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全球電化學儲能市場展望與技術創(chuàng)新

未來智庫發(fā)布時間:2024-10-11 16:06:49

  第一章 可再生能源發(fā)展需要大規(guī)模儲能支撐

  光伏和風電每度電的成本一直在降低,可再生能源的裝機量也一天比一天多。

  2010 - 2020年期間,公用事業(yè)光伏平均每度電成本(LCOE)降了85%,集中式光伏的這個成本降了68%,陸上風電的LCOE降了56%,海上風電的LOCE降了48%,光伏和風電技術發(fā)電的成本已經(jīng)跟化石燃料發(fā)電成本一樣了,甚至更低。2011 - 2021年的時候,全球可再生能源新增裝機容量增加了130%還多,可是不可再生能源只增加了24%。

  從2014年起,像光伏、陸上風電這類可再生能源,它們的新增裝機量就已經(jīng)開始比非可再生能源多了。2021年的時候,可再生能源(不算抽蓄的情況)累計裝機容量達到了3064GW,發(fā)電量大概有8000TWh。要是想達成全球升溫1.5°C的目標,到2030年,可再生能源的裝機容量和2020年相比還得增加兩倍多呢。

  在可再生能源發(fā)展成為剛需的情況下,儲能是很有發(fā)展前景的。

  從2011年開始,全球能源結(jié)構迅速朝著低碳方向發(fā)展,可再生能源裝機的發(fā)展速度也加快了。特別是像風電、光伏這種間歇性的可再生能源,在近幾年成了全球新增裝機的主力軍。2021年的時候,全球可再生能源總裝機量(不算抽蓄)達到了3064GW,這當中風電是825GW,光伏是849GW。過去的10年里,全球可再生能源裝機容量年化增速一直保持在8 - 10%左右。

  全球可再生能源發(fā)電量和裝機容量的預測(由兩種機構作出的預測)

  我們對國內(nèi)權威能源研究機構全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究中心,還有國際可再生能源署的研究預測做了比較。這兩家機構呢,在全球發(fā)電量的預測上有15%的差距,不過對于全球可再生能源容量占比和發(fā)電量占比,看法比較接近。我們能參考這兩家機構關于風電、光伏這類間歇性電源消納占比的看法,來預測儲能市場發(fā)展的依據(jù)。這兩家機構都覺得,在2030 - 2035年的時候,全球風電光伏消納占比會超過40%,到2050年能超過60%。

  新能源滲透率越高,能源系統(tǒng)對儲能的需求就越強烈。

  高比例的清潔能源系統(tǒng)得有足夠的調(diào)節(jié)能力,這樣才能同時應對消費側(cè)和供應側(cè)的隨機變化。通常會把用電負荷減去風電、光電出力之后得到的值定義為凈負荷,能源系統(tǒng)對調(diào)節(jié)能力的需求是由凈負荷的波動特性決定的。凈負荷的波動和用電負荷、新能源出力特性關系很密切,而且會隨著新能源滲透率的提高而變大。

  拿華北某省夏季典型日來說分析一下。要是新能源滲透率是零的話,用電負荷是28.54GW,這也就是凈負荷了,它有著早、晚兩個高峰,夜間低谷這樣的波動特點。當新能源滲透率到20%的時候,凈負荷的平均值就下降了,白天光伏發(fā)電讓凈負荷白天的高峰明顯變小了。新能源滲透率要是增加到50%呢,風電和光電的出力對凈負荷的影響就更大了,中午光伏出力最大的時候,凈負荷能降到零以下,就有了“鴨形曲線”的特點。等新能源滲透率增加到80%時,凈負荷在一天里大部分時間都小于零,波動得更明顯了。

  總體來講,新能源滲透率一提高,凈負荷的最大值和平均值就不斷降低,標準差和最大變化速率則不斷上升,能源系統(tǒng)對儲能的需求也變得越來越迫切了。

  電化學儲能的應用場景最廣,這是由技術特性決定的。

  按照技術類型來劃分,以電能釋放的儲能方式大體上能分成機械儲能、電磁儲能以及電化學儲能。各種儲能技術都有各自的內(nèi)在特性,像是功率密度和能量密度就不一樣,電化學儲能的能量密度和功率密度都比較高,這就使得它在技術上有很廣泛的適用性。鋰離子電池呢,它的功率密度和能量密度都很高。

  第二章:2025年新型儲能市場展望

  中國儲能技術的水平提高得很快,好多儲能技術的水平在世界上都是領先的。

  在“十二五”和“十三五”這兩個階段,國家和產(chǎn)業(yè)一直不斷投入,中國儲能技術的水平提高得特別快。壓縮空氣儲能、儲熱儲能、鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池以及鈉離子電池,這些已經(jīng)達到或者快接近世界先進水平了;抽水蓄能、飛輪儲能、超級電容器和新的儲能技術跟世界先進水平比還有些差距,不過總體上這個差距在一點點變小。

  2021年,中國的機構和學者發(fā)表了11949篇儲能SCI論文,數(shù)量在世界上排第一,而且把排第二的美國遠遠地甩在了后面,中國已經(jīng)是全球在儲能技術基礎研究方面最活躍的國家了。在關鍵技術和集成示范上,中國也都取得了重要的成果,中國已經(jīng)成為世界上儲能技術研發(fā)和示范的主要核心國家之一。

  儲能能加速應用是電池成本下降推動的。

  電化學儲能系統(tǒng)大多是由電池組、電池管理系統(tǒng)(BMS)、儲能變流器(PCS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)還有其他電氣設備組成的。電池是整個儲能系統(tǒng)里的核心部分,它的成本能占到儲能系統(tǒng)總成本的50%,所以電池是儲能降低成本的關鍵。

  我國磷酸鐵鋰電池儲能電站的建設成本在全球處于領先地位。

  2021年的時候,我國磷酸鐵鋰電池儲能的中標價已經(jīng)降到了1.2 - 1.7元/Wh。BNEF算過,2022年全球電化學儲能EPC成本大概是261美元/kWh(差不多1.66元/Wh),預計到2025年能降到203美元/kWh(大概1.29元/Wh)。(報告來源:未來智庫)

  分布式光儲:以“特斯拉戶用光伏”為例

  2021年的時候,特斯拉儲能這塊新增的裝機量達到了3.9GWh,跟上年比增加了32%,在全球新型儲能市場里占的份額大概是16%。從2017年到2021年,特斯拉儲能新增裝機量每年平均下來的復合增長率特別高,達到了82.74%?,F(xiàn)在特斯拉主要有三款儲能產(chǎn)品,就是Powerwall、Powerpack還有Megapack。Powerwall呢,是2015年5月推出來的家用儲能電池;Powerpack和Megapack是商業(yè)用的能源產(chǎn)品,Powerpack在2017年推出,Megapack在2019年推出,是給商業(yè)機構和公共事業(yè)機構用的。2021年特斯拉儲能裝機量增長的動力,主要就是Megapack帶來的。

  特斯拉正在提升Megapack工廠的產(chǎn)能。因為市場需求一直比產(chǎn)能高,所以特斯拉儲能裝機量的增長還是被電池產(chǎn)能給限制住了。特斯拉的高管在業(yè)績交流會上說,Megapack在全球儲能市場現(xiàn)在是供不應求的情況。2021年,每年能生產(chǎn)40GW的Megapack工廠已經(jīng)在美國加州開始動工建設了,等建好了,特斯拉的產(chǎn)能會從現(xiàn)在的3GWh增加到40GWh。

  發(fā)展的現(xiàn)狀是:全球抽水蓄能裝機量最多,電化學儲能排在后面,和它差距不大。

  到2021年年底的時候,全球已經(jīng)投入運營的電力儲能項目累計裝機規(guī)模達到了209.4GW,跟去年相比增長了9%。在這當中,抽水蓄能累計裝機的占比頭一回低于90%,和去年同期相比下降了4.1個百分點;新型儲能累計裝機規(guī)模排在后面,有25.4GW,跟去年同期比增長了67.7%,在新型儲能里,鋰離子電池占著絕對主導的地位,市場份額在90%以上。

  到2021年底的時候,中國已經(jīng)投入運營的電力儲能項目,累計裝機規(guī)模有46.1GW,這個規(guī)模占全球市場總規(guī)模的22%,在世界上排第二,跟去年相比增長了30%。在這些項目里,抽水蓄能的累計裝機規(guī)模是最大的,有39.8GW,同比增長25%,它的占比和去年同期比又下降了,降了3個百分點;新型儲能的增長速度最快,同比增長75%,累計裝機規(guī)模達到5.7GW。

  2021年的時候,中國新增加的儲能項目數(shù)量頭一回超過了10GW,有10.5GW呢。在這些項目里,抽水蓄能新增加了8GW,跟之前相比增長了437%;新型儲能新增加的容量規(guī)模也第一次超過了2GW,達到了2.4GW(4.9GWh),同比增長了54%。

  第三章:鈉離子電池原理及發(fā)展趨勢

  鈉離子電池的工作原理跟鋰電池是一樣的。

  鈉離子電池存在很久了,它和鋰離子電池原理一樣。20世紀80年代的時候,ARMAND團隊最早提出鈉離子電池,到了90年代,經(jīng)過產(chǎn)業(yè)化推廣,鈉離子電池有了技術方面的應用。鈉離子電池說到底呢,就是在充放電的時候,靠鈉離子在正負極之間嵌入和脫出完成電荷轉(zhuǎn)移;鋰離子電池則是通過鋰離子在正負極間移動來實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移,二者工作原理其實是一樣的。

  從材料體系方面來說,除了隔膜之外,別的材料組分都有顯著的變化,正極和負極材料的變化尤其明顯。

  鈉離子電池有個優(yōu)勢,那就是資源豐富。

  鈉資源挺豐富的:在地殼里,鈉元素的豐度達到2.3%,在所有元素里能排到第六位呢,這可比鋰元素的0.0017%高多了。陳立泉院士說,現(xiàn)在全球已經(jīng)探明的、能拿來開采的鋰資源儲量,也就夠14.8億輛電動汽車用的。隨著全球電動化的進程加快,鋰資源短缺的壓力就更明顯了。

  鈉資源分布更平均:美國地質(zhì)調(diào)查局2019年的報告指出,南美洲的阿根廷、智利、玻利維亞這三個國家,鋰資源儲量在全球占比達52.10%,而中國鋰資源儲量只占7.26%,分布特別不平均。中國六成以上的鋰原料都得靠進口,對外依賴程度很高。鈉元素以鹽的形式在陸地和海洋里到處都有,獲取起來很方便。

  鈉離子電池有優(yōu)勢:低溫時性能好,倍率性能也不錯。

  倍率性能很棒:鈉離子的溶劑化能比鋰離子低,界面上離子擴散能力比較強,而且鈉離子的斯托克斯半徑小。在電解液濃度相同的時候,鈉鹽電解液的離子電導率要比鋰鹽電解液更高,快充性能也更好。寧德時代的數(shù)據(jù)顯示,鈉離子電池能在15分鐘里充電到80%;中科海鈉也表示他們的電池12分鐘就能充到90%,這充電速度可比正常狀態(tài)下鋰離子電池30分鐘充80%的速度快多了。

  低溫性能好:鈉離子的離子電導率高,對電解液濃度要求低,低溫下電解液粘度比鋰離子電池的低,電池整體性能更好。鈉離子電池正常工作溫度在-40℃到80℃,有些產(chǎn)品在-20℃時容量保持率能達到88%,這可比磷酸鐵鋰60 - 70%左右的容量保持率強多了。

  鈉離子電池存在不足,循環(huán)壽命和能量密度還有改進的余地。

  循環(huán)壽命這塊兒呢,鈉離子電池目前整體的循環(huán)壽命大概是2000次上下,這跟磷酸鐵鋰電池比起來,表現(xiàn)要稍微差一些。特別是和部分用在儲能領域、循環(huán)壽命超過5000次的磷酸鐵鋰電池相比,鈉離子電池還是有一定差距的。

  能量密度方面:鈉創(chuàng)新能源的鈉離子電芯能量密度能超過130Wh/kg,立方新能源電芯能量密度是140Wh/kg,中科海鈉的產(chǎn)品能量密度達145Wh/kg,這些都還有繼續(xù)優(yōu)化的空間;寧德時代最新的第二代鈉電池,設計的能量密度可以達到200Wh/kg。

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