新型儲能產(chǎn)業(yè)鏈深度研究(上)：壓縮空氣儲能、飛輪儲能、釩電池

　　儲能技術多元發(fā)展，各有不同的應用場景。我國新型儲能技術基本上與國際先進水平并跑，壓縮空氣儲能、儲熱儲冷、鋰離子電池、液流電池和鈉離子電池技術已達到或接近世界先進水平。

　　01 新型儲能類型與應用概述

　　新型儲能是指抽水蓄能以外的儲能技術。儲能形式根據(jù)技術路徑不同主要分為熱儲能、電儲能和氫儲能三大類，其中電儲能又可按能量儲存形式分為物理儲能、電磁儲能和電化學儲能。物理儲能除了抽水蓄能外，還包括壓縮空氣儲能、飛輪儲能、重力儲能等;電磁儲能包括超導儲能、超級電容器儲能等;電化學儲能包括鋰離子電池、鈉電池、鉛蓄電池、液流電池、鈉硫電池、燃料電池等儲能形式;熱儲能主要包括熔融鹽儲能、熱(冷)儲能等。

　　儲能技術呈現(xiàn)多元化發(fā)展格局，各有不同的應用場景。每種儲能技術均具有一定的獨特性，在實際應用中，需要用戶綜合考慮各種儲能技術的特點以及優(yōu)缺點，選擇最適宜的技術方案。比如，飛輪儲能、超級電容、超導儲能可以解決秒級或分鐘級以下的調(diào)頻需求;抽水蓄能、壓縮空氣儲能、燃料電池和電化學儲能等則更適用于進行小時級調(diào)峰;氫儲能適合執(zhí)行季節(jié)性調(diào)峰。不同儲能技術的特點如下表所示。

　　表1 主要儲能技術比較

　　資料來源：深企投產(chǎn)業(yè)研究院整理。功率按照現(xiàn)實項目(包括規(guī)劃項目)的最大功率，非理論值。

　　按照時長要求的不同，儲能的應用場景可分為容量型(≥4小時)、能量型(約1～2小時)、功率型(≤30分鐘)和備用型(≥15分鐘)四類，對應的應用場景如下表所示。

　　表2 儲能技術應用場景

　　資料來源：中國能建《關于“熔鹽儲熱”技術》，天風證券等，深企投產(chǎn)業(yè)研究院整理。

　　從各類儲能技術的研發(fā)推廣進程看，目前我國儲能技術基本上與國際先進水平并跑，壓縮空氣儲能、儲熱儲冷、鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池和鈉離子電池技術已達到或接近世界先進水平;抽水蓄能、飛輪儲能、超級電容和儲能新技術與世界先進水平還有一定的差距，如下圖所示。

圖1 2022年中國儲能技術和世界先進水平的比較成熟度

　　資料來源：陳海生等《2022年中國儲能技術研究進展》。

　　綜合分析我國各儲能技2022年的基礎研究、關鍵技術和集成示范的情況，各種儲能技術可以大致分為四個梯隊。其中，第一梯隊為抽水蓄能，單機規(guī)模100MW以上，占2022年全國儲能裝機的77.1%左右;第二梯隊為鋰離子電池、壓縮空氣儲能、液流電池、鉛蓄電池和儲熱儲冷技術，單機規(guī)?？蛇_10-100MW，其中鋰離子電池裝機最多，有可能未來形成單獨的一個梯隊;第三梯隊為鈉離子電池、飛輪儲能和超級電容器，目前單機規(guī)?？梢赃_到MW級，其中鈉離子發(fā)展受關注最多，有可能未來進入第二梯隊;第四梯隊為重力儲能、熱泵儲電、壓縮二氧化碳和液態(tài)金屬技術等新型儲能技術，需要進一步的研發(fā)，以便實現(xiàn)集成示范和產(chǎn)業(yè)化應用。

圖2 2022年中國儲能集成示范和產(chǎn)業(yè)化梯隊

　　資料來源：陳海生等《2022年中國儲能技術研究進展》。

　　02 壓縮空氣儲能

　　——應用現(xiàn)狀。壓縮空氣儲能(CAES)目前處于小規(guī)模應用階段。據(jù)CNESA(中國能源研究會儲能專委會/中關村儲能產(chǎn)業(yè)技術聯(lián)盟)統(tǒng)計，截至2021年底，壓縮空氣儲能在全球新型儲能裝機規(guī)模中的占比為2.3%。根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，截止2022年底，壓縮空氣儲能占全國新型儲能裝機規(guī)模的2%(如按照CNESA全球儲能數(shù)據(jù)庫的不完全統(tǒng)計，占比為1.5%)。當前壓縮空氣儲能整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍較小。

　　——工作原理。傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能是基于燃氣輪機開發(fā)的儲能技術，其工作原理是，在用電低谷，用過剩的電能來驅(qū)動壓縮機，將空氣壓縮至高壓并儲存在儲氣裝置(如地面儲氣罐、地下鹽穴、地下人工硐室等)中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲起來;在用電高峰，由儲氣裝置釋放儲存的高壓空氣，通過(進入燃燒室)燃燒或者換熱的方式，加熱壓縮氣體，將其輸送至膨脹機內(nèi)膨脹做功，推動發(fā)電機發(fā)電。其工作原理如下圖所示。

圖3 傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術原理

　　資料來源：中國科學院工程熱物理研究所《淺談“壓縮空氣儲能技術”》。

　　——優(yōu)缺點。壓縮空氣儲能具有啟動快速、能量密度和功率密度較高、運營成本低、設備使用壽命長、損耗低等優(yōu)點，一般可儲釋能上萬次，壽命達40-50年。缺點是，能量轉(zhuǎn)換效率低下(僅能到50%)，需要大洞穴或者大容量儲氣裝置存儲壓縮空氣、存在地域(地質(zhì))條件限制，投資回報期較長。壓縮空氣儲能中，儲氣方式不同，成本差異較大，單位成本約7000-9000元/kW，總體上當前壓縮空氣儲能的單位成本高于抽水蓄能和電化學儲能，單位kWh成本則與電化學儲能相當。目前壓縮空氣儲能度電成本0.24-0.25元，隨著規(guī)模提升，新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的度電成本可達到0.2元，如果未來能降到0.15元以下，則經(jīng)濟效益更加顯著。

　　壓縮空氣儲能產(chǎn)業(yè)鏈

　　上游為裝備制造、儲氣庫。壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要由壓縮機、空氣透平膨脹機(空汽輪機)、發(fā)電機、換熱器、儲熱介質(zhì)等構(gòu)成，儲能電站設備投資約占65%-70%，其余為土建安裝及其他輔助工作。其中核心設備為壓縮機(離心式空氣壓縮機)，可占到儲能電站投資的15%以上;換熱器、透平機、輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，和傳統(tǒng)火電站配置類似，約占儲能電站投資的15%，基本無技術瓶頸。

圖4 壓縮空氣儲能核心設備

　　資料來源：樂晴智庫。

　　• 核心設備廠商：國外壓縮機主要有阿特拉斯·科普柯、西門子、日本神鋼等，國內(nèi)能達到相應技術要求的主要有陜鼓動力、沈鼓集團、金通靈三家企業(yè)。目前100MW級壓縮機基本可以實現(xiàn)國產(chǎn)化，但實現(xiàn)單機300MW級仍存在很大難度和技術瓶頸。設備主要企業(yè)包括：陜鼓動力(空壓龍頭，壓縮機、膨脹機)、沈鼓集團(離心壓縮機)、金通靈(空氣膨脹機)、杭氧股份(空氣壓縮機、透平膨脹機)、川空集團(空分設備、透平膨脹機)、哈電汽輪機(空氣透平、油氣換熱器等)、東方汽輪機(空氣透平、油氣換熱器)、上海汽輪機(空氣透平、油氣換熱器)等。

　　• 儲氣庫資源供應：壓縮空氣儲能儲氣庫包括高壓氣罐、低溫儲罐、廢舊礦洞改造、新建洞穴、鹽穴等多種形式，現(xiàn)階段在建、已投產(chǎn)項目多采用地下儲氣庫(廢舊礦洞改造、新建洞穴、鹽穴)，我國鹽業(yè)企業(yè)中，魯銀投資、蘇鹽井神、中鹽化工、雪天鹽業(yè)等均在鹽穴儲能領域有所布局。儲氣裝置占儲能電站投資的10%—20%，如采用地下鹽穴，成本約占10%;如采用人工硐室，成本約20%;如儲氣裝置使用壓力容器，其單位造價是鹽穴儲氣造價的10倍以上。

　　中游為儲能系統(tǒng)集成(主要提供技術支持)、儲能電站施工建設。主要的技術提供方是中儲國能(中科院熱物理研究所下屬，近期完成超10億元A輪融資)、中科儲能、科遠智慧，以及中科院理化所、清華大學等高校院所;主要的系統(tǒng)集成商包括中儲國能、陜鼓集團等;項目整體建設施工單位主要有中國能建、中國電建等，主要提供EPC(工程建設總承包)業(yè)務。從建設市場情況看，中國能建目前占據(jù)主要地位。

　　下游為投資運營商(業(yè)主單位)。當前參與投資布局(包括規(guī)劃中)的企業(yè)包括中國能建、中國電建、國家能源集團、國家電投、中國華能、福能股份、華電集團、大唐集團、三峽集團(三峽能源)等，基本為國企(央企)。

　　03 飛輪儲能

　　——應用現(xiàn)狀。飛輪儲能還處于商業(yè)化早期，在全球及中國儲能市場占有率較低。據(jù)CNESA數(shù)據(jù)，截止2022年底中國已投運新型儲能累計裝機規(guī)模達到13.1GW，其中飛輪儲能其中僅占0.1%。目前國內(nèi)市場上飛輪儲能應用多數(shù)為試點項目，主要作為蓄電池系統(tǒng)的補充，成熟運行產(chǎn)品較少，運行功率較低，后備時間短，部分技術性能需要進一步完善。

　　——工作原理。飛輪儲能的原理是利用過剩電力給真空外殼中的轉(zhuǎn)子(飛輪)加速，把電能以動能的形式儲存。在儲能階段，通過電動機拖動飛輪，使飛輪本體加速到一定的轉(zhuǎn)速，將電能轉(zhuǎn)化為動能;在能量釋放階段，飛輪的旋轉(zhuǎn)速度會降低，電動機作發(fā)電機運行，將動能轉(zhuǎn)化為電能。一般來說，飛輪系統(tǒng)使用電流來控制飛輪速度，其中高能的飛輪使用高強度碳纖維制成的轉(zhuǎn)子，并通過磁懸浮軸承實現(xiàn)懸浮。這些轉(zhuǎn)子在真空罩內(nèi)的轉(zhuǎn)速可達到20000-50000rpm，可以在幾分鐘內(nèi)達到所需的速度。

圖5 飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　資料來源：貝肯新能源。

圖6 飛輪儲能系統(tǒng)運作示意圖

　　資料來源：智見能源，中銀證券。

　　——應用領域。飛輪儲能是一種高頻次、大功率、長壽命、高效率的功率型儲能技術，適用于數(shù)百千瓦至數(shù)十兆瓦、持續(xù)數(shù)秒至數(shù)分鐘、頻次10萬次以上的電儲能應用場景，是實現(xiàn)電壓穩(wěn)定、頻率調(diào)節(jié)的重要技術。飛輪儲能可用于新能源并網(wǎng)、微電網(wǎng)調(diào)頻，地鐵、港口制動能量回收，數(shù)據(jù)庫、醫(yī)院不間斷電源，國防、科研脈沖電源等。

　　——優(yōu)缺點。飛輪儲能的優(yōu)點包括：1)高效率。能量轉(zhuǎn)換效率能夠達到90%及以上。2)長壽命。飛輪儲能的使用壽命可達200萬次以上，且使用壽命不受充放電深度的影響，主要取決于飛輪材料的疲勞壽命和系統(tǒng)中電子元器件的壽命。3)響應速度快。啟動時間在1秒以內(nèi)，充放電速度反應極快，屬于分秒級的儲能技術。4)運維較簡單。運行過程中幾乎不需要維護，工況環(huán)境適應性好，-20-50°C下都能正常工作。缺點主要有：1)能量密度低。額定功率小，最多供電幾分鐘，而且由于空氣和軸承阻力，存儲過程中存在電能消耗的情況。2)成本較高。主要是由于其需要使用高強度材料(如使用碳纖維材料制造飛輪)和先進的控制技術，單位投資成本較大。3)噪音大。旋轉(zhuǎn)飛輪轉(zhuǎn)速可高達15000rpm，噪音較大，且持續(xù)工作在高轉(zhuǎn)速、高溫等極端工況下，因此極其輕微結(jié)構(gòu)變動將會導致劇烈震動，不僅會產(chǎn)生極大地噪聲污染，也可能發(fā)生斷軸等安全風險。

　　飛輪儲能產(chǎn)業(yè)鏈

　　產(chǎn)業(yè)鏈上游。典型的飛輪儲能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)包括5個部件：1)飛輪本體，一般為高強度復合纖維材料(如碳纖維復合材料)制成;2)軸承，為轉(zhuǎn)子提供低耗損支撐，利用非接觸式的永磁軸承、電磁軸承或超導懸浮軸承等支承飛輪;3)電機，一般為電動/發(fā)電互逆式雙向電機(電動機+發(fā)電機);4)電力轉(zhuǎn)換器，是輸入電能轉(zhuǎn)化為直流電供給電機，輸出電能進行調(diào)頻、整流后供給負載的關鍵部件;5)真空器(真空室)，為減少空氣阻力，飛輪系統(tǒng)放置于高真空密封套筒內(nèi)。上游部件主要由華陽股份、國機重裝、湘電股份、廣大特材等企業(yè)提供。產(chǎn)業(yè)鏈中游為飛輪儲能系統(tǒng)集成，主要設備廠商也同時參與。下游為發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)測的業(yè)主單位。

　　表3 飛輪儲能系統(tǒng)和裝置開發(fā)應用重點機構(gòu)

　　資料來源：深企投產(chǎn)業(yè)研究院整理。

　　04 釩液流電池

　　——應用現(xiàn)狀。我國液流電池儲能的研發(fā)推廣處于世界領先水平。根據(jù)CNESA數(shù)據(jù)，截止2022年底液流電池占我國已投運新型儲能累計裝機規(guī)模的1.2%。液流電池根據(jù)活性材料分類，可分為全釩液流電池，鋅基液流電池(鋅溴、鋅鐵、鋅鎳、鋅空氣等)，鐵鉻液流電池、全鐵液流電池等等。其中全釩液流電池是目前最接近產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化應用的一種電池，而其他液流電池技術成熟度稍低，仍然面臨活性物質(zhì)的沉積、電解液互竄、功率密度低、容量和能量無法完全解耦、析氫和析氧等問題，基本上處于工程化示范階段。在應用場合方面，液流電池有望與鋰離子電池形成差異化競爭，主要在4小時及以上，百兆瓦時以上的容量儲能場合進行推廣。

　　全釩液流電池隨著大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化加速，滲透率將不斷提升，裝機規(guī)模呈增長趨勢。根據(jù)EV Tank發(fā)布的數(shù)據(jù)，2021年中國釩電池新增裝機量0.13GW，2022年國內(nèi)大量的釩電池儲能項目開工建設，預計全年新增裝機量將達到0.6GW。據(jù)EV Tank預測，預計2025年釩電池新增規(guī)模將達到2.3GW，2030新增量將達到4.5GW，屆時釩電池儲能項目累計裝機量將達到24GW，當年新增市場規(guī)模將達到405億元。GGII預測，2025年國內(nèi)液流電池出貨量有望超過10GWh(按4小時測算，含出口)，復合增速高達95.5%。

　　——工作原理。液流電池通過離子選擇膜的離子交換將化學能轉(zhuǎn)化為電能，離子選擇膜將兩種液體電解質(zhì)分開存儲在不同的罐中,利用兩種化學溶液進行離子交換來進行充放電,其電壓一般在1.0-2.2V之間。與其它電池相似，液流電池的功率與隔膜面積成正比，而儲存能量的多寡和溶液儲存容量成正比。

　　液流電池正負極全使用釩鹽溶液的稱為全釩液流電池(全釩氧化還原液流電池)，簡稱釩電池。釩電池電能以化學能的方式存儲在不同價態(tài)釩離子的硫酸電解液中，通過外接泵把電解液壓入電池堆體內(nèi)，在機械動力作用下，使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動，采用質(zhì)子交換膜作為電池組的隔膜，電解質(zhì)溶液平行流過電極表面發(fā)生電化學反應，通過雙電極板收集和傳導電流，從而使得儲存在溶液中的化學能轉(zhuǎn)換成電能。這個可逆的反應過程使釩電池順利完成充電、放電和再充電。

圖7 全釩液流電池的構(gòu)成

　　資料來源：北京低碳院，安信證券。

　　——優(yōu)缺點。全釩液流電池的優(yōu)點包括：1)相較于鋰離子電池，安全性更高。全釩液流電池的電解液為釩離子的酸性水溶液，在常溫常壓下運行，不存在熱失控、著火爆炸的風險，具有本征安全性。在空間占用方面，鋰離子電池儲能系統(tǒng)需要滿足更為嚴格的消防及安全標準，在集裝箱的排布上必須留出更大的安全距離，而全釩液流電池無此問題，因此布局更為緊湊，占地更加集約。2)循環(huán)壽命長。循環(huán)次數(shù)可達16000次以上，顯著優(yōu)于鋰離子電池，且生命周期內(nèi)容量可完全恢復，容量衰減問題小(相比之下，鋰離子電池的可用容量會隨著循環(huán)次數(shù)的增加而明顯下降)。3)充、放電性能好?？缮疃确烹姸粨p壞電池。自放電低，在系統(tǒng)處于關閉模式時，儲罐中的電解液無自放電現(xiàn)象。4)啟動速度快，無相變化，充放電狀態(tài)切換響應迅速。5)輸出功率和儲能容量相互獨立，便于模塊化集成和規(guī)模放大。全釩液流電池實現(xiàn)了電芯功率和容量的分離，輸出功率和儲能容量可獨立設計。要增加輸出功率，僅需增加電堆的數(shù)量;要增加儲能容量，僅需增加電解液的體積(儲液罐的容量)。設計和安裝靈活，便于模塊化設計和規(guī)模放大，因此適用于大規(guī)模、大容量、長時儲能, 其儲能時長越長，單度電分攤成本將大幅度降低，價格越便宜。近期的項目設計規(guī)模已達到200MW，遠超鋰電池儲能系統(tǒng)規(guī)模。6)我國釩資源儲量豐富，供應鏈安全性更強。我國已探明釩礦儲量占全球43%(美國地質(zhì)勘探局USGS數(shù)據(jù))，產(chǎn)量約占全球三分之二，相比于鋰電池在核心礦產(chǎn)方面對外依賴度高，發(fā)展釩電池可避免受制于人。

　　全釩液流電池的缺點包括：1)能量密度不高。全釩液流電池的能量密度為12-40Wh/kg，低于鋰電池的80-300Wh/kg。不過，固定式儲能系統(tǒng)對能量密度要求不高，因此液流電池更適用于大規(guī)模蓄電儲能。2)初始投資成本較高。目前鋰電池儲能電站的初始投資成本最低可達到1.6元/Wh，而釩電池儲能項目初始投資成本普遍在3元/Wh以上。近期釩電池成本下降較快，2022年11月中核匯能1GWh液流電池儲能采購中標候選人公示中，最低中標單價達到2.2元/Wh。雖然釩電池初裝成本較鋰電池偏高，但全壽命周期使用成本與鋰電相近，在長時儲能場景更具優(yōu)勢。不過仍要考慮如果釩資源開發(fā)力度不如預期，釩電池大規(guī)模應用拉動釩價上漲、拉高電解液成本，則可能削弱全釩液電池的全壽命周期的性價比優(yōu)勢。

　　全釩液電池儲能產(chǎn)業(yè)鏈

　　全釩液流電池主要由電解液、交換膜、電極、雙極板等組成。電解液是釩離子的儲存介質(zhì)，占系統(tǒng)成本的35%-40%(其中五氧化二釩占電解液成本60%左右)，其性能將直接影響到電池系統(tǒng)的工作效率、運行工況和使用壽命等;交換膜是電池內(nèi)用于釩離子交換的膜材料;電極是氧化還原反應的主要發(fā)生場所，包括一個正極和一個負極;雙極板是用來電氣連接但液壓分離相鄰電芯的一種隔板，主要功能為隔離正負極電解液、匯集電流和支撐電極等。雙極板、離子交換膜、電極、電極框架等構(gòu)成電堆，電堆是釩電池系統(tǒng)的重要部件，是發(fā)生電化學反應的主要場所，可占總成本的35%，而電堆成本中55%來自于離子交換膜。其他裝置(如管路與控制系統(tǒng)、循環(huán)泵等)占總成本的30%。全釩液流電池產(chǎn)業(yè)鏈如下圖所示。

圖8 全釩液流電池產(chǎn)業(yè)鏈

　　資料來源：長城證券。

　　當前國內(nèi)全釩液流電池市場總體體量較小，龍頭格局未顯，產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期。產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的競爭格局和代表企業(yè)如下表所示。

　　表4 全釩液流電池產(chǎn)業(yè)鏈代表企業(yè)

　　資料來源：深企投產(chǎn)業(yè)研究院整理。