储能温控行业专题研究:市场乘风而起_行业龙头把握先机.docx
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1、储能温控行业专题研究:市场乘风而起_行业龙头把握先机1. 各环节需求共振,全球储能进入加速发展期1.1. 全球储能行业步入规模化发展阶段 储能是全球电力系统转型中不可或缺的环节。化石能源的使用是全球碳排放的主要来源,根 据 IEA 统计,2020年石油、煤炭、天然气等传统化石能源在全球能源结构中的占比仍超过 80%,可再生能源的占比仅为 12%。为降低碳排放量,未来工业、交通、供热等各领域的电 气化水平需进一步提高,同时在电力装机结构中,光伏、风电等可再生能源也将逐渐取代传 统的火电装机。根据 IEA 的测算,为实现 2050 年碳中和的目标,可再生能源发电占比需由 2020 年的 30%以下
2、提升至 2030 年的 60%以上,2050 年则需达到近 90%。与石油等传统化石能源不同,电力的生产与消费需要同时进行,能量无法直接以电能的形式进行储存,而风、 光等可再生能源往往具有较强的季节性与波动性,因此随着全球电气化程度的提升以及风电、 光伏装机占比的增加,未来储能将在全球电力系统中发挥更加重要的作用。储能行业规模化发展的条件已经成熟。一方面,随着技术的进步与产能的扩张,近年来风电、 光伏的发电成本与锂离子电池的制造成本降幅显著,在上网侧平价的基础上,当前全球正朝 着“新能源+储能”平价的方向快速前进。另一方面,经过前期的探索与实践,储能在电力 系统中的定位与商业模式正日渐清晰,目
3、前美国、欧洲等发达地区储能市场化发展的机制已 基本建立,新兴市场的电力系统改革亦持续加速,储能行业规模化发展的条件已经成熟。2021 年起全球储能行业进入高速发展阶段。根据 BNEF 统计,2021年全球新增储能装机规 模为 10GW/22GWh,较 2020 年实现翻倍以上增长,截至 2021 年底全球累计储能装机容量约为 27GW/56GWh。考虑到 2021 年底全球累计风电/光伏装机规模已达到 837/942GW,以 此推算储能在全球风电光伏装机中的占比仅为 1.5%,我们认为储能市场的高速增长才刚刚开始,行业发展前景广阔。1.2. 国内:各环节发展模式明晰,装机空间充分打开政策勾勒发
4、展前景,各环节储能发展模式逐渐清晰。2022 年 2 月底,国家发改委、能源局 正式印发“十四五”新型储能发展实施方案,进一步明确了“到 2025年新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段、具备大规模商业化应用条件”,“2030年新型储能全面市场化 发展”的目标。此外,本次文件对发电侧、电网侧、用户侧储能均进行了明确的部署,各环节储能发展模式逐渐清晰。2022 年国内储能行业将正式步入发展快车道。2021 年国家、地方层面均有储能政策密集出 台,但主要侧重在整体部署层面,相关的配套细则尚不完善,因此 2021 年为国内储能行业 由商业化起步迈向规模化发展的过渡之年,实际落地的项目规模相对有限。根
5、据 CNESA 的 统计,2021年国内新增新型储能装机 2.4GW/4.9GWh,较 2020 年同比增长约 54%,其中 电化学储能装机 2.32GW,同比增长近 49%。从应用场景来看,2021年国内新增电源侧/电 网侧/用户侧储能的装机规模分别为 0.98/0.84/0.58GW,占比约为 41%/35%/24%,各环节 储能发展齐头并进。随着 2022 年各地的储能细则开始逐步落地,我们预计国内储能行业的 发展将明显加速。我们测算十四五末国内储能累计装机规模有望突破 250GWh,2025 年新增装机规模有望接近 100GWh,对应 2022-2025 年复合增速超过 100%。从结
6、构上来看,我们预计十四五期间 新能源配套储能将率先放量,电网侧、用户侧储能则将随后大规模启动,具体假设与测算过 程如下。新能源发电侧:2021年国内陆上风电+集中式光伏电站新增装机规模约为 56GW,以此 测算储能配套比例约为 1.5%。我们预计 2022年起国内新增风光装机规模将保持较快增 长,同时在政策驱动下储能配套比例将显著提升。假设 2025年国内新增陆上风电以及 集中式光伏电站的储能配套比例为 20%,储能时长由 2h 逐步提升至 2.5h,则相应的新 能源配套储能装机规模将超过 60GWh。电源侧辅助服务:2021 年国内总发电装机容量达到 2377GW,配套辅助服务储能的装机 比
7、例不到 0.1%,而发达电力市场中辅助服务费用占总电费的比例一般超过 1.5%。在国 内总电力装机平稳增长的背景下,我们假设 2025 年配套辅助服务储能的比例为 0.5%, 则对应的电源侧辅助服务储能装机规模将达到 16GWh。电网侧:随着我国电气化率的持续提升,近年来全国电网最高发电负荷呈较快增长,而 根据国务院关于印发 2030 年前碳达峰行动方案的通知中的要求,到 2030 年省级电 网将基本具备 5%以上的尖峰负荷响应能力。我们预计负荷响应能力将主要由电网侧的抽 水蓄能与新型储能提供,根据抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035 年)十四五末国 内抽水蓄能累计装机将达到 62GW,
8、以此倒推 2025 年电网侧累计新型储能装机规模有 望达到 50GWh。用户侧:目前国内工商业光伏渗透率不到 2%,而工商业储能则处于发展初期,随着未来 峰谷价差的拉大,预计国内工商业储能的经济性将逐渐显现。2020 年国内工业用户总装 接容量约为 3273GW,若假设十四五期间保持 5%的年均增长,同时工商业储能渗透率 提升至 0.3%,则十四五期间国内工商业储能的装机空间将超过 30GWh。1.3. 海外:供电侧储能方兴未艾,用户侧加速渗透市场化驱动快速发展,供电侧与用户侧齐头并进。目前除中国以外,海外储能市场主要分布 在美国、欧洲、日韩、澳洲等发达地区,相对而言这些地区电力市场化程度较高
9、,随着近年 来锂离子电池价格的持续下降,行业已逐步进入经济性驱动的自发增长阶段。从装机结构来 看,海外市场供电侧与用户侧储能的发展较为均衡,2021 年新增装机中电源侧、电网侧、 用户侧的占比大致相当。海外发达地区供电侧储能配臵需求迫切,成本传导较为顺畅。整体上看,海外发达地区已进 入新能源装机替代存量火电装机的阶段,美国、欧盟(含英国)的火电总装机分别于 2011、 2012 年达到峰值,其电力体系对储能的需求更为迫切。此外,在海外发达地区市场化的电 力体制下,发电侧的成本能够通过电力市场较为顺畅地传导至终端电力用户,储能可通过峰 谷套利、辅助服务、备用电源、输配电价等多种形式获取收益。因此
10、,我们认为海外供电侧 储能的发展模式已经较为成熟。电力价格持续走高,海外用户侧储能渗透率有望快速提升。受地缘政治、气候变化以及货币 政策等因素影响,2021 年以来全球天然气、原油等能源价格涨势明显,而在海外发达地区 市场化的电力体制下,用户侧电价亦随之水涨船高。尤其是在欧洲地区,2022 年 3 月天然 气价格已达到 42 美元/百万英热单位,较 2021 年初上涨接近五倍,欧盟消费者电力价格指 数亦较 2021 年初上涨超过 30%。随着 2022 年以来俄乌冲突的加剧,预计天然气及电力价 格在较长时间内仍将居高不下,海外用户侧储能的经济性正快速凸显,渗透率有望加速提升。1.4. 全球储能
11、装机空间打开,短期内锂电池储能为主要形式全球储能市场步入长期成长轨道,2025 年新增装机规模有望达到 300GWh。综上所述,当 前海内外储能市场均已步入规模化发展阶段,在供电侧及用户侧两方面需求的推动下,全球 储能市场有望保持强劲增长。我们测算 2025 年全球新增储能装机规模或将超过 300GWh, 对应 2022-2025 年平均复合增速 80%左右。短期内锂电池仍将为主流储能形式。锂离子电池具有能量密度高、转换效率高、响应速度快 等优点,是当前除抽水蓄能以外装机占比最高的储能形式。根据 CNESA 的统计,近年来全 球锂离子电池装机规模快速攀升,2021 年底累计装机容量达到 23G
12、W,在全球新型储能装 机中的占比超过 90%。虽然近年来钒液流电池、钠离子电池、压缩空气等其他储能形式亦开 始得到越来越多的关注,但从性能、成本、产业化程度等角度出发锂离子电池仍然具有较大 优势,我们认为中短期内锂电池将是全球主流的储能形式,其在新增储能装机中的占比将保 持较高水平。2. 热管理重要性日益凸显,储能温控市场乘风而起2.1. 温控系统是保障锂电池储能正常运行的重要环节 工作温度对锂离子电池性能影响较大,温度过高将引发严重安全隐患。储能系统工作过程中, 电池会持续性地释放热量,在不具备温控能力或温控能力不足的情况下会导致系统温度不断 上升,而温度是影响锂离子电池性能的重要因素。一般
13、而言,锂离子电芯的最佳工作温度区 间为 1035,当温度低于-20时,电解液可能会凝固,从而阻碍锂离子的流动,导致阻 抗增加,电芯容量将明显下降;而当温度超过 60时,电芯内部有害化学反应速率将明显提 升,对电芯造成潜在破坏,严重时将引发安全事故。因此,对于储能系统而言,将电芯始终 保持在合适的温度区间内极为重要,有效的温控系统不仅能够保证储能电站的安全性以及使 用寿命,也能在一定程度上提升性能与效率。热失控是锂电池主要的安全隐患,温度过高是其重要诱因。锂离子电池工作时内部存在一系 列潜在的放热副反应,如SEI膜受热分解导致电解液在裸露的高活性碳负极表面的还原分解、 贫锂态正极的热分解、电解质
14、的热分解及黏结剂与嵌锂负极之间的反应等。当电池温度升高 至一定程度时, 上述放热副反应将相继引发,其所产生的热量如得不到及时散发, 则将造成 电池温度的进一步上升及副反应的指数性加速, 从而导致电池进入自加温的热失控状态, 很 可能引起电池燃烧及爆炸。综上,电池是否发生热失控由其产热和散热的相对速率来决定, 一 旦放热副反应的产热速率高于电池的散热速度, 电池就有可能进入热失控状态。因此,对于 锂电池储能系统而言,温控能力格外重要。储能系统涉及大量单体电芯,温度是影响电池一致性的重要因素。一般而言,与动力电池系 统相比,储能系统装载的电池数量更多,同时电池的容量也更大,当大量的电池紧密排列在
15、一起时运行工况将更为复杂多变,容易造成产热不均匀、温度分布不均匀、电池间温差过大 等问题,从而影响电池一致性。通常电池组中各单体电池所处环境不可避免的会存在差异, 如在方形的锂离子电池组中,中间的电池与四周的电池所处的环境温度、电池的受力情况等 往往各不相同。其中,温度差是影响电池性能最显著的因素之一,如果不进行主动热均衡和 热管理,中间的电池往往比四周的电池温度高至少 515,此时电池的充放电倍率、老化 速度等各项特征已经发生根本性的变化,从而导致电池的衰减速度差异变大,进一步对系统 整体寿命造成不利影响。因此,对于储能系统而言,除了保证电池处于适宜工作温度区间, 控制电池间温差处于合理水平
16、以内也极为重要。综上所述,温控系统是保障锂电池储能正常运行的重要环节。储能温控系统的主要功能是根 据储能系统运行的要求以及工作期间电池所经受的内、外热负荷状况,采用恰当的温控技术 来组织系统内、外部的热交换过程,从而保证储能系统的工作温度与电池之间的温差始终维 持在合适的区间内。为确保储能项目长期、稳定、安全运行,温控系统是锂电池储能中不可或缺的重要环节。2.2. 安全问题日益凸显,储能温控重要性持续提升 2.2.1. 储能安全事故频发,行业标准逐步完善 近年来国内外储能安全事故频发,储能安全问题日益凸显。近年来在全球储能装机规模不断 增长的同时,相关的安全事故也愈加多发。根据中国能源网的统计
17、,2010-2020 年间,全球 范围内发生了 32 起储能电站安全事故,而根据 CNESA 的统计,仅 2021 年全球就发生了至 少 9 起储能安全事故,2022 年初韩国又发生 3 起电池相关火灾事故。频繁发生的储能安全 事故不但造成了严重的经济损失,严重时还对人员安全构成了较大威胁,在全球储能市场迎 来加速发展的关键节点,安全问题已经成为行业亟待解决的重要问题之一。行业标准逐步完善,储能步入规范化发展阶段。随着储能安全问题日益凸显,近年来陆续有 国家出台相关政策与行业标准,对储能行业各环节进行规范,从而提升储能项目安全性。例 如美国于 2016 年率先发布全球第一项储能系统安全标准 U
18、L 9540,对电化学储能、机械储 能等不同类型储能系统的安全标准作出了明确规定,UL 9540 后续又被授权为加拿大国家标 准。我国储能行业起步较晚,长期以来政策标准与行业规范相对缺失,但随着近年来储能行 业发展不断提速,储能安全问题愈发得到重视,相关政策文件陆续出台,行业标准逐步完善。 国家能源局 2022 年印发的2022 年能源行业标准计划立项指南、“十四五”新型储能发 展实施方案等文件对新型储能项目的立项、设计、建设、运维、安全监督、安全预警以及 应急处臵等各环节均提出了技术标准以及安全性方面的要求,我国储能行业正逐渐步入规范 化发展阶段。2.2.2. 储能规模与能量密度齐升,温控重
19、要性提高储能系统正朝着更大规模、更高能量密度的方向演进。降本增效是新能源行业长期的主题, 对于储能系统而言,提升项目的单体规模以及能量密度是降低整体成本的重要手段。根据美 国太平洋西北国家实验室(PNNL)的测算模型,锂电池储能系统的总容量越大,则分摊至 单位容量的建设成本越低,例如对于储能时长为 4h 的磷酸铁锂储能系统,1MW 项目的单位 建设成本约为 448 美元/kWh,而 100MW 项目的单位建设成本仅为 385 美元/kWh。因此, 随着全球装机需求的提升,储能系统将朝着更大规模、更高能量密度的方向演进。2021 年以来储能项目平均单体规模迅速扩大。随着技术与市场的成熟,近年来储
20、能项目大 规模化的趋势已经较为明显。根据 CNESA 的统计,在 2021 年国内投运的 361 个新型储能 项目中,百兆瓦及以上的项目仅有 7 个,而在 2021 年新增规划/在建的 490 个储能项目中, 百兆瓦及以上的项目已达到 71 个,合计装机规模达到 15.8GW,占比接近 2/3,预计 2022 年起大规模储能项目将陆续落地。海外市场中,近年来储能项目的单体规模亦呈加速上升趋 势,例如 2021 年 10 月华为与山东电力建设第三工程有限公司联手签约的沙特红海新城储能 项目规模已经达到了 1300MWh,其他地区百兆瓦时乃至吉瓦时级别的储能项目也屡见不鲜。储能产品持续迭代升级,集
21、装箱单体规模与能量密度显著提升。目前集装箱式储能为锂电池 储能的主流形式,随着项目整体规模的扩大,除了部署更多的储能集装箱以外,提高集装箱的单体容量及能量密度也是行业发展的必然趋势。近年来宁德时代、阳光电源、比亚迪、海 博思创等头部储能集成商的产品持续迭代升级,以比亚迪为例,2020年推出的电网级储能 系统 BYD Cube T28 的单体容量达到 2.8MWh,相比其 2018 年在英国 Rock Farm 项目中 使用的 1.25MWh 的产品有了显著提升,单位面积能量密度则较行业此前的 40 尺标准集装储能系统提升超 90%,后续装载刀片电池的升级版 BYD Cube 产品的等效 40
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