電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展分析

摘

要：在“3060”背景下，我國(guó)能源發(fā)展模式和能源體系構(gòu)建方式正發(fā)生重大變革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)促使新型儲(chǔ)能技術(shù)尤其是電化學(xué)儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的地位和作用越來(lái)越顯現(xiàn)。鑒于此，首先介紹了電化學(xué)儲(chǔ)能的特點(diǎn)、系統(tǒng)構(gòu)成等；其次，結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研情況分析了電化學(xué)儲(chǔ)能的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀；最后，結(jié)合產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀針對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能上游產(chǎn)業(yè)、中游產(chǎn)業(yè)以及下游發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了論述。關(guān)鍵詞：電化學(xué)儲(chǔ)能；構(gòu)成；產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀；發(fā)展0引言構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)碳中和的基本路徑，儲(chǔ)能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。構(gòu)建新型電力系統(tǒng)需從“源網(wǎng)荷”轉(zhuǎn)向“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”，新型儲(chǔ)能是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重要推手，加快新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)構(gòu)建清潔穩(wěn)定的能源供給體系和健康安全的能源消費(fèi)體系至關(guān)重要。作為當(dāng)前新型儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展主流，電化學(xué)儲(chǔ)能擁有更高的能量密度，產(chǎn)業(yè)鏈配套更加成熟，相較于其他儲(chǔ)能技術(shù)在場(chǎng)景應(yīng)用、技術(shù)、成本、建設(shè)周期、轉(zhuǎn)換效率及選址要求上更具優(yōu)勢(shì)，具有高度的靈活性，增長(zhǎng)潛力較大。隨著電池成本的快速下降，電化學(xué)儲(chǔ)能營(yíng)利性逐步顯現(xiàn)，國(guó)家及地方也出臺(tái)了多個(gè)儲(chǔ)能相關(guān)政策文件，推動(dòng)了儲(chǔ)能向規(guī)?；l(fā)展。1電化學(xué)儲(chǔ)能簡(jiǎn)介儲(chǔ)能的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)能量時(shí)間和空間上的移動(dòng)，讓能量更加可控。按技術(shù)角度分，儲(chǔ)能可分為機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能等多種路線，如圖1所示。目前，國(guó)內(nèi)可投入商業(yè)化應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)有抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、鋰電池儲(chǔ)能、鉛酸電池儲(chǔ)能、蓄熱儲(chǔ)能等。抽水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能容量大且放電時(shí)間長(zhǎng)，適用于大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)、電網(wǎng)調(diào)峰等能量型應(yīng)用場(chǎng)景；飛輪儲(chǔ)能擁有較高的轉(zhuǎn)換效率且能提供短時(shí)功率輸出，適用于需要快速響應(yīng)的領(lǐng)域，如調(diào)頻等功率型應(yīng)用場(chǎng)景；抽水儲(chǔ)能占據(jù)電力儲(chǔ)能裝機(jī)主要份額；電化學(xué)儲(chǔ)能是最具潛力的技術(shù)路線。電化學(xué)儲(chǔ)能本身性能優(yōu)勢(shì)明顯，一方面，相較于壓縮空氣儲(chǔ)能，電化學(xué)儲(chǔ)能具備更優(yōu)的響應(yīng)速度和功率密度；另一方面，電化學(xué)儲(chǔ)能對(duì)地理?xiàng)l件限制較低，初期投資成本較低，可緩解抽水儲(chǔ)能等傳統(tǒng)儲(chǔ)能開(kāi)發(fā)接近飽和的現(xiàn)狀。隨著成本不斷下降以及補(bǔ)償機(jī)制的實(shí)施，電化學(xué)儲(chǔ)能的規(guī)模將會(huì)實(shí)現(xiàn)兩次飛躍：一是在2022年突破10GW，二是在2023年接近或突破20GW。2電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成電化學(xué)儲(chǔ)能是利用化學(xué)元素做儲(chǔ)能介質(zhì)，充電與放電過(guò)程伴隨著儲(chǔ)能介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，主要包括液流電池、鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池等。鋰離子電池儲(chǔ)能的裝機(jī)占比在全球和中國(guó)分別為92.0%和88.8%，是電化學(xué)儲(chǔ)能中的絕對(duì)主力和發(fā)展方向。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能電池、電池管理系統(tǒng)（BMS）、儲(chǔ)能變流器（PCS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）及其他電氣設(shè)備構(gòu)成。儲(chǔ)能電池是儲(chǔ)能系統(tǒng)最主要的構(gòu)成部分，以鋰離子電池儲(chǔ)能為例，儲(chǔ)能電池成本占總成本的60%以上，電池管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)電池的監(jiān)測(cè)、評(píng)估、保護(hù)以及均衡等，儲(chǔ)能變流器負(fù)責(zé)控制儲(chǔ)能電池組的充電和放電過(guò)程及交直流的轉(zhuǎn)換，能量管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和能量調(diào)度等。3電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀隨著電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展、企業(yè)多方參與、應(yīng)用日趨完善，已經(jīng)形成了由上游產(chǎn)業(yè)、中游產(chǎn)業(yè)、下游產(chǎn)業(yè)組成的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，具體如圖2所示。從市場(chǎng)占有率及調(diào)研情況來(lái)看，產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及主要代表企業(yè)如下：（1）上游產(chǎn)業(yè)主要為高端技術(shù)制造企業(yè)，主要包括儲(chǔ)能電池、電池管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器、能量管理系統(tǒng)等。儲(chǔ)能電池大多由動(dòng)力電池廠商利用原有動(dòng)力電池生產(chǎn)線技術(shù)改造后生產(chǎn)儲(chǔ)能電芯，主要代表為寧德時(shí)代、比亞迪等。電池管理系統(tǒng)主要由專業(yè)電子控制元件制造企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)，主要代表為高特電子、協(xié)能科技、科工電子等，而隨著系統(tǒng)成套技術(shù)的發(fā)展，電池制造企業(yè)也逐步開(kāi)始采用自主研發(fā)的“BMS+PACK”模式。儲(chǔ)能變流系統(tǒng)大多由光伏逆變器廠家研發(fā)生產(chǎn)，也有部分系統(tǒng)集成廠家自主研發(fā)，主要代表為陽(yáng)光電源、南瑞繼保等。能量管理系統(tǒng)相較于PCS、BMS等環(huán)節(jié)，在新型儲(chǔ)能系統(tǒng)中所占成本較低，價(jià)值量相對(duì)較小，一般由設(shè)備廠商或系統(tǒng)集成商提供。（2）中游產(chǎn)業(yè)主要為儲(chǔ)能系統(tǒng)集成、運(yùn)營(yíng)及渠道商。儲(chǔ)能系統(tǒng)集成是指把包括電池組、儲(chǔ)能變流器、電池管理系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)和集裝箱及艙內(nèi)設(shè)備進(jìn)行多維集成。儲(chǔ)能系統(tǒng)集成商是儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，起到承上啟下的重要作用，向上銜接儲(chǔ)能電池等上游設(shè)備材料生產(chǎn)廠家，向下按照應(yīng)用側(cè)需求，選擇具備用戶適應(yīng)性的儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)品，將各個(gè)單元組合起來(lái)，為戶用、工商業(yè)、發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)等各類場(chǎng)景打造“一站式”解決方案。儲(chǔ)能系統(tǒng)集成商主要有三種模式：一是自給自足模式，也稱全鏈發(fā)展模式，從主要部件的制造到系統(tǒng)集成服務(wù)，業(yè)務(wù)均有覆蓋，主要代表是寧德時(shí)代、比亞迪等；二是部分集成模式，主要由儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能變流器等廠商以自身產(chǎn)品為中心，提供綜合方案的附加服務(wù)，主要代表是陽(yáng)光電源、國(guó)軒高科等；三是全集成模式，也稱專業(yè)化集成模式，依靠從外部采購(gòu)部件進(jìn)行系統(tǒng)集成，主要代表是融合元儲(chǔ)、海博思創(chuàng)、平高等。（3）下游產(chǎn)業(yè)是電力系統(tǒng)儲(chǔ)能應(yīng)用需求側(cè)，主要包括發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)，終端用戶有獨(dú)立發(fā)電商、電網(wǎng)公司、工商業(yè)用戶、家庭用戶等。發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能主要由發(fā)電集團(tuán)或新能源發(fā)電企業(yè)投資建設(shè)，采用“火電+儲(chǔ)能”“新能源+儲(chǔ)能”等傳統(tǒng)能源和新能源搭配儲(chǔ)能的形式。電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能主要由發(fā)電集團(tuán)、電網(wǎng)企業(yè)等投資建設(shè)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削峰填谷，對(duì)電網(wǎng)調(diào)度和穩(wěn)定運(yùn)行提供幫助。用戶側(cè)儲(chǔ)能主要由工商業(yè)用戶、家庭用戶投資建設(shè)，或采取合同能源管理模式，主要圍繞峰谷電價(jià)套利、削峰填谷、優(yōu)化容量電費(fèi)、備用電源、提高電能質(zhì)量等需求進(jìn)行盈利，主要應(yīng)用場(chǎng)景有工業(yè)儲(chǔ)能、家用儲(chǔ)能、5G基站等。4電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展分析4.1上游產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析電池是未來(lái)降本的核心環(huán)節(jié)。對(duì)比三元鋰電池，磷酸鐵鋰電池?zé)岱€(wěn)定性強(qiáng)，具有更好的安全性和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，雖然電池能量密度低于三元鋰電池，但儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)固定，尺寸和重量設(shè)計(jì)相對(duì)靈活，因此能量密度不是儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備選型的優(yōu)先考量因素。綜合考慮兩種技術(shù)路線的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，磷酸鐵鋰電池更加貼合儲(chǔ)能場(chǎng)景的應(yīng)用需求，預(yù)計(jì)在未來(lái)三年為儲(chǔ)能的主流技術(shù)路線。另外，鈉離子電池在成本、環(huán)境友好性、安全性方面較鋰電池都有一定優(yōu)勢(shì)，但能量密度和循環(huán)次數(shù)與磷酸鐵鋰電池仍存在一定差距，鈉離子電池材料成本較磷酸鐵鋰可下降30%，在規(guī)模化降本后，擁有較大產(chǎn)業(yè)化潛力。4.2中游產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析儲(chǔ)能系統(tǒng)集成商重要性不斷提高，系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。儲(chǔ)能系統(tǒng)集成需要按照用戶需求，根據(jù)運(yùn)行場(chǎng)景和場(chǎng)站需求，基于自身對(duì)各種類型設(shè)備性能的充分了解，從而完成電池組、電池管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器等設(shè)備選型及系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)，最大化釋放系統(tǒng)性能。從國(guó)外儲(chǔ)能發(fā)展來(lái)看，儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景豐富，定制化系統(tǒng)集成服務(wù)能契合多樣的場(chǎng)景需求，專業(yè)的第三方系統(tǒng)集成是今后發(fā)展的大勢(shì)所趨。另外，由于鋰離子電池的安全事故誘發(fā)機(jī)制，亟需發(fā)展鋰離子電池火災(zāi)防控技術(shù)及產(chǎn)品，滿足儲(chǔ)能行業(yè)安全需求。許多儲(chǔ)能系統(tǒng)集成商已經(jīng)意識(shí)到儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的重要性，模塊化分倉(cāng)全液冷方式、全氟己酮消防系統(tǒng)等新技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用于商業(yè)項(xiàng)目，如何實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的本質(zhì)安全，是今后系統(tǒng)集成商需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。4.3下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能主要目的在于消納棄風(fēng)棄光，平滑發(fā)電輸出。以光伏配置儲(chǔ)能為例，在目前儲(chǔ)能系統(tǒng)集成平均成本下，光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的項(xiàng)目收益率IRR低于原有光伏不配置儲(chǔ)能的水平，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)成本不斷降低，發(fā)電側(cè)輔助服務(wù)和共享儲(chǔ)能機(jī)制的完善，光伏+儲(chǔ)能+調(diào)峰/調(diào)峰模式的項(xiàng)目收益率IRR已顯著提高，發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能收益有望進(jìn)入自發(fā)性快速增長(zhǎng)階段。電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能作為電網(wǎng)中優(yōu)質(zhì)的有功/無(wú)功調(diào)節(jié)電源，它的主要功能是有效提高電網(wǎng)安全運(yùn)行水平，實(shí)現(xiàn)電能在時(shí)間和空間上的負(fù)荷匹配，增強(qiáng)可再生能源消納能力，在電網(wǎng)系統(tǒng)備用、緩解高峰負(fù)荷供電壓力和調(diào)峰調(diào)頻方面意義重大[5]。調(diào)峰目前在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)性一般，已有多個(gè)省份將電儲(chǔ)能納入交易體系，儲(chǔ)能調(diào)峰補(bǔ)償價(jià)格普遍在0.4～0.6元/（kW·h），在部分地區(qū)具備盈利空間。調(diào)頻目前在部分省市已具備較好的經(jīng)濟(jì)性，但是由于調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)存在“先建設(shè)收益高，后建設(shè)收益迅速降低”的特點(diǎn)，率先建設(shè)的儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目會(huì)獲取較高的收益。用戶側(cè)儲(chǔ)能是最具潛力的應(yīng)用場(chǎng)景，相對(duì)發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目，用戶側(cè)儲(chǔ)能具有更廣闊的市場(chǎng)。根據(jù)測(cè)算，按照每日2充2放的充放電策略，在峰谷價(jià)差超過(guò)0.7元/（kW·h），且電化學(xué)儲(chǔ)能循環(huán)次數(shù)超過(guò)4500次時(shí)，電化學(xué)儲(chǔ)能通過(guò)峰谷套利收益足以覆蓋自身增加的成本，我國(guó)多個(gè)省區(qū)的一般工商業(yè)和大工業(yè)峰谷價(jià)差超過(guò)0.7元/（kW·h），廣東、浙江等地區(qū)的工商業(yè)峰谷價(jià)差甚至超過(guò)1元/（kW·h）。從長(zhǎng)期來(lái)看，隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的不斷降低，電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的推廣以及虛擬電廠等商業(yè)模式的開(kāi)發(fā)，用戶側(cè)儲(chǔ)能有望迎來(lái)進(jìn)一步的突破。5結(jié)語(yǔ)能源結(jié)構(gòu)低碳化將是中國(guó)低碳轉(zhuǎn)型的必然要求，一方面，隨著新能源及核電等不可調(diào)峰電源裝機(jī)規(guī)模的大幅度增加，調(diào)峰需求和調(diào)峰能力的缺口將越來(lái)越大；另一方面，新一輪電