拥抱储能的历史性机遇

来源:      浏览人数:13038      时间:2021/08/20

为了完成《巴黎气候协定》的目标,全球多数国家已经明确了碳中和时间,基本设定为2050年,碳中和目标坚定。中国预计于2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和,过渡时间仅30年,较发达国家更为激进,意味着我们在节能减排的力度上将会进一步加强。从能源供应角度看,当前全球能源供应仍以煤、石油、天然气等化石能源为主,截至2018年化石能源供应量占全球能源总供应量的80%以上,可再生能源供应量尚不足20%。从碳排放的角度,发电供热、交通运输、工业生产以及农业等是主要碳排放来源,占碳排放总量的80%左右。碳中和目标要求终端能源消费中提升电力占比,为实现碳中和,至2050年,终端能源消费中电力占比将从现在的20%提升至50%以上,而煤、石油和天然气的消费占比将大幅下降。预计到2050 年全球发电量中可再生能源占比将超90%,其中风电、光伏等可再生能源占比将从10%提升至60%以上。

中国是全球电力生产第一大国,发电量约占全球发电量总额的四分之一。而由于我国一直以来"富煤、缺油、少气”的能源资源禀赋,决定了煤电是我国长期不可或缺的主力电源和基础电源。从中国电源结构看,截至目前(2020年),火电装机容量占比超过60%,发电量占比约70%。风光发电装机容量占比24.3%(2014 年为8.8%),发电量占比9.5%(2014 年为3.2%)。“碳中和”目标推动我国能源结构加速转型,凭借光伏发电的成本(全球光伏发电成本在过去十年累计下降了近90%)和低碳优势,未来光伏发电有望取代火电成为中国的第一大电源。

碳中和远期目标下,发电端清洁能源占比提升和用电端电气化比例提升是长期趋势。

我国的电网是世界上电压等级最高、输送容量最大、线路长度最长的电网,电网的稳定性要求极高。最细微的供需失衡也会导致电网的频率波动,当供给大于需求则导致频率上升,供给小于需求则导致频率下降,同时电网的频率只能限定在极小的范围内波动。在传统能源(火电)时代,煤电和燃机担当灵活性资源的角色,实时调节电力的供需“天平”保证电网稳定。相比传统能源,风电光伏具有天然波动性和不可预测性,当风光新能源大规模开发并接入电网后,其出力(理解为发电)的天然波动性与间歇性将对电网的安全稳定与调节能力提出巨大挑战,新能源(电动)车的爆发也加大了电力消费侧的波动性。在碳中和目标指引下,以风光新能源高比例接入和新能源汽车爆发为代表的电力生产和消费方式正在发生深刻的变化,这些变化使得电力系统供需两侧的波动性加大,增大了电网运行调度的难度(以火电为主体的传统电网系统无法同时处理电源侧与用电侧两端的高度波动),对电网系统提出了严峻考验。

自1882年人类发明交流电以来,电力已经深刻改变了这个世界,传统观念中电能最显著的特点是产销实时特性,绝大部分电能在生产出的那一刻就需要被使用,而无法被储存。储能的出现让电力可以被存储,可以看做是“电力仓库”,储能就是指将电能转化为其他形式的能量存储起来,并在需要时转化,通过电力时移维持电网平衡。以光伏发电系统为例,由于光伏发电受自然资源禀赋限制,出力曲线天然具有波动性、间歇性,无法很好地与需求曲线匹配,因此并网后容易加大电网的消纳负担。加装储能后,储能可通过快速的充放电,在发电功率低时放电,在功率高时充电,调节电源与负荷端的功率差,实现用电与发电的高度匹配。储能一方面在发电侧配套可以大幅提升新能源的并网友好性,减轻电源侧对电网的负担,另一方面可通过调峰调频等应用,参与电力系统的整体调度,为电网系统提供关键的灵活调节能力。因此,储能不仅使得新能源成为电网友好型的优质电源,还能帮助新能源实现多种价值,包括平滑出力曲线、提供辅助服务。可以说储能是风光新能源发电占比提升过程中必备的刚需资产。

从全球情况来看,2020年随着全球能源结构调整加速,大规模电网及发电侧储能应用驱动,行业进一步迎来高质量的增长,是新能源赛道上景气度很高的细分领域。中国、欧美及日韩是主要应用储能的国家,是全球储能系统规模化应用的主要推动者。以美国为例,美国户用光伏在过去10年中增势凶猛,而另一方面美国储能市场也伴随着地方政策性补助的实施以及风光发电的发展蓬勃向前,户用储能伴随户用光伏装机量的上升以及特斯拉PowerWall的普及进入高速增长期,从全球新能源发展进度也能看出,新能源发电渗透率的提升将加大对储能端的需求。

从中国的情况来看,2021年是我国储能的又一个大年,7月19日出台了《关于加快推动新型储能发展的指导意见》,再次明确储能独立市场地位,这是继2017年产业发展指导意见后另一个系统的指导性文件,对电力系统各环节储能应用给予了规划引导与保障支持,提出2025年30GW的累积装机指标,明确到2030年实现新型储能全面市场化发展,为未来储能产业发展指出了明确的路径。指导意见是“十四五”时期的第一份储能产业综合性政策文件,对行业发展重大利好。7月29日,国家发改委印发《关于进一步完善分时电价机制的通知》,提出合理拉大峰谷电价价差,科学划分峰谷时段,实施季节性电价等,对电化学等新型储能而言,通过用户侧的电价给予支持,储能就可以有更多应用场景,建立商业模式。8月10日,国家发展改革委、国家能源局发布《关于鼓励可再生能源发电企业自建或购买调峰能力增加并网规模的通知》,提出在电网企业承担可再生能源保障性并网责任的基础上,鼓励发电企业通过自建或购买调峰储能能力的方式,增加可再生能源发电装机并网规模。储能行业各项政策的陆续出台,对行业发展形成重大利好。

从储能技术本身的发展来看,储能技术主要分为热储能、电储能与氢储能,电储能又可分为电化学储能和机械储能(主要是抽水蓄能)两大流派。根据正负极材质的不同,电化学储能技术路线众多(锂离子电池、铅蓄电池与纳硫电池等),目前锂离子电池优势比较明显。储能系统的核心需求在于高安全、长寿命和低成本。成本下降永远是新能源普及的前提,对于储能亦是如此。从成本的角度考虑,目前只有铅蓄电池的度电成本低于锂离子电池,但铅蓄电池能量密度与功率密度偏低,无法适配需要快速放电的调频场景。除成本考量外,其他电池技术路线亦在技术成熟度、能量效率方面有一定缺陷,因此综合来看,目前锂离子电池是比较适用电化学存储场景的技术路线。

按照正极材料的类型划分,锂离子电池又分为磷酸铁锂和三元锂,其中,磷酸铁锂相对三元锂更适合储能场景(2019年我国电力系统储能锂电池出货量中磷酸铁锂电池占比达90%以上),磷酸铁锂优势在于热稳定性强,材料结构稳定性高,因此安全可靠性、循环寿命及全周期成本优于三元锂电池。虽然磷酸铁锂电池能量密度低于三元锂电池,但相对动力系统,储能系统对尺寸及重量设计要求低,对冲了磷酸铁锂电池在灵活性上的劣势。近几年,随着锂电池技术的快速升级,锂离子电池包单价在过去十年下降了近90%以上,带动电化学储能系统成本大幅下降,提高整体经济效益,是储能快速规模化应用的重要驱动力。

在具体应用情况中,我国用电负荷比较集中的是东南沿海地区的城市,而中西部地区的新能源光伏/风电产出比较大,在不能就地消纳的情况下,发展“光伏/风电+储能”一体化协调电站,解决间歇性、不稳定性发电的消纳问题,避免弃光、弃风造成资源浪费。另外,在用电负荷比较大、比较集中的东南地区,发展“分布式光伏/分散式风电+储能+电动车充电一体化”的多能互补电站,可以解决新能源汽车充电站配电容量不足,拓展电动车反向送电给电网的新型储能系统。这种多能协调+互补的“综合能源服务”模式是未来的重要发展方向,经济效益将非常可观。

 预计至2025年国内发电侧、电网侧、用电侧以及国外用户侧对应的储能需求将有较大的增长空间,在这个过程中,若储能成本进一步下降,预计更多需求将被激发,需求增加对市场空间的影响可能会远超价格下降,届时市场规模将进一步放大。电化学储能产业链主要分为上、中、下游三个环节,上游主要包括电池原材料及生产设备供应商等,中游主要为电池管理系统(含电池模组和电池管理系统)、储能逆变器(PCS)、能量管理系统(EMS)以及其他硬件系统;下游主要为储能系统集成商、安装商以及终端用户等。其中,电池模组价值量最高(60%)。电芯质量(能量密度、循环次数、温度适应性及安全性等),直接影响整个储能系统的运行与效率,因此也是决定储能系统投资回报率的关键要素。储能逆变器价值量排名第二(15-20%)。储能逆变器技术原理与光伏逆变器类似,核心都是将可再生能源产生的直流电转化为交流电。但储能逆变器的功能更加多元,涉及系统充放电、能量管理、离网运行、无功能力及调频等多项功能,强调支撑功能与灵活性,是储能系统中具备智能化控制能力的环节。

新能源汽车的战火在中国市场已经燃起多时,而在美国市场,这把火也开始越烧越旺。8月4日,美国白宫举行了一场以汽车电动化为主题的活动,在这场活动上,美国总统拜登签署了一项行政命令,目标是在2030年销售的所有新车中,零排放的汽车(包括纯电、插混和燃料电池车)占新车销售总份额的50%,正如白宫申明中提到的,全球汽车行业正在加速向电动化转变,在全球碳中和的大背景下,新能源车代替燃油车以减轻碳排放压力已经成为全球共识。

能源是人类社会发展的基石和动力。人类对能源的需求牵引着能源技术的革新与革命,而能源技术的革新与革命又影响着人类的生产模式、生活方式和社会管理,促进人类社会发展。展望未来,世界能源发展将日益呈现出多元化、低碳化、智能化和分布式等特征。在未来的大国竞争中,能源的安全是重要的基础能力,为此,世界各主要国家都在部署能源战略,竞相占领能源战略制高点,以争取掌握在未来竞争中的主动权。在人类能源运用重大战略机遇面前,在新能源爆发的当下,储能这一重要方向正在迎来历史性机遇。

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