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电化学储能:铅、锂、钠、钒等百舸争流
2022-11-14 [ 182]

电化学储能

  电化学储能就是把电能用化学电池储存起来,在需要时释放的一种储能技术,可以理解为一个大号的充电宝。与其他储能方式相比,电化学储能有容量大、响应快等特点。随着新能源产业的发展,电化学储能技术迎来广阔发展空间。

  电化学储能行业的发展背景

  2022 年以来我国电化学储能新增投运规模大幅提升。根据《电化学储能电站行业统计数据》,2022年1-8月我国新增投运电化学储能电站64座, 新增投运总能量达 1.29GWh;在建电化学储能电站158座,总能量达8.77GWh。

  电化学储能是新型储能中率先实现产业化应用的储能技术。电化学储能技术具备转换效率高、响应速度快、配置灵活等特性,可有效满足新型电力系统调峰、调频的需求。因此其在新型电力系统中率先实现产业化应用。

  根据CNESA 数据,2021年全球电化学储能累计装机规模占新型储能累计装机规模的比例达95.7%,其中锂电池、钠硫电池、铅蓄电池、液流电池储能技术占比分别为 90.9%、2%、2.2%、0.6%。

  储能电池分类及发展机遇

  电化学储能是指各种二次电池储能,主要包括锂离子电池、铅蓄电池和钠硫电池等。目前储能锂电池技术较为成熟,行业景气有望持续。全钒液流电池储能技术进入发展提速阶段。储能钠电池随着产业化落地,未来发展前景广阔。

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  1、铅酸电池:以二氧化铅为正极、金属铅为负极、硫酸溶液为电解液的一种二次电池,发展至今已有 150 多年历史,是最早规模化使用的二次电池。

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  铅酸电池的储能成本低,可靠性好,效率较高,广泛应用于UPS,也是我国早期大规模电化学储能的主导技术路线。但因为铅酸电池循环寿命短、能量密度低、使用温度范围窄、充电速度慢,且铅金属对环境影响较大,铅酸电池未来应用将会受极大程度限制。

  2、锂离子电池:通过锂离子在正负极之间可逆转移实现能量的储存和释放。

  锂电池储能技术发展最为成熟,安全性有待提高。

  目前储能锂电池是电化学储能的主要技术形态。根据《2022 储能产业应用研究报告》,2021年全球锂电池储能技术装机规模达 19.85GW,已实现规模化应用。但锂电 池应用于储能领域存在一定的安全隐患,一般是以热失控的方式发生。

  此外,锂电池还面临原料碳酸锂价格高企的问题,根据百川盈孚数据,截至2022年10月28日,碳酸锂市场均价报55.9万元/吨,较2022年初上涨110.2%, 为其他电化学储能技术发展提供了机遇。

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  3、液流电池:根据电解液又分为全钒液流、多硫化钠液流、锌溴液流和铁铬液流等,目前全钒液流为当前主流。

  液流电池在电化学储能技术中占比较低,发展进入提速阶段。全钒液流电池相较于锂电池具有安全性高、循环寿命长等优势,适用于长时储能。随着全钒液流电池技术的不断成熟,其成本有望逐渐降低,推动其发展提速。

  根据高工储能数据,2021年以来我国已有数个百 MWh级别的大型全钒液流电池项目启动。其中根据财联社数据,国内首个GWh全钒液流储能电站于2022年9月20日在新疆察布查尔县开工,计划于2023 年年底前并网。

  同月中核汇能发布国内首个1GWh全钒液流电池储能系统集中采购。钠电池基于锂电池技术,目前正处于产业化阶段,发展前景广阔。

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  4、钠离子电池:正极由液态硫组成,负极由液态钠组成,电池运行温度保持在300℃以上,以使得电极处于熔融状态,优点在于比锂离子便宜、存储空间更大,缺点在于安全隐患。

  钠电池的工作原理与锂电池相似,具备安全性高、成本低廉、低温性能好等特点,可适配储能系统的标准要求。

  根据中科海钠官网数据,2019年3月中科海钠发布全球首座 30 kW/100kWh 钠离子电池储能电站,并于2021年6月推出1MWh 的钠离子电池储能系统。根据中国储能网数据,2021年11月全球首台100kWh 钠离子电池数字储能系统样机在乌兰察布通电。

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  电化学储能行业的发展历程

  中国的储能产业虽然起步较晚,但近几年发展速度令人侧目。总体来看,我国电化学储能市场大致可分为 四个发展阶段:

  1.技术验证阶段(2000-2010年),主要是开展基础研发和技术验证示范。

  2. 示范应用阶段(2011-2015年),通过示范项目开展,储能技术性能快速提升、应用模式不断清晰,应用 价值被广泛认可。

  3.商业化初期(2016-2020年),随着政策支持力度加大、市场机制逐渐理顺、多领域融合渗透,储能装机 规模快速增加、商业模式逐渐建立。

  4. 产业规模化发展阶段(2021-2025年),储能项目广泛应用、技术水平快速提升、标准体系日趋完善,形 成较为完整的产业体系和一批有国际竞争力的市场主体,储能成为能源领域经济新增长点。

  随着“30-60碳达峰-碳中和”战略的提出,光伏、风电等可再生能源将成为能源主力,但这些可再生能源与用电负荷并不匹配,需要大量的储能承担削峰填谷的作用。此外,高比例可再生能源对电力系统灵活调节能力将提出更高要求,这也给储能发展带来了新机遇。

  储能产业链

       完整的电化学储能系统主要由电池组、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)、储能变流 器(PCS)以及其他电气设备构成。电池组是储能系统最主要的构成部分,负责能量存储;电池管理系统主要负责电池的监测、评估、保护以及均衡等;能量管理系统负责数据采集、网络监控和能量调度等;储能变流器可以控制储能电池组的充电和放电过程,进行交直流的变换。

  储能产业链上游主要包括电池、电池管理系统、 能量管理系统以及储能变流器供应商;中游为系统集成商和安装商,下游主要为终端用户等。 电池是电化学储能系统中最重要的部分,占储能系统成本的60%,PCS构成20%,EMS构成10%, BMS构成5%,其他配件构成5%。  

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未来随着钠电池产业化落地,其有望大规模应用于储能领域。综合来看,在“双碳背景下”,电化学储能有望受益于行业发展机遇。

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