儲能經(jīng)濟

 

從光伏和國家儲能技術(shù)的發(fā)展歷程中學(xué)習(xí)。

電化學(xué)儲能技術(shù)迎來機遇

全球能源互聯(lián)發(fā)展合作組織預(yù)測，2060年全社會用電量將達到17萬億千瓦時，人均用電量將達到12700千瓦時，清潔能源和新能源裝機容量占比將超過90%。

隨著新能源的大規(guī)模接入，為了克服風(fēng)能和光伏的間歇性和波動性，整個電力系統(tǒng)正在從 “源-網(wǎng)-荷 “向 “源-網(wǎng)-荷-儲 “轉(zhuǎn)變，儲能技術(shù)將成為電力系統(tǒng)的一個新類型。 第四個必要因素。儲能技術(shù)目前主要集中在抽水蓄能電站和鋰離子電池儲能兩種形式，像最近流行的51.2v 200ah powerwall鋰離子電池。

 

德國家用光伏和儲能技術(shù)的發(fā)展路徑

2020年風(fēng)力和太陽能發(fā)電比例最高的國家有瑞典（19%）、德國（18%）、葡萄牙（18%）、英國（17%）、芬蘭（17%）等。歐洲的平均比例為12-13%（國內(nèi)數(shù)據(jù)低于5%）。

由于葡萄牙、瑞典和芬蘭的裝機容量太小，不具有參考意義，我們主要關(guān)注德國和英國，其中德國作為表后儲能裝機容量的參考，英國作為表前儲能裝機容量的參考。

 

德國國內(nèi)光伏和儲能技術(shù)的發(fā)展取決于經(jīng)濟

光伏發(fā)電的繁榮與政策導(dǎo)向同頻共振，高度依賴補貼。1990年，德國制定了 “1000屋頂計劃”，拉開了德國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的序幕；

1998年，政府進一步提出 “十萬屋頂計劃”，極大地刺激了德國乃至全球光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

 

 

2000年，德國通過了《可再生能源法》，并在2004年、2008年和2012年三次修訂該法，明確了光伏發(fā)電的強制并網(wǎng)電價，使德國的光伏裝機容量迅速增長，一舉成為世界光伏行業(yè)的。 標(biāo)桿國家。

2010年至2012年，德國光伏發(fā)電新增裝機容量連續(xù)3年超過7GW。同時，隨著光伏電站裝機成本的下降，德國政府也在逐步減少上網(wǎng)電價補貼，裝機容量的增長速度逐漸趨于穩(wěn)定。

2018年，政府制定了到2040年將可再生能源在總電力需求中的比例提高到80%的目標(biāo)，2021年，這一目標(biāo)被提前到2030年。

隨著越來越積極的政策目標(biāo)的出臺，新安裝的光伏發(fā)電能力規(guī)模逐年增加。到2021年底，德國的光伏裝機容量將達到59.9GW，2021年將新裝5.3GW。

 

 

結(jié)構(gòu)：

德國新增光伏裝機容量以分布式為主，家庭光伏裝機容量比例呈上升趨勢。

德國儲能能力：

儲能技術(shù)在用電側(cè)的比例持續(xù)上升，結(jié)構(gòu)特征明顯。儲能技術(shù)的進步和規(guī)?；瘞淼耐顿Y成本的降低，加上逐年攀升的高額電費，促進了德國表后儲能技術(shù)市場的蓬勃發(fā)展。

據(jù)統(tǒng)計，到2020年底，德國近70%的家庭光伏發(fā)電項目都配備了電池儲能技術(shù)系統(tǒng)，家庭儲能裝機容量已超過30萬，單戶規(guī)模約為8.5kWh。

 

儲能技術(shù)系統(tǒng)配置：

隨著電力側(cè)儲能比例的提高，德國電化學(xué)儲能的裝機功率和容量比例趨于1kW/2kWh。

根據(jù)近年來新安裝的光伏和儲能技術(shù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，德國家庭光伏裝置傾向于配置10%、2h的儲能技術(shù)，這與目前中國集中式光伏發(fā)電項目的政策類似。

按照家庭屋頂光伏200w/平方米，100平方米/戶的屋頂面積計算，單戶光伏系統(tǒng)的裝機容量約為20kw。

戶用儲能技術(shù)平均為8.5kwh，基本符合非光伏發(fā)電期間單戶的用電量。家庭儲能技術(shù)系統(tǒng)占用空間小，用戶接受度高。家庭儲能技術(shù)裝置與光伏發(fā)電裝置沒有必然聯(lián)系。

 

 

英國引領(lǐng)歐洲儲能技術(shù)市場

主要基于光伏發(fā)電裝機容量的快速增長

英國的光伏發(fā)電：

2014年，英國發(fā)布了 “光伏發(fā)電戰(zhàn)略”，重點支持分布式（屋頂）光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2016年4月，所有光伏項目的可再生能源義務(wù)法案（RO）補貼結(jié)束；2018年，英國結(jié)束對屋頂太陽能項目的支持。

英國儲能技術(shù)：

經(jīng)過2014年至2016年光伏裝機容量的快速增長，光伏發(fā)電在全社會的比重明顯提高，2016年至2019年，英國的電化學(xué)儲能裝機容量明顯增加。

到2020年底，英國電化學(xué)儲能技術(shù)的裝機容量接近570MW，占?xì)W洲儲能裝機容量的47%。

英國前裝儲能電表的平均配置時間接近1小時，主要起到提高并網(wǎng)靈活性（能量時移）和電網(wǎng)穩(wěn)定性（輔助服務(wù)）的作用。

2020年，能源時移和輔助服務(wù)儲能的新增裝機容量分別為175MW和62MW，合計占當(dāng)年新增裝機容量的80.6%。

 

 

中國經(jīng)濟為分布式光伏帶來更高的儲能比例

2017年以前，集中式光伏的內(nèi)部收益率高于分布式光伏，主要是由于補貼因素；2018年以后，分布式光伏的內(nèi)部收益率實現(xiàn)反超。

根據(jù)德國光伏儲能技術(shù)的發(fā)展歷程，分布式儲能的裝機容量主要是根據(jù)工業(yè)企業(yè)的用電情況和峰谷電價的差異，體現(xiàn)經(jīng)濟性。

早期，分布式裝機90%以上的電量都是供應(yīng)給周邊高耗電的工業(yè)。到了后期，隨著組件成本的不斷下降，分布式光伏發(fā)電的刺激性得到進一步提高。對于用電量低的工業(yè)和商業(yè)，采用分布式+大儲能的能源模式也會體現(xiàn)出經(jīng)濟性。

政策催化了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展：

國家政策的支持對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著重要作用。集中式光伏并網(wǎng)指導(dǎo)電價和分布式光伏千瓦時補貼都對中國光伏產(chǎn)業(yè)前期的發(fā)展起到了很大的推動作用。2018年，補貼下降，裝機容量也相應(yīng)減少。

截至2020年，中國風(fēng)能和太陽能發(fā)電量占全社會總用電量的7.5%，對電網(wǎng)的影響不大。預(yù)計到2025年，風(fēng)電和光伏發(fā)電的比例將達到25-30%的零界。政策促進了電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電側(cè)配套儲能技術(shù)比例的提高。

 

 

中國的電力側(cè)儲能經(jīng)濟：

 

以10MW/40MWH儲能技術(shù)系統(tǒng)為例，在不考慮稅收優(yōu)惠的情況下，儲能的內(nèi)部收益率達到8.60%，考慮稅收優(yōu)惠后內(nèi)部收益率達到10.46%。

產(chǎn)業(yè)鏈高度重合

鈉電產(chǎn)業(yè)化之路平坦

鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池的 “搖椅 “原理相同，利用鈉離子（Na+）在正負(fù)極材料之間的可逆去插值來實現(xiàn)充放電。

鈉離子電池主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成，與鋰離子電池的生產(chǎn)設(shè)備基本兼容，降低了產(chǎn)業(yè)化的難度。

 

鈉離子在儲能技術(shù)中的最佳應(yīng)用

鋰原料價格持續(xù)上漲。截至2022年3月，主要原材料電池級碳酸鋰的價格超過50萬元/噸，創(chuàng)歷史新高。

鋰的豐度很低，地殼豐度只有0.006%，而且大部分集中在南美洲，給各大電池制造商帶來了供應(yīng)焦慮。

根據(jù)鈉電領(lǐng)軍企業(yè)中科海納的計算，鈉離子電池材料的成本優(yōu)勢明顯，比磷酸鐵鋰電池的成本低1/3左右。

銅基鈉離子電池的原材料成本為0.29元/小時，磷酸鐵鋰電池的材料成本為0.43元/小時，而鉛酸電池的成本為0.40元/小時。

1）鈉資源豐富，價格低且穩(wěn)定，10年內(nèi)價格將維持在1000-4000元/噸。
2）元素的選擇比較便宜；
3)用于陽極的硬碳和軟碳的工藝要求較低，功耗較低，具有低成本的潛力；
4)陽極集電體用的鋁箔價格低廉。

 

 

鈉的能量密度與磷酸鐵鋰基本相同

鈉離子的能量密度與磷酸鐵鋰基本相同，且溫度范圍廣，安全性能好。

鈉離子電池的能量密度優(yōu)于鉛酸電池，與磷酸鐵鋰基本相同。

目前，商用鈉離子電池的能量密度為100-160Wh/kg，明顯高于鉛酸電池的30-50Wh/kg。

比成熟的磷酸鐵鋰電池低10%~20%，但在鈉離子電池的實驗條件下可以達到200Wh/kg。寬廣的溫度范圍，拓寬高寒地區(qū)的應(yīng)用場景。適用溫度從-40℃擴展到80℃。兩種電池的詳細(xì)比較，請參考鋰離子電池與鈉離子電池。

 

鈉電產(chǎn)業(yè)鏈初具規(guī)模

鈉電產(chǎn)業(yè)鏈的布局繼承了鋰電池的特點，有利于產(chǎn)業(yè)化的快速導(dǎo)入。我國的鈉電產(chǎn)業(yè)鏈還處于起步階段，產(chǎn)業(yè)布局還不成熟。

鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)與鋰電池類似，包括上游資源企業(yè)、中游電池材料和電池企業(yè)。

電池企業(yè)相繼布局，寧德時代推動了產(chǎn)業(yè)鏈的形成。目前，包括CATL、中科海納、耐創(chuàng)新能源、鵬輝能源、欣旺達等多家企業(yè)都已布局鈉離子電池。

 

 

陽極的區(qū)別

硬碳材料由于其高比容量（約300 mAh/g）、低儲鈉電壓（高原電壓約為0.1 V）、長循環(huán)壽命和廣泛的來源，被認(rèn)為是鈉離子電池中最具商業(yè)潛力的陽極材料。.

目前，用于商業(yè)鈉離子電池的陽極幾乎都是硬碳。硬碳比石墨更容易合成。在商業(yè)應(yīng)用過程中，硬碳面臨著第一周庫侖效率低的問題，在酯基電解質(zhì)中其第一周庫侖效率大多在50-80%左右。

因此，有必要通過改進前驅(qū)體、改善合成條件等來減少其內(nèi)部缺陷，制備出孔隙率低、缺陷少的硬碳。

在中國五大鋰離子電池正極材料公司中，貝特瑞進展最快，實現(xiàn)了硬碳和軟碳正極的量產(chǎn)。杉杉股份、普泰、祥豐華等負(fù)極企業(yè)相繼開發(fā)出鈉系負(fù)極材料，并相繼進入中國市場。 試制階段。

貝特瑞的硬碳和軟碳負(fù)極材料的比容量已達到400mAh/g，突破了石墨負(fù)極的理論極限，具有優(yōu)良的低溫、速率、循環(huán)和安全性能，但在首周效率上仍有提高空間，且振動低密度不利于電池能量密度的提高。

由于硬碳和軟碳陽極的產(chǎn)業(yè)化較早，國內(nèi)外廠商的原料選擇仍趨于多樣化。

除中科海納使用華陽股份有限公司無煙煤制備軟碳外，已批量供貨的軟碳陽極主要使用焦炭原料，鋰電池陽極廠家可依托現(xiàn)有焦炭供應(yīng)商實現(xiàn)鈉電池陽極的布局。

規(guī)?；笊a(chǎn)成本的決定因素：原材料價格、殘?zhí)柯剩▎魏模㈦娏Τ杀荆囟群蜁r間）。一般來說，硬碳的成本應(yīng)低于人造石墨的成本，使用無煙煤時，軟碳的成本應(yīng)更低。

原材料價格： 過去，優(yōu)質(zhì)陽極材料主要使用進口原料（主要是進口針狀焦）。2021年以來，我國陽極材料的主要原材料價格呈現(xiàn)上升趨勢。

下游需求持續(xù)增長，供需博弈下的原材料價格上漲已成定局。陽極材料生產(chǎn)企業(yè)的成本壓力很大。這種壓力能否傳導(dǎo)給下游電池廠商，取決于企業(yè)基于技術(shù)壁壘和客戶資源的議價能力。

 

 

石墨陽極材料：

天然石墨的單耗相對確定，人造石墨的單耗波動較大。根據(jù)陽極材料制造商披露的數(shù)據(jù)，單耗在1.21-2.28之間。

單耗會隨著石油焦和針狀焦比例的不同而變化。除高端人造石墨主要使用針狀焦外，其他不同品質(zhì)的負(fù)極材料的具體原料消耗比例不詳。

硬碳和軟碳負(fù)極：

酚醛樹脂分子中含有大量的芳香環(huán)，殘?zhí)悸矢哂谄渌叻肿硬牧稀?/p>

生物質(zhì)原料的殘?zhí)悸士赡苤挥?0%；無煙煤的殘?zhí)悸始s為50-80%，但軟碳的性能要比硬碳弱一些。

加工費：

無論是軟碳還是硬碳，由于其對溫度和時間的要求遠低于人造石墨，其成本結(jié)構(gòu)可參照天然石墨，大規(guī)模工業(yè)化后的制造成本（包括電力和能源消耗等）可能略高于天然石墨（制造 成本為0.22元/噸）。

 

 

釩和氫尋求共同點

用于儲能技術(shù)的液流電池
核心優(yōu)勢：從根本上避免爆燃–安全；工作壽命極長–耐用。

除了流電池的一般優(yōu)勢外，還有三個優(yōu)勢：
(1) 環(huán)境友好 全釩氧化還原液流電池是全封閉的，工作時幾乎沒有排放。
(2) 殘值高 電解液中的釩元素不會流失，殘值約為70%。
(3) 方便回收 電解液只含有單一的過渡金屬，容易提取。小型化的全釩液流電池可與家用光伏設(shè)備一起使用。其體積是鋰電池的3-7倍。

 

釩氫同位素系統(tǒng)
堆棧是模塊化結(jié)構(gòu)中的核心

全釩氧化還原液流電池的結(jié)構(gòu)和原理與氫燃料電池相似。堆棧是系統(tǒng)的核心部分，在這里發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電力。電解液或氫氣被儲存在一個外部儲罐中。

鑒于單個電池單元的輸出功率較小，在實踐中，通常通過將多個電池單元串聯(lián)起來形成一個堆棧來提高整體輸出功率。

以氫燃料電池為例，堆棧是由雙極板和膜電極交替堆疊而成的復(fù)合組件，單體之間嵌有密封圈，前后板用螺絲壓緊固定。

氫燃料電池堆是燃料電池系統(tǒng)的核心價值所在，中國的電堆在核心材料和關(guān)鍵技術(shù)的缺乏方面存在缺陷。

在釩氫共用材料中，石墨雙極板已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，質(zhì)子交換膜和氣體擴散層仍以進口為主。

 

 

釩氫溶液

氣體擴散層（GDL）：

位于氣體流場層和催化層之間，主要由碳紙/碳布經(jīng)過疏水處理和微孔層涂層后形成。氣體擴散層的質(zhì)量主要取決于碳紙基材，而基材的質(zhì)量又取決于上游的碳纖維。

在碳紙的制備過程中，技術(shù)難度主要體現(xiàn)在磨漿/打漿環(huán)節(jié)。在這個環(huán)節(jié)中，需要控制打漿的程度，保證碳纖維切割的長度適中。材料的選擇和粘合劑、分散劑等溶液的配比將影響碳紙的性能。

 

競爭格局：

領(lǐng)先的公司有日本的東麗、德國的西格里和美國的AvCarb，其中東麗和西格里都在碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈中。

質(zhì)子交換膜（PEM）：

主流技術(shù)是全氟磺酸質(zhì)子交換膜。質(zhì)子交換膜趨于逐漸變薄，從幾十微米到幾十微米，減少質(zhì)子傳輸?shù)臍W姆極化，以達到更高的性能。

 

競爭格局：

美國的Chemours公司和Gore公司，后者擁有最豐富的產(chǎn)品系列和最實際的應(yīng)用案例，是汽車燃料電池市場的領(lǐng)導(dǎo)者。中國主要是東岳的未來，其特點是擁有完整的含氟精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)鏈。

雙極板（BP）：

按材料可分為石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合雙極板。目前，氫燃料電池主要采用石墨板或金屬板，釩氧化還原液流電池多采用復(fù)合板。

中國的生產(chǎn)程度：

石墨雙極板>金屬雙極板>復(fù)合雙極板。

氫氣燃料電池：

2020年，中國氫燃料電池雙極板的市場規(guī)模將達到3.1億元，石墨板（包括碳塑復(fù)合板）和金屬板的市場份額將分別為65%和35%。板塊趨于平分秋色。

數(shù)據(jù)顯示，2021年，H1金屬雙極板出貨量占雙極板總出貨量的45.0%（2020年同期為36.0%）。

釩液流電池：

金屬板基本被忽視，即使是有涂層的金屬板也很難在酸性液體環(huán)境中長期穩(wěn)定工作。石墨雙極板（機加工）不被看好，因為加工工藝復(fù)雜且昂貴。

釩氧化還原液電池主要使用碳塑料復(fù)合板，因為其熱塑性或成型工藝的加工相對簡單，但混合聚合物樹脂引起的電阻率增加仍是一個需要解決的問題。

 

 

石墨板：

由于其耐腐蝕性強、耐久性高、技術(shù)壁壘相對較低，率先實現(xiàn)了中國化生產(chǎn)，并在對體積不敏感但對耐久性敏感的特種車輛和商用車領(lǐng)域得到了示范。

但是，石墨雙極板生產(chǎn)周期長、機械性能差、加工難度大、生產(chǎn)成本高等缺點也不容忽視。

市場上越來越多的企業(yè)成功開發(fā)出超薄、超細(xì)的石墨雙極板，在2025年前突破了國家對石墨雙極板單組厚度1.5毫米的要求，功率密度已經(jīng)開始接近豐田第一代金屬The雙極板的水平。

金屬板：

耐腐蝕性差、壽命短是其應(yīng)用的障礙。但是，隨著涂層工藝的不斷進步和突破，有望達到與石墨板相同的使用壽命。

金屬雙極板具有優(yōu)良的機械性能，體積功率密度高，成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)，在乘用車的大規(guī)模應(yīng)用過程中會迎頭趕上。

密集化程度高，流道長寬比高，布局小，可以使單板支持更高的功率密度，減少每千瓦所需的板數(shù)，從而降低堆棧集成的難度和成本。

目前，100kW的堆棧一般需要350-400個單芯電池，而巴拉德公司已經(jīng)實現(xiàn)了140kW的大功率堆棧只需要309個電池，這大大減少了雙極板的數(shù)量，提高了堆棧功率密度。

豐田汽車公司率先在其Mirai燃料電池汽車上使用了金屬雙極板和涂層，解決了一系列問題，包括腐蝕、成本和導(dǎo)電性。