文|經(jīng)緯創(chuàng)投
在多項(xiàng)政策的強(qiáng)力刺激下，光伏、風(fēng)電等清潔能源裝機(jī)量正在飆升，帶動(dòng)了與之配套的儲(chǔ)能爆發(fā)。從動(dòng)力電池延展出來，以電化學(xué)為主的新型儲(chǔ)能正在快速規(guī)模化。經(jīng)緯十分看好整個(gè)新能源產(chǎn)業(yè)鏈，已經(jīng)布局了理想、小鵬等主機(jī)廠，容百科技、易鴻、和潤達(dá)、西恩科技等動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)，我們也非?？春霉夥⑿滦蛢?chǔ)能等能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型大賽道，今天這篇文章我們就來分析新型儲(chǔ)能。
2019年8月9日下午5點(diǎn)，英國被迫按下暫停鍵。
英格蘭與威爾士電網(wǎng)突然崩潰，導(dǎo)致大規(guī)模停電。倫敦最繁忙的國王十字車站，被迫臨時(shí)緊急關(guān)閉，大量旅客滯留；還有很多市民被困在地鐵中，那些備用電源不足的醫(yī)院也被迫暫停。在這個(gè)夏日的黃昏，100萬人陷入彷徨。
16點(diǎn)52分33.49秒，因雷擊導(dǎo)致一個(gè)變電站的線路短路，雖然故障被很快清除，但導(dǎo)致分布式電源第一次脫網(wǎng)及主力電網(wǎng)變薄弱；
16點(diǎn)52分33.728秒，位于北海全球最大的Hornsea霍恩海上風(fēng)力發(fā)電站，出現(xiàn)風(fēng)電出力大幅下降。由于英國一直在大力推進(jìn)清潔能源，全國40%電力依靠風(fēng)力與光伏發(fā)電，而這些新能源的致命弱點(diǎn)，就是不夠穩(wěn)定。
16點(diǎn)52分34秒-53分58秒，小巴福德電站蒸汽機(jī)組出現(xiàn)了一系列停機(jī)，分布式電源脫網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大。自此，因雷擊而脫網(wǎng)的分布式電源、霍恩風(fēng)電場、小巴福德蒸汽機(jī)組三者疊加導(dǎo)致電網(wǎng)損失了總負(fù)荷的6.5%，頻率大幅下降，諸多地區(qū)開始停電。
圖片來源：BBC
事故分析表明，這是一起因高比例清潔能源（風(fēng)電）并網(wǎng)，而電力系統(tǒng)備用不足，導(dǎo)致的電網(wǎng)崩潰事故。由于新能源發(fā)電大量替代傳統(tǒng)能源發(fā)電，導(dǎo)致電力系統(tǒng)抵御功率差額的能力下降。在電力系統(tǒng)接連出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)備用不足，不能及時(shí)彌補(bǔ)功率缺額，導(dǎo)致了事故發(fā)生。
最終，幸好抽水蓄能機(jī)組及時(shí)增加出力，阻止事故進(jìn)一步擴(kuò)大，由此可見儲(chǔ)能對(duì)于高比例新能源并網(wǎng)時(shí)的重要性。
無論是風(fēng)電，還是光伏，都非常依賴天氣本身。比如光伏往往在正午達(dá)到高峰，到了晚上就無電可用，但晚上恰恰是用電高峰，就不得不用其他能源來調(diào)峰，對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷極大。
在中國碳中和的大目標(biāo)下，國家能源局給出了快速提升光伏、風(fēng)電等清潔能源的計(jì)劃，這就要求大規(guī)模、系統(tǒng)性的儲(chǔ)能配套。目前全球最多的傳統(tǒng)儲(chǔ)能手段就是抽水蓄能，而在新型儲(chǔ)能里，電化學(xué)儲(chǔ)能增速驚人。
今天這篇深度分析文章，是“碳中和”科創(chuàng)匯的第3篇，我們來關(guān)注新型儲(chǔ)能，聚焦電化學(xué)儲(chǔ)能。我們會(huì)先總結(jié)有哪些儲(chǔ)能方式，以及其技術(shù)迭代潛力、市場增量空間如何？在新能源發(fā)電占比提升的大勢(shì)之下，不同儲(chǔ)能方式能滿足哪些場景需求？以及儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性分析，誰為儲(chǔ)能買單？以下，Enjoy：
儲(chǔ)能為什么大爆發(fā)？有哪些新型儲(chǔ)能方式？
我們?yōu)槭裁纯春秒娀瘜W(xué)儲(chǔ)能？儲(chǔ)能電池與電動(dòng)車動(dòng)力電池有何區(qū)別？
一套電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值鏈分析
01 儲(chǔ)能為什么大爆發(fā)？
要想理解為什么儲(chǔ)能會(huì)爆發(fā)，需要先理解電網(wǎng)。
電的速度很快，以光速傳送，所以發(fā)電、輸電、配電，需要在瞬時(shí)同步完成，整個(gè)電力系統(tǒng)時(shí)刻處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率，和負(fù)載消耗的有功功率，是相平衡的，整個(gè)系統(tǒng)的頻率維持在額定值。
當(dāng)電源功率大于負(fù)荷功率時(shí)，系統(tǒng)頻率升高，反之則降低。因此電網(wǎng)需要通過一次調(diào)頻、二次調(diào)頻等手段，保證頻率在合理范圍內(nèi)，否則會(huì)發(fā)生頻率崩潰，造成大面積停電，就像本文一開始英國2019年大停電那次事故一樣。
電力系統(tǒng)有很高的穩(wěn)定性要求。
但風(fēng)電、光伏等新能源，一個(gè)致命弱點(diǎn)就是具有很強(qiáng)的間歇性和波動(dòng)性。對(duì)于風(fēng)電來說，萬一某一時(shí)段風(fēng)力變?nèi)趿?，甚至沒風(fēng)了怎么辦？對(duì)于光伏來說，萬一某一個(gè)月經(jīng)常下雨，沒有太陽怎么辦？并且一般光照都是在正午最強(qiáng)，晚上最弱，其發(fā)電功率也是波動(dòng)的。
這種不穩(wěn)定是電網(wǎng)的噩夢(mèng)，必須通過其他方式來進(jìn)行調(diào)峰。新能源這種忽大忽小的電力供應(yīng)，例如風(fēng)電日波動(dòng)最大幅度可達(dá)裝機(jī)容量的80%，會(huì)令整個(gè)電網(wǎng)變脆弱，如果遭遇極端天氣，電網(wǎng)崩潰風(fēng)險(xiǎn)很大，這在美國和歐洲都發(fā)生過，以至于風(fēng)電和光伏一度被電力人士稱為“垃圾電”。
在這種高波動(dòng)性下，如果沒有儲(chǔ)能，像青海、內(nèi)蒙等地的風(fēng)光電，在光照或風(fēng)力充足的情況下，發(fā)了很多電卻用不完，就面臨很高的棄光、棄風(fēng)率。
國際能源署（IEA）曾給出一個(gè)指導(dǎo)意見，把電網(wǎng)吸納間歇性可再生能源（風(fēng)電、光伏）的比例劃分了四個(gè)階段：
第一階段：低于3%，對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行基本沒有影響。
第二階段：在3%-15%之間，對(duì)電網(wǎng)沖擊較小，可通過預(yù)測間歇性可再生能源機(jī)組發(fā)力，以及加強(qiáng)調(diào)度的方式，平抑波動(dòng)性和間歇性。
第三階段：在15%-25%之間，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，此時(shí)電網(wǎng)靈活性要求大大增加，短期內(nèi)需要增加調(diào)頻電站，中長期需引入儲(chǔ)能。
第四階段：在25%-50%之間，電網(wǎng)穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)，部分時(shí)段100%電力由間歇性可再生能源提供，所有的電廠都必須配置儲(chǔ)能靈活運(yùn)行，以應(yīng)對(duì)電源端和負(fù)荷端的隨機(jī)變化。
打個(gè)比喻，電網(wǎng)就像一條大河，如果只有1-2條小支流匯入的時(shí)候，對(duì)大河整體的水流量沒有太大影響，對(duì)水面起伏也沒有太大影響。但當(dāng)支流越來越多，并且有時(shí)候一些支流有水、有時(shí)候沒水的時(shí)候，河流主干道的水位起伏變化就大了，就必須進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)新能源占比超過15%以上時(shí)，用儲(chǔ)能技術(shù)來“削峰填谷”就勢(shì)在必行。
特別是在電動(dòng)車占比越來越大的情況下，充電樁的數(shù)量還會(huì)高速增長，在充電高峰對(duì)大電網(wǎng)的沖擊也會(huì)比較大，配備一個(gè)像蓄水池一樣的緩沖儲(chǔ)能系統(tǒng)，也是發(fā)展國內(nèi)儲(chǔ)能業(yè)務(wù)的主要推動(dòng)力之一，它與電動(dòng)車保有量密切相關(guān)。
國內(nèi)儲(chǔ)能的大爆發(fā)，來源于政策變化。在碳中和、提升能源自給率的大背景下，國家能源局在《關(guān)于2021年風(fēng)電、光伏發(fā)電開發(fā)建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)的通知》中，計(jì)劃2030年風(fēng)電光伏裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到12億千瓦，而截至2020年底，風(fēng)光總量不過6.3億千瓦，這一目標(biāo)意味著在未來10年中，風(fēng)電與光伏要各新增3億千瓦。
而對(duì)于配套的儲(chǔ)能行業(yè)，自2020年開始有密集政策出臺(tái)，特別是2021年至今有很多具體落地的政策發(fā)布，包括強(qiáng)制光伏、風(fēng)電配儲(chǔ)政策，要求新增裝機(jī)必須配置15-20%的儲(chǔ)能。這個(gè)比例是根據(jù)光伏電站在夜晚功率曲線下降、或是風(fēng)力減弱的情況下，還要繼續(xù)保證2小時(shí)的電力輸入計(jì)算得出的。
根據(jù)國家電網(wǎng)的測算，2035年前，風(fēng)、光裝機(jī)規(guī)模分別將達(dá)到7億、6.5億千瓦，全國風(fēng)電、太陽能日最大波動(dòng)率預(yù)計(jì)分別達(dá)1.56億、4.16億千瓦，大大超出目前調(diào)節(jié)能力，迫切需要重新構(gòu)建調(diào)峰體系，以具備應(yīng)對(duì)新能源5億千瓦左右的日功率波動(dòng)的調(diào)節(jié)能力。
一方面，儲(chǔ)能可通過削峰填谷，解決峰谷時(shí)段發(fā)電量與用電負(fù)荷不匹配；另一方面，可以參與提供電力輔助服務(wù)，解決風(fēng)光發(fā)電的波動(dòng)性導(dǎo)致的電網(wǎng)不穩(wěn)定。此外，靈活配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)，還可以增加電量本地消納，減少輸電系統(tǒng)的建設(shè)成本。
綜合來看，強(qiáng)制配儲(chǔ)將成為短期發(fā)電側(cè)的爆發(fā)增長點(diǎn)。在電網(wǎng)側(cè)和用電側(cè)，政策驅(qū)動(dòng)下的儲(chǔ)能需求也會(huì)穩(wěn)步推進(jìn)，峰谷電價(jià)和地方補(bǔ)貼等等，都對(duì)工業(yè)和戶用儲(chǔ)能有積極推動(dòng)作用。
02 有哪些新型儲(chǔ)能方式？
由于電力即發(fā)即用的特性，儲(chǔ)能就是把電能通過物理或者化學(xué)介質(zhì)，轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。
所以儲(chǔ)能方式五花八門，主要的包括抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、熔融鹽儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、氫能儲(chǔ)能等等。
歷史最為悠久、技術(shù)最為成熟的儲(chǔ)能方式是抽水蓄能。它其實(shí)非常簡單，就是把多余的電力輸入抽水機(jī)組，利用水壩的高低差，把水從低位抽到高位。當(dāng)需要用電時(shí)，再開閘放水發(fā)電。它所能儲(chǔ)備的電量非常大。
從2000年到2020年，抽水蓄能占到全球累計(jì)裝機(jī)量的90%。之所以能占這么大比例，關(guān)鍵在于它的經(jīng)濟(jì)性。雖然抽水蓄能的投入非常大，一般是30-50億起步，也需要5-8年建成，相當(dāng)于修建一個(gè)小型水庫，但它的生命周期遠(yuǎn)超過其他儲(chǔ)能方式，高達(dá)50-60年的應(yīng)用期限，并且抽水蓄能的放電量都是吉瓦時(shí)級(jí)別，可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)儲(chǔ)能和4-7小時(shí)的放電，整體成本最具經(jīng)濟(jì)性。
但抽水蓄能有一個(gè)致命弱點(diǎn)——必須尋找水資源和地理結(jié)構(gòu)合適的地方，如果想系統(tǒng)性布局，很多省份和城市并不具備相應(yīng)的條件。
在新能源并網(wǎng)占比比較低的時(shí)候，利用低成本的抽水蓄能為火電配套是非常不錯(cuò)的方案，但當(dāng)新能源占比超過15%以上的時(shí)候，就需要一種選址靈活、單體投入成本較低、建設(shè)周期更短、經(jīng)濟(jì)性也不錯(cuò)的方案。
在所有新型儲(chǔ)能方案中，最為耀眼的明星就是電化學(xué)儲(chǔ)能，這也是我們最看好的儲(chǔ)能方式之一，我們會(huì)在下一節(jié)詳細(xì)分析。除了電化學(xué)之外，我們先簡單介紹幾種還未大規(guī)模商業(yè)化，有些仍處于試驗(yàn)階段的新型儲(chǔ)能方式：
壓縮空氣儲(chǔ)能：目前體量還非常小，它的工作邏輯是在用電低谷期，把過剩電能將空氣壓縮至高壓，存到儲(chǔ)氣室中，也就是將電能轉(zhuǎn)化為空氣內(nèi)能儲(chǔ)存起來。當(dāng)需要用電時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放進(jìn)入燃燒室，利用燃料燃燒加熱升溫后，驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙桨l(fā)電。在實(shí)際應(yīng)用中，為了節(jié)約儲(chǔ)氣室的建設(shè)成本，經(jīng)常是去尋找礦洞來作為天然的儲(chǔ)氣室，這也會(huì)受制于地理結(jié)構(gòu)。壓縮空氣的能效比較低，只有65-75%。截至2021年底，壓縮空氣儲(chǔ)能在全球新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模中，占比為2.3%，商業(yè)推廣目前比較少。
飛輪儲(chǔ)能：目前是一個(gè)研究重點(diǎn)，但應(yīng)用場景較小。飛輪儲(chǔ)能是通過低摩擦環(huán)境中，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子來存儲(chǔ)動(dòng)能。在“充電”時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)動(dòng)將飛輪加速，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能儲(chǔ)存；當(dāng)需要用電時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速下降，透過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能給外部供電。整個(gè)飛輪儲(chǔ)存裝置是在封閉殼體中，一般是通過磁懸浮技術(shù)或真空環(huán)境，以減少阻力，保護(hù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率高（高達(dá)90%），響應(yīng)速度快（適合于電網(wǎng)調(diào)頻場景），但缺點(diǎn)也非常明顯，可容納電量比較少，并且造價(jià)很高，還面臨很多技術(shù)性難題，比如怎么設(shè)計(jì)高強(qiáng)度飛輪轉(zhuǎn)子？如何設(shè)計(jì)制造復(fù)合軸承？真空狀態(tài)下的電機(jī)及軸承如何高效冷卻？……
超導(dǎo)磁儲(chǔ)能：還處于研究階段，短期難以商業(yè)化。工作邏輯是利用超導(dǎo)線圈直接存儲(chǔ)電磁能，它的功率密度高，響應(yīng)速度很快，轉(zhuǎn)換效率也很高，但受限于價(jià)格昂貴的超導(dǎo)材料和低溫制冷系統(tǒng)。
熔融鹽儲(chǔ)能：目前占比還很小。熔融鹽是將鹽升溫到熔點(diǎn)之后，形成的一種熔融態(tài)液體，基本都是由無機(jī)鹽構(gòu)成的熔融體。工作原理是將多余電能，把熔鹽的溫度增至500 ℃，再存貯至高溫熔鹽罐中，到用電高峰再把高溫熔鹽從罐內(nèi)取出，在熔鹽換熱器內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)換來對(duì)水與空氣進(jìn)行加熱，釋放熱能進(jìn)行使用。與過去的高溫導(dǎo)熱介質(zhì)相比，熔融鹽的高溫穩(wěn)定性比較好。這種方式主要用于冬季供暖。
氫儲(chǔ)能：目前爭議還很大的一種技術(shù)路徑。工作邏輯是通過電解水制氫，將多余的電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存起來。氫作為儲(chǔ)能介質(zhì)，還可以直接用于燃料電池。但目前大規(guī)模制氫的技術(shù)還不夠成熟，能耗很高，以及配套的氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)也不夠成熟，能利用氫能的場景也比較少。
雖然儲(chǔ)能技術(shù)路徑眾多，但除了抽水蓄能與電化學(xué)儲(chǔ)能外，其他路徑無論在成本還是技術(shù)成熟度上，都還不足以大規(guī)模商業(yè)化，很多仍處于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)性階段。
在2021年中國儲(chǔ)能新增裝機(jī)量中，總規(guī)模5.73吉瓦（GW，1吉瓦=1000兆瓦=100萬千瓦），89.7%為鋰離子電池，即電化學(xué)儲(chǔ)能。
2022年3月，國家發(fā)改委和能源局發(fā)布《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》，提出到2025年，新型儲(chǔ)能具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用條件，其中電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本，要較2020年末降低 30%以上，可見電化學(xué)儲(chǔ)能備受各方期待。
下面，我們就來著重分析一下電化學(xué)儲(chǔ)能：
03 我們?yōu)槭裁纯春秒娀瘜W(xué)儲(chǔ)能？
儲(chǔ)能電池與電動(dòng)車動(dòng)力電池有何區(qū)別？
在新型儲(chǔ)能技術(shù)路徑中，電化學(xué)儲(chǔ)能是最耀眼的明星，也是我們最看好的儲(chǔ)能方式之一。
電化學(xué)儲(chǔ)能本質(zhì)上就是把電能儲(chǔ)存成化學(xué)能，再用化學(xué)電池的機(jī)制放出來，放到電網(wǎng)中變回電能。電化學(xué)儲(chǔ)能包括鋰離子、鈉離子、液流等等形式，其中鋰離子最為成熟，鈉離子和液流還有待技術(shù)研發(fā)。
電化學(xué)相對(duì)于抽水蓄能來說，最大的優(yōu)勢(shì)就在于靈活。它可以在小型工商業(yè)或者家庭周邊建立小型儲(chǔ)能站，也可以建到大規(guī)模的廠站級(jí)別，比如在沿海的風(fēng)電站或沙漠中的光伏電站附近。
電化學(xué)儲(chǔ)能中最具商業(yè)化潛力的，就是鋰離子電池。鋰電池已經(jīng)發(fā)展多年，隨著電動(dòng)車的普及，無論是技術(shù)成熟度還是成本，都達(dá)到每年幾百吉瓦時(shí)級(jí)別的量產(chǎn)，使儲(chǔ)能電池的成本從原來的3元左右一瓦時(shí)，降至現(xiàn)在的1.5元左右一瓦時(shí)。
那么，鋰離子儲(chǔ)能電池與電動(dòng)車的動(dòng)力電池有何區(qū)別？
在原材料和生產(chǎn)線方面，兩者原材料近似度很高，大部分情況下能夠共用生產(chǎn)線，但在其中的添加劑和工藝上會(huì)有稍許不同。從量產(chǎn)角度來說，這是鋰離子儲(chǔ)能電池的優(yōu)勢(shì)，也是中國發(fā)展電化學(xué)儲(chǔ)能，同時(shí)與電動(dòng)車爆發(fā)雙輪共振的核心優(yōu)勢(shì)。
不過從研發(fā)角度來說，兩者在循環(huán)壽命和能量密度方面要求不太一樣。儲(chǔ)能電池要求高循環(huán)壽命和安全性，而對(duì)能量密度沒有太高要求，但動(dòng)力電池對(duì)能量密度要求高。這個(gè)差異使得儲(chǔ)能電池幾乎全部是磷酸鐵鋰，而不用三元材料。
基于這種需求上的差異，在BMS（電池管理系統(tǒng)）上會(huì)有不同側(cè)重。雖然儲(chǔ)能電池的BMS與動(dòng)力電池類似，但動(dòng)力電池安裝在高速運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)汽車上，對(duì)電池的功率響應(yīng)速度和功率特性、SOC估算精度、狀態(tài)參數(shù)計(jì)算數(shù)量，有更高的要求，這些調(diào)節(jié)都需要通過BMS實(shí)現(xiàn)。
而儲(chǔ)能電池由于充放電更為頻繁，需要側(cè)重循環(huán)壽命。磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池的循環(huán)次數(shù)一般是6000次起，甚至到8000次。而動(dòng)力電池的壽命一般是2000-3000次。從電池結(jié)構(gòu)來看，由于正負(fù)極壓實(shí)密度、水分、涂布膜密度等因素，會(huì)影響電池循環(huán)壽命，這些工藝會(huì)有稍許不同。
從產(chǎn)業(yè)鏈角度來看，兩者的上游幾乎相同，差異主要在產(chǎn)業(yè)鏈下游。動(dòng)力電池是供應(yīng)主機(jī)廠，由于主機(jī)廠集中度較高，所以是大B銷售的邏輯，比如電池廠簽約了小鵬、理想或特斯拉，基本上可以保證未來幾年的供貨鎖定期。
但儲(chǔ)能電池主要賣給集成商，中間就有了分銷，并且儲(chǔ)能電池需要結(jié)合項(xiàng)目開發(fā)周期，會(huì)有更多的不確定性，所以基本上是根據(jù)訂單來生產(chǎn)。
綜合來看，鋰電池自身的響應(yīng)速度是毫秒級(jí)，能源轉(zhuǎn)化率能達(dá)到85-95%，所以對(duì)功率型和電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能都是適用的。再基于它的靈活性，其在電力系統(tǒng)的發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用電側(cè)都可以根據(jù)需求靈活部署：
發(fā)電側(cè)：可提高發(fā)電的穩(wěn)定性，包括電力“削峰填谷”、減少棄風(fēng)棄光；
電網(wǎng)側(cè)：可降低輸電的成本，以及調(diào)頻、備用容量等，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性；
用電側(cè)：可通過峰谷電價(jià)差套利，減少企業(yè)和用戶用電成本，以及容量費(fèi)用管理、自發(fā)供電等。
對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能的另兩種方式，鈉離子電池與液流電池，也是如今重要的潛在方向。
鈉離子電池正處于加緊研發(fā)階段，它的工作原理與鋰離子電池相似，改變的是依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來運(yùn)作，替代了鋰離子。
它的優(yōu)勢(shì)在于鈉元素在自然界中大量存在。像食用鹽的氯化鈉就是，鈉基本隨處可得，是地球上的第五大元素，而鋰開采資源有限。并且鈉離子電池的低溫性能更好，充放電性能也維持得比較穩(wěn)定，比鋰離子電池具有優(yōu)勢(shì)。
但鈉離子電池的缺點(diǎn)在于能量密度低，比鋰離子電池低3倍左右，所以一個(gè)單體電池在同樣容量的情況下，鈉離子電池的體積要大最少3倍。
在目前的技術(shù)水平下，鈉離子電池可能成本更高。因?yàn)殇囯x子能量密度高，結(jié)構(gòu)件就少，比如裝Pack、裝插箱等等，一個(gè)集裝箱下來，鋰離子電池例如裝了3-4 MWh，但是鈉離子電池可能只能裝1 MWh左右。鈉離子電池就需要更多的集裝箱、配更多的電器連接件，以及PCS等等，綜合算下來整個(gè)系統(tǒng)集成成本更高。
鈉離子電池的另一個(gè)缺點(diǎn)，在于它的循環(huán)性能不夠好。鋰離子儲(chǔ)能電池可以做到7000-8000次，但是鈉離子現(xiàn)在還很難超過3000次，如果單體電池不超過3000次，那模塊組合后可能更低，這也是鈉離子的核心研發(fā)挑戰(zhàn)。
不過寧德時(shí)代正在這方面率先嘗試，不僅在推進(jìn)鈉離子儲(chǔ)能電池，也在電動(dòng)車動(dòng)力電池中，嘗試研發(fā)一種Pack組合方式，一層鋰離子電池疊一層鈉離子電池，這樣能夠中和鋰離子電池低溫時(shí)表現(xiàn)不佳的問題。
對(duì)于釩液流電池，則是更遠(yuǎn)期的研發(fā)目標(biāo)。釩液流電池的技術(shù)路徑完全不同于鋰離子、鈉離子電池，而是與氫燃料電池原理類似，它是一種活性物質(zhì)呈循環(huán)流動(dòng)液態(tài)的氧化還原電池，它的工作原理是通過釩化合價(jià)的變化，來實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)化。
釩液流電池存在體積大，不易搬運(yùn)的缺點(diǎn)，但優(yōu)點(diǎn)也十分突出，主要是使用壽命長（循環(huán)次數(shù)20000次以上，壽命25年以上）；電解液可循環(huán)使用；電池容量可擴(kuò)充性強(qiáng)（可以通過增加電解液儲(chǔ)存器體積增加容量），可用于建造千瓦級(jí)到百兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電站；安全性好等等，釩液流電池的這些特性十分適合作為長時(shí)儲(chǔ)能電池。
釩液流電池也被國家發(fā)改委、國家能源局認(rèn)定為十三五期間重點(diǎn)發(fā)展，并進(jìn)行應(yīng)用推廣的重點(diǎn)技術(shù)之一。但由于目前技術(shù)還不夠成熟，造價(jià)和運(yùn)維成本仍然較高。
除了全釩液流電池，成本更低的鐵鉻液流電池，也有望成為液流電池的主流路線之一。鐵鉻液流電池以原料豐富且價(jià)格低廉的鐵離子和鉻離子為活性物質(zhì)，當(dāng)儲(chǔ)能時(shí)長越長，鐵鉻液流電池的成本優(yōu)勢(shì)越明顯。
鐵鉻液流電池的優(yōu)勢(shì)明顯：綠色安全、低毒性與腐蝕性、運(yùn)行溫度區(qū)間比較大、電解液原材料資源豐富、價(jià)格低廉等等。另一方面，鐵鉻液流此前也存在鉻活性偏低和容易析氫等問題，但是基于長時(shí)儲(chǔ)能的迫切需求，國內(nèi)外團(tuán)隊(duì)都在加速突破這些問題，并取得一些不錯(cuò)的成果。
綜合來看，我們認(rèn)為鋰離子電池（以磷酸鐵鋰為主）依然會(huì)是未來5-10年電化學(xué)儲(chǔ)能的主流路徑。如果從整體占比來看，抽蓄在2020年高達(dá)95%左右，電化學(xué)在剩下的5%中占據(jù)大頭。但未來在整個(gè)儲(chǔ)能市場變大的同時(shí)，電化學(xué)占比會(huì)逐年升高，以每年新增占比2-3%的速度增長，到2025年占比可能達(dá)到15%左右。
當(dāng)然無論是哪一種儲(chǔ)能技術(shù)，因?yàn)閮?chǔ)能本身不生產(chǎn)價(jià)值，而是一種存儲(chǔ)介質(zhì)，最關(guān)鍵的因素還是經(jīng)濟(jì)性，下面我們就來分析一套電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的典型價(jià)值鏈?zhǔn)窃鯓拥摹?/p>
04 一套電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值鏈分析
一套典型的儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，主要包括了電池、PCS變流器、BMS 電池管理系統(tǒng)、EMS溫控系統(tǒng)等核心環(huán)節(jié)。
前面的電池環(huán)節(jié)屬于電化學(xué)，后面的都屬于電子電氣。其中電池占據(jù)整個(gè)價(jià)值鏈的核心，50-60%的成本都在電池。剩下的PCS 20%左右、BMS 8%左右、EMS3%左右，剩下的是電纜、控制柜、集裝箱等工程成本。
電池需要技術(shù)沉淀和積累，小批量生產(chǎn)時(shí)很多問題不容易暴露，但在大規(guī)模出貨時(shí)，對(duì)一致性要求非常高，比如當(dāng)上萬顆電芯組合在一起時(shí)，需要保持每一個(gè)的內(nèi)阻等各種各樣的參數(shù)在合理范圍內(nèi)，維持穩(wěn)定狀態(tài)。技術(shù)水平與質(zhì)量的差異，在第7-10年時(shí)會(huì)有明顯差別。
一個(gè)典型的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)是：
首先，不同的電芯通過并聯(lián)，形成一個(gè)模組，模組包在外殼中，外殼會(huì)安裝散熱系統(tǒng)，比如風(fēng)冷系統(tǒng)會(huì)裝上風(fēng)扇，把熱風(fēng)抽出來，也會(huì)裝上一些 MSD（斷路開關(guān)），以保護(hù)電池安全。
眾多模組會(huì)插在一個(gè)電池插箱里，電池插箱會(huì)裝有電池管理單元，它會(huì)監(jiān)測和管理整個(gè)模組電池的溫度、電壓以及電流狀態(tài)。
然后，眾多電池插箱會(huì)搭上一個(gè)電池架串聯(lián)在一起，形成大的電池簇，一個(gè)常規(guī)電池集裝箱會(huì)裝15-20個(gè)電池簇，每個(gè)電池簇之間再進(jìn)行串聯(lián)。在電池集裝箱層面，會(huì)形成BMS電池管理系統(tǒng)和EMS溫控系統(tǒng)。同時(shí)，在每個(gè)電池集裝箱中，還會(huì)配置一個(gè)消防系統(tǒng)。
最后，每個(gè)電池集裝箱都是直流輸出，形成匯流，其中會(huì)經(jīng)過PCS儲(chǔ)能變流器，讓直流電變交流電，再經(jīng)過升壓、變壓裝置，把交流電從1000 V或1500 V，升到35 kV或110 kV，以匹配電網(wǎng)接入點(diǎn)的電壓等級(jí)。
由于PCS環(huán)節(jié)與光伏電站有類似之處，所以很多儲(chǔ)能變流器廠家，都是從光伏逆變器轉(zhuǎn)變而來。不過儲(chǔ)能與光伏、風(fēng)電所需并不完全一樣，光伏與風(fēng)電主要是逆變器，是從直流變交流，然后就上電網(wǎng)了。
但儲(chǔ)能既是一個(gè)電源點(diǎn)，又是一個(gè)負(fù)荷，需要雙向，不僅僅是逆變器實(shí)現(xiàn)的從直流變交流。主要的差異在軟件算法，和需要加一個(gè)小型微單機(jī)的能源管理系統(tǒng)，來適應(yīng)電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全，保證頻率品質(zhì)。
目前，由于PCS賽道的集中度并不高，這一點(diǎn)與電池不同，電池廠商的規(guī)模效應(yīng)非常明顯，能不斷降低成本。PCS是一個(gè)電氣化產(chǎn)品，本身不需要像電池那么大的產(chǎn)能投入，反而需要更好的靈活度，所以有很多品牌在群雄逐鹿，在用戶側(cè)、工商業(yè)的儲(chǔ)能中，都會(huì)有很多應(yīng)用。
對(duì)于BMS（電池管理系統(tǒng)）來說，也是電池綜合效率非常重要的一環(huán)。例如特斯拉的電池包配電容量不是最高的，但因?yàn)锽MS優(yōu)化的足夠好，所以仍然能實(shí)現(xiàn)比較高的續(xù)航里程，并且對(duì)電池壽命保障比較好。BMS能監(jiān)控每一個(gè)電池單元的溫度、電流、電壓、內(nèi)阻等情況，保證其在穩(wěn)定合適的環(huán)境下運(yùn)作，避免電壓不均衡和不一致性帶來的減損效率甚至熱失控風(fēng)險(xiǎn)，儲(chǔ)能電池也是同樣的道理。
對(duì)于EMS（溫控系統(tǒng)）來說，由于涉及電網(wǎng)調(diào)度，往往需要與電網(wǎng)建立深度聯(lián)系。從技術(shù)路線來說，有的偏向液冷，有的偏向風(fēng)冷，往往是從商用車或數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)型過來，解決方案相對(duì)成熟。
最后的環(huán)節(jié)是集成，儲(chǔ)能作為一個(gè)終端產(chǎn)品，需要集成商把各環(huán)節(jié)全部整合起來，根據(jù)不同場景來具體配置，一體化和模塊化是大趨勢(shì)。
如今，儲(chǔ)能最大的瓶頸在于成本。今年，國家能源局在《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》中，設(shè)定了一個(gè)重要目標(biāo)——2025年電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的系統(tǒng)成本要降低30%以上。以2021年儲(chǔ)能系統(tǒng)平均單價(jià)1.49元/Wh計(jì)算，降本30%對(duì)應(yīng)的單價(jià)是1.043元/Wh。
但由于國際環(huán)境動(dòng)蕩與需求暴增，磷酸鐵鋰的原材料價(jià)格也在飆升。降本30%的大目標(biāo)，需要從全生命周期來理解，一方面是新增裝機(jī)量大幅提升，規(guī)模效應(yīng)將令成本下降；另一方面在于循環(huán)壽命，如果能夠從5000次增加到1萬次，度電成本也會(huì)大幅下降，抽水蓄能之所以便宜，也是因?yàn)槭褂闷谙薹浅ｉL。
如今，新型儲(chǔ)能正成為新一輪發(fā)展熱潮，國內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能電池2021年出貨量較2020年增長超4倍。
如果從全球來看也都在高速增長。2021年全球新增儲(chǔ)能規(guī)模10.2吉瓦，同比增長117%。美國、中國和歐洲占據(jù)了全球新增電化學(xué)儲(chǔ)能市場份額的80%以上，這是一個(gè)全球性的大機(jī)會(huì)。2022年無疑會(huì)迎來更高速的爆發(fā)期。
新型儲(chǔ)能不僅與光伏、風(fēng)電聯(lián)動(dòng)，儲(chǔ)能電池與電動(dòng)車動(dòng)力電池也會(huì)形成產(chǎn)業(yè)共振。當(dāng)電動(dòng)車保有量達(dá)到現(xiàn)在的3-5倍規(guī)模時(shí)，對(duì)儲(chǔ)能的驅(qū)動(dòng)力會(huì)非常強(qiáng)。因?yàn)樵诔潆姼叻?，?duì)大電網(wǎng)的沖擊也會(huì)比較大，需要配備像蓄水池一樣的緩沖儲(chǔ)能系統(tǒng)。
從技術(shù)路徑來看，抽水蓄能依然會(huì)占據(jù)大頭，以磷酸鐵鋰為主的電化學(xué)儲(chǔ)能會(huì)快速上升，但最終肯定會(huì)形成多種儲(chǔ)能技術(shù)路線并存的狀態(tài)，鈉離子電池、液流電池、飛輪儲(chǔ)能等等也會(huì)占據(jù)一席之地。
在儲(chǔ)能系列的下一篇里，我們將分析誰來為儲(chǔ)能買單，包括國內(nèi)三大市場——電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用電側(cè)的具體經(jīng)濟(jì)性測算和潛在市場增量，以及海外儲(chǔ)能的市場機(jī)會(huì)。如果您在儲(chǔ)能領(lǐng)域從業(yè)或創(chuàng)業(yè)，也歡迎與我們深度交流。
參考資料
中金公司：儲(chǔ)能專題：他山之石，詳解海外電化學(xué)儲(chǔ)能市場
天風(fēng)證券：鋰電儲(chǔ)能應(yīng)用場景、經(jīng)濟(jì)性與中期空間探討
東方證券：儲(chǔ)能市場加速開啟，商業(yè)模式未來可期
中信證券：變革開啟，儲(chǔ)能加速
招銀國際：東風(fēng)將至，快速上行賽道潛力巨大
東吳證券：聚勢(shì)前行，如日方升，開啟萬億藍(lán)海新篇章
華創(chuàng)證券：儲(chǔ)能行業(yè)系列報(bào)告一：新能源行業(yè)的下一個(gè)千億級(jí)賽道
民生證券：電化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè)深度研究報(bào)告：能源革命下一站，征途是星辰大海
中國電力科學(xué)研究院：英國“8·9”大停電事故分析及對(duì)中國電網(wǎng)的啟示
中國科學(xué)院工程熱物理研究所：2021年中國儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展
中國科學(xué)院電工研究所：儲(chǔ)能的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)分析
中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所：能源革命中的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)
清華大學(xué)：面向高比例可再生能源電力系統(tǒng)的季節(jié)性儲(chǔ)能綜述與展望