儲能是未來電力行業發展的必然選擇。由于新能源規?;慕尤腚娋W、電力削峰填谷、參與調壓調頻、發展微電網等方面的需要,儲能在未來電力系統中將是不可或缺的角色。
目前,除了抽水蓄能比較成熟之外,其它的儲能方式均處于新興階段,技術仍有進步空間。
新型儲能是除抽水蓄能以外以輸出電力為主要形式的儲能技術,具有精準控制、快速響應、靈活配置和四象限靈活調節功率的特點,能夠為電力系統提供多時間尺度、全過程的平衡能力、支撐能力和調控能力,是構建以新能源為主體新型電力系統的重要支撐技術。
新型儲能通過與數字化、智能化技術深度融合,將成為電、熱、冷、氣、氫等多個能源子系統耦合轉換的樞紐,可以促進能源生產消費開放共享和靈活交易、實現多能協同,支撐能源互聯網構建,促進能源新業態發展。也是未來的新能源儲能技術發展趨勢。
據中關村儲能產業技術聯盟統計的數據,截至2023年12月底,中國已投運新型儲能累計裝機規模達34.5吉瓦/74.5吉瓦時,功率和能量規模同比增長均超150%。其中,2023年新增投運新型儲能裝機規模達21.5吉瓦/46.6吉瓦時,三倍于2022年新增投運規模水平。連續3年單年新增裝機超過累計裝機規模。
業內預計,2024年新型儲能產業將延續高速發展態勢,全年新增裝機規模有望超35吉瓦時。
2023年,電池級碳酸鋰價格持續跌勢,價格區間 9.6萬/噸—51萬元/噸,均價22.65萬元/噸,同比下降53%,年終均價跌破10萬元/噸,與最高 60萬元/噸時相比,價格降幅超過80%。上游原材料與下游儲能系統價格聯動,相比年初,年終電芯價格腰斬。2023年國內儲能系統中標規模達65.7吉瓦時,同比增長383%,共200多家企業摘得標的。儲能系統中標均價持續下行,至2023年12月跌至0.79元/瓦時,與年初相比幾乎腰斬,并出現低于0.6元/瓦時的報價,創行業新低。
競爭如此激烈,原因是發電側強制配儲造成儲能調用率低,加之價格持續下探,疊加行業資本大幅涌入,以及上游原材料價格快速下降等諸多因素疊加造成的結果。
新型儲能的降本速度和發展速度一樣遠超業內預期。國家發改委、國家能源局2022年3月印發的《“十四五”新型儲能發展實施方案》提出,到2025年新型儲能由商業化初期步入規?;l展階段、具備大規模商業化應用條件,儲能系統成本降低30%以上。這也就是說,不到兩年,新型儲能已提前完成“十四五”降本目標。
2023年,中國企業在全球市場儲能電池(不含基站/數據中心備電類電池)出貨量預估為185吉瓦時,不及年初預期。這是受多種因素影響,行業平均產能利用率僅50%左右,下半年出貨出現放緩。隨著產能高速擴張、行業競爭加劇,缺乏資金以及技術積累不足的企業將面臨生存壓力。
創新
盡管面臨重重挑戰,新型儲能從業者仍對未來充滿信心。
到2030年,儲能出貨量將有10倍增長空間,市場確定性增長顯而易見,這給從業者巨大信心,現有困難只是暫時的。跟動力電池相比,電化學儲能市場還沒有形成一家獨大或絕對的龍頭企業,中小企業還有很多發展機會。
儲能行業的確定性趨勢是——新型儲能正從試點示范逐步走向工程化、規?;⑾到y化和產業化,迎來快速發展的黃金期。
儲能市場新一輪拉力賽已然開啟,大容量、長壽命、低成本電芯成為各家企業競相研發的重點。其中,電芯單體容量在當前280Ah主流基礎上快速迭代,300Ah、560Ah、700Ah、1130Ah儲能電芯設計層出不窮。同時,基于大容量電芯,儲能電池艙單艙電量實現提升,寧德時代、陽光電源、天合儲能等頭部企業均推出20尺5兆瓦時集裝箱儲能系統。
破題
從下游應用來看,建而不用問題突出,如何破題成為關鍵。
中國工程院院士饒宏指出,目前全國已有28個省(區、市)出臺10%—20%新能源配儲政策,新能源配儲占電源側儲能比重超過80%。但從實際運行數據看,新能源配儲平均利用率低。
中電聯此前發布的《2023年上半年度電化學儲能電站行業統計數據》顯示,2023年上半年,我國電化學儲能電站日均運行4.17小時,僅達到電站設計利用小時數的34%。
總體來看,新型儲能還是存在利用率不高、建而不用的問題。獨立、共享儲能成為近兩年市場快速發展的方向,備案項目超過百吉瓦時,但同樣出現項目備而不建問題。備而不建、建而不用問題的核心在于市場機制不完善,儲能盈利模式不清晰。
問題不止于此,目前儲能規劃總體較粗放。各地儲能按照不同比例計入電力平衡,平衡系數缺乏明確標準。比如,有的省電源側儲能按20%的裝機規模計入大方式電力平衡,負荷側儲能不計入電力平衡;有的省按裝機規模50%參與電力平衡,還有的省明確2030年前后按10%和30%計入電力平衡。如何配建儲能,還缺乏明確的規劃方法和指導標準。
儲能項目在規劃設計、設備選型、調試方面都存在諸多不足之處,招標時都承諾的非常好,但具體實施與預承諾差距較大,運維故障不斷,系統一致性、額定容量、可用率很難達到預期,導致項目實際能調用容量或可用率很低。
盈利
在構建以新能源為主體的新型電力系統中,新型儲能不僅要建得好,更要用得好。
再好的產品,最終都要通過應用來發揮價值,這樣才能形成良好的回報機制,產業才能持續良性發展。大型儲能集成系統普遍存在多機并聯控制復雜、電池側控制顆粒度低、電網支撐功能欠缺問題。要研究挖掘儲能應用場景,解析各場景對儲能的應用需求。凝練各場景對不同儲能技術、系統指標的精準化、差異化要求。同時研究兼顧儲能規劃—調度—交易方面的儲能調控技術提升方法,建立適配儲能高效運營的商業機制。
隨著電改持續深入,建立以新型儲能參與、能夠充分合理體現其多元價值的市場機制,是儲能實現商業化發展的關鍵。要建立全流程的標準管理體系,樹立高質量發展準入門檻,并對儲能項目建設進行科學引導,建立項目庫準入和退出機制,避免資源浪費和惡性競爭。
儲能需求將推動政策和市場規則不斷完善。2023年9月,國家發改委、能源局印發我國首個電力現貨市場基本規則——《電力現貨市場基本規則(試行)》,明確儲能和虛擬電廠等新型經營主體參與交易。隨著電力市場的加快推進和峰谷價差拉大, 儲能可以作為主體參與到電力現貨市場、輔助服務市場,通過參與交易獲得收益。從已公布的1月電網代購電價看,現有19個地區的最大峰谷價差超過0.7元/kWh,廣東、江蘇和湖北峰谷價差最大,分別達到1.3053元/kWh、1.1414元/kWh和1.0693元/kWh??梢姡滦蛢δ苁找嬲谥饾u打開。
美國、歐盟和日本等在2017~2018年先后發布了儲能技術發展路線圖,將鋰離子電池、液流電池、超級電容、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等確定為重點關注的技術類型,并加大了技術研發投資。美國于2020年發布了儲能大挑戰路線圖,還對金屬納基電池、鋅基技術、可逆燃料電池、液體空氣儲能、氫儲能等進行了探討,更加重視技術創新引領和產業鏈完善。
電化學儲能方面,我國鋰離子電池儲能處于國際先進水平,基本實現國產化,但是自動化程度有待提升,部分核心部件如高精度膜頭依賴國外進口,在高精度高速極片熱復合設備、大面積高速真空鍍鋰設備、干法極片設備等新裝備方便開發較少。液流電池方面,我國全釩液流電池儲能總體處于國際領先水平,少數釩電堆關鍵材料如質子交換膜主要由國外廠商掌握核心知識產權,雙極板和電極由于產業鏈不完善尚未擺脫國外市場的制約,國外目前在加緊布局鐵鉻液流、鋅溴液流電池。其他電池方面,鈉硫電池技術被日本NGK壟斷,鈉氯化鎳電池方面我國通過引進美國GE公司技術進行產業化。
機械儲能方面,我國先進壓縮空氣儲能技術研發處于國際領先水平,但是大功率電動機的設計和制造水平較為欠缺,仍需依賴國外進口。飛輪儲能方面,美國處于國際領先水平,我國的大儲能量飛輪、高速電機、磁懸浮等關鍵技術積累不充分,總體技術水平和國外相比差距約10年。
電磁儲能方面,我國的混合型電容器處于國際領先水平,雙電層電容器和贗電容器處于跟跑水平,但是高進度涂敷模頭等高精度部件和碳粉、隔膜、鋁箔等核心材料尚依賴國外進口。
從技術路線發展來看,壓縮空氣儲能及飛輪儲能技術正在加快商業應用部署。電化學儲能中鋰離子電池技術較為成熟、商業化初具規模,鈉硫電池正加快商業應用部署,液流電池加速示范應用,電化學儲能作為新型儲能的主力軍,已經開始從兆瓦級別的示范應用邁向吉瓦級別的規模市場化。氫儲能等其他類型的新型儲能技術由于技術成熟度較低,大部分處于開發和示范應用階段,其中氫儲能正加速推進商業應用部署。
從技術支撐體系來看,中國新型儲能創新單元主要包括電網安全與節能國家重點實驗室、太陽能光伏發電技術國家重點實驗室等國家重點實驗室;北京國能新能源產業投資基金、長沙先進儲能產業投資基金合伙企業等產業投資基金;GB/T 36547-2018《電化學儲能系統接入電網技術規定》、GB/T 36558-2018《電力系統電化學儲能系統通用技術條件》等技術標準。
從各類新型儲能技術性能指標對比來看,鋰離子電池、飛輪儲能、超級電容儲能的綜合效率較高;壓縮空氣儲能的度電成本較低,使用壽命較高;除壓縮空氣儲能外,其他儲能技術的響應靈敏度均處于較高水平;電化學儲能中的鋰離子電池不僅適用于能量型儲能應用,也適用于功率型、容量型儲能應用,其應用領域最為廣泛。
從新型儲能技術方向上看,絕大多數投資投向了與電化學儲能相關的項目,其中的絕大多數與鋰離子電池相關,少數其他方向項目包括鈉離子電池、液流電池等。股權投資市場對儲能技術的選擇基本上與儲能市場中新型儲能占比吻合,這一方面反映出當前鋰離子電池在性能、價格和安全性等方面已較為貼合儲能應用需求,另一方面也反映出儲能技術路線仍存不確定性,多數機構對可能替代鋰離子電池的潛在技術路線仍持觀望態度。
從鋰電池儲能產業鏈角度分析,22%的被投項目專注于上游電池材料和設備;27%的被投項目專注于中游包括電池在內的儲能裝置的生產,11%的被投項目專注于數字儲能技術,13%的項目可以提供集成后的儲能系統產品;17%為在產業鏈下游運營儲能項目的企業,包括工商業儲能、家庭儲能等企業。電化學儲能領域中,投資布局向中游集中更為明顯,超過半數的被投項目處于產業鏈中游。
整體來看,電化學儲能是當前發展最快的新型儲能技術,是新型儲能技術的主力軍,其擁有更高的能量密度,產業鏈配套更加成熟,相較于其他儲能技術在場景應用、技術、成本、建設周期、轉換效率及選址要求上更具優勢,具有高度的靈活性,其中鋰電池儲能是當前最具備投資潛力的新型儲能技術,此外,鈉硫電池、全釩液流電池、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等技術也具備較大的投資潛力。
當前,新型儲能技術的發展正處于快速演進和創新的階段。從整體趨勢看,目前新型儲能系統向著低成本、高安全、長壽命方向不斷發展,進而帶動細分領域的技術隨之變化。
儲能按照應用場景可以分為電源側、電網側、用戶側儲能。其中電源側、電網側儲能又稱為大儲,用戶側儲能可分為工商業儲能和家庭儲能。國內裝機形式以大儲為主,未來獨立儲能有望成為大儲主流形式,其收益模式包括容量租賃、現貨套利、輔助服務、容量補償,多個省份探索出三大創新商業模式;工商業儲能盈利模式主要包括:峰谷套利、能量時移、需量管理、備電需求以及未來的電力現貨市場套利及電力輔助服務,目前工商業經濟性主要來自峰谷價差套利。
此外,“虛擬電廠+工商業儲能”有望相互賦能,實現市場化與電力系統加速融合;全球戶儲增速翻倍,歐洲是最大市場,目前歐洲戶儲去庫將完成,產品逐步向一體機轉變,企業盈利能力有望提升。
不過當前我國主要發電集團的發電側儲能EPC項目投資呈逐年虧損態勢。
目前國內的發電側資源,基本被以國家能源投資集團(簡稱“國能”)、中國華能集團(簡稱“華能”)、中國華電集團(簡稱“華電”)、中國大唐集團(簡稱“大唐”)、國家電力投資集團(簡稱“國電投”)為首的“五大”發電集團和以國投電力、中廣核、中國三峽、華潤電力、中節能、中核集團為首的“六小”發電集團控盤。公開數據顯示,上述企業的年發電總量約占我國年發電總量的超80%,因此并稱發電側“五大六小”集群,“五大六小”企業也是發電側鋰離子儲能項目EPC項目策劃和實施的重要載體,一旦這些企業因虧損而暫?;螂A段性放棄發電側儲能項目(以下簡稱“大儲能”),對我國能源結構的調整轉型和儲能行業的健康發展將是致命的。
事實上,無論上述企業是“放棄”還是階段性“暫?!?,在大儲能規模高速增長的當下,諸如“市場爭奪戰”、“價格戰”、“高投資杠桿”等問題已屢見不鮮,大儲能業務已然受到了發展阻力,并有在2024年出現大幅下跌的可能。
據Wind數據顯示,儲能板塊的凈利潤增長率在2022年達到高點,接近70%,但2023年直線下滑至40%,預計2024-2025年將降至20%左右。
新能源汽車飛速發展
鋰離子電池已然不再是儲能電站的唯一選擇,但鋰離子電池目前依舊是我國純電動、插電式汽車的唯一選擇,把汽車一步步演化為我國能源結構全面升級轉型(綠色電力比重提升)的重要載體。隨著國內多地峰谷價差進一步拉大、分時電價機制完善、虛擬電廠與電力現貨市場的完善,同步伴隨新能源汽車保有量的持續增長、V2G【Vehicle-to-grid(車輛到電網)】技術的應用范圍進一步增大,新能源汽車將為儲能業務下階段發展創造更大空間。
公安部公布的最新數據顯示,截至2023年底,我國新能源汽車保有量達2041萬輛,全年新注冊登記743萬輛,另據《中共中央 國務院發布關于全面推進美麗中國建設的意見》精神,到2027年我國新增汽車中新能源汽車占比力爭達到45%,照此估算,屆時新能源汽車的保有量將超6000萬輛,即使其中僅有500萬輛新能源汽車參與V2G給電網放電,每輛每天放電20kWh,每天就可以放電1億kWh,一年就可以放電365億kWh,相當于36.5GWh的儲能電池迎來了高效運營。
無疑,新能源汽車作為儲能終端有數量大、分布廣的優勢,可以形成龐大的儲能容量,同時新能源汽車還具備雙向輸電的能力,既能將儲能釋放到電網中,也能從電網中獲取能量,能夠與電力系統進行有效互動。其中的很大一部分都可以成為移動儲能終端。
除了體積小以外,最大的特點是可以實現50年穩定發電,并且無需充電、無需維護。而在安全性方面,也不用擔心,它不產生外部輻射,針對針刺和槍擊不起火,不爆炸。
同時,原子能電池的發電功率穩定,不會因惡劣環境和負載而變化,可在零上 120 度和零下 -60 度范圍內正常工作,并且沒有自放電。
由于擁有眾多優點,這款核電池在眾多領域也將具有廣泛的應用前景,例如航空航天、人工智能設備、醫療器械、微型機電系統、傳感器、小型無人機和微型機器人等等。
甚至說,在技術理論上,如果可以把功率提高一些,達到手機的使用需求,那么配備了核電池的手機、小型無人機終身無需充電。如果能實現,這必將是一個劃時代的電池產品。目前,貝塔伏特也表示,正與國內院校聯合研發,采用鍶90、钷147和氘同位素,研制更高功率的電池。
當然了,更關鍵的是,這款原子能電池已經進入中試階段,即將量產投入市場。到時候,BV100也將是世界上首塊量產的民用核電池。
鋰金屬固態電池取得大突破:10 分鐘完成充電,可循環至少 6000 次
哈佛大學約翰A保爾森工程與應用科學學院 ( SEAS ) 的研究人員近日開發了一種新型鋰金屬固態電池,可以充放電循環至少 6000 次,比任何其他袋式電池都要多,而且可以在幾分鐘內完成充電。相關研究成果發表在知名學術期刊《自然材料》上。
在該設計中,當鋰離子在充電過程中從陰極移動到陽極時,鋰化反應被限制在淺層表面,離子附著在硅顆粒表面而不進一步滲透。這與傳統鋰離子電池的化學反應截然不同,后者通過深度鋰化反應穿透硅顆粒,最終導致其被破壞。
在固態電池中,硅顆粒表面的鋰離子受到限制,并經歷動態的鋰化過程,在硅顆粒核心周圍形成鋰金屬電鍍層。這些被電鍍的顆粒形成了一個均勻的表面,電流密度均勻分布,防止了枝晶的生長。研究團隊表示,由于電鍍和剝離過程可以在平坦的表面上快速發生,這種電池可以在約 10 分鐘內完成充電。
研究人員構建了一個郵票大小的袋式電池,經過 6,000 次循環后仍能保持 80% 的容量,性能遠超目前其他袋式電池技術。這項技術已通過哈佛大學科技發展辦公室授權給 Adden Energy 公司,該公司將擴大該技術規模,構建智能手機大小的袋式電池。
固態電池是電解質為固態或者半固態的電池產品。相對于當前主流的液態鋰電池,其材料體系的核心優勢為更高能量密度和安全性(電解質不易燃)。固態電池若作為動力電池,能有效滿足新能源車長續航、高安全的需要,發展前景廣闊。根據中商產業研究院預計,2030年中國固態電池市場空間將達200億元,出貨量將達251.1GWh。近幾年國家不斷重視固態電池行業的發展,各大高校單位已開始對固態電池進行研發。盡管目前固態電池行業正處于起步階段,隨著技術進步,固態電池有望實現大規模商業化應用,建議關注在固態電池和相關材料領域布局領先的企業。
目前固態電池行業處于產業化元年,產業鏈眾多公司正加速各種應用場景的布局與開拓。固態電池采用固態電解質取代電解液,固態電解質產業鏈發展尚處于早期,材料實際價格與原材料成本相差較大,加工成本高昂,全固態電池量產仍需時日。半固態電池可以適配更高比容量的正負極材料,能量密度提升后,單位成本有望進一步降低。隨著技術的不斷完善疊加規模效應,半固態未來市場滲透率有望逐漸提升,率先在各個下游場景中得到應用。如,在新能源車領域,國內的上汽、蔚來有望在2024年批量生產半固態電池車型,長安、廣汽等也計劃在2025-2026年推出半固態電池車型。隨著車企積極推動固態電池產業化,并在2025-2030年陸續推動固態電池車型量產;同時無人機、儲能等場景對于長續航高安全電池需求持續提升,固態電池進入發展快車道。
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