储能技术原理与常用的储能方式.pdf
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1、储能技术原理与常用的储能方式目录1.新型储能是未来三五年的风口赛道.22.储能技术的原理与特点.43.常用的储能方式.53.1.物理储能.53.2.化学储能.53.3.超导电磁储能.64.储能技术种类及特点分析.84.1.机械类储能.84.1.1,抽水蓄能.84.1.2.飞轮储能.94.1.3.压缩空气储能.94.2.电气类储能.104.2.1.超级电容器储能.104.2.2.超导储能.114.3.电化学类储能.124.3.1.铅酸电池.124.3.2.锂离子电池.134.3.3.钠硫电池.144.3.4.全机液流电池.144.4.热储能.154.4.1.基本原理.154.4.2.缺点.154
2、.4.3,应用.154.5.化学类储能.154.5.1.基本原理.164.5.2.优点.164.5.3.缺点.164.5.4.)应用.164.6.各种储能技术的性能比较和应用选择.16第1页共19页4.6.1.放电时间对比.164.6.2,功率对比.174.6.3.效率对比.174.6.4.投资对比.174.6.5.密度对比.185.储能产业的发展前景.186.促进大容量储能产业发展的政策建议.181.新型储能是未来三五年的风口赛道目前A股仿佛陷入了僵局,上下两难。指数向下走有政策底,空头不敢过于激进;向上走难度也很大,因为所有 的热点都无法形成引领级作用,大多是各领风骚两三天。这个时候,我们
3、应该潜心研究新优质赛道的机会,即便目前A股很纠结,但未来两三年还是有诗和远方。为什么要研究新优质赛道,一个重要原因是,以前老的赛道都因为涨幅过 大而处于调整态势,比较典型的是从去年开始调整的集成电路半导体和大消费 板块,今年以来新能源板块也在做大的头部,只有部分上游锂矿企业表现略 好。这些板块曾经是市场挖掘出来的高景气行业,各路主流资金纷纷驻扎,所 以板块整体的股价和估值也是水涨船高,而现在似乎到了一个筹码兑现的时 候。比较典型的是集成电路半导体,去年很多龙头品种业绩好得一塌糊涂,但 股价却丝毫没有起色,还有以白酒为首的大消费,其实业绩也在稳步增长,但 股价距离高点已经比较远了。说明白点,都是
4、前期涨幅过大惹的祸,无论是半导体还是大消费,或者新 能源,热门股几乎都是三五倍的涨幅,很多资金的获利空间十足。在全球开始收紧流动性的背景下,还有如此大的获利空间,筹码获利兑现 也很正常。现在很多主流资金都在思考一个问题:如何寻找下一个类似集成电路半导 体或者新能源的新赛道机会?第2页共19页这样的机会必须满足几个条件:一是有政策面大力扶持,比如集成电路半导体的自主可控和新能源汽车的 大发展,都是国家大力扶持的结果;二是有相当大的市场增量空间,比如芯片。我们每年的进口量达到3500亿 美元,这个国产替代的空间充满想象,于是资金把半导体产业链集体炒上了 天;三是板块的包容性好,协同效应不错,典型如
5、大消费中的白酒与调味品 等,板块效应就很明显,一二三线白酒层次炒作,一浪接一浪;四是赛道概念要够新,股价处于底部状态,这样才更有爆发力,典型如 ETC概念中的金溢科技,直接从10多元一口气涨到近90元。那么,什么板块能满足上述条件成为新赛道呢?个人观点是新型储能板 块。我们一一对标来分析一下是不是这样。首先看政策扶持的力度大不大。发改委最近印发的“十四五”新型储能 发展实施方案提出,到2025年,新型储能由商业化初期步入规模化发展阶 段,具备大规模商业化应用条件。怎么去理解?新型储能现在基本上就是“配角”,到2021年我国新型储能 累计装机不过400万千瓦,属于商业化初期,既然是初期,也就意味
6、着后续的 市场空间相当广阔。有关部门为了大力发展新型储能可谓不遗余力,明确新型储能就是为了平 滑不稳定的光伏发电和风电,基本上以后戈壁荒漠的新增风光电产能都需要配 套10%到15%的新型储能,预计到2025年,新型储能装机容量将达到3000万 千瓦以上。其次看新型储能市场的增量空间有多大。前面说了,到2021年累计才装机 400万千瓦,到2025年也就是三年后要达到3000万千瓦。此前,国内主要的储能方式是抽水储能,抽水储能的成本低但条件较高,比如大力发展风光电的西北地区就无水可抽,2020年中国新增储能中,抽水储 能只增长了 6%,电化学储能增长规模则达到90%以上,是2019年的2.4倍。
7、这其中,锂电池又是新型储能的主力,装机占比快速提升至89%。第3页共19页如果按目前储能锂电池每千瓦1500元的产值计算,到2025年新型储能市 场新增的产值空间有4000亿元左右,如果再算到2030年,则新增的市场空间 有1.5万亿元左右。注意,这些都是新增,够不够吸引人?再看业界是不是看好这个领域,也就是说会不会形成板块效应。目前来看,大力发展新型储能的龙头企业有宁德时代、德赛电池、科信技 术以及没有上市的华为等。华为的步伐很大,成立了一个注册资金30亿元的数字能源子公司,主业就 是新型储能,而且签单了全球最大的沙特储能项目。宁德时代和德赛电池则是从动力电池向储能电池转移产能,毕竟动力电池
8、 领域的竞争太过激烈,且技术天花板难以突破。科信技术则走的是另一条路,其打造了一个从电源电芯管理,到储能锂电 池生产,再到网络能源工程的全产业链交付,国内市场做数据中心、5G基站和 商业储能,海外市场则重点给爱立信、诺基亚配套5G基站能源管理。可以看到,无论是ICT大佬华为,还是锂电池生产企业,或者是网络能源 上市公司,都对新型储能寄予厚望。最后我们看第四点符不符合。首先这个赛道够新,正处于产业资本大举进 军的前期,而且领头的是华为、宁德时代这样的巨头;国家的产业政策也非常 有针对性,新增风光电都需要10%到15%的新型储能配套,和当年汽车需要安 装ETC有一拼。而整个板块的股价高不高呢?有高
9、有低,宁德、德赛确实股价较高,但也 有处于底部区间的。因为新型储能是一个商业化初期的产业,很多行业内的上市公司目前的业 绩尚未充分释放,但面对未来上万亿的新增市场,现有的行业排头兵肯定会是 最大的受益者,在市场空间突然打开的情况下,其业绩与股价实现“戴维斯双 击”的可能性颇大。2.储能技术的原理与特点由储能元件组成的储能装置和由电力电子器件组成的电网接入装置成为储 能系统的两大部分。储能装置主要实现能量的储存、释放或快速功率交换。电 第4页共19页网接入装置实现储能装置与电网之间的能量双向传递与转换,实现电力调峰、能源优化、提高供电可靠性和电力系统稳定性等功能。储能系统的容量范围比较宽,从几十
10、千瓦到几百兆瓦;放电时间跨度大,从毫秒级到小时级;应用范围广,贯穿整个发电、输电、配电、用电系统;大 规模电力储能技术的研究和应用才刚起步,是一个全新的课题,也是国内外研 究的一个热点领域。3.常用的储能方式目前,储能技术主要有物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能 等)、化学储能(如各类蓄电池、可再生燃料电池、液流电池、超级电容器等)和 电磁储能(如超导电磁储能等)等。3.1.物理储能物理储能中最成熟、应用最普遍的是抽水蓄能,主要用于电力系统的调 峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用等。抽水蓄能的释放时间可以从几个小 时到几天,其能量转换效率在70%85%。抽水蓄能电站的建设周期长且受地
11、形 限制,当电站距离用电区域较远时输电损耗较大。压缩空气储能早在1978年就 实现了应用,但由于受地形、地质条件制约,没有大规模推广。飞轮储能利用 电动机带动飞轮高速旋转,将电能转化为机械能存储起来,在需要时飞轮带动 发电机发电。飞轮储能的特点是寿命长、无污染、维护量小,但能量密度较 低,可作为蓄电池系统的补充。3.2.化学储能化学储能种类比较多,技术发展水平和应用前景也各不相同:(1)蓄电池储能是目前最成熟、最可靠的储能技术,根据所使用化学物质的 不同,可以分为铅酸电池、银镉电池、银氢电池、锂离子电池、钠硫电池等。铅酸电池具有技术成熟,可制成大容量存储系统,单位能量成本和系统成本 低,安全可
12、靠和再利用性好等特点,也是目前最实用的储能系统,已在小型风 力发电、光伏发电系统以及中小型分布式发电系统中获得广泛应用,但因铅是 重金属污染源,铅酸电池不是未来的发展趋势。锂离子、钠硫、银氢电池等先 进蓄电池成本较高,大容量储能技术还不成熟,产品的性能目前尚无法满足储 能的要求,其经济性也无法实现商业化运营。第5页共19页大规模可再生燃料电池投资大、价格高,循环转换效率较低,目前尚不 宜作为商业化的储能系统。液流储能电池具有能量转换效率较高,运行、维护费用低等优点,是高 效、大规模并网发电储能、调节的技术之一。液流储能技术在美国、德国、日 本和英国等发达国家已有示范性应用,我国目前尚处于研究开
13、发阶段。超级电容器是20世纪80年代兴起的一种新型储能器件,由于使用特殊 材料制作电极和电解质,这种电容器的存储容量是普通电容器的201000倍,同时又保持了传统电容器释放能量速度快的优点,目前已经不断应用于高山气 象站、边防哨所等电源供应场合。3.3.超导电磁储能超导电磁储能利用超导体制成线圈储存磁场能量,功率输送时无需能源形 式的转换,具有响应速度快、转换效率高、比容量/比功率大等优点,可以充分 满足输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节,提高电网稳定性和功率输送能 力的要求。和其他储能技术相比,超导电磁储能仍很昂贵,除了超导体本身的 费用外,维持系统低温导致维修频率提高以及产生的费用也相当
14、可观。目前,在世界范围内有许多超导电磁储能工程正在运行或者处于研制阶段。各种储能技术的发展程度、系统规模及应用环节比较如图1所示。各种储 能技术综合比较如表I所示,表1中UPS为不间断电源。第6页共19页用电环节配电环节 输电环节 发电环节 抽水荒能化学电池(钳酸、锲褊)-飞轮储能NaS电池压缩空一储能超导磁储能超级电容器 液流电池微型空气压缩储能 公储能kW 100 kW MW 10 MW 100 MW储能系统规模图1各种储能技术的发展程度、系统规模及应用环节比较 表1各种储能技术综合比较储能技术优点缺点应用方向抽水蓄能大容量、低成本场地要求特殊、建设周期长削峰填谷、调频调 相、系统备用、黑
15、后动压缩空气 储能大容量、低成本场地要求特殊削峰填谷、调频调 相、系统备用、黑启动飞轮蓄能技术成熟能量密度较低调峰、频率控制、UPS、电能质嫉调节等铅酸电池投资低、建设快寿命低、有污染电能质量、可靠性、频率控制、黑启动、UPS锂电池大容址、高密 度、高效率成本高各种应用钠破电池大容比、高密 度、高效率成本陶、安全院 患各种应用液流电池大容量、长后命能hi密度较低电能质量、可停性、频率控制、削峰填谷、能量管理超级电 容器长寿命、高效率能量密度较低电能质量、输配电系 统稳定性、脉冲功率超导电磁 储能大容量成本高UPS、电能质出、输配 电系统一定性第7页共19页4.储能技术种类及特点分析储能技术是通
16、过装置或物理介质将能量储存起来以便以后需要时利用的技 术。储能技术按照储存介质进行分类,可以分为机械类储能、电气类储能、电 化学类储能、热储能和化学类储能。4.1.机械类储能机械类储能的应用形式只要有抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能。4.1.1.抽水蓄能4.1.1.1.基本原理电网低谷时利用过剩电力将作为液态能量媒体的水从低标高的水库抽到高 标高的水库,电网峰荷时高标高水库中的水回流到下水库推动水轮机发电机发 电。4.1.1.2.特点属于大规模、集中式能量储存,技术相当成熟,可用于电网的能量管理和 调峰;效率一般约为65%75%,最高可达80%85%;负荷响应速度快(10%负荷变化需10秒钟)
17、,从全停到满载发电约5分钟,从全停到满载抽水约1分钟;具有日调节能力,适合于配合核电站、大规模风力发电、超大规模太阳能 光伏发电。4.1.1.3.缺点需要上池和下池;厂址的选择依赖地理条件,有一定的难度和局限性;与负荷中心有一定距离,需长距离输电。4.1.1.4,应用目前,抽水蓄能机组在一个国家总装机容量中所占比重的世界平均水平为 3%左右。截至2012年底,全世界储能装置总容量为128GW,其中抽水蓄能为 127GW,占99%。截至2012年年底,我国共有抽水蓄能电站34座,其中,投 第8页共19页运26座,投运容量2064.5万千瓦约占全国总装机容量11.4亿千瓦的1.8%。(另 在建8座
18、,在建容量894万千瓦)4.1.2.飞轮储能4.1.2.1.基本原理在一个飞轮储能系统中,电能用于将一个放在真空外壳内的转子即一个大 质量的由固体材料制成的圆柱体加速(达几万转/分钟),从而将电能以动能形式 储存起来(利用大转轮所储存的惯性能量)。4.1.2.2.优点寿命长(1530年);效率高(90%);少维护、稳定性好;较高的功率密度;响应速度快(毫秒级)4.1.2.3.缺点能量密度低,只可持续几秒至几分钟;由于轴承的磨损和空气的阻力,具有一定的自放电。4.1.2.4.应用飞轮储能多用于工业和UPS中,适用于配电系统运行,以进行频率调节,可 用作一个不带蓄电池的UPS,当供电电源故障时,快
19、速转移电源,维持小系统 的短时间频率稳定,以保证电能质量(供电中断、电压波动等)。在我国刚刚开始在配电系统中安装使用。电科院电力电子研究所曾为北京 306医院安装了一套容量为250kVA,磁悬浮轴承的飞轮储能系统,能运行15 秒,2008年投运。4.1.3.压缩空气储能4.1.3.1.基本原理压缩空气储能采用空气作为能量的载体,大型的压缩空气储能利用过剩电 力将空气压缩并储存在一个地下的结构(如地下洞穴),当需要时再将压缩空气与 天然气混合,燃烧膨胀以推动燃气轮机发电。第9页共19页4.1.3.2.优点有调峰功能,适合用于大规模风场,因为风能产生的机械功可以直接驱动 压缩机旋转,减少了中间转换
20、成电的环节,从而提高效率。4.1.3.3.缺点需要大的洞穴以存储压缩空气,与地理条件密切相关,适合地点非常有 限;需要燃气轮机配合,并要一定量的燃气作燃料,适合于用作能量管理、负 荷调平和削峰;以往开发的是一种非绝热(diabatic)的压缩空气储能技术。空气在压缩时所 释放的热,并没有储存起来,通过冷却消散了,而压缩的空气在进入透平前还 需要再加热。因此全过程效率较低,通常低于50%。4.1.3.4.应用至今,只有德国和美国有投运的压缩空气储能站。德国Hundorf站于1978 年投运,压缩功率60MW,发电功率290MW(后经改造提高到321MW),压缩时间/发电时间=4,2小时连续运行,
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