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      新型儲能產業鏈深度研究(上):壓縮空氣儲能、飛輪儲能、釩電池

      深企投產業研究院發布時間:2024-02-27 12:14:44

        儲能技術多元發展,各有不同的應用場景。我國新型儲能技術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已達到或接近世界先進水平。

        01 新型儲能類型與應用概述

        新型儲能是指抽水蓄能以外的儲能技術。儲能形式根據技術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;電磁儲能包括超導儲能、超級電容器儲能等;電化學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。

        儲能技術呈現多元化發展格局,各有不同的應用場景。每種儲能技術均具有一定的獨特性,在實際應用中,需要用戶綜合考慮各種儲能技術的特點以及優缺點,選擇最適宜的技術方案。比如,飛輪儲能、超級電容、超導儲能可以解決秒級或分鐘級以下的調頻需求;抽水蓄能、壓縮空氣儲能、燃料電池和電化學儲能等則更適用于進行小時級調峰;氫儲能適合執行季節性調峰。不同儲能技術的特點如下表所示。

        表1 主要儲能技術比較

        資料來源:深企投產業研究院整理。功率按照現實項目(包括規劃項目)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,對應的應用場景如下表所示。

        表2 儲能技術應用場景

        資料來源:中國能建《關于“熔鹽儲熱”技術》,天風證券等,深企投產業研究院整理。

        從各類儲能技術的研發推廣進程看,目前我國儲能技術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年中國儲能技術研究進展》。

        綜合分析我國各儲能技2022年的基礎研究、關鍵技術和集成示范的情況,各種儲能技術可以大致分為四個梯隊。其中,第一梯隊為抽水蓄能,單機規模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,單機規??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??梢赃_到MW級,其中鈉離子發展受關注最多,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金屬技術等新型儲能技術,需要進一步的研發,以便實現集成示范和產業化應用。

      圖2 2022年中國儲能集成示范和產業化梯隊

        資料來源:陳海生等《2022年中國儲能技術研究進展》。

        02 壓縮空氣儲能

        ——應用現狀。壓縮空氣儲能(CAES)目前處于小規模應用階段。據CNESA(中國能源研究會儲能專委會/中關村儲能產業技術聯盟)統計,截至2021年底,壓縮空氣儲能在全球新型儲能裝機規模中的占比為2.3%。根據國家能源局數據,截止2022年底,壓縮空氣儲能占全國新型儲能裝機規模的2%(如按照CNESA全球儲能數據庫的不完全統計,占比為1.5%)。當前壓縮空氣儲能整體產業規模仍較小。

        ——工作原理。傳統的壓縮空氣儲能是基于燃氣輪機開發的儲能技術,其工作原理是,在用電低谷,用過剩的電能來驅動壓縮機,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,使電能轉化為空氣的內能存儲起來;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膨脹做功,推動發電機發電。其工作原理如下圖所示。

      圖3 傳統壓縮空氣儲能技術原理

        資料來源:中國科學院工程熱物理研究所《淺談“壓縮空氣儲能技術”》。

        ——優缺點。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、設備使用壽命長、損耗低等優點,一般可儲釋能上萬次,壽命達40-50年。缺點是,能量轉換效率低下(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)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,總體上當前壓縮空氣儲能的單位成本高于抽水蓄能和電化學儲能,單位kWh成本則與電化學儲能相當。目前壓縮空氣儲能度電成本0.24-0.25元,隨著規模提升,新型壓縮空氣儲能系統的度電成本可達到0.2元,如果未來能降到0.15元以下,則經濟效益更加顯著。

        壓縮空氣儲能產業鏈

        上游為裝備制造、儲氣庫。壓縮空氣儲能系統主要由壓縮機、空氣透平膨脹機(空汽輪機)、發電機、換熱器、儲熱介質等構成,儲能電站設備投資約占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、控制系統等,和傳統火電站配置類似,約占儲能電站投資的15%,基本無技術瓶頸。

      圖4 壓縮空氣儲能核心設備

        資料來源:樂晴智庫。

        • 核心設備廠商:國外壓縮機主要有阿特拉斯·科普柯、西門子、日本神鋼等,國內能達到相應技術要求的主要有陜鼓動力、沈鼓集團、金通靈三家企業。目前100MW級壓縮機基本可以實現國產化,但實現單機300MW級仍存在很大難度和技術瓶頸。設備主要企業包括: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: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,現階段在建、已投產項目多采用地下儲氣庫(廢舊礦洞改造、新建洞穴、鹽穴),我國鹽業企業中,魯銀投資、蘇鹽井神、中鹽化工、雪天鹽業等均在鹽穴儲能領域有所布局。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。

        中游為儲能系統集成(主要提供技術支持)、儲能電站施工建設。主要的技術提供方是中儲國能(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、清華大學等高校院所;主要的系統集成商包括中儲國能、陜鼓集團等;項目整體建設施工單位主要有中國能建、中國電建等,主要提供EPC(工程建設總承包)業務。從建設市場情況看,中國能建目前占據主要地位。

        下游為投資運營商(業主單位)。當前參與投資布局(包括規劃中)的企業包括中國能建、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

        ——應用現狀。飛輪儲能還處于商業化早期,在全球及中國儲能市場占有率較低。據CNESA數據,截止2022年底中國已投運新型儲能累計裝機規模達到13.1GW,其中飛輪儲能其中僅占0.1%。目前國內市場上飛輪儲能應用多數為試點項目,主要作為蓄電池系統的補充,成熟運行產品較少,運行功率較低,后備時間短,部分技術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速,將電能轉化為動能;在能量釋放階段,飛輪的旋轉速度會降低,電動機作發電機運行,將動能轉化為電能。一般來說,飛輪系統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子,并通過磁懸浮軸承實現懸浮。這些轉子在真空罩內的轉速可達到20000-50000rpm,可以在幾分鐘內達到所需的速度。

      圖5 飛輪儲能系統結構

        資料來源:貝肯新能源。

      圖6 飛輪儲能系統運作示意圖

        資料來源:智見能源,中銀證券。

        ——應用領域。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,適用于數百千瓦至數十兆瓦、持續數秒至數分鐘、頻次10萬次以上的電儲能應用場景,是實現電壓穩定、頻率調節的重要技術。飛輪儲能可用于新能源并網、微電網調頻,地鐵、港口制動能量回收,數據庫、醫院不間斷電源,國防、科研脈沖電源等。

        ——優缺點。飛輪儲能的優點包括:1)高效率。能量轉換效率能夠達到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中電子元器件的壽命。3)響應速度快。啟動時間在1秒以內,充放電速度反應極快,屬于分秒級的儲能技術。4)運維較簡單。運行過程中幾乎不需要維護,工況環境適應性好,-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,單位投資成本較大。3)噪音大。旋轉飛輪轉速可高達15000rpm,噪音較大,且持續工作在高轉速、高溫等極端工況下,因此極其輕微結構變動將會導致劇烈震動,不僅會產生極大地噪聲污染,也可能發生斷軸等安全風險。

        飛輪儲能產業鏈

        產業鏈上游。典型的飛輪儲能系統基本結構包括5個部件:1)飛輪本體,一般為高強度復合纖維材料(如碳纖維復合材料)制成;2)軸承,為轉子提供低耗損支撐,利用非接觸式的永磁軸承、電磁軸承或超導懸浮軸承等支承飛輪;3)電機,一般為電動/發電互逆式雙向電機(電動機+發電機);4)電力轉換器,是輸入電能轉化為直流電供給電機,輸出電能進行調頻、整流后供給負載的關鍵部件;5)真空器(真空室),為減少空氣阻力,飛輪系統放置于高真空密封套筒內。上游部件主要由華陽股份、國機重裝、湘電股份、廣大特材等企業提供。產業鏈中游為飛輪儲能系統集成,主要設備廠商也同時參與。下游為發電側、電網測的業主單位。

        表3 飛輪儲能系統和裝置開發應用重點機構

        資料來源:深企投產業研究院整理。

        04 釩液流電池

        ——應用現狀。我國液流電池儲能的研發推廣處于世界領先水平。根據CNESA數據,截止2022年底液流電池占我國已投運新型儲能累計裝機規模的1.2%。液流電池根據活性材料分類,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業化和規?;瘧玫囊环N電池,而其他液流電池技術成熟度稍低,仍然面臨活性物質的沉積、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模產業化加速,滲透率將不斷提升,裝機規模呈增長趨勢。根據EV Tank發布的數據,2021年中國釩電池新增裝機量0.13GW,2022年國內大量的釩電池儲能項目開工建設,預計全年新增裝機量將達到0.6GW。據EV Tank預測,預計2025年釩電池新增規模將達到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,當年新增市場規模將達到405億元。GGII預測,2025年國內液流電池出貨量有望超過10GWh(按4小時測算,含出口),復合增速高達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能轉化為電能,離子選擇膜將兩種液體電解質分開存儲在不同的罐中,利用兩種化學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。釩電池電能以化學能的方式存儲在不同價態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,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流動,采用質子交換膜作為電池組的隔膜,電解質溶液平行流過電極表面發生電化學反應,通過雙電極板收集和傳導電流,從而使得儲存在溶液中的化學能轉換成電能。這個可逆的反應過程使釩電池順利完成充電、放電和再充電。

      圖7 全釩液流電池的構成

        資料來源:北京低碳院,安信證券。

        ——優缺點。全釩液流電池的優點包括: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、著火爆炸的風險,具有本征安全性。在空間占用方面,鋰離子電池儲能系統需要滿足更為嚴格的消防及安全標準,在集裝箱的排布上必須留出更大的安全距離,而全釩液流電池無此問題,因此布局更為緊湊,占地更加集約。2)循環壽命長。循環次數可達16000次以上,顯著優于鋰離子電池,且生命周期內容量可完全恢復,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次數的增加而明顯下降)。3)充、放電性能好??缮疃确烹姸粨p壞電池。自放電低,在系統處于關閉模式時,儲罐中的電解液無自放電現象。4)啟動速度快,無相變化,充放電狀態切換響應迅速。5)輸出功率和儲能容量相互獨立,便于模塊化集成和規模放大。全釩液流電池實現了電芯功率和容量的分離,輸出功率和儲能容量可獨立設計。要增加輸出功率,僅需增加電堆的數量;要增加儲能容量,僅需增加電解液的體積(儲液罐的容量)。設計和安裝靈活,便于模塊化設計和規模放大,因此適用于大規模、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。近期的項目設計規模已達到200MW,遠超鋰電池儲能系統規模。6)我國釩資源儲量豐富,供應鏈安全性更強。我國已探明釩礦儲量占全球43%(美國地質勘探局USGS數據),產量約占全球三分之二,相比于鋰電池在核心礦產方面對外依賴度高,發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,固定式儲能系統對能量密度要求不高,因此液流電池更適用于大規模蓄電儲能。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候選人公示中,最低中標單價達到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勢。不過仍要考慮如果釩資源開發力度不如預期,釩電池大規模應用拉動釩價上漲、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勢。

        全釩液電池儲能產業鏈

        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,占系統成本的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的工作效率、運行工況和使用壽命等;交換膜是電池內用于釩離子交換的膜材料;電極是氧化還原反應的主要發生場所,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、電極框架等構成電堆,電堆是釩電池系統的重要部件,是發生電化學反應的主要場所,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、循環泵等)占總成本的30%。全釩液流電池產業鏈如下圖所示。

      圖8 全釩液流電池產業鏈

        資料來源:長城證券。

        當前國內全釩液流電池市場總體體量較小,龍頭格局未顯,產業仍處于發展初期。產業鏈各環節的競爭格局和代表企業如下表所示。

        表4 全釩液流電池產業鏈代表企業

        資料來源:深企投產業研究院整理。


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