儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)

 

從光伏和國(guó)家儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展歷程中學(xué)習(xí)。

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)迎來(lái)機(jī)遇

全球能源互聯(lián)發(fā)展合作組織預(yù)測(cè)，2060年全社會(huì)用電量將達(dá)到17萬(wàn)億千瓦時(shí)，人均用電量將達(dá)到12700千瓦時(shí)，清潔能源和新能源裝機(jī)容量占比將超過(guò)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(dòng)性，整個(gè)電力系統(tǒng)正在從 “源-網(wǎng)-荷 “向 “源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ) “轉(zhuǎn)變，儲(chǔ)能技術(shù)將成為電力系統(tǒng)的一個(gè)新類型。 第四個(gè)必要因素。儲(chǔ)能技術(shù)目前主要集中在抽水蓄能電站和鋰離子電池儲(chǔ)能兩種形式，像最近流行的51.2v 200ah powerwall鋰離子電池。

 

德國(guó)家用光伏和儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展路徑

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

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

 

德國(guó)國(guó)內(nèi)光伏和儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展取決于經(jīng)濟(jì)

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

1998年，政府進(jìn)一步提出 “十萬(wàn)屋頂計(jì)劃”，極大地刺激了德國(guó)乃至全球光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

 

 

2000年，德國(guó)通過(guò)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(qiáng)制并網(wǎng)電價(jià)，使德國(guó)的光伏裝機(jī)容量迅速增長(zhǎng)，一舉成為世界光伏行業(yè)的。 標(biāo)桿國(guó)家。

2010年至2012年，德國(guó)光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量連續(xù)3年超過(guò)7GW。同時(shí)，隨著光伏電站裝機(jī)成本的下降，德國(guó)政府也在逐步減少上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼，裝機(jī)容量的增長(zhǎng)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(lái)越積極的政策目標(biāo)的出臺(tái)，新安裝的光伏發(fā)電能力規(guī)模逐年增加。到2021年底，德國(guó)的光伏裝機(jī)容量將達(dá)到59.9GW，2021年將新裝5.3GW。

 

 

結(jié)構(gòu)：

德國(guó)新增光伏裝機(jī)容量以分布式為主，家庭光伏裝機(jī)容量比例呈上升趨勢(shì)。

德國(guó)儲(chǔ)能能力：

儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)?；瘞?lái)的投資成本的降低，加上逐年攀升的高額電費(fèi)，促進(jìn)了德國(guó)表后儲(chǔ)能技術(shù)市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展。

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

 

儲(chǔ)能技術(shù)系統(tǒng)配置：

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

根據(jù)近年來(lái)新安裝的光伏和儲(chǔ)能技術(shù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，德國(guó)家庭光伏裝置傾向于配置10%、2h的儲(chǔ)能技術(shù)，這與目前中國(guó)集中式光伏發(fā)電項(xiàng)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(jì)算，單戶光伏系統(tǒng)的裝機(jī)容量約為20kw。

戶用儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)系統(tǒng)占用空間小，用戶接受度高。家庭儲(chǔ)能技術(shù)裝置與光伏發(fā)電裝置沒(méi)有必然聯(lián)系。

 

 

英國(guó)引領(lǐng)歐洲儲(chǔ)能技術(shù)市場(chǎng)

主要基于光伏發(fā)電裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)

英國(guó)的光伏發(fā)電：

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

2016年4月，所有光伏項(xiàng)目的可再生能源義務(wù)法案（RO）補(bǔ)貼結(jié)束；2018年，英國(guó)結(jié)束對(duì)屋頂太陽(yáng)能項(xiàng)目的支持。

英國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)：

經(jīng)過(guò)2014年至2016年光伏裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)，光伏發(fā)電在全社會(huì)的比重明顯提高，2016年至2019年，英國(guó)的電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)容量明顯增加。

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

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

2020年，能源時(shí)移和輔助服務(wù)儲(chǔ)能的新增裝機(jī)容量分別為175MW和62MW，合計(jì)占當(dāng)年新增裝機(jī)容量的80.6%。

 

 

中國(guó)經(jīng)濟(jì)為分布式光伏帶來(lái)更高的儲(chǔ)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(bǔ)貼因素；2018年以后，分布式光伏的內(nèi)部收益率實(shí)現(xiàn)反超。

根據(jù)德國(guó)光伏儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展歷程，分布式儲(chǔ)能的裝機(jī)容量主要是根據(jù)工業(yè)企業(yè)的用電情況和峰谷電價(jià)的差異，體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。

早期，分布式裝機(jī)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(jìn)一步提高。對(duì)于用電量低的工業(yè)和商業(yè)，采用分布式+大儲(chǔ)能的能源模式也會(huì)體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)性。

政策催化了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展：

國(guó)家政策的支持對(duì)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(jià)和分布式光伏千瓦時(shí)補(bǔ)貼都對(duì)中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)前期的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用。2018年，補(bǔ)貼下降，裝機(jī)容量也相應(yīng)減少。

截至2020年，中國(guó)風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電量占全社會(huì)總用電量的7.5%，對(duì)電網(wǎng)的影響不大。預(yù)計(jì)到2025年，風(fēng)電和光伏發(fā)電的比例將達(dá)到25-30%的零界。政策促進(jìn)了電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電側(cè)配套儲(chǔ)能技術(shù)比例的提高。

 

 

中國(guó)的電力側(cè)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)：

 

以10MW/40MWH儲(chǔ)能技術(shù)系統(tǒng)為例，在不考慮稅收優(yōu)惠的情況下，儲(chǔ)能的內(nèi)部收益率達(dá)到8.60%，考慮稅收優(yōu)惠后內(nèi)部收益率達(dá)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(lái)實(shí)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(chǔ)能技術(shù)中的最佳應(yīng)用

鋰原料價(jià)格持續(xù)上漲。截至2022年3月，主要原材料電池級(jí)碳酸鋰的價(jià)格超過(guò)50萬(wàn)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(lái)了供應(yīng)焦慮。

根據(jù)鈉電領(lǐng)軍企業(yè)中科海納的計(jì)算，鈉離子電池材料的成本優(yōu)勢(shì)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(shí)，磷酸鐵鋰電池的材料成本為0.43元/小時(shí)，而鉛酸電池的成本為0.40元/小時(shí)。

1）鈉資源豐富，價(jià)格低且穩(wěn)定，10年內(nèi)價(jià)格將維持在1000-4000元/噸。
2）元素的選擇比較便宜；
3)用于陽(yáng)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(yáng)極集電體用的鋁箔價(jià)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(shí)驗(yàn)條件下可以達(dá)到200Wh/kg。寬廣的溫度范圍，拓寬高寒地區(qū)的應(yīng)用場(chǎng)景。適用溫度從-40℃擴(kuò)展到80℃。兩種電池的詳細(xì)比較，請(qǐng)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(diǎn)，有利于產(chǎn)業(yè)化的快速導(dǎo)入。我國(guó)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(shí)代推動(dòng)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(dá)等多家企業(yè)都已布局鈉離子電池。

 

 

陽(yáng)極的區(qū)別

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

目前，用于商業(yè)鈉離子電池的陽(yáng)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(guò)程中，硬碳面臨著第一周庫(kù)侖效率低的問(wèn)題，在酯基電解質(zhì)中其第一周庫(kù)侖效率大多在50-80%左右。

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

在中國(guó)五大鋰離子電池正極材料公司中，貝特瑞進(jìn)展最快，實(shí)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(kāi)發(fā)出鈉系負(fù)極材料，并相繼進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。 試制階段。

貝特瑞的硬碳和軟碳負(fù)極材料的比容量已達(dá)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(dòng)低密度不利于電池能量密度的提高。

由于硬碳和軟碳陽(yáng)極的產(chǎn)業(yè)化較早，國(guó)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(yáng)股份有限公司無(wú)煙煤制備軟碳外，已批量供貨的軟碳陽(yáng)極主要使用焦炭原料，鋰電池陽(yáng)極廠家可依托現(xiàn)有焦炭供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)鈉電池陽(yáng)極的布局。

規(guī)?；笊a(chǎn)成本的決定因素：原材料價(jià)格、殘?zhí)柯剩▎魏模?、電力成本（溫度和時(shí)間）。一般來(lái)說(shuō)，硬碳的成本應(yīng)低于人造石墨的成本，使用無(wú)煙煤時(shí)，軟碳的成本應(yīng)更低。

原材料價(jià)格： 過(guò)去，優(yōu)質(zhì)陽(yáng)極材料主要使用進(jìn)口原料（主要是進(jìn)口針狀焦）。2021年以來(lái)，我國(guó)陽(yáng)極材料的主要原材料價(jià)格呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

下游需求持續(xù)增長(zhǎng)，供需博弈下的原材料價(jià)格上漲已成定局。陽(yáng)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(jià)能力。

 

 

石墨陽(yáng)極材料：

天然石墨的單耗相對(duì)確定，人造石墨的單耗波動(dòng)較大。根據(jù)陽(yáng)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(huì)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(shù)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(wú)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(fèi)：

無(wú)論是軟碳還是硬碳，由于其對(duì)溫度和時(shí)間的要求遠(yuǎn)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(diǎn)

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

除了流電池的一般優(yōu)勢(shì)外，還有三個(gè)優(yōu)勢(shì)：
(1) 環(huán)境友好 全釩氧化還原液流電池是全封閉的，工作時(shí)幾乎沒(méi)有排放。
(2) 殘值高 電解液中的釩元素不會(huì)流失，殘值約為70%。
(3) 方便回收 電解液只含有單一的過(guò)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(chǔ)存在一個(gè)外部?jī)?chǔ)罐中。

鑒于單個(gè)電池單元的輸出功率較小，在實(shí)踐中，通常通過(guò)將多個(gè)電池單元串聯(lián)起來(lái)形成一個(gè)堆棧來(lái)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(jià)值所在，中國(guó)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(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，質(zhì)子交換膜和氣體擴(kuò)散層仍以進(jìn)口為主。

 

 

釩氫溶液

氣體擴(kuò)散層（GDL）：

位于氣體流場(chǎng)層和催化層之間，主要由碳紙/碳布經(jīng)過(guò)疏水處理和微孔層涂層后形成。氣體擴(kuò)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(guò)程中，技術(shù)難度主要體現(xiàn)在磨漿/打漿環(huán)節(jié)。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，需要控制打漿的程度，保證碳纖維切割的長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)格局：

領(lǐng)先的公司有日本的東麗、德國(guó)的西格里和美國(guó)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(dá)到更高的性能。

 

競(jìng)爭(zhēng)格局：

美國(guó)的Chemours公司和Gore公司，后者擁有最豐富的產(chǎn)品系列和最實(shí)際的應(yīng)用案例，是汽車燃料電池市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。中國(guó)主要是東岳的未來(lái)，其特點(diǎn)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(guó)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(guó)氫燃料電池雙極板的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到3.1億元，石墨板（包括碳塑復(fù)合板）和金屬板的市場(chǎng)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(zhǎng)期穩(wěn)定工作。石墨雙極板（機(jī)加工）不被看好，因?yàn)榧庸すに噺?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?yàn)槠錈崴苄曰虺尚凸に嚨募庸は鄬?duì)簡(jiǎn)單，但混合聚合物樹(shù)脂引起的電阻率增加仍是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

 

 

石墨板：

由于其耐腐蝕性強(qiáng)、耐久性高、技術(shù)壁壘相對(duì)較低，率先實(shí)現(xiàn)了中國(guó)化生產(chǎn)，并在對(duì)體積不敏感但對(duì)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(zhǎng)、機(jī)械性能差、加工難度大、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)也不容忽視。

市場(chǎng)上越來(lái)越多的企業(yè)成功開(kāi)發(fā)出超薄、超細(xì)的石墨雙極板，在2025年前突破了國(guó)家對(duì)石墨雙極板單組厚度1.5毫米的要求，功率密度已經(jīng)開(kāi)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(jìn)步和突破，有望達(dá)到與石墨板相同的使用壽命。

金屬雙極板具有優(yōu)良的機(jī)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(guò)程中會(huì)迎頭趕上。

密集化程度高，流道長(zhǎng)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(gè)單芯電池，而巴拉德公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了140kW的大功率堆棧只需要309個(gè)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(wèn)題，包括腐蝕、成本和導(dǎo)電性。