二氧化碳和液態(tài)金屬技術(shù)等新型儲能技術(shù),需要進一步的研發(fā),以便實現(xiàn)集成示范和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
圖2 2022年中國儲能集成示范和產(chǎn)業(yè)化梯隊
資料來源:陳海生等《2022年中國儲能技術(shù)研究進展》。
02 壓縮空氣儲能
——應(yīng)用現(xiàn)狀。壓縮空氣儲能(CAES)目前處于小規(guī)模應(yīng)用階段。據(jù)CNESA(中國能源研究會儲能專委會/中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟)統(tǒng)計,截至2021年底,壓縮空氣儲能在全球新型儲能裝機規(guī)模中的占比為2.3%。根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù),截止2022年底,壓縮空氣儲能占全國新型儲能裝機規(guī)模的2%(如按照CNESA全球儲能數(shù)據(jù)庫的不完全統(tǒng)計,占比為1.5%)。當(dāng)前壓縮空氣儲能整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍較小。
——工作原理。傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能是基于燃氣輪機開發(fā)的儲能技術(shù),其工作原理是,在用電低谷,用過剩的電能來驅(qū)動壓縮機,將空氣壓縮至高壓并儲存在儲氣裝置(如地面儲氣罐、地下鹽穴、地下人工硐室等)中,使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲起來;在用電高峰,由儲氣裝置釋放儲存的高壓空氣,通過(進入燃燒室)燃燒或者換熱的方式,加熱壓縮氣體,將其輸送至膨脹機內(nèi)膨脹做功,推動發(fā)電機發(fā)電。其工作原理如下圖所示。
圖3 傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)原理
資料來源:中國科學(xué)院工程熱物理研究所《淺談“壓縮空氣儲能技術(shù)”》。
——優(yōu)缺點。壓縮空氣儲能具有啟動快速、能量密度和功率密度較高、運營成本低、設(shè)備使用壽命長、損耗低等優(yōu)點,一般可儲釋能上萬次,壽命達40-50年。缺點是,能量轉(zhuǎn)換效率低下(僅能到50%),需要大洞穴或者大容量儲氣裝置存儲壓縮空氣、存在地域(地質(zhì))條件限制,投資回報期較長。壓縮空氣儲能中,儲氣方式不同,成本差異較大,單位成本約7000-9000元/kW,總體上當(dāng)前壓縮空氣儲能的單位成本高于抽水蓄能和電化學(xué)儲能,單位kWh成本則與電化學(xué)儲能相當(dāng)。目前壓縮空氣儲能度電成本0.24-0.25元,隨著規(guī)模提升,新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的度電成本可達到0.2元,如果未來能降到0.15元以下,則經(jīng)濟效益更加顯著。
壓縮空氣儲能產(chǎn)業(yè)鏈
上游為裝備制造、儲氣庫。壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要由壓縮機、空氣透平膨脹機(空汽輪機)、發(fā)電機、換熱器、儲熱介質(zhì)等構(gòu)成,儲能電站設(shè)備投資約占65%-70%,其余為土建安裝及其他輔助工作。其中核心設(shè)備為壓縮機(離心式空氣壓縮機),可占到儲能電站投資的15%以上;換熱器、透平機、輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等,和傳統(tǒng)火電站配置類似,約占儲能電站投資的15%,基本無技術(shù)瓶頸。
圖4 壓縮空氣儲能核心設(shè)備
資料來源:樂晴智庫。
• 核心設(shè)備廠商:國外壓縮機主要有阿特拉斯·科普柯、西門子、日本神鋼等,國內(nèi)能達到相應(yīng)技術(shù)要求的主要有陜鼓動力、沈鼓集團、金通靈三家企業(yè)。目前100MW級壓縮機基本可以實現(xiàn)國產(chǎn)化,但實現(xiàn)單機300MW級仍存在很大難度和技術(shù)瓶頸。設(shè)備主要企業(yè)包括:陜鼓動力(空壓龍頭,壓縮機、膨脹機)、沈鼓集團(離心壓縮機)、金通靈(空氣膨脹機)、杭氧股份(空氣壓縮機、透平膨脹機)、川空集團(空分設(shè)備、透平膨脹機)、哈電汽輪機(空氣透平、油氣換熱器等)、東方汽輪機(空氣透平、油氣換熱器)、上海汽輪機(空氣透平、油氣換熱器)等。
• 儲氣庫資源供應(yīng):壓縮空氣儲能儲氣庫包括高壓氣罐、低溫儲罐、廢舊礦洞改造、新建洞穴、鹽穴等多種形式,現(xiàn)階段在建、已投產(chǎn)項目多采用地下儲氣庫(廢舊礦洞改造、新建洞穴、鹽穴),我國鹽業(yè)企業(yè)中,魯銀投資、蘇鹽井神、中鹽化工、雪天鹽業(yè)等均在鹽穴儲能領(lǐng)域有所布局。儲氣裝置占儲能電站投資的10%—20%,如采用地下鹽穴,成本約占10%;如采用人工硐室,成本約20%;如儲氣裝置使用壓力容器,其單位造價是鹽穴儲氣造價的10倍以上。
中游為儲能系統(tǒng)集成(主要提供技術(shù)支持)、儲能電站施工建設(shè)。主要的技術(shù)提供方是中儲國能(中科院熱物理研究所下屬,近期完成超10億元A輪融資)、中科儲能、科遠智慧,以及中科院理化所、清華大學(xué)等高校院所;主要的系統(tǒng)集成商包括中儲國能、陜鼓集團等;項目整體建設(shè)施工單位主要有中國能建、中國電建等,主要提供EPC(工程建設(shè)總承包)業(yè)務(wù)。從建設(shè)市場情況看,中國能建目前占據(jù)主要地位。
下游為投資運營商(業(yè)主單位)。當(dāng)前參與投資布局(包括規(guī)劃中)的企業(yè)包括中國能建、中國電建、國家能源集團、國家電投、中國華能、福能股份、華電集團、大唐集團、三峽集團(三峽能源)等,基本為國企(央企)。
03 飛輪儲能
——應(yīng)用現(xiàn)狀。飛輪儲能還處于商業(yè)化早期,在全球及中國儲能市場占有率較低。據(jù)CNESA數(shù)據(jù),截止2022年底中國已投運新型儲能累計裝機規(guī)模達到13.1GW,其中飛輪儲能其中僅占0.1%。目前國內(nèi)市場上飛輪儲能應(yīng)用多數(shù)為試點項目,主要作為蓄電池系統(tǒng)的補充,成熟運行產(chǎn)品較少,運行功率較低,后備時間短,部分技術(shù)性能需要進一步完善。
——工作原理。飛輪儲能的原理是利用過剩電力給真空外殼中的轉(zhuǎn)子(飛輪)加速,把電能以動能的形式儲存。在儲能階段,通過電動機拖動飛輪,使飛輪本體加速到一定的轉(zhuǎn)速,將電能轉(zhuǎn)化為動能;在能量釋放階段,飛輪的旋轉(zhuǎn)速度會降低,電動機作發(fā)電機運行,將動能轉(zhuǎn)化為電能。一般來說,飛輪系統(tǒng)使用電流來控制飛輪速度,其中高能的飛輪使用高強度碳纖維制成的轉(zhuǎn)子,并通過磁懸浮軸承實現(xiàn)懸浮。這些轉(zhuǎn)子在真空罩內(nèi)的轉(zhuǎn)速可達到20000-50000rpm,可以在幾分鐘內(nèi)達到所需的速度。
圖5 飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
資料來源:貝肯新能源。
圖6 飛輪儲能系統(tǒng)運作示意圖
資料來源:智見能源,中銀證券。
——應(yīng)用領(lǐng)域。飛輪儲能是一種高頻次、大功率、長壽命、高效率的功率型儲能技術(shù),適用于數(shù)百千瓦至數(shù)十兆瓦、持續(xù)數(shù)秒至數(shù)分鐘、頻次10萬次以上的電儲能應(yīng)用場景,是實現(xiàn)電壓穩(wěn)定、頻率調(diào)節(jié)的重要技術(shù)。飛輪儲能可用于新能源并網(wǎng)、微電網(wǎng)調(diào)頻,地鐵、港口制動能量回收,數(shù)據(jù)庫、醫(yī)院不間斷電源,國防、科研脈沖電源等。
——優(yōu)缺點。飛輪儲能的優(yōu)點包括:1)高效率。能量轉(zhuǎn)換效率能夠達到90%及以上。2)長壽命。飛輪儲能的使用壽命可達200萬次以上,且使用壽命不受充放電深度的影響,主要取決于飛輪材料的疲勞壽命和系統(tǒng)中電子元器件的壽命。3)響應(yīng)速度快。啟動時間在1秒以內(nèi),充放電速度反應(yīng)極快,屬于分秒級的儲能技術(shù)。4)運維較簡單。運行過程中幾乎不需要維護,工況環(huán)境適應(yīng)性好,-20-50°C下都能正常工作。缺點主要有:1)能量密度低。額定功率小,最多供電幾分鐘,而且由于空氣和軸承阻力,存儲過程中存在電能消耗的情況。2)成本較高。主要是由于其需要使用高強度材料(如使用碳纖維材料制造飛輪)和先進的控制技術(shù),單位投資成本較大。3)噪音大。旋轉(zhuǎn)飛輪轉(zhuǎn)速可高達15000rpm,噪音較大,且持續(xù)工作在高轉(zhuǎn)速、高溫等極端工況下,因此極其輕微結(jié)構(gòu)變動將會導(dǎo)致劇烈震動,不僅會產(chǎn)生極大地噪聲污染,也可能發(fā)生斷軸等安全風(fēng)險。
飛輪儲能產(chǎn)業(yè)鏈
產(chǎn)業(yè)鏈上游。典型的飛輪儲能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)包括5個部件:1)飛輪本體,一般為高強度復(fù)合纖維材料(如碳纖維復(fù)合材料)制成;2)軸承,為轉(zhuǎn)子提供低耗損支撐,利用非接觸式的永磁軸承、電磁軸承或超導(dǎo)懸浮軸承等支承飛輪;3)電機,一般為電動/發(fā)電互逆式雙向電機(電動機+發(fā)電機);4)電力轉(zhuǎn)換器,是輸入電能轉(zhuǎn)化為直流電供給電機,輸出電能進行調(diào)頻、整流后供給負載的關(guān)鍵部件;5)真空器(真空室),為減少空氣阻力,飛輪系統(tǒng)放置于高真空密封套筒內(nèi)。上游部件主要由華陽股份、國機重裝、湘電股份、廣大特材等企業(yè)提供。產(chǎn)業(yè)鏈中游為飛輪儲能系統(tǒng)集成,主要設(shè)備廠商也同時參與。下游為發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)測的業(yè)主單位。
表3 飛輪儲能系統(tǒng)和裝置開發(fā)應(yīng)用重點機構(gòu)
資料來源:深企投產(chǎn)業(yè)研究院整理。
04 釩液流電池
——應(yīng)用現(xiàn)狀。我國液流電池儲能的研發(fā)推廣處于世界領(lǐng)先水平。根據(jù)CNESA數(shù)據(jù),截止2022年底液流電池占我國已投運新型儲能累計裝機規(guī)模的1.2%。液流電池根據(jù)活性材料分類,可分為全釩液流電池,鋅基液流電池(鋅溴、鋅鐵、鋅鎳、鋅空氣等),鐵鉻液流電池、全鐵液流電池等等。其中全釩液流電池是目前最接近產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?;瘧?yīng)用的一種電池,而其他液流電池技術(shù)成熟度稍低,仍然面臨活性物質(zhì)的沉積、電解液互竄、功率密度低、容量和能量無法完全解耦、析氫和析氧等問題,基本上處于工程化示范階段。在應(yīng)用場合方面,液流電池有望與鋰離子電池形成差異化競爭,主要在4小時及以上,百兆瓦時以上的容量儲能場合進行推廣。
全釩液流電池隨著大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化加速,滲透率將不斷提升,裝機規(guī)模呈增長趨勢。根據(jù)EV Tank發(fā)布的數(shù)據(jù),2021年中國釩電池新增裝機量0.13GW,2022年國內(nèi)大量的釩電池儲能項目開工建設(shè),預(yù)計全年新增裝機量將達到0.6GW。據(jù)EV Tank預(yù)測,預(yù)計2025年釩電池新增規(guī)模將達到2.3GW,2030新增量將達到4.5GW,屆時釩電池儲能項目累計裝機量將達到24GW,當(dāng)年新增市場規(guī)模將達到405億元。GGII預(yù)測,2025年國內(nèi)液流電池出貨量有望超過10GWh(按4小時測算,含出口),復(fù)合增速高達95.5%。
——工作原理。液流電池通過離子選擇膜的離子交換將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,離子選擇膜將兩種液體電解質(zhì)分開存儲在不同的罐中,利用兩種化學(xué)溶液進行離子交換來進行充放電,其電壓一般在1.0-2.2V之間。與其它電池相似,液流電池的功率與隔膜面積成正比,而儲存能量的多寡和溶液儲存容量成正比。
液流電池正負極全使用釩鹽溶液的稱為全釩液流電池(全釩氧化還原液流電池),簡稱釩電池。釩電池電能以化學(xué)能的方式存儲在不同價態(tài)釩離子的硫酸電解液中,通過外接泵把電解液壓入電池堆體內(nèi),在機械動力作用下,使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動,采用質(zhì)子交換膜作為電池組的隔膜,電解質(zhì)溶液平行流過電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),通過雙電極板收集和傳導(dǎo)電流,從而使得儲存在溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。這個可逆的反應(yīng)過程使釩電池順利完成充電、放電和再充電。
圖7 全釩液流電池的構(gòu)成
資料來源:北京低碳院,安信證券。
——優(yōu)缺點。全釩液流電池的優(yōu)點包括:1)相較于鋰離子電池,安全性更高。全釩液流電池的電解液為釩離子的酸性水溶液,在常溫常壓下運行,不存在熱失控、著火爆炸的風(fēng)險,具有本征安全性。在空間占用方面,鋰離子電池儲能系統(tǒng)需要滿足更為嚴(yán)格的消防及安全標(biāo)準(zhǔn),在集裝箱的排布上必須留出更大的安全距離,而全釩液流電池?zé)o此問題,因此布局更為緊湊,占地更加集約。2)循環(huán)壽命長。循環(huán)次數(shù)可達16000次以上,顯著優(yōu)于鋰離子電池,且生命周期內(nèi)容量可完全恢復(fù),容量衰減問題小(相比之下,鋰離子電池的可用容量會隨著循環(huán)次數(shù)的增加而明顯下降)。3)充、放電性能好。可深度放電而不損壞電池。自放電低,在系統(tǒng)處于關(guān)閉模式時,儲罐中的電解液無自放電現(xiàn)象。4)啟動速度快,無相變化,充放電狀態(tài)切換響應(yīng)迅速。5)輸出功率和儲能容量相互獨立,便于模塊化集成和規(guī)模放大。全釩液流電池實現(xiàn)了電芯功率和容量的分離,輸出功率和儲能容量可獨立設(shè)計。要增加輸出功率,僅需增加電堆的數(shù)量;要增加儲能容量,僅需增加電解液的體積(儲液罐的容量)。設(shè)計和安裝靈活,便于模塊化設(shè)計和規(guī)模放大,因此適用于大規(guī)模、大容量、長時儲能, 其儲能時長越長,單度電分攤成本將大幅度降低,價格越便宜。近期的項目設(shè)計規(guī)模已達到200MW,遠超鋰電池儲能系統(tǒng)規(guī)模。6)我國釩資源儲量豐富,供應(yīng)鏈安全性更強。我國已探明釩礦儲量占全球43%(美國地質(zhì)勘探局USGS數(shù)據(jù)),產(chǎn)量約占全球三分之二,相比于鋰電池在核心礦產(chǎn)方面對外依賴度高,發(fā)展釩電池可避免受制于人。
全釩液流電池的缺點包括:1)能量密度不高。全釩液流電池的能量密度為12-40Wh/kg,低于鋰電池的80-300Wh/kg。不過,固定式儲能系統(tǒng)對能量密度要求不高,因此液流電池更適用于大規(guī)模蓄電儲能。2)初始投資成本較高。目前鋰電池儲能電站的初始投資成本最低可達到1.6元/Wh,而釩電池儲能項目初始投資成本普遍在3元/Wh以上。近期釩電池成本下降較快,2022年11月中核匯能1GWh液流電池儲能采購中標(biāo)候選人公示中,最低中標(biāo)單價達到2.2元/Wh。雖然釩電池初裝成本較鋰電池偏高,但全壽命周期使用成本與鋰電相近,在長時儲能場景更具優(yōu)勢。不過仍要考慮如果釩資源開發(fā)力度不如預(yù)期,釩電池大規(guī)模應(yīng)用拉動釩價上漲、拉高電解液成本,則可能削弱全釩液電池的全壽命周期的性價比優(yōu)勢。
全釩液電池儲能產(chǎn)業(yè)鏈
全釩液流電池主要由電解液、交換膜、電極、雙極板等組成。電解液是釩離子的儲存介質(zhì),占系統(tǒng)成本的35%-40%(其中五氧化二釩占電解液成本60%左右),其性能將直接影響到電池系統(tǒng)的工作效率、運行工況和使用壽命等;交換膜是電池內(nèi)用于釩離子交換的膜材料;電極是氧化還原反應(yīng)的主要發(fā)生場所,包括一個正極和一個負極;雙極板是用來電氣連接但液壓分離相鄰電芯的一種隔板,主要功能為隔離正負極電解液、匯集電流和支撐電極等。雙極板、離子交換膜、電極、電極框架等構(gòu)成電堆,電堆是釩電池系統(tǒng)的重要部件,是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的主要場所,可占總成本的35%,而電堆成本中55%來自于離子交換膜。其他裝置(如管路與控制系統(tǒng)、循環(huán)泵等)占總成本的30%。全釩液流電池產(chǎn)業(yè)鏈如下圖所示。
圖8 全釩液流電池產(chǎn)業(yè)鏈
資料來源:長城證券。
當(dāng)前國內(nèi)全釩液流電池市場總體體量較小,龍頭格局未顯,產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期。產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的競爭格局和代表企業(yè)如下表所示。
表4 全釩液流電池產(chǎn)業(yè)鏈代表企業(yè)
資料來源:深企投產(chǎn)業(yè)研究院整理。
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