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储能市场概况(上):主要的储能技术

2023年12月29日

编辑:Ana Hu

中国出海半导体网

 

上一篇文章中,我们了解了中国储能行业发展的背景情况,在今天的分享里,中国出海半导体将为您呈现储能市场的技术现状,储能方式有哪些?以及新型储能技术的发展情况。

 

储能方式有哪些?

根据能量存储形式的不同,广义储能技术主要分为热储能、电储能、氢(氨)储能三大类,其中,电储能包括电化学储能、机械储能和电磁储能。目前在电力系统的储能项目中,抽水蓄能仍是主要方式,但以电化学储能为代表的多种新型储能方式正迅猛发展(图1)。

图1:储能技术分类图1:储能技术分类

 

传统储能:抽水蓄能目前为主流但未来发展空间可能受限

 

抽水蓄能,即利用水作为储能介质,通过电能与水的势能转化,实现电能的储存与释放。通常而言,抽水蓄能电站由存在一定落差的上水库、下水库和连接两个水库的引水系统、地下厂房(可逆式水轮机组)组成。当电力负荷处于低谷,或风能、太阳能等新能源持续工作时,电站通过位于地下厂房的可逆式水轮机组利用电力系统多余的电能把水抽至上水库以势能的形式储存起来。在电力负荷高峰期,或风、光等新能源停止工作时,把上水库的水放至下水库发电,实现水能到电能的转化,输送给电网。

从组成结构来看,抽水蓄能电站在普通水力发电站的基础上增设了实现下水库到上水库输水的管道和相应的水泵系统,其犹如一个大型清洁能源“蓄电池”,在无过多燃料消耗的同时,有效地提高了电网的安全性、经济性和可靠性。同时,抽水蓄能具有技术成熟、储能容量大、系统效率高、运行寿命长、安全性能高等优势,是当前商业化程度较高、应用范围较广的主流储能技术1,2。从国际市场来看,抽水储能占据绝对领先地位,截至2020年底,抽水蓄能装机规模占电力储能项目总规模的94%3。其中,中国已基本形成关于抽水蓄能的全产业链发展体系和专业化发展模式。据IRENA统计,截至2021年12月底,我国抽水蓄能累计装机容量已达36.4GW,同比增长15.6%,已建和在建规模位列世界首位。美国和日本分别位列第二和第三,累计装机容量约达21.9GW,德国、印度、韩国等国家也在抽水蓄能领域有诸多实践,累计装机容量均达4.7GW以上(图2)。

图2:2021年全球主要国家的抽水蓄能累计装机容量,GW图2:2021年全球主要国家的抽水蓄能累计装机容量,GW

 

从行业格局来看,我国已投运的抽水蓄能电站,由国家电网公司下属的国网新源和南方电网下属的双调公司占据主要份额4。截至2021年底,国网新源公司在运和在建抽水蓄能规模分别为2,351、4,578万KW,在抽水蓄能开发建设及运营市场中占据绝对领导地位5。冬奥期间,国网新源河北丰宁抽水蓄能电站投产发电,其装机容量、储能能力、地下厂房及洞室群规模均位列世界第一,成为北京冬奥场馆实现100%绿电供应的坚强保障,未来也将为京津冀协同发展提供绿色动能6,7

在“双碳”目标的驱动下,能源结构变化、低碳清洁新能源推广等使得抽水蓄能的重要意义日益彰显。2021年9月,国家能源局发布《抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035年)》,抽水蓄能被列为“三最”8的储能方式,肯定了抽水蓄能在储能领域的重要性,随后国家系列配套政策相继出台,产业投资热情点燃,成为行业发展风口期。目前,可变速抽水蓄能、大容量超高水头抽水蓄能、抽水蓄能与新能源联合运行控制、海水抽水蓄能以及基于废弃矿洞的抽水蓄能等技术成为研究热点。2022年4月,国家发展改革委、国家能源局联合印发通知,部署加快“十四五”时期抽水蓄能项目开发建设,切实推进抽水蓄能的规模化发展。

但抽水蓄能电站的建设受地形因素限制,如上下水库需满足约40-600m的高度差、水库需具备一定的容量9,且建设周期较长,通常需要7年左右,未来随着电化学储能等新型储能造价的下降,抽水蓄能在电力系统中的发展空间可能受限。

 

新型储能:电化学储能成为产业新动力,未来磷酸铁锂电池、液流电池等有望进一步打开市场空间

 

新型储能主要包括电化学储能、热(冷)储能、压缩空气储能、飞轮储能和氢(氨)储能,不同新型储能技术内在特性不尽相同,各有其优缺点和适用场景(表1)。其中,电化学储能功率范围较广、能量密度高,相较其他新型储能技术成熟度更高,因此适用场景更广泛。此外,相较抽水蓄能来说,电化学储能安装更为便捷、不受区位限制,正迎来广阔发展前景。

表1:主要新型储能技术对比表1主要新型储能技术对比10

 

 

结合2021年全球及中国新增储能装机规模情况来看(图3),电化学储能有望成为拉动储能产业发展的新动力。根据中关村储能产业技术联盟(简称CNESA)数据,2021年全球新增储能装机18.3GW,电化学储能新增10.2GW,占比达56%。中国的数据也体现出了电化学储能在储能市场中的重要地位,2021年中国新增储能装机10.5GW,电化学储能新增2.3GW,占比达13%。

图3:2021年全球及中国市场新增储能装机规模及构成,GW图32021年全球及中国市场新增储能装机规模及构成,GW

 

电化学储能装机规模中又以锂离子电池为主导,根据中国电力企业联合会(简称中电联)数据,截至2022年底,中国累计投运的电化学储能项目中锂离子电池占比为89.5%,其中磷酸铁锂电池占比88.7%(图4)。

图4:截至2022年底中国电化学储能电池类型累计占比图4截至2022年底中国电化学储能电池类型累计占比

 

相较其他类型的电化学储能技术,锂离子电池具有响应速度快、容量大、污染小、寿命长等优点,可广泛应用于风电光伏等新能源发电侧配储和用户侧储能,是近年来发展最快的电化学储能技术之一(表2)。锂离子电池占比高,但其在大规模应用过程中也存在热失控、易燃等安全隐患。据全国能源信息平台报告不完全统计,近10年全球共发生70余起储能电站起火爆炸事故,事故电池种类多为三元锂离子电池(主要指正极材料包含镍、钴、锰/铝三种金属元素的电池类型)11。2022年6月,国家能源局发布《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022年版)(征求意见稿)》,提出中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池,不宜选用梯次利用动力电池,这意味着,未来安全性更高的磷酸铁锂电池、液流电池等有望进一步打开市场空间。

表2:主要电化学储能技术对比表2主要电化学储能技术对比

 

新型储能技术适用场景各异,聚焦三大降本思路促进规模化应用

 

从技术成熟度角度来看,中国目前是全球储能技术基础研究最活跃的国家之一,锂离子电池、铅蓄电池、液流电池、超级电容、压缩空气储能、热(冷)储能等技术已达到或接近世界先进水平,飞轮储能与世界先进水平尚有一定距离(表3)。

表3:2021年中国主要储能技术研发进展表32021年中国主要储能技术研发进展

 

在推动技术规模化应用过程中,需要针对不同的应用场景,筛选出能够满足电网高安全性、大规模、长寿命、低成本、高效率等需求的主流技术(表4)。从场景适用性角度分析,除了电化学储能技术的市场前景值得关注外,压缩空气储能、飞轮储能、氢(氨)储能等的商业化潜力同样不容小觑。例如,压缩空气储能被视为抽水蓄能的最佳替代品,两者同属于机械储能,具备容量大、寿命长等优点,而压缩空气储能选址条件更宽松,对生态环境影响更小,适用于电网削峰填谷、集中式可再生能源并网等大容量长时储能场景。飞轮储能瞬时功率大,具有毫秒级响应速度和分钟级放电时间,更适合电网调频、改善电能质量等高频短时场景。此外,氢(氨)储能近来愈发受到关注,原理是利用“电-氢-电”的互变性实现能量存储和释放,具有清洁低碳、存储时间长、运输距离远等优势,在大规模长距离能量储运场景中优势明显。

表4:各类储能应用场景适用技术种类表4各类储能应用场景适用技术种类

 

不难看出,各类新型储能技术在应用上既有替代性又有互补性,这是推动新型储能多元化发展的重要前提。不过也应注意到,现阶段中国主流储能形式仍是抽水蓄能,原因是电化学等新型储能的度电成本较高(图5),也是当前制约新型储能规模化应用的关键瓶颈之一。

图5:术度电成本对比,元/kWh图图5:术度电成本对比,元/kWh图12

 

以化学储能为例,储能系统由电池组、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)和储能变流器(PCS)以及其他电气设备组成,其中电池组的成本占比近60%13,是储能系统降本的关键。根据《“十四五”新型储能发展实施方案》提出的目标,到2025年,电化学储能系统成本将降低30%以上。对此,业界提出的技术降本思路主要有三:一是注重提升电池组循环寿命;二是合理降低供应链成本,例如实现低成本材料替代;三是优化储能冷却和集成方式等技术,提升储能系统整体效率14

 

1 陈海生,李泓等.2021年中国储能技术研究进展[J].储能科学与技术,2022,11(03):1052-1076.DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0105.

2 武魏楠.抽水蓄能冷与热[J].能源,2022(07):10-16.

3 水电水利规划设计总院、中国水力发电工程学会抽水蓄能行业分会等.抽水蓄能产业发展报告2021[EB/OL].2022年6月24日

4 华经情报网.2021年中国抽水蓄能行业发展现状及市场竞争格局分析[EB/OL].2022年3月8日

5 水电水利规划设计总院、中国水力发电工程学会抽水蓄能行业分会等.抽水蓄能产业发展报告2021[EB/OL].2022年6月24日

6 世界规模最大的抽水蓄能电站投产发电[EB/OL].2021年12月31日

7 北京冬奥为能源转型加速[EB/OL].2022年2月11日

8 “三最”指技术最成熟、经济性最优、最具大规模开发条件。

9 胡雨龙,马锦彪.我国抽水蓄能行业前景展望[J].水电站机电技术,2021,44(12):54-56.DOI:10.13599/j.cnki.11-5130.2021.12.022.

10 性能参数并非绝对精确,但可供读者从性能参数的数量级层面对比分析各项技术特性。随着储能的发展,电化学储能电站规模由MW向GW级别跃升,例如,2022年10月开工的“汇宁时代江门(台山)核储互补电化学储能电站”项目规模为1.3GW/2.6GWh。

11全球储能领域发生70多余起储能安全事故汇总,索比储能网,2022年11月1日

12 评价指标为目前国际上通用的基于储能全生命周期建模的储能平准化度电成本(LCOS),详细测算过程参见《英大证券-储能行业深度报告:六类储能的发展情况及其经济性评估》

13 电芯上涨“搅扰”储能市场影响几何?高工锂电网,2022年4月18日

14 技术创新驱动储能产业降本,国际储能网,2022年5月19日

 

报告来源:毕马威分析

 

 

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