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儲能行業專題報告:多種儲能技術路線競相發展

未來智庫發布時間:2023-10-12 14:54:27  作者:陳夢潔、儲楊陽、楊騰飛
  一、需求高景氣疊加應用場景多元,儲能技術路線競相發展

  (一)儲能技術路線百花齊放,技術各有千秋

  儲能的技術路線多元,按照能量儲存方式不同,可分為電化學儲能、機械儲能、化學儲能、電磁儲能、熱儲能五類。電化學儲能主要包括鋰電池、鈉電池、液流電池、鉛蓄電池等;機械儲能包括抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等;化學儲能包括氫儲能、合成氨儲能等;電磁儲能包括超級電容器儲能、超導儲能等;熱儲能包括儲熱、儲冷等。

  為滿足應用需求,安全性高、循環壽命長、成本低、能量密度高、功率密度大、儲能效率高以及環境友好為儲能技術最終發展方向,目前來看,各技術各具優勢,百花齊放,各種儲能技術仍存在較大的發展前景和空間。從儲能技術的參數對比來看,技術路線各有千秋。能量密度來看,鋰離子電池與鈉離子電池具有較大優勢,分別為90-330kWh/kg與130-150kWh/kg,即單位質量的電池可存儲能量更高。

  從使用壽命來看,抽水蓄能、壓縮空氣儲能、超級電容、超導儲能、熱熔融鹽等相較于其他儲能方式處于領先地位。壽命可達30年以上,更長的使用壽命和循環次數有效降低其使用壽命內單次循環成本。

  從初始投資和度電成本來看,鋰離子電池和鈉離子電池的初始投資成本以及單位能量成本具有較高優勢。全釩液流電池的初始投資和度電成本均處于中等水平,抽水蓄能、壓縮空氣儲能等機械儲能度電成本較有優勢,但前期的初始投資較高,需運行較長時間方可回收成本,超級電容儲能目前單位能量成本依然較高,難以達到大規模應用的水平。

  目前,鋰離子電池已經能夠進行大規模商業化應用,其成本受上游鋰鈷鎳等原材料價格波動影響,然而未來隨著上游原材料的進程化,規?;瘧?,以及鋰離子電池儲能效能提升,預計其成本有望回歸到可接受范圍。

  (二)電力系統多元應用場景,厚植儲能多技術路線發展沃土

  電源側削峰填谷是基礎,電網側調峰調頻是核心,用電側套利是優勢。儲能在電源側、電網側及用戶側等不同用電環節均發揮重要作用。儲能技術可根據電力系統的需求進行應用,各環節都發揮著重要的作用。

  在電源側,儲能技術為減弱對電網沖擊,可針對風光或傳統火電電站,為電力系統提供容量支撐和削峰填谷,獲取發電收入和調峰補貼,主要包括火儲、光儲、風儲和儲能常規機組等,風光資源開發企業多承擔配套建設。電網側為提升電網應對新能源發電沖擊的調節能力,南網、國網等依托輸配電資產企業具有壟斷優勢。

  在電網側,儲能技術可以為電網公司提供調峰和調頻服務。新能源電站直接并網運行所帶來的電能不確定性和波動性會對電網造成極大的沖擊,電能的供給與需求也存在不同步的情況,接入儲能系統后可為電網提供輔助功能,穩定系統頻率。電網側主要包括獨立儲能、變電站、匯集站、移動電源車等。電網側以獨立儲能為主,南網、國網等依托輸配電資產企業具有天然壟斷優勢。

  用戶側利用高峰和低谷的電價差獲取經濟效益,零碳產業園帶來新的發展機遇。在用戶側,儲能主要面向工商業或社區,提供應急/不間斷電源,或提高光伏自發電用電量,改善供電質量,實現經濟效益。

  主要場景包括工商業、產業園、EV充電站、港口岸電、其他海島/校園/社區等。儲能裝置在用電低谷時充電,在用電高峰時放電,利用高峰和低谷的電價差,節省用電費用,從中可獲取經濟效益,因此戶用儲能主要集中在高電價及高電價差的國家或地區。國內用戶側以工商業儲能(占比65.55%)為主,產業園儲能、EV充電站的占比也在逐漸提升,在新增裝機中占比21.59%、2.55%。

  隨著“雙碳”目標進程,產業園的建設逐步從低碳轉向零碳園區,節能降碳壓力增高,園區需要通過增加新能源發電裝機比例或者直接購買綠電等方式滿足需求。但新能源發電的大量接入會沖擊園區用電的穩定性,因此通常需要增加儲能設備來維持用電穩定性。

  此外,園區企業用電量較大,峰谷價差不斷擴大的趨勢下,企業可通過加裝儲能充放電來降低整體用電成本,成為促進園區內企業裝機的動力。鄂爾多斯市零碳產業園,園區構建了“風光儲氫”綠色能源供應體系,80%的能源直接來自于風電、光伏和儲能,另外20%的能源通過電網回購綠電,實現100%的零碳能源供給。

  在電源、電網和用戶側的場景下,對儲能產生削峰填谷、參與調頻、平抑波動、提高傳輸能力、改善電能質量、提升運行穩定性、備用容量等多種應用需求。不同應用需求對要求的儲能類型(容量型、能量型、功率型)、響應時間、性能要求和放電時長要求也不盡相同。單一技術難以滿足所有要求,厚植多種技術路線發展的沃土。

  結合各個技術路線的性能參數,從供電可靠性、電網穩定性、削峰填谷需求和調頻輔助需求等角度,對鋰離子電池、壓縮空氣、液流電池和超級電容等技術進行比較。鋰離子電池在供電可靠性、電網穩定性以及削峰填谷方面都具有較好的表現,在調頻方面使用受限,這是由于頻繁充放電會導致鋰電池系統使用壽命過短并且易發生安全事故,而液流電池儲能系統在實現長時儲能調峰應用的同時可利用液流電池短時過載的能力實現短時的一次調頻功能,因此在調頻輔助方面與壓縮空氣表現最佳。超級電容和鉛蓄電池在供電可靠性、電網穩定性、削峰填谷方面表現也較為亮眼,然而超級電容受限于成本較高,鉛蓄電池則受限于使用壽命較短,且存在一定的環保污染。

  二、裝機規模方面,抽水蓄能強勢延續,鋰電池高歌猛進,壓縮空氣等新型技術蓄勢待發

  (一)全球儲能裝機規模持續增長,鋰電池等電化學儲能規模突破


  抽水蓄能以長壽命、運行成本低以及安全性方面的優勢,前期取得了較大規模的應用。伴隨著新能源配儲等大型儲能電站的應用,鋰電池儲能的規模隨之獲得了較快的增長。目前,除了抽水儲能外,還沒有一種儲能技術能同時滿足能量密度高、儲能效率高、壽命長、功率密度大、環境友好以及成本低等大規模應用的條件,因此抽水蓄能仍占有舉足輕重的地位。

  據CNESA統計,2022年全球已投運電力儲能項目累計裝機規模為237.2GW,同比增長15%。其中,抽水蓄能累計裝機規模占比79.3%,首次低于80%,與去年同期相比下降6.8%。鋰離子電池等新型儲能累積裝機規模達45.7GW,占比19.3%,同比增長80%。鋰電池累積裝機規模僅次于抽水蓄能,占比為18.2%,年增長率超過85%,在新型儲能中占據主導地位。

  截至2022年底,我國已投運電力儲能項目累計裝機規模為59.8GW,占全球市場總規模的25%。其中,抽水蓄能裝機量為46.1GW,累計裝機占比同樣首次低于80%,與去年同期相比下降8.3%。新型儲能累積裝機規模達13.1GW/27.1GWh,累計裝機規模首次突破10GW。鋰電池累積裝機規模僅次于抽水蓄能,占比為20.59%,在新型儲能中占據主導地位。而鋰電池受益于性能優勢,在大型儲能電站及工商業儲能系統中應用廣泛,裝機規模隨之高速增長。

  2022年,中國新增投運電力儲能項目裝機規模16.5GW,首次突破15GW,其中,抽水蓄能新增規模9.1GW,新型儲能新增規模創歷史新高,達到7.3GW/15.9GWh。新型儲能中,鋰離子電池占據絕對主導地位,比重達97%。此外,鉛蓄電池、壓縮空氣儲能、液流電池、飛輪、鈉離子電池等其它技術,在裝機規模上有所突破,應用場景和應用模式逐漸增多。

  (二)各技術路線分處不同應用階段,抽水蓄能及鋰電池已大規模應用

  從集成示范及應用規模來看,可將各技術路線分為研發小試、示范應用、商業推廣和大規模應用等階段,其中抽水蓄能和鋰電池已經處于大規模應用階段,鉛蓄電池、液流電池、鈉硫電池等也處于商業應用階段,而超級電容器、超導儲能等目前還處于研究和示范階段,距離大規模應用仍有一定距離。

  三、鋰電池等電化學儲能發展迅速,已成為新型儲能增量主要貢獻者

  (一)全球儲能市場處于增長階段,電化學儲能占比逐年上升


  2022年全球儲能累計裝機規模為237.2GW,其中電化學儲能累計裝機規模34.6GW,占比約為14.58%,中國電化學儲能累計裝機規模達到11GW。電化學儲能技術在海內外都獲得了快速發展,全球和中國的電化學儲能累計裝機規模在2017-2022年期間持續增長,并有進一步擴大的趨勢,抽水蓄能仍為主流,但電化學儲能占比逐年上升,未來幾年將貢獻全球儲能主要增量。

  國家能源局發布的《新型電力系統發展藍皮書(征求意見稿)》中,在規?;?、高安全性新型儲能技術裝備領域方面提出重點開展長壽命、低成本及高安全的電化學儲能關鍵核心技術、裝備集成優化研究,提升鋰電池安全性、降低成本,發展鈉離子電池、液流電池等多元化技術路線。

  (二)鋰離子電池綜合性能優越,是目前電化學儲能主流路線

  鋰離子電池綜合性能優越,具有儲能密度高、充放電效率高、響應速度快等優點,是目前發展最快的新型儲能技術,也是電化學儲能主流路線。鋰電池結構主要包括正極、負極、電解液和隔膜四大部分,正極材料約占整體成本的40%,負極材料、隔膜和電解液分別占約15%,20%,10%。

  根據正極材料的不同,鋰離子電池可分為鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池等。其中,磷酸鐵鋰電池的安全性、循環壽命、成本等各方面性能與儲能需求適配度高,已成為主要路線。

  鋰離子儲能電池已經建立了較為健全的產業鏈。產業鏈上游主要為原材料加工,中游為儲能鋰電池制造,下游為儲能多場景應用及鋰電池回收。

  1.儲能電池以磷酸鐵鋰電池為主,國內龍頭受益于磷酸鐵鋰路線認可度提升優勢凸顯

  據ICC統計,2023年1-6月,全球儲能電池(以鋰電池為主)產量98GW,同比增長115%,儲能電池出貨量102GWh,同比增長145%。從近年來的出貨量增速來看,據SNEResearch數據顯示,2021年全球儲能電池出貨量為44GWh,2022年出貨量達122GWh,同比增長177%,2023年上半年儲能電池出貨量已接近2022年全年水平,儲能電池出貨量增速明顯。大儲和工商業裝機需求增長帶動下,儲能電池去庫存明顯,庫存已處于正常水平。

  儲能電池的核心需求在于安全性高、成本低和使用(循環)壽命長,其次才是能量密度,因此磷酸鐵鋰路線相較其他鋰電池路線更具優勢,內驅外需推動下,儲能產業的快速發展也拉動磷酸鐵鋰電池正極材料需求。

  據中國汽車動力電池產業創新聯盟統計數據,2023年1-7月,我國儲能電池累計銷量達35.5GWh。其中磷酸鐵鋰電池累計銷量35.2GWh,我國儲能電池累計出口達7.3GWh,其中磷酸鐵鋰電池累計出口7.3GWh。

  與三元路線相比,磷酸鐵鋰在使用壽命、安全性、響應速度、成本等方面具備明顯優勢,更適用于儲能市場,磷酸鐵鋰電池已廣泛運用到大型儲能電站、通信基站、離網電站、微電網、軌道交通、UPS以及戶用儲能等多個場景。

  從代表性企業的出貨量來看,國內儲能電池廠商的業務進程加快,寧德時代和比亞迪市占比之和超50%,占據了半壁江山。韓國企業LG新能源及三星SDI出貨量急速下降。

  這一方面得益于國內雙碳目標的積極推進,各地積極發布和推進新能源配儲和補貼政策,國內儲能市場高景氣度,越來越多的動力電池企業加碼儲能業務布局,儲能領域出貨迅速攀升。

  另一方面,這與歐美等全球儲能市場由三元鋰向磷酸鐵鋰方向轉變相關,近年來磷酸鐵鋰容量性能提升及安全性、經濟性優勢凸顯,接受度日益提升。受益于磷酸鐵鋰在儲能系統占比提升,國內企業利用產業鏈優勢加快市場開拓。

  從上半年的出貨量格局來看,儲能頭部企業競爭格局較為穩定,同時面臨較大的競爭壓力,寧德時代2023年上半年市占率減小,比亞迪和億緯鋰能同比增速較大,已接近去年全年出貨水平。

  另外,伴隨著行業高景氣度,新玩家出貨量占比也在逐步提升,海辰儲能、遠景能源等均有較快的增長。未來2-3年,隨著主流電池企業的產能逐步釋放及新玩家的成長,市場競爭將進一步加劇。

  2.大型儲能電站以方形電池為主,電芯容量正向280Ah及以上快速迭代

  大容量280Ah及以上電池相比50、100Ah產品,體積能量密度更高,PACK端零部件使用量更少,可大幅節省成本投入。在鋰礦等原材料價格波動下,成本優勢明顯。生產制造方面,容量增大能夠有效簡化后續集成、裝配工藝流程,節約設備、能耗與人力。

  從需求端來看,280Ah大容量電池在大型儲能電站中滲透率較高,大型儲能電站業主和投資者對于280Ah大容量電池的關注度快速上升,中國能建、中國華電華能等業主在儲能電池招標中明確要求電池單體容量大于等于280Ah。

  供給端來看,自寧德時代2019年推出280Ah電芯以來,國內已有超10家儲能龍頭布局大容量儲能電芯產品。近期,億緯鋰能、雄韜股份、蜂巢能源、遠景動力、鵬輝能源、瑞浦蘭鈞、海辰儲能、南都電源等陸續發布280Ah及以上容量電池產品。

  容量向上突破的同時,280Ah及以上大容量電芯已經陸續量產交付。國軒高科2022年年報中顯示,循環壽命達萬次的300Ah儲能電池已經實現量產。遠景動力305Ah儲能電芯已在過去兩年里實現了規?;慨a交付。2023年2月,億緯鋰能量產LF560K儲能電池“超級工廠”于湖北荊門正式動工,產能將達60GWh。此外,LF560K超級工廠已在云南、青海等地建設,預計2024年Q2開啟全球交付。欣旺達公司2022年11月份在公開平臺上表示目前已有量產的280Ah電芯生產線。瑞浦蘭鈞宣布其320Ah儲能電芯將于Q3量產,蜂巢能源325Ah儲能電芯將在2023H2交付,南都電源305Ah儲能電芯將在2023實現量產。儲能大容量電芯量產競速外,眾多廠商基于儲能運用場景需求在電芯的能量密度、使用壽命、尺寸、制造工藝等方面持續拉鋸,儲能專用電池“呼之欲出”。億緯鋰能560Ah單只電池可儲存1.792kWh能量,循環壽命超過12000次;雄韜股份580Ah單顆電芯帶電量為1.856kWh,循環壽命達到10000次;遠景動力315Ah,實現“單顆電芯一度電”,同時循環壽命高達12000次,在尺寸不變的基礎上,較上一代產品能量密度提升了11%;海辰儲能320Ah體積能量密度385Wh/L、循環壽命10000次,在電芯成本,系統成本,整箱標配等多維度上探索更適配儲能市場應用發展模式。鵬輝能源320Ah儲能電芯單體容量相較于前一代電芯產品提升14%,循環壽命大于8000次,使用壽命超20年。

  逐漸提升能量密度將是磷酸鐵理正極未來的發展趨勢,目前通過預鋰化、硅碳負極等技術改進,磷酸鐵鋰電池能量密度可以突破200Wh/kg,電池單體到系統的體積成組效率從40%增加到60%。

  國軒高科在2021年發布的一款采用摻硅補鋰技術的磷酸鐵鋰電池,容量達到210Wh/kg。面向快速向前的儲能產業,大幅提高電池循環次數及使用壽命已成為行業重要發展方向。多家儲能電池企業都在加大投入開發循環壽命更長的電芯,行業內多家公司陸續推出循環壽命10000次甚至12000次的儲能電芯,此前行業內儲能電芯的循環壽命一般在6000-8000次。寧德時代、億緯鋰能、遠景動力、南都電源、蜂巢能源等相繼推出了12000次循環壽命的儲能電池產品。隨著電芯循環壽命的提升,有望顯著改善儲能電站度電成本(LCOS)。研究表明,電池使用壽命的增加,可以有效降低儲能系統在全生命周期的度電成本。

  數據顯示,當儲能電池的循環次數提升到萬次后,儲能成本有望降至1000元/kWh以下。據測算,儲能電池循環次數超過18000次,一天充放電兩次的情況下使用壽命約為25年,可與光伏壽命同步。

  目前我國的電化學儲能電站度電成本在0.5元/kWh以上,抽水蓄能電站度電成本在0.25元/kWh左右,若伴隨著使用壽命增長及原材料價格平穩,遠期電化學儲能電站LCOS有望降至0.3元/kWh左右,接近抽水蓄能的LCOS。億緯鋰能對外表示,LF560K儲能電芯配套儲能電站后,運營成本較常規的抽水蓄能電站更低,可滿足儲能大規模、高經濟性應用需求。

  方形儲能電池長薄化,疊片卷繞工藝形成競爭之勢。相較傳統卷繞生產工藝,280Ah以及以上容量電芯中疊片工藝使用率加速滲透。目前推出的大容量電芯產品中,蜂巢能源325Ah電芯、億緯儲能560Ah電芯、雄韜股份580Ah電芯、海辰儲能320Ah電芯均采用疊片工藝,?;履茉?75Ah儲能電芯采用疊片式卷繞工藝,南都電源305Ah儲能電芯采用四卷芯疊片工藝。據資料,億緯鋰能3.0堆疊技術可實現0.2s/PCS的疊片速率,單臺疊片設備產能1.3GWh,這能夠大幅度降低工廠的能耗、投資額和人工成本。

  蜂巢能源憑借“飛疊”技術,并基于短刀電芯結構打造325Ah儲能電池。疊片電池與大容量電池具有天然的兼容性,疊片電池的極耳數量是卷繞的2倍,極耳數量的增加能夠縮短電子傳輸距離,降低電阻,減少產熱,理論循環壽命更長;疊片工藝相較于卷繞工藝,單極片的長度縮短100倍;疊片電池封裝極片過程中不存在C角問題,能夠充分利用殼體邊角空間,提升體積和質量能量密度。

  因此疊片工藝的電池理論上擁有更高體積能量密度上限、更穩定的內部結構和更長的循環次數。全模切極耳數量變為兩倍,可解決電子電導的集流問題,提升電池快充性能。此外,疊片技術還可減少Pack零部件數量,提升電池集成度,有利于減少儲能系統占地面積和土建支出。

  總體看來,疊片工藝與大容量電池生產工藝的匹配度更高,但存在工藝難度大、設備投資成本高、良率低等劣勢。因此,亦有部分廠商仍采用卷繞工藝生產超280Ah容量電芯。鵬輝能源發布的320Ah儲能電芯、瑞浦蘭鈞的320Ah儲能電芯即采用卷繞工藝。目前,生產工藝上,疊片、卷繞正在280Ah及以上大容量電芯形成競爭之勢。

  隨著疊片工藝的成熟、國產疊片機效率提升,疊片電池技術在成本降低的同時效率有望提升。不久的將來,疊片工藝或將與卷繞技術在更多容量范圍內的儲能電池生產形成“相互競爭、相互補充”的態勢,此前,受限于生產效率低與投入成本高,疊片路線在鋰電池制造環節滲透緩慢。隨著疊片設備工藝不斷進步,疊片電池正在快速起量,為供應鏈相關企業帶來更大的市場空間,建議關注國產疊片機、極片沖切模具等技術設備的相關廠家。

  3.戶用儲能方面,大圓柱電池有望加速滲透

  2021年來,全球戶用儲能規模增速明顯,海外方面,歐美能源成本和電價持續攀升,疊加俄烏戰爭和海外大型停電事件,尤其是近年來極端天氣頻發,使得能源供給難度增加,居民用電需求和用電成本大增,戶用儲能市場超預期爆發。國內方面,隨著峰谷電價差擴大及戶用分布式光伏裝機進程,戶用儲能有望迎來爆發。預計未來幾年全球將迎來戶用儲能爆發新階段。

  另一方面,戶用儲能系統容量從3-5kWh向5-20kWh迭代,對戶用儲能電池的容量、功率、成本和壽命也提出了新要求。當前市場應用戶用儲能電芯主要包括方形、軟包及圓柱。電芯單體容量層面,方形容量范圍為50-100Ah,軟包為30-80Ah,圓柱為10-50Ah。由于戶儲應用場景對于容量和便攜性需求多樣,因此對于儲能電池靈活串并聯的要求較高,以磷酸鐵鋰材料為主的大圓柱電池憑借其靈活成組優勢性能凸顯。

  目前,大圓柱電池在儲能領域的規模應用進度明顯優先于動力板塊,尤其在戶儲市場滲透率突出,多家電池企業已經或計劃推出大圓柱戶用儲能專用電池。海辰儲能發布的大圓柱電池產品規格覆蓋4680-46300,單體容量則涵蓋10-50Ah,靈活適配性更強,滿足戶用儲能應用場景定制化需求。

  鵬輝能源針對戶用儲能市場同樣推出40135系列大圓柱電池,目前已經量產并已經收到客戶訂單,40135大圓柱電池采用全極耳結構、磷酸鐵鋰低溫超導和全周期動態均衡技術,具備超強動力、超長續航、寬溫程使用等優異性能,主要應用在戶用儲能、便攜式儲能領域,目前正在開發46系大圓柱電池,未來可應用在戶儲領域。

  大圓柱電池規格較多,尚未形成主導標準,布局企業從0到1機遇。區別于三元大圓柱電池尺寸多為46系列,戶用儲能市場目前多家企業產品的型號和規格略有不同。

  如鵬輝能源、億緯鋰能生產的大圓柱電池主要為40135型號(直徑40mm,高度135mm),而海辰儲能大圓柱電池4680-46300則是基于46mm直徑,高度則覆蓋80-300mm。其余廠家大圓柱電池產品直徑從26-60mm不等都有布局。目前戶用電池正處于發展初期,戶儲產品應用場景豐富,需要適配不同場景產品需求,因此尚未形成統一標準。戶用電池尚處發展初期,各公司處于探索階段,未來新進企業可以通過融資、產品差異化開發、銷售渠道拓寬等方式實現彎道超車,關注戶用電池企業從0到1機遇。

  結合市場需求和技術迭代來看,大圓柱正成趨勢。相較于傳統小圓柱電池,大圓柱電池尺寸增加,單體電池的容量更高,后續PACK組成串并聯和結構件減少,有利于降低成本。大圓柱磷酸鐵鋰電池受到戶儲市場的青睞,一方面是得益于制造工藝和材料體系優化使得大圓柱電池在成本、容量、性能、循環和安全方面優勢凸顯,另一方面結構上創新使用全極耳技術,大幅提升了電池充電、放電的倍率性能。

  全極耳技術賦能磷酸鐵鋰大圓柱電池,充放電性能及安全性顯著提升。“全極耳”技術是實現高功率密度的重要路徑,傳統的圓柱體電池極耳為銅箔和鋁箔兩端焊接的導引線,而全極耳是把整個正負極集流體全部作為極耳,通過集流體與電池殼體或電池蓋板進行全面積連接,可大幅降低電池內阻和發熱量,從而解決高能量密度電芯的發熱問題,并提高充放電峰值功率。乘用車用大圓柱電池普遍采用了多極耳或者全極耳方式,以特斯拉4680電池為例,相較于此前2170電池,電池電芯容量是2170的5倍,充電功率提高6倍。目前具備該技術的企業也把技術移植到戶用儲能的大圓柱磷酸鐵鋰電池上,如億緯鋰能和鵬輝能源的40135大圓柱磷酸鐵鋰電池均采用了全極耳。全極耳電池極耳接觸面積變大,焊接區域由線變為面,焊接量增多的同時對一致性要求也更高,焊接難度增大。全極耳焊接點位增加,焊接難度變大疊加電池的需求量增大,預計大圓柱電池的規?;瘧脤呱附有枨笤鲩L,建議關注國內焊接設備龍頭,如激光焊接、超聲波滾焊等設備廠商龍頭。

  大圓柱電池循環壽命瞄準5000次門檻,向更高目標突破。傳統圓柱電池的循環壽命在2000次左右,使用壽命短成本高。使用壽命作為儲能電池的關鍵指標,大圓柱電池較傳統圓柱電池大幅提升,部分企業已經將循環壽命瞄準5000次甚至更高次數,以實現戶儲產品可滿足10年甚至更久的使用需求。億緯鋰能40135圓柱電池循環次數4000次。海辰儲能大圓柱電池4680-46300,采用GI系統設計、曲率張力耦合設計、3D1nfil邊界設計等,提升大圓柱電池電化學反應環境,循環次數超5000次。大圓柱電池在成本、壽命、安全和后續配組等方面的優勢不言而喻。目前,多家電池企業針對戶用儲能、便攜式儲能應用場景需求,開始重點布局大圓柱磷酸鐵鋰電池。未來,隨著產品在性價比、安全性和便攜性方面逐步被驗證,預計會有更多企業參與,大圓柱磷酸鐵鋰電池放量有望帶動戶用電池供給端“變革”。

  (二)鈉離子電池容量逼近磷酸鐵鋰電池,資源優勢顯現,有望在儲能等領域與鋰電池互補

  鈉離子電池與鋰電池各有優勢,有望在儲能等領域對鋰電池形成補充。鈉離子電池由于其資源豐富、低溫性能好、充放電速度快等優點,得到了儲能領域的高度關注。從性能來看,鈉離子電池能量密度、循環壽命低于鋰電池,但其在低溫性能、快充方面更優;從成本和資源可獲得性來看,鈉元素儲量豐富,鈉離子電池材料成本低于鋰電池。

  鈉離子電池組成與鋰離子電池類似,主要由正極、負極、電解液、隔膜幾大部分組成。目前,常用的鈉離子正極材料主要為層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍類似物三類。其中,層狀氧化物與三元材料類似,聚陰離子化合物結構則更接近磷酸鐵鋰,普魯士藍/白化合物是鈉電新增路線。

  層狀氧化物與其他兩種路線相比,電化學性能最為優異,理論比容量約240mAh/g,原料來源廣、結構簡單且合成方便,可復用鋰電路線程度高,產業傳導路徑順暢,最先具備產業化基本條件,目前發展最為成熟,走在產業化最前列。普魯士藍/白化合物成本低、倍率性能好,但體積能量密度低且除水困難。聚陰離子化合物循環性能好,但成本高、能量密度低、倍率性能差。鈉離子電池的負極主要為硬碳、軟碳和復合無定型碳材料等,其中硬碳儲鈉量高但成本也較高,是目前主流路線,而軟碳成本相對較低但儲鈉量也較低。電解液以六氟磷酸鈉為主流路線,與六氟磷酸鋰原理類似,產線兼容度也較高,量產難度低。

  2022年鋰資源價格波動較大,鈉離子電池產業鏈加速發展,正負極工藝路線研究活躍,多家企業已開展產業化布局。未來鈉離子電池在儲能領域可憑借資源及成本優勢占據一席之位。

  2019年,中科院物理研究所和中科海鈉研發團隊共同完成的100KWh鈉離子電池儲能電站示范運行,為世界首座100KWh級鈉離子電池儲能電站。目前已有多項鈉離子電池示范應用項目完成備案、建設和已投入運行。

  (三)長時儲能需求帶動全釩液流電池發展,降本增效成為規?;l展需跨過的首要目標

  隨著“源網荷儲一體化”發展,以新能源+儲能為主體的新型電力系統對于長時大容量儲能需求增加。全釩液流電池具有循環壽命長、電解液可循環使用、容量大、自放電率低、生命周期經濟性好及環境負荷低,原料易回收等優點,并能夠突破鋰離子電池在長時儲能方面的限制,因此具有一定的發展空間。液流電池通過電解液循環流動為電池供給活性物質,主要有全釩液流電池、鋅溴電池、鐵鉻電池、多硫化鈉溴電池4種技術路線,其中全釩液流電池的技術成熟度和產業鏈建設完善度相對較高。

  全釩液流電池是安全可靠的大容量長時儲能方案,其工作原理為利用不同價態的釩離子相互轉化實現電能的充放。全釩液流電池系統包含電堆、電解液和電解液儲罐、循環模塊及控制系統等。電解液為不同價態的釩離子溶液,分別儲存在正負極的電解液儲罐中,充放電時,電解液經泵作用從電解液罐循環流經電池的正、負極室,發生氧化還原反應,從而實現充放電。電堆由電極、離子交換膜、雙極板、電極框等材料構成。電解液是電池系統的核心,也是成本的主要組成,占全電池系統成本的41%。

  全釩液流電池產業鏈上游主要是原材料的供應和加工,核心原材料主要為釩礦、釩鈦磁鐵礦制備的五氧化二釩,中游包括電池系統的能源單元、功率單元及配套系統。性能方面,全釩液流電池的優勢表現為循環壽命極長和容量規模易調節。全釩液流電池通過電解液中釩離子發生氧化還原反應價態變化實現電能的存儲和釋放,得益于充放電原理,理論上全釩液流電池可進行無限多次的充放電。目前循環次數可達15000次以上,使用年限可達20年以上。

  全釩液流電池的儲能容量由電解液容量和濃度決定,輸出功率由電堆大小和數量決定,因此其儲能容量和輸出功率可靈活調節。但其能量密度相對較低,一般為15-50Wh/kg,同鉛酸電池相當,與鋰電池電池相較較低。因此全釩液流電池儲能系統實際占地面積較大。但新能源配儲等大型儲能電站一般建設于遠離城市、地廣人稀的區域,因此用地壓力不大,考慮全釩液流電池在安全性、環保等方面的優勢,在大型儲能建設的應用方面有較大空間。安全性方面,全釩液流電池安全性較高,一方面電池工作溫度范圍為5-40℃,在室溫范圍;另一方面電解液為釩離子的稀硫酸水溶液,電池所有部件基本上都浸泡在溶液當中,溶液有助于散熱,只要控制好充放電電壓,保持電池系統存放空間通風良好,即可保證安全,不存在類似鋰電池起火失控等問題。

  全釩液流電池原材料釩資源儲量豐富,約95%分布在中國、俄羅斯和南非,國內發展全釩液流電池資源優勢凸顯。全釩液流電池在使用過程中通常不會產生環境污染物質,也不會受外部雜質的污染,回收處理的難度低。融科儲能建設的遼寧法庫國電龍源臥牛石風電場5MW/10MWh全釩液流電池儲能系統2012年12月并網運行,目前已運行超10年,是至今全球運行時間最長的兆瓦級以上全釩液流電池系統,驗證了全釩液流電池儲能系統的長壽命、安全性和穩定性。

  自2022年以來,全釩液流電池儲能項目規模增速加快,尤其是2023年上半年,國內簽約釩液流儲能項目已超10個,合計裝機功率超3GW,是2022年已投運釩電池儲能裝機規模的10倍以上。

  目前,初始投資成本較高是制約全釩液流電池大規模商業化應用的最大挑戰。1-10h不同儲能時長的初始投資成本為2100-7500元/kWh。2h左右儲能時長全釩液流電池系統的初始投資約為4500元/kwh,成本約為鋰電池的近2倍。

  成本是制約全釩液流電池發展的核心問題,而電解液成本是全釩液流電池系統成本的大頭。全釩液流電池的能量密度低,因此同規模下電池的電解液使用量較大,總成本較高。儲能時長為4h的全釩液流電池儲能系統,初次投資成本約為3000元/kWh,其中電解液成本(價格)約占系統總成本的50%;而對于儲能時長為10h的儲能系統,初次投資成本約為2100元/kWh,電解液的成本占系統總成本的70%。但由于電解液在循環過程中耗損較低,因此回收利用率較高。一旦借助合適的商業模式,可有效降低電解液模塊的成本,從而有效解決全釩液流電池初始投資較高的問題。

  推廣電解液租賃模式有望降低電解液初始投資成本,推動電解液供給方、儲能電站業主等多方收益。2020年9月,英國全釩液流電池供應商Invinity和美國釩生產商Bushveld公司合作創立的VERL(VanadiumElectrolyteRentalLimited)公司簽訂合同,為PivotPower提供十年的電解液租賃。國內的公司也推出電解液租賃解決方案,如普能公司,業主只需承擔首次投資和電解液的定期租賃費用,電解液租賃模式已在“樅陽海螺水泥6MW/36MWh全釩液流電池儲能項目及湖北棗陽10MW光伏+3MW/12MWh全釩液流電池儲能項目中順利應用。據測算,租賃模式的初始投入約是購買模式的一半,未來電解液租賃模式將成為推動釩電池儲能商業應用的重要模式。

  另外,電堆的材料成本主要來自于離子交換膜等材料,目前離子交換膜很大程度依賴進口,后續原材料降價疊加技術進步和離子交換膜等材料的國產化有望推動電堆成本下降。

  隨著長時儲能技術路線的需求增長,釩液流電池迎來發展空間,隨著電站等儲能系統時長拉長、電解液租賃模式推廣、離子交換膜等關鍵材料國產替代,全釩液流電池有望突破初始投入成本方面的限制,關注全釩液流電池的規模爆發。重點關注全釩液流電池的產業鏈龍頭如釩礦資源企業、離子交換膜等關鍵材料國產替代企業、電解液生產及布局新興電解液租賃模式的相關企業。

  四、儲能產業增量空間廣闊,新型儲能技術發展高成長確定性強

  需求高景氣疊加應用場景多元,儲能技術路線競相發展。儲能技術路線百花齊放,技術參數各有千秋。儲能在電力系統中的發電側、電網側及用戶側均有應用,多元應用場景厚植多種技術路線發展沃土。抽水蓄能以長壽命、運行成本低以及安全性方面的優勢,前期取得了較大規模的應用。儲能電站等建設高景氣催生鋰電池裝機規模高歌猛進,壓縮空氣等新型技術蓄勢待發。

  據統計,2022年全球已投運電力儲能項目累計裝機規模為237.2GW,其中抽水蓄能累計裝機規模占比79.35%,首次低于80%,鋰離子電池等新型儲能累積裝機規模達45.7GW,占比19.3%,同比增長80%。

  1、鋰離子電池綜合性能優越,也是電化學儲能主流路線。鋰離子電池具有能量密度高、充放電效率高、響應速度快等優點,是目前發展最快的新型儲能技術。鋰離子儲能電池正極材料以磷酸鐵鋰為主,在2023年1-7月儲能電池累計銷量及出口量中均占比超99%,國內龍頭受益于磷酸鐵鋰路線認可度提升優勢凸顯,關注磷酸鐵鋰儲能電池產業鏈相關龍頭企業。

  大型儲能電站使用的儲能電池以方形電池為主,電芯容量正從280Ah向300Ah甚至更高快速迭代,關注布局280Ah及以上大容量及儲能專用電池的相關企業。方形電池長薄化,疊片卷繞工藝形成競爭之勢。疊片電池快速起量趨勢下,伴隨疊片設備工藝技術進步,供應鏈相關企業市場空間較大,建議關注國產疊片機、極片沖切模具等技術設備的相關廠家。

  戶用儲能方面,大圓柱電池加速滲透。多因素推動下,戶用儲能有望爆發,大圓柱磷酸鐵鋰電池在應用性能、安全性、循環壽命等方面優勢較強,大圓柱磷酸鐵鋰電池放量有望帶動戶用電池供給端“變革”,關注布局戶用大圓柱磷酸鐵鋰電池相關企業,尤其是在全極耳、循環壽命提升方面具有技術壁壘的企業。

  2、鈉離子電池容量逼近磷酸鐵鋰電池,資源優勢顯現,有望在儲能等領域對鋰電池形成補充。從性能來看,鈉離子電池能量密度、循環壽命低于鋰電池,但其在低溫性能、快充方面更優;從成本和資源可獲得性來看,鈉元素儲量豐富,鈉離子電池材料成本較鋰電池有所降低。三種主要路線中,層狀氧化物與三元材料類似,聚陰離子化合物結構則更接近磷酸鐵鋰,普魯士藍/白化合物為鈉電新增路線。層狀氧化物電化學性能最為優異,理論比容量較高,原料來源廣且合成方便,可復用鋰電路線程度高,產業傳導路徑順暢,最先具備產業化基本條件,目前發展最為成熟,短期關注布局層狀氧化物路線相關企業。

  3、隨著長時儲能技術路線需求增長,全釩液流電池迎來發展空間。全釩液流電池具有循環壽命長、容量大、生命周期經濟性好及環境負荷低等優點,并能夠突破鋰離子電池在長時儲能方面的限制,因此具有一定的發展空間。目前初始投資成本較高是限制其發展的重要因素,隨著電站等儲能系統時長拉長、電解液租賃模式推廣、離子交換膜等關鍵材料國產替代,全釩液流電池有望突破初始投入成本方面的限制,關注全釩液流電池的規模爆發。重點關注全釩液流電池的產業鏈龍頭如釩礦資源企業、離子交換膜等關鍵材料國產替代企業、電解液生產及布局新興電解液租賃模式的相關企業。


  精選報告來源:未來智庫

  報告出品方/作者:粵開證券,陳夢潔、儲楊陽、楊騰飛
 

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