文|奇偶派
在政策鼓勵和技術(shù)進(jìn)步的共同促進(jìn)下，光伏、風(fēng)電等設(shè)備的滲透率快速攀升。有數(shù)據(jù)顯示，2021年，國內(nèi)新增光伏裝機(jī)54.88GW、新增風(fēng)電裝機(jī)47.5GW。這也是風(fēng)電和光伏新增裝機(jī)規(guī)模首次超過1億千瓦，并且在未來幾年中，新能源發(fā)電裝機(jī)都將保持較快增長速度。
在新能源加速并網(wǎng)的過程中，因其出力的不穩(wěn)定，所以對電網(wǎng)的消納能力提出了更高的要求。為了更好地應(yīng)對日度間波動、平衡季度間地能量缺口，長時儲能的建設(shè)已經(jīng)刻不容緩。
而長時儲能的方法有許多，每種不同的方法都有著其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)與不足，而選擇哪種路線，則要由地理、經(jīng)濟(jì)性等因素來共同決定。
本文通過從儲能原理、優(yōu)勢、劣勢和產(chǎn)業(yè)鏈的角度，來解析當(dāng)前已經(jīng)投入應(yīng)用或未來有望投入應(yīng)用的抽水蓄能、壓縮空氣儲能、鋰離子電池儲能、液流電池、熔鹽儲熱等五種儲能技術(shù)路線，以期展現(xiàn)目前儲能技術(shù)路線推進(jìn)的狀況。同時，我們詳細(xì)咨詢了主流技術(shù)路線的幾大代表性公司。
1抽水蓄能，當(dāng)前最成熟的儲能技術(shù)
抽水蓄能是機(jī)械儲能的一種，其原理是利用抽水蓄能電站在電網(wǎng)低負(fù)荷時，運(yùn)用剩余的電力開動水泵，運(yùn)送低位水庫里的水至高位水庫中并儲存。當(dāng)電網(wǎng)高負(fù)荷或急需電力時，放出高位水庫里的水，利用反向水流帶動水輪機(jī)發(fā)電。
抽水蓄能的優(yōu)勢有成本低、壽命長、儲能容量大。
抽水蓄能能源轉(zhuǎn)化率高達(dá)75%——83%，根據(jù)《儲能技術(shù)全生命周期度電成本分析》中測算，在不考慮充電成本且折現(xiàn)率為0的情況下，抽水蓄能度電成本僅為0.207元/kWh，在各種儲能技術(shù)中度電成本最低。
抽水蓄能電站存續(xù)時間極久，一般的機(jī)械及電氣設(shè)備可使用50年以上，壩體更是可使用100年，有著其他儲能方法無法相比的壽命。
抽水蓄能容量大，通?？梢赃_(dá)到GW級別，持續(xù)放電時間長，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)范圍廣。因此，通過使用抽水蓄能電站，可以有效提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)對可再生能源發(fā)電的消納能力。
抽水蓄能的劣勢有受地理約束明顯、初始成本高、開發(fā)時間長等：
抽水蓄能對地理因素的要求很高，一般只能建造在山與丘陵存在的地方。并且上下水庫要位于較近的距離內(nèi)，還得有較高的高度差。在高度差不明顯的條件下，抽水蓄能電站所能達(dá)到的能量密度相對有限。
抽水蓄能初始投資高、開發(fā)時間長。抽水儲能電站前期建造成本極高，一個120 萬千瓦的電站通常需要60-80億元的投資，并且開發(fā)周期約為7年左右。高成本、長周期的特點(diǎn)決定了在風(fēng)光建設(shè)快速推進(jìn)的情況下，抽水蓄能無法及時配套。
抽水蓄能產(chǎn)業(yè)鏈主要涉及投資、承包、設(shè)備商。
在投資運(yùn)營環(huán)節(jié)中，國網(wǎng)、南網(wǎng)為主要投資運(yùn)營企業(yè)。截至2021年底，國網(wǎng)在運(yùn)營和在建抽水蓄能規(guī)模分別為2351萬千瓦、4587萬千瓦，占比分別為 64.6%、74.4%，在抽水蓄能開發(fā)建設(shè)和運(yùn)營市場中處于領(lǐng)導(dǎo)地位。
在承包環(huán)節(jié)中，中國電建份額占比最高。抽水蓄能項目主要采用EPC模式，由中國電建等建筑商規(guī)劃設(shè)計，承擔(dān)建設(shè)項目。根據(jù)中國電建2021年5月公告，公司在國內(nèi)抽水蓄能規(guī)劃設(shè)計方面的份額占比約90%，承擔(dān)建設(shè)項目份額占比約80%。
在具體建設(shè)過程中，涉及上市公司的主要為設(shè)備環(huán)節(jié)：行業(yè)競爭格局長期較為穩(wěn)固，主要參與公司有“兩大一小”，“兩大”為哈爾濱電氣、東方電氣，“一小”為浙富控股。
奇偶派在與南網(wǎng)電儲的證券部相關(guān)人員交流中，對方表示目前抽水蓄能建成周期可通過工期優(yōu)化減少建設(shè)時間。
以裝機(jī)容量120萬千瓦的電站為例，從開展前期工作到建成投產(chǎn)，建設(shè)周期長達(dá)10年左右，現(xiàn)在公司通過各方面努力，已將工期優(yōu)化調(diào)整到6年左右。在建設(shè)周期減少的情況下，抽水蓄能獨(dú)有的優(yōu)勢也會更加明顯，未來會繼續(xù)推進(jìn)建設(shè)。
2壓縮空氣儲能，極具前景的大規(guī)模儲能技術(shù)
壓縮空氣儲能技術(shù)，是一種利用壓縮空氣來儲能的技術(shù)。目前，壓縮空氣儲能技術(shù)，是繼抽水蓄能之后，第二大被認(rèn)為適合GW級大規(guī)模電力儲能的技術(shù)。
壓縮空氣儲能的工作原理是：在用電低谷時段，利用電能將空氣壓縮至高壓并存于壓力容器中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲起來；在用電高峰時段，將高壓空氣從儲氣室釋放，進(jìn)入膨脹機(jī)做功，驅(qū)動渦輪機(jī)發(fā)電。
壓縮空氣儲能系統(tǒng)工作原理
壓縮空氣儲能的優(yōu)勢有不受地形約束，未來降本空間巨大等。
傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能需要借助天然的地理環(huán)境來建造大型的儲氣室，但伴隨技術(shù)的進(jìn)步，可通過儲氣罐的形式來儲存壓縮空氣，從而擺脫了地理的約束，可以大規(guī)模應(yīng)用。
壓縮空氣儲能單位成本相對較低，設(shè)備成本占整個系統(tǒng)總成本的大部分，未來伴隨著壓縮空氣儲能建設(shè)的推進(jìn)，產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)各環(huán)節(jié)均有不小的降價空間，存在著快速降本的可能、
壓縮空氣儲能的劣勢有投資成本高、運(yùn)行效率低等。
壓縮空氣儲能與蓄水儲能相似，均為重資產(chǎn)的儲能方式，預(yù)計運(yùn)行周期長達(dá)40年，投資回報年限往往也在25年以上，較長的回收期一定程度上降低了投資的熱情。
壓縮空氣儲能效率目前仍處于較低的水平。當(dāng)前涉及運(yùn)行的項目效率在50%-70%之間，較成熟的抽水蓄能的76%左右還有一定的差距，這一定程度上影響了整個項目的經(jīng)濟(jì)性。
壓縮空氣儲能設(shè)備的產(chǎn)業(yè)鏈主要涉及壓縮機(jī)、換熱機(jī)和膨脹機(jī)。
壓縮機(jī)是壓縮空氣提高氣體壓力的機(jī)器，也是系統(tǒng)中最核心的部件之一，其性能對整個系統(tǒng)起決定性影響，國內(nèi)制造廠家主要有陜鼓動力、沈鼓集團(tuán)等。目前100MV級壓縮機(jī)基本可以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但難以制造單機(jī)300MW的壓縮機(jī)。
換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，換熱系統(tǒng)的蓄熱溫度和回?zé)釡囟仍礁?，系統(tǒng)儲能效率越高。近年來，得益于國家倡導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能、減排、降耗的政策利好，我國換熱器行業(yè)市場規(guī)模不斷增長。代表性企業(yè)有盾安環(huán)境、三花智控等公司。
膨脹機(jī)則是利用壓縮空氣膨脹時向外輸出能量的機(jī)械，對于大型壓縮空氣儲能電站，膨脹機(jī)一般采用多級膨脹帶中間再熱的結(jié)構(gòu)形式。目前國內(nèi)制造廠家主要有金通靈、哈電汽輪機(jī)公司、東方汽輪機(jī)公司等。
在與壓縮空氣儲能專家的交流中，其向奇偶派表示目前壓縮空氣儲能主要的缺點(diǎn)在于效率較低，目前公認(rèn)的壓縮空氣效率主要為德國和美國的項目，分別在40%+到50%+之間，但新型壓縮空氣儲能效率可達(dá)70%，但仍比抽水蓄能低5%左右。但伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來有望進(jìn)一步提升效率。
3鋰離子電池，最成熟規(guī)模最大的電化學(xué)儲能技術(shù)
鋰離子電池是指以鋰為能量載體的二次電池，充電時鋰離子從正極脫出，經(jīng)過電解液和隔膜，嵌入負(fù)極，放電發(fā)生相反過程，又稱搖椅式電池。
鋰離子電池儲能的優(yōu)勢有技術(shù)成熟、裝機(jī)規(guī)模大等：
因鋰離子電池出現(xiàn)時間早，技術(shù)儲備充足，故成為儲能的首選。根據(jù)中關(guān)村儲能數(shù)據(jù)，2021年鋰離子電池占中國新型儲能裝機(jī)量的89.7%，是最具代表性的新型儲能技術(shù)，也是目前裝機(jī)規(guī)模最大的電化學(xué)儲能技術(shù)。
鋰離子電池儲能的劣勢有擴(kuò)展成本高、鋰礦資源不足等。
鋰離子電池提供功率與貯存能量的裝置綁定在一起，在不提升功率，僅提升容量的情況下，電池成本等比例增加。即4小時儲能系統(tǒng)的電池成本是1小時儲能系統(tǒng)的4倍。而抽水蓄能、壓縮空氣等儲能方式，若想單純增加儲能時間，僅需等比例配置貯存能量的裝置即可。
隨著電池需求量的迅速增長，鋰資源開始面臨著資源約束問題。一方面是鋰資源的總量分布有限，地殼豐度僅為 0.006%；另一方面是空間分布不均勻，我國鋰資源儲量僅占全球6%，且開采成本較高。同時，鋰資源約束還帶來鋰資源在動力電池和儲能電池間分配的問題。多因素疊加，拉高了成本，降低了經(jīng)濟(jì)性。
鋰離子電池儲能設(shè)備的產(chǎn)業(yè)鏈主要涉及上游零部件供應(yīng)商、中游設(shè)備制造商與下游系統(tǒng)安裝商。
鋰離子電池上游零部件供應(yīng)商主要由正極、負(fù)極、電解液和隔膜四大關(guān)鍵材料組成。
其中正極材料是鋰電池的核心材料，是決定電池性能的關(guān)鍵因素，對產(chǎn)品最終的能量密度、電壓、使用壽命以及安全性等有著直接影響，也是鋰電池中成本最高的部分，生產(chǎn)公司為當(dāng)升科技、杉杉股份等。
負(fù)極材料由活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和添加劑制成糊狀膠合劑后，涂抹在銅箔兩側(cè)，經(jīng)過干燥、滾壓制得，生產(chǎn)公司為有科電氣、杉杉股份等。
電解液是有機(jī)溶劑中溶有電解質(zhì)鋰鹽的離子型導(dǎo)體，是電池中離子傳輸?shù)妮d體，在電池正負(fù)極之間起到傳導(dǎo)輸送能量的作用，生產(chǎn)公司為天賜材料、新宙邦、江蘇國泰等。
隔膜的主要作用則是將鋰離子電池的正、負(fù)極分隔開，只讓電解質(zhì)離子通過以防止兩極接觸而短路，性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。生產(chǎn)公司為星源材質(zhì)、恩捷股份等。
鋰離子儲能電池中游設(shè)備商正處于快速發(fā)展階段，市場格局未定。
寧德時代以強(qiáng)大的控本能力與規(guī)模優(yōu)勢后來居上，目前與國網(wǎng)、五大發(fā)電集團(tuán)、科士達(dá)、星云股份、陽光電源等企業(yè)建立廣泛合作，暫居第一；比亞迪深耕歐美市場，客戶與渠道優(yōu)勢穩(wěn)固，暫居國內(nèi)第二；鵬輝能源借助海外市場，在家庭儲能方面快速擴(kuò)張，占據(jù)國內(nèi)出貨量第三。
鋰離子儲能下游系統(tǒng)安裝商主要指EPC模式承包單位。EPC有利于整個儲能項目的統(tǒng)籌規(guī)劃和協(xié)同運(yùn)作，減少采購與施工的中間環(huán)節(jié)，節(jié)省投資、增厚項目利潤。相關(guān)公司主要包括永福股份、特變電工、中國能建等。
4液流電池儲能，功率與容量解耦的電化學(xué)儲能
液流電池是一種大規(guī)模高效電化學(xué)儲能裝置。區(qū)別于其他電池儲能裝置，液流電池將反應(yīng)活性物質(zhì)儲存于電解質(zhì)溶液中，可實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)與能量儲存場所的分離，使得電池功率與儲能容量設(shè)計相對獨(dú)立，適合大規(guī)模蓄電儲能需求。
目前，主要推進(jìn)的液流電池為全釩液流電池，其原理是通過兩個不同化合價的、被隔膜隔開的釩離子之間交換電子來實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化，以實(shí)現(xiàn)充電、放電的過程。
全釩液流電池工作原理示意圖 資料來源：張華民，《液流電池技術(shù)》
液流電池儲能的優(yōu)勢有容量與功率獨(dú)立設(shè)計、使用壽命長等。
在長時儲能中，液流電池最大的優(yōu)勢為輸出功率和儲能容量可分開設(shè)計。通過增加單片電池的數(shù)量和電極面積，即可增加液流電池的功率。通過增加電解液的體積或提高電解液的濃度，即可任意增加液流電池的電量，可達(dá)百兆瓦時以上。
液流電池循環(huán)壽命長。由于液流電池的正、負(fù)極活性物質(zhì)只分別存在于正、負(fù)極電解液中，充放電時無其它電池常有的物相變化，可深度放電而不損傷電池，使用壽命遠(yuǎn)大于其他電化學(xué)儲能裝置。
液流電池儲能的劣勢為成本過高。
目前推進(jìn)最快的液流電池為全釩液流電池，但是面臨著釩資源約束的問題，導(dǎo)致成本過高，商業(yè)化進(jìn)程較為緩慢。但全釩液流電池的擴(kuò)容成本較低，其容量越大，成本越低。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?yīng)顯現(xiàn)，釩液流電池成本有望降低。
液流電池儲能設(shè)備的產(chǎn)業(yè)鏈主要涉及電解液、隔膜。
電解液是液流電池的核心材料，也是整個化學(xué)體系中存儲能量的介質(zhì)。在全釩液流電池中，電解液成本占據(jù)了儲能電池成本的一半以上。
隔膜是影響液流電池性能和成本的又一核心材料。它起著阻隔正極和負(fù)極電解液互混，隔絕電子以及傳遞質(zhì)子形成電池內(nèi)電路的作用。因此隔膜應(yīng)該具備高的氫離子導(dǎo)電能力和高的離子選擇性，盡量避免正負(fù)極電解液中不同價態(tài)的釩離子互混，以減少由此造成的電池容量損失。而且需要成本低廉，提高產(chǎn)品的市場競爭力，利于大規(guī)模商業(yè)化推廣。
全釩液流電池體系成本結(jié)構(gòu) 資料來源：光大證券研究所
奇偶派在與河鋼股份證券部相關(guān)人士溝通中，其表示會持續(xù)跟進(jìn)全釩液流電池進(jìn)度，并會充分利用承德當(dāng)?shù)剽C鈦資源，進(jìn)一步做優(yōu)做強(qiáng)做大釩鈦產(chǎn)業(yè)鏈條。公司已于8月啟動了釩鈦產(chǎn)業(yè)園項目，全面實(shí)現(xiàn)釩鈦產(chǎn)業(yè)向航空、儲能等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)延伸。
5熔鹽儲熱，光熱電站的配儲系統(tǒng)
熔鹽儲熱的原理是通過儲熱介質(zhì)的溫度變化、相態(tài)變化或化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)熱能的儲存與釋放。儲熱介質(zhì)吸收電能、輻射能等能量，儲蓄在介質(zhì)內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度低于介質(zhì)溫度時，儲熱介質(zhì)可將熱能釋放出來。
熔融鹽為常用的中高溫顯熱儲熱介質(zhì)，具備較寬的液體溫度范圍，儲熱溫差大、儲熱密度高，適合大規(guī)模中高溫儲熱項目。
熔鹽儲熱原理示意圖 資料來源：CSPPLAZA光熱發(fā)電平臺
熔鹽儲熱的優(yōu)勢有成本低、儲熱時間長等：
熔鹽作為儲熱介質(zhì)，成本較低，工作狀態(tài)穩(wěn)定。同時儲熱的密度很高，儲熱時間較長，適合大規(guī)模中高溫儲熱，單機(jī)可實(shí)現(xiàn)100MWh以上的儲熱容量。
熔鹽儲熱的劣勢則是只能應(yīng)用于熱發(fā)電場景：
熔鹽是通過儲存熱量的方式來儲存能量的，如果需要儲存的是電能，那整個流程中需要完成“電能——熱能——電能”的轉(zhuǎn)換，效率很低。因此，熔鹽儲能只能應(yīng)用在采用熱能發(fā)電的場景中，作為能量的存儲介質(zhì)，如光熱發(fā)電、火電廠改造等；或者應(yīng)用在終端能量需求為熱能而非電能的場景，如清潔供熱。
光熱發(fā)電市場促進(jìn)熔鹽儲熱產(chǎn)業(yè)鏈走向成熟。
熔鹽的主要成分為硝酸鈉、硝酸鉀鹽等常見的化學(xué)材料，目前國內(nèi)熔鹽供應(yīng)和化鹽服務(wù)較為成熟。
同時，熔鹽儲熱系統(tǒng)中還需配備熔鹽泵、熔鹽罐、蒸汽發(fā)生器、保溫材料、玻璃等關(guān)鍵設(shè)備，以防止熔鹽凍堵，因此一次性投資規(guī)模較大。經(jīng)過光熱發(fā)電配儲市場培育，熔鹽儲熱產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展已經(jīng)較為成熟。若市場需求進(jìn)一步擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)鏈投資成本有望繼續(xù)下降。
奇偶派在與熔鹽儲能相關(guān)公司——西子潔能的證券部人員溝通中，對方表示熔鹽儲能的主要應(yīng)用場景有風(fēng)光儲、火電靈活性改造、零碳園區(qū)等，公司通過示范項目建設(shè)，進(jìn)一步積累了熔鹽儲能在其他應(yīng)用場景應(yīng)用的經(jīng)驗，具備一定的先發(fā)優(yōu)勢。并且比較看好未來的前景，會持續(xù)推進(jìn)熔鹽儲能的研究。
寫在最后
作為具備技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，國家一直在推動儲能的多元化技術(shù)路線，國家發(fā)改委、能源局印發(fā)的《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》以及《“十四五”新型儲能發(fā)展實(shí)施方案》等文件均提出要推動儲能技術(shù)路線的多元化發(fā)展。
隨著風(fēng)光設(shè)備的快速落地，以儲能技術(shù)為支撐的能源革命的時代已經(jīng)悄然到來。可以確定的是，未來伴隨著技術(shù)的突破與產(chǎn)業(yè)鏈的深入投資，儲能的成本將不斷降低，各儲能技術(shù)之間將會長期存在“你追我趕”的情況。
堅持儲能的多元化技術(shù)路線，仍需繼續(xù)付諸努力。研發(fā)高安全、低成本、高可靠、長壽命、環(huán)保的儲能技術(shù)，建設(shè)契合新型電力系統(tǒng)的儲能設(shè)施，助力雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建能源“護(hù)城河”、電力“防火墻”，才是發(fā)展儲能的最終目標(biāo)。