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      雷石產業觀察 | 鋰電儲能,新能源革命的必由之路

      雷石投資   |   雷石投資
      2022-11-30 15:30:06

      無論全球還是中國,儲能系統的市場規模都在快速增長,而鋰電儲能則成為市場主流。在能量密度、系統安全性等方面的技術進步,使得鋰電池在儲能方案中得到廣泛應用,但仍有進一步技術創新的很大空間。

      無論全球還是中國,儲能系統的市場規模都在快速增長,而鋰電儲能則成為市場主流。在能量密度、系統安全性等方面的技術進步,使得鋰電池在儲能方案中得到廣泛應用,但仍有進一步技術創新的很大空間。


      圖片

      《聯合國氣候變化框架公約》第二十七次締約方大會(COP27)剛剛在埃及沙姆沙伊赫落下帷幕。各國政要、民間組織、企業界人士每年都會像這樣聚集在一起,探討如何通過節能減碳實現人類社會的可持續發展。

      要實現碳達峰和碳中和的“雙碳”目標,用戶側的電氣化和發電側的清潔化是大勢所趨,因此風能、太陽能等清潔能源的占比將大幅度提升。

      與水電和火電相比,風能和太陽能的最大弱點是具有間歇性且不穩定,無法與用戶需求節奏同步,給電網的長期穩定運行帶來極大挑戰。要想徹底解決這一問題,唯一辦法就是利用儲能系統。除了發電側,儲能系統在用戶側也可以發揮增容扛峰、節能電費、提升系統安全性等作用。

      因此,無論全球還是中國,儲能系統的市場規模都在快速增長,而鋰電儲能則成為市場主流。在能量密度、系統安全性等方面的技術進步,使得鋰電池在儲能方案中得到廣泛應用,但仍有進一步技術創新的很大空間。光伏+儲能的新能源體系正在形成

      對于儲能系統,普通人其實并不陌生,甚至時時都在使用它,因為可充電電池就是典型的儲能產品。隨著電動汽車的普及,電池的應用范圍就更廣了,容量也變得更大了。

      不過由于產品特性和應用場景的差異,電動汽車所使用的電池通常被稱為動力電池,與大規模儲能電池是兩類不同的產品。以寧德時代為例,其在動力電池和儲能電池兩個業務領域都有涉足。2022年上半年,其儲能系統的營收增速達到171%。

      市場研究公司的數據顯示,2016-2020年全球儲能市場裝機量的年均增速為46%,2020-2027年預計為35%。到2025年,全球儲能鋰電池的裝機規模有望達到174GWh,而2027年則將增長為212GWh。

      在中國,鋰電儲能市場的增長速度更快。工信部的數據顯示,2022年上半年全國儲能鋰電池產量達32GWh,同比增長113.3%。

      儲能市場的快速增長,是與光伏在新能源領域占比的增加相伴而生的。通過光伏來發電、利用鋰電來儲能,正在成為成熟的新能源體系。

      2022年8月,工信部也發布了《關于推動能源電子產業發展的指導意見(征求意見稿)》,提出要通過“智能光伏+新型儲能”模式,來推動我國能源電子產業的發展。為此,將推動完善光伏發電等價格形成機制,研究制定儲能成本補償機制;并培育一批國家級智能光伏示范項目,打造一批提供光儲融合系統解決方案的標桿企業。

      儲能系統的技術發展走向

      自從有了能源,尤其是發明了電力之后,人類就一直在儲能領域不斷進行探索。目前可以應用的儲能方式有很多種,最常見的是機械儲能和電化學儲能。

      機械類儲能的形式有抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等。

      在發電側應用最多的是抽水蓄能,比如北京十三陵-莽山抽水蓄能電廠。其工作方式是在用電低谷時,利用過剩電力將水從低處抽到高處實現儲能;在用電高峰時,則將高處的水回流發電。

      在用戶側應用最多的則是壓縮空氣儲能。很多高標準數據中心采用壓縮空氣儲能來實現后備供電,一旦斷電就可以通過釋放壓縮空氣來發電,保證數據中心的正常運行。

      電化學儲能就是我們通常所說的電池儲能,由于技術日益成熟,近年來成為儲能市場的關注重點,并得到廣泛應用。

      常見的電池種類有鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等,其中鋰離子電池因兼具高的能量密度、高的功率密度與優異的循環穩定性,在儲能系統中得到最為廣泛的應用。

      隨著電動汽車保有量的增長,退役的動力電池也成為儲能電池的一個來源。這有助于實現動力電池的梯次利用,并降低儲能系統的投資成本,但能否成為成熟的商業模式,仍有待市場的檢驗。

      此外,新興電池技術,比如鈉離子電池、鉀離子電池和氫燃料電池等,因低廉的成本與豐富的資源,亦可望在儲能市場占據一席之地。

      從鉛酸電池到鋰電池的轉變

      此前被廣泛采用的儲能電池是鉛酸電池。鉛酸電池的電極主要由鉛及其氧化物制成,電解液則是硫酸溶液,故此得名。鉛酸電池的歷史超過150年,但在儲能系統中應用的缺陷明顯:能量密度與功率密度低、環境污染。

      儲能系統近年能夠快速興起,在很大程度上得益于鋰電池技術的進步。鋰離子電池只有30年的歷史,主要依靠鋰離子在正極和負極之間可逆穿梭實現電能的儲存與轉換。相比鉛酸電池,鋰電池具有環保、高效、高能、占用空間小等優勢,非常適合作為儲能系統使用。

      隨著高鎳方案、大模組CTP方案等技術的快速迭代,以及大規模生產,鋰電池的成本不斷下降。在過去10年里,鋰電池的成本已經下降了88%,為廣泛普及奠定了基礎。

      目前,鋰電池的單體成本雖然是鉛酸電池的4-5倍,但其比容量更高,并且可以實現100%的容量釋放,此外展現了良好的倍率性能,而高倍率鉛酸電池15分鐘只能釋放42%的電能。再加上鋰電池無需電池組保護開關、電池架連接電纜,因此鋰電池的TCO與鉛酸電池相比差異并不大,而性能更為突出。

      技術進步推動能量密度逐步提升

      鋰電池能夠在儲能系統中得到廣泛應用,在很大程度上得益于其在能量密度方面的不斷進步。CTP技術、高鎳技術、富鋰材料等技術突破,正在推動著鋰電池性能的逐步提升。

      CTP技術即電池到電池包(Cell To PACK),將電池直接集成到電池包中,省去了中間的模組架構(比亞迪模式)或者采用大模組(寧德時代模式),從而簡化了電池包的結構,提高了空間利用率,將磷酸鐵鋰電池的能量密度提升到160Wh/kg。

      高鎳三元則是先進的正極材料技術。鎳元素有助于提高比容量和能量密度,鈷有助于提高電導率和倍率性能,高鎳低鈷化使得電池比容量提高。高鎳三元鋰電池的能量密度達到250Wh/kg,導入超高鎳正極材料后可以超過300Wh/kg。

      富鋰材料被認為是面向未來的正極材料技術。其具有大比容量(≥250mAh/g)和高放電電壓(3.8V),理論能量密度高達900Wh/kg。

      不過,要實現大規模儲能應用,鋰電池仍存在諸多不足,包括價格偏高、鋰資源匱乏、安全性需要進一步提升等。因此,改進鋰電池技術、研發新型電池,仍非常必要。

      在《關于推動能源電子產業發展的指導意見》中,工信部也提出要加強新型儲能電池產業化技術攻關,推進先進儲能技術及產品規?;瘧?,研究突破超長壽命高安全性電池體系、大規模大容量高效儲能、交通工具移動儲能等關鍵技術,加快研發固態電池、鈉離子電池、氫儲能/燃料電池等新型電池。

      安全性拉動用戶側儲能市場

      在發電側和電網側,鋰電儲能系統的價值比較容易理解,也得到了廣泛應用。相比而言,用戶側儲能市場,則受到了普遍的忽視,其實價值空間更大,未來成長機會也多。典型的用戶側儲能場景包括:數據中心、通信基站、電動汽車充電站,甚至于家庭光伏儲能等。

      我們以數據中心場景為例來說明。數據中心是典型的耗能大戶,而且隨著數字經濟的發展,數據中心的數量也越來越多。

      儲能系統可以給數據中心運營商帶來節能減碳、增容抗峰、差價套利、改善電能質量等收益。在節能減碳方面,借助儲能系統,數據中心可以充分利用自建或者外采的光伏和風能等綠色能源;在增容扛峰方面,在數據中心負載過大時,儲能系統可以與電網一起為負載供電;在差價套利方面,則可以利用電網的峰谷電價差,來獲得收益。

      在鋰電儲能的數據中心應用中,安全技術的進步提供了重要保障。鋰電子天然的活躍特性,使得其易燃易爆,雖然出故障比例不高,但一旦出現爆燃就難以控制,會危及整個數據中心。

      如今,通過架構安全、電氣安全、消防安全和系統安全,鋰電儲能的安全性得到很大提升。

      在架構安全方面,將電池倉與電氣倉、控制倉等實現物理隔離,避免一個倉的故障影響到整個系統。

      在電氣安全方面,四級主動關斷、軟硬件全面過流防護等,使得故障發生時及時關斷,避免故障擴散。

      在消防安全方面,實時感知儲能系統環境狀態。當探測到可燃氣體時,主動排出避免聚集引發燃爆;滅火裝置可以迅速噴出清潔氣體,快速滅火,避免事故擴大。

      在系統安全方面,內置的鋰電池管理系統BMS, 則能夠實時監控電芯電壓、電流、溫度等關鍵參數,對于過壓、過流、過溫及短路等異常工況提供雙重保護。

      鋰電儲能的產業機會和模式創新

      鋰電儲能系統需要的產品,不僅僅是鋰電池,還包括很多相關產品、技術和方案。在其關聯產品中,逆變器是最受關注的領域,成長速度很快。

      我們通常見到的變壓器是改變交流電的電壓,或者將交流電轉換成直流電。而逆變器則相反,是將直流電轉換成交流電。最常見的逆變器是安裝在汽車點煙器上的,將蓄電池電能轉換成家用電器使用的交流電。

      儲能系統在放電時,也需要將直流電轉換成交流電,這就需要逆變器來幫忙。逆變器包括集中式、組串式、微型和集散式等不同技術類型,其中組串式逆變器迎合了當下的分布式發展趨勢,增速最快,整體市場占有率達到70%。

      除了逆變器之外,GIS、AI、IOT等新興數字技術,也在儲能系統中得到廣泛應用。對儲能系統的數字化、統一化管理,將成為未來發展趨勢。而儲能技術自身,也仍在不斷發展提高。

      未來,隨著鋰電儲能市場的進一步成長,可望涌現一些創新的商業模式。比如,產生細分領域的專業技術公司,專注于某個方面的技術突破;提供簡單易用的整體儲能方案,方便地部署在企業或者家庭;出現專業的儲能運營服務商,為儲能客戶提供全生命周期服務等等。

      整體而言,鋰電儲能仍然是一個新興的市場領域。更多的技術突破、價值創造、模式創新,仍然等待著創業者去探索、去發現。



      網站編輯: 郭靖

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