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储能行业专题研究:五大高景气储能设备成长赛道未来可期

来源:绿色能源(www.lvsenengyuan.com.cn)时间:2023-01-24 未来智库 热度:手机阅读>>

(报告出品方/作者:华安证券,张帆)

01 电化学储能系统集成介绍

新型储能技术介绍

新型储能技术路线具有多样化 特征。多种新型储能技术正逐 步从示范试验走向商业化应用, 在电力系统各个环节发挥重要 作用。从目前的现状来看,锂电池储 能在规模化发展的新型储能中 占据绝对主导地位。 对比目前抽水储能度电成本, 目前主流的电化学锂电池储能 度电成本降低空间大,储能系 统降本需求旺盛。

电池储能系统介绍

电池储能系统,是一种由蓄电池和并联电压型变流器构 成的能量存储系统,具备快速调节与交流系统间交换 (输出或吸收)功率(有功或无功)的能力。 根据实际应用,电池储能系统主要包含电池、储能变流 器(PCS)、温控系统、消防系统以及管理控制系统和 其他软硬件系统。不同于动力电池系统,储能电池系统在一体化、标准化 等技术方面存在很大优化空间,长寿命、多循环、高安 全、低成本是未来的发展趋势,特别是长时储能亟待发 展。

电池储能系统未来增长趋势

根据CNESA统计,全球新增装机量方面,从2021年新增7GW,预计到2025年全球新增41.3GW,复合 增长率55.85%; 国内新增装机量方面,从2021年新增1.8GW,预计到2025年新增23.3GW,复合增长率89.68%。

根据CNESA统计,2021年国内储能累计装机量为19.5GW,全球储能累计装机量为203.5GW。根据 目前储能系统的市场价格约为1.5元/wh,以及PCS成本占比10%,我们测算2023年储能累计装机量将 达到32.6GW,储能系统国内市场规模将达近千亿元。

电池储能系统政策加持

电化学储能相关法律法规政策已经陆续颁布。在接下来政策的指引下,储能行业将迎来大规模发展。

02 电池-储能系统成本核心

储能电池产业介绍

电池储能是通过电池、电化学技术存储能量,常用的电池包括锂电池、铅蓄电池、钠电池、液流电池等。 电池储能作为电能存储的重要方式,具有功率和能量可根据不同应用需求灵活配置,响应速度快,不受 地理资源等外部条件的限制,适合大规模应用和批量生产等优势,使得电池储能在新能源领域有着不可 替代的地位。

电池在储能系统中的应用情况

根据工信部最新统计,全行业持续深化创新,先进三元 电池、磷酸铁锂电池单体能量密度分别平均达到 280Wh/kg、170Wh/kg,骨干企业电池系统循环寿命超 过5000次。锂电产品安全标准体系加快完善,《电能储 能系统用锂蓄电池和电池组 安全要求》等安全强标正式 立项,相关公共服务平台不断建立健全。

储能系统在电网的应用目前也逐步完善,根据目前市场 的统计,储能系统中电池成本占比约为60%,成为储能 系统中的成本核心。完整的储能系统集成在新型电力系 统中逐步形成了源-电-荷-储一体化的应用模式,保证了 储能削峰填谷、新能源消纳等作用很好的发挥。

储能锂电池产业链,体系成熟

锂电池经过几十年的发展革新,储能电池逐步形成从上游电池正负极材料、电解液、隔膜,到电芯、电池PACK以及电池簇,到下游 储能电池系统集成的完整产业链。

1) 锂电池正负极材料:目前正极材料主要以钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、三元(NCM/NCA)为技术路径, 其中磷酸铁锂由于其自身安全性能以及循环性能良好的优势,主要应用于储能电池的应用。负极材料主要包括人造石墨、天然石墨为主, 其中目前主流的负极材料是人造石墨。 2) 锂电池电解液:在锂电池中起到正负极之间离子传导的作用,是电池性能保证的关键因素,目前主要以电解质锂盐和有机溶剂为主。 3) 锂电池隔膜:主要是分隔电池正负极材料,防止电池短路,提高离子扩散性的作用,一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。

随着目前上游原材料价格的提升,锂电池降本的趋势逐渐明朗。根据目前市场情况,储能锂电芯的价格目前维持在0.8元/kwh左右, 降本空间大。

钠离子电池蓄势待发

储能系统的初始投资成本高是制约储能商业化、规模化应用的主要因素,因此减少设备数量和建设成本,结合大容 量电芯的使用,可以有效的降低初始投资成本。随之带动着储能技术往大容量、系统精细化等方向发展。

目前电芯成本是储能系统成本占比最高的因素,市场上逐步出现成本相对低、原材料丰富的钠离子电池,成为大家 的关注重心。根据各公司公布的投产计划,2023年钠电池产能将达到GWh级别。因其高循环次数、低能量密度的特 性,本身适用于长时储能的要求,未来钠电池在储能领域的应用将得到充足的发挥。

从电池材料来看,碳酸钠价格远低于碳酸锂,根据目前行业材料价格水平,我 们预估钠电池电芯价格目前可以比锂电池低0.1-0.2元/wh。未来在技术的不断 革新推动下,钠电池的成本将有大幅度下降,根据目前锂电芯0.8元/wh的价格 水平,钠电池将有望突破低于0.5元/wh,这对于储能系统整体成本将有一个很 大幅度的降本促进作用,随着未来储能市场的爆发,钠电池将会有一个爆发期。

从储能项目度电成本来看,度电成本LCOS=电力损耗+运维成本+装机成本/循 环次数,参考目前成熟的抽水储能度电成本0.21-0.25元/kWh。

我们假设电力损耗和运维成本基本保持不变,储能系统装机成本和储能电池循 环次数决定了储能度电成本的水平。根据目前市场上1500元/kWh的储能系统 价格,主流的6000次循环寿命的锂电池,装机成本/循环次数=0.25元/kWh;钠 电池在系统价格可以降低300元/kWh,约为900元/kWh,循环次数可达10000次, 装机成本/循环次数=0.09元/kWh。那么钠电池储能系统的度电成本在锂电池 的目前0.6-0.8元/kWh的基础上,最低可达到约0.4元/kWh,在此基础上钠储能 系统将得到蓬勃发展,极大程度上缩短了储能系统降本的时间成本。

03 储能变流器-储能系统技术壁垒

储能变流器(PCS)介绍

储能变流器(PCS)是储能装置和电网中间的关键器件,用作控制蓄电池的充电和放电过程,进行交直流的变换,在 无电网情况下可以直接为交流负荷供电,其成本约为储能系统的10%左右。过去几年,储能业界关注的焦点主要在于 电池技术、电池价格下降幅度以及储能容量的提高。如今全球储能行业持续快速增长,在某些地域市场趋近成熟, 并且重点也从电池硬件转移到储能系统(ESS)的组件,特别是储能平衡系统(BOS)和储能变流器(PCS)。电池逐渐成了 标准化的普通产品,储能变流器PCS在先进系统管理和电网方面的应用逐渐增加。 储能变流器根据不同应用场景可分为家庭户用、工商业、集中式和储能电站四大类,分别对应小、中、大、超大额 定输出功率。储能变流器按照应用场景分类。

储能变流器市场容量

GGII调研显示,2022年,国内储能锂电池产业链规模破2000亿,其中电力储能产业链规模从2021年480亿元,增至 2022年1600亿元,其中PCS增幅达248%。 根据CNESA统计,2021年阳光电源、科华数据、比亚迪PCS全球出货量位居前三位,占据主要市场。

储能变流器作为技术壁垒,是机遇也是挑战

储能变流器作为储能系统充放电开关,是储能系统中的技术壁垒。储能变流器决定了输出电能的质量和 特征,很大程度影响着电池的寿命,目前国内形成了成熟的组串式和集中式成熟的规模化储能变流器产 业链,伴随着储能装机量的提升,行业进入爆发期,各公司百家争鸣,需求的扩张为这个行业带来巨大 红利。同时受限于上游IGBT供应不足,IGBT国产化进程加速,储能变流器行业机遇大增。

04 管理系统-储能系统信息交互中心

储能管理系统介绍

储能管理系统,是指为基于磷酸铁锂电池、超级电容等储能元 件经过多串并组合而成的储能模组提供电源管理、保护等功能 的系统。储能管理系统(ESMS)包括但不限于电池管理系统 (BMS)、能量管理系统(EMS)等。 储能管理系统作为储能系统的决策中枢,提高储能系统调度效 率。随着源网荷储一体化布局,电网的调度功能也逐渐凸 显,引领电力体系变革。储能管理系统,可以高效的提升系统 集成标准化、一体化,新能源发电并网量的增大,对应的管理 系统需求也日益旺盛,未来增量可观。 储能管理系统对系统BMS、PCS、电表、电芯等进行采集管理 和协调控制,实现实时监控、故障告警等功能,并利用峰谷价 差储能系统低充高放的方式实现电能移峰填谷,为用户节省电 费。

储能管理系统在不同应用场景下发挥重要作用

源网荷储一体化,简单的可以理解为储能在发电侧、电网侧、用户侧的三种应用途径。发电侧配储,主要指为常见 的光伏、风电、水电配储,主要运营模式为电网调峰调频获取收益,同时改善可再生能源“三弃”问题;电网侧配 储,主要的商业模式是将电网一部分容量租给新能源业主,或者参与市场交易;用户侧配储,主要是提高自发自用 水平,或者通过峰谷套利等模式降低用电成本。不管在哪种应用场景下,都需要储能管理系统进行智慧管理和调度, 进而提升储能的利用效率。 基于储能管理系统的AI算法,收集系统数据,制定不同的充放电策略,保证储能的经济性调用。

05 温控系统-储能系统效率保证

储能温控系统介绍

提供热管理的温控系统成为储能系统效率关键因素,是系统效率的保证。目前主要形成了以液冷和风冷为主的技术 路线,温度直接影响电池的活性,温差过高或者过低影响储能系统的可用率、寿命和效率等性能,甚至带来安全隐 患。传统风冷系统结构简单成本较低,随着系统的发展低功耗、高集成度、高换热效率的液冷逐渐占据主要热管理 市场。

温控系统的发展趋势-水冷代替风冷

风冷系统简单成本较低,液冷功耗更低效果更好。风冷系统具备系统简单、制造成本低、便于安装等特点。在电池 能量密度低,充放电速度慢的场景有比较多的应用。液冷具备载热 量大,换热效率高的特点,在电池包能量密度高, 充放电速度快,环境温度变化大的场合得 到广泛的应用。液冷系统可以和电池包高度集成,所需空间小,无需担心 灰尘,水汽凝结。研究表明,液冷系统具有换热密度大更节能、均温性好、温差更低、占地小效率高、寿命更长的优点。

06 消防系统-储能系统安全保证

储能消防介绍

近年来,随着我国能源改型升级步伐的加快,以储能技术与系统为核心的现代智能电网日渐引起重视,储能技术被大 规模应用于电力系统的发电、输电、配电、用电的各个环节,不仅推动我国能源供给改革,而且是实现智能电网必不 可少的核心技术。据不完全统计,2011-2022年1月期间全球共发生37起储能电站爆炸事故,其中4起发生在国内。储 能安全问题亟待解决,储能消防成为维护财产和人身安全的重中之重。因此,相关储能消防安全政策法律法规也在不 断完善中,形成一个成熟的行业标准,为储能消防行业的增长提供保障。

储能消防系统构成

储能消防系统由火灾报警系统和消防联动系统组成。其核心思想是对报警区域中发生的任何火情及时地感知,并根据 其报警级别分别在控制中心给予报警或进行相应的联动处理。主要包括火灾监控、气体灭火系统/高压细水雾灭火系 统、灾后防复燃等。形成了完整的储能消防产业链,以及丰富的下游应用场景。

储能消防技术突破

锂电池火灾与普通火灾具有较大的区别,锂电池是一种含能物质,具有燃烧激烈、热蔓延迅速;毒性强、烟尘大、 危险性大;易复燃、扑救难度大等特征。然而,现有的灭火剂如干粉灭火剂对锂电池灭火几乎没有效果;卤代烷、 二氧化碳、七氟丙烷只能扑灭明火,无法从根本上抑制火灾发生,往往稍后会出现复燃,不具备降温和灭火的双重 功能,对锂电池的火灾不具有适用性;水喷淋系统技术比较成熟,降温灭火效果明显,成本低廉且环境友好,但以 水作为灭火介质的弊端也很明显,耗水量大,扑救时间长,扑灭火灾后将导致储能电站内的电池短路损坏而无法正 常使用。因此,针对锂电池,特别是大型储能锂电池系统的火灾隐患进行灭火防护,设计开发新型高效、防复燃灭 火剂及灭火剂释放系统和装置,有利于锂离子电池储能系统的大规模商业化应用。

07 储能系统集成思考

面对问题,是挑战也是指引

面对当下储能系统集成的诸多问题,对于行业是一个挑战,因此我们要紧密关注问题、痛点,提前布局展望未来。

集成技术-降低初始投资成本:初始投资成本高是制约储能集成的重要因素,目前行业主要通过大容量电芯,将集装箱的 电池容量提升至3MWh以上的水平,提高直流侧电压、降低系统集成成本,可以有效的降低初始投资成,相信随着钠电池 产业化的落地,在储能降本中将发挥更大作用。

集成技术-运行温度:温度直接影响电池活性,甚至带来安全隐患,目前行业主要通过液冷的引入,恒定的温差保证电池 簇中各电芯的一致水平,同时液冷系统具有综合成本低、电池衰减小等优势,对于储能系统长期运行、能效和稳定性具 有一定优势。

集成技术-簇间环流:由于电池额定容量、电压、内阻和衰减特性的差异,常规集中式储能单元电池簇间存在环流的影响, 造成储能系统的可放电能量减少,同时带来安全隐患。一般通过采用级联型拓扑结构或在电池簇回路增加DC/DC变流器 等方式避免簇间环流。

报告节选:

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。「链接」

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