鋰電儲能厚積薄發(fā),詳解電化學儲能技術路線及產業(yè)鏈
2017年06月08日 8:18 3498次瀏覽 來源: 國泰君安 分類: 鋰
電化學電池技術是當前儲能行業(yè)一大增長點。截至2016年底,全球電化學儲能裝機規(guī)模達1756.5MW,近5年復合增長率27.5%。我國儲能產業(yè)起步相對較晚,經過十多年發(fā)展,目前正從小規(guī)模研究示范向商業(yè)化初期過渡發(fā)展。
1.儲能產業(yè)發(fā)展加速,電化學技術百家爭鳴
2016年我國化學儲能裝機量為189.4MW,同比增長達79.5%。與其他儲能方式相比,電化學儲能具有設備機動性好、響應速度快、能量密度高和循環(huán)效率高等優(yōu)勢,是當前國內外儲能研究的熱點。
儲能電池種類多,性能特點各不同。當前主流電化學儲能技術有先進鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池和鈉硫電池等,其性能特點和經濟性各不相同,目前尚未有某一種技術能夠完全滿足循環(huán)壽命、可規(guī)?;?、安全性、經濟性和能效五項儲能關鍵技術指標。鉛炭電池、鋰電池是當前發(fā)展較快、有望率先帶動儲能商業(yè)化的電化學儲能技術。
2.鉛酸老樹發(fā)新枝,鉛炭儲能步入商業(yè)化初期
鉛蓄電池歷史悠久,技術革新拓展儲能應用。鉛蓄電池自1859年發(fā)明以來已具有150多年歷史。時至今日,傳統(tǒng)鉛酸蓄電池憑借其安全可靠、容量大、性價比高等優(yōu)點,在二次電源應用領域仍具有穩(wěn)固的地位。近年來,以鉛炭電池為代表的新興鉛酸技術的出現(xiàn),大大彌補了傳統(tǒng)鉛酸電池比能量低、壽命短等缺點,使其在大規(guī)模儲能領域的應用成為可能。目前鉛蓄電池行業(yè)已具備較為成熟的技術體系和產業(yè)鏈,先進鉛酸電池受益于相對較低的生產成本,有望率先在大規(guī)模儲能領域實現(xiàn)商業(yè)化。
鉛炭電池是當前先進鉛酸技術發(fā)展的主流方向。鉛炭技術的核心是在負極引入活性炭,使電池兼具鉛酸電池和超級電容器的優(yōu)勢,同時可有效抑制普通鉛蓄電池負極不可逆硫酸鹽化的問題,使其大電流充放電性能和循環(huán)壽命得到顯著提升。測試評估結果顯示,同等工作狀況下鉛炭電池的放電功率是普通鉛酸電池的3-4倍,循環(huán)壽命提升至其6倍,充電速度可提高8倍,而其生產成本僅比普通鉛酸電池增加30-40%。當前鉛炭技術研究的重點在于鉛炭負極的作用機理、炭材料的選擇和抑制析氫等問題上。美國ALABC、Axion Power,日本Furukawa,澳大利亞CSIRO,法國CEA-INESD等公司和機構,都在積極從事相關方面的研究和開發(fā)。南都電源是國內鉛炭電池開發(fā)和推廣的領軍企業(yè),其產品和技術已在國內市場形成一定競爭優(yōu)勢。
鉛炭儲能步入商業(yè)化初期,市場空間大。以南都電源為例,目前公司已在國內投運鉛炭儲能項目48個,總規(guī)模242MWh,已簽署儲能商用儲能電站項目約1000MWh,系統(tǒng)廣泛應用于調峰調頻、風光儲、用戶側儲能等領域,具有廣闊的商業(yè)化前景。與鋰電池等其他主流電化學儲能技術相比,鉛炭電池的成本僅為其三分之一,短期性價比優(yōu)勢仍然顯著。長期來看,鉛炭電池在循環(huán)壽命、環(huán)境影響等方面仍具有一定局限性,預計未來其他電化學儲能技術的發(fā)展和成本的進一步降低將對其市場空間構成一定挑戰(zhàn)。
3.液流電池多體系并存,全釩、鋅溴是主流
液流電池種類繁多,功率容量可調。液流電池主要通過氧化還原電對在惰性電極上發(fā)生電化學反應完成能量儲存于釋放。其最大特點在于電池輸出功率和容量相互獨立,可分別通過改變電池模塊大小、電解液濃度和體積實現(xiàn)獨立設計。同時液流電池具有充放電性能好、循環(huán)壽命長的特點,適合大規(guī)模儲能應用。目前較為成熟的液流電池體系有全釩、鋅溴、鉻鐵、多硫化鈉-溴等雙液體系。其中全釩、鋅溴電池由于不存在正負極電解液交叉污染問題,發(fā)展尤為迅速。此外,近年來開始發(fā)展的鋅鎳單液體系也具有其獨特優(yōu)勢。
全釩液流電池是目前研究和應用最廣泛的液流電池技術。全釩體系正負電極電對分別為VO2+/VO2+、V2+/V3+,其主要優(yōu)勢在于電解液無交叉污染、無自放電、一致性好,且循環(huán)壽命極長。目前全球范圍內共安裝有40-50套釩電池系統(tǒng),其研發(fā)和制造企業(yè)主要包括日本住友電工SEI、大連融科、北京普能、美國UniEnergyTechnologies等。其中融科儲能于2016年開始投建的200MW/800MWh大連液流電池儲能調峰電站國家示范項目,是目前世界上最大的化學儲能調峰電站。
高成本是制約全釩液流電池商業(yè)化的主要因素。當前全釩系統(tǒng)成本約在4500-6000元/kWh,遠高于鉛炭、鋰電等電化學儲能技術,主要原因是離子交換膜、電解液等材料成本較高。目前離子交換膜很大程度依賴進口,價格約為5000元/平方米,國產價格也高達1000元/平方米。同時釩電池體積密度低,電解液使用量很大,導致同規(guī)模下電池總成本較高。目前液流電池產業(yè)鏈尚未完善,未來成本下降將依賴于離子交換膜國產化、提高釩離子溶解度、提高電流密度等方向的研究。
鋅溴體系成本低,材料配件受壟斷。鋅溴液流電池結構與全釩體系類似,其正負極電對為Br/Br-、Zn/Zn2+,兩種元素均豐富易得。其結構部件主要采用價格低廉的塑料,不含貴金屬,成本較低。隔膜材料主要是鋰電池、鉛酸電池類似的微孔膜,價格相對便宜,僅為50-100元/平方米。同時其體積能量密度也相對高,總體系統(tǒng)成本僅為全釩液流電池的一半,因而受關注度較高。鋅溴電池在技術層面的主要問題在于溴的強腐蝕性,其材料技術和配件生產仍在一定程度上受到美、日等國家的壟斷。目前我國從事相關研發(fā)的企業(yè)主要有安徽美能、北京百能等。
鋅鎳單液體系開拓液流電池發(fā)展新道路。鋅鎳單液流電池是解放軍防化研究院2007年提出的一種新型液流電池,其特點是正負極反應使用同一電解液,無需離子交換膜,從而大大降低了生產成本并簡化了電池設計。由于使用堿性電解液,電池長期抗腐蝕能力較好。經試驗,電池在1000次循環(huán)后能量效率達到86%,優(yōu)于一般雙液流電池。目前這類電池尚處于研發(fā)試驗階段,除國內部分機構外,日本、美國也已開始相關研究。
4.鈉硫電池技術受壟斷,國內短期難以推廣
鈉硫電池性能好,國外應用較成熟。鈉硫電池以單質硫和金屬鈉為正負極,β-氧化鋁陶瓷為電解質和隔膜,其工作溫度在300-350攝氏度之間,具有能量密度高、功率特性好、循環(huán)壽命長、成本相對低等優(yōu)點。目前全球范圍內已建成200多座鈉硫電池儲能電站,其規(guī)模約占全球電化學儲能總裝機量的30-40%,僅次于鋰離子電池。日本NGK公司是全球唯一具有大規(guī)模商業(yè)化生產鈉硫電池能力的企業(yè),其年產能約150MW。
鈉硫電池成本和安全性有待優(yōu)化。鈉硫電池系統(tǒng)成本約為2000-2500元/千瓦時,相對大部分儲能技術都較低,但離大規(guī)模商業(yè)化標準仍有距離。此外,由于電池使用液態(tài)鈉且在高溫下運行,一旦陶瓷電介質發(fā)生受損破裂形成短路,將引發(fā)電池燃燒產生重大安全事故。2011年NGK公司系統(tǒng)曾在客戶方發(fā)生燃燒,加重了市場對該技術安全性方面的顧慮。
國內鈉硫研制起步晚,短期推廣難。國內鈉硫電池研發(fā)工作起步較晚,目前主要由上海硅酸鹽所承擔,目前已研制成功100kW級儲能系統(tǒng)。但與日本NGK技術相比,國內鈉硫技術仍有15-20年差距,短期難以商業(yè)化推廣。
5.鋰電產業(yè)發(fā)展快,成本下降推動儲能應用
鋰離子電池應用廣,動力鋰電需求拉動產業(yè)快速發(fā)展。鋰離子電池由正負電極、隔膜、電解液組成,具有能量密度大、工作溫度范圍寬、無記憶效應、可快速充放電、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點,目前已廣泛應用于各類電子產品、新能源車和電化學儲能等領域。近年來鋰電產業(yè)受下游新能源車動力電池需求增長拉動,規(guī)模和技術發(fā)展尤為迅速,目前已有動力電池企業(yè)上百家,電芯市場規(guī)模超2000億。預計未來5年國內鋰電池需求仍將保持30%-40%的高增速,技術和產業(yè)鏈也將進一步成熟。
鋰電技術路線多,儲能更注重安全性和長期成本。與動力鋰電池相比,儲能用鋰電池對能量密度的要求較為寬松,但對安全性、循環(huán)壽命和成本要求較高。從這方面看,磷酸鐵鋰電池是現(xiàn)階段各類鋰離子電池中較為適合用于儲能的技術路線,目前已投建的鋰電儲能項目中大多也都采用這一技術。此外,鈦酸鋰電池因其超長的循環(huán)壽命也受到廣泛關注,隨著未來技術成本降低,有望在儲能領域實現(xiàn)規(guī)?;瘧?。三元電池的主要優(yōu)勢在于高能量密度,其循環(huán)壽命和安全性較為局限,因而更適合用作動力電池。
鋰電規(guī)模經濟效應顯現(xiàn),儲能成本快速下降。近年來國內動力鋰電行業(yè)競爭激烈,下游整車廠對性能和價格需求倒逼鋰電技術快速進步,同時主要廠商產能不斷擴張,鋰電池生產成本不斷下降,年均降幅達15-20%。目前部分廠商磷酸鐵鋰電池價格已降至1200-1400元/千瓦時,相應儲能系統(tǒng)成本也降至2000元/千瓦時,儲能經濟性有了很大提高。以目前公布的規(guī)劃來看,未來幾年主要鋰電廠商產能高速擴張的趨勢仍將持續(xù),鋰電儲能也將隨成本下降而步入商業(yè)化應用區(qū)間。
動力電池梯次利用可進一步提升鋰電儲能經濟性。梯次利用技術主要是針對容量降低但并未完全報廢的退役動力電池,其主要環(huán)節(jié)包括回收與性能評估、電池系統(tǒng)重組及梯次利用于儲能領域,是一種綠色、經濟、可持續(xù)的資源回收手段。當前全球范圍內都在積極開展相關研究,美國、德國、日本等起步較早的國家已有不少成功案例。國內比亞迪、CATL、國軒高科、中航鋰電等一線動力電池廠商業(yè)已開始相關領域布局,未來有望推動鋰電池成本的進一步下降。
儲能千億市場將啟動,鋰電技術是主流。鋰電儲能具有清潔高效、能量密度高、充放電性能好、響應速度快等優(yōu)點,在多種應用領域都具有技術經濟性優(yōu)勢。在目前全球已建MW級電化學儲能示范項目中,鋰電池項目裝機規(guī)模約占總容量的50%,遠超其他儲能技術,國內張北風光儲輸、南網寶清電站等大型儲能示范項目,也都將鋰電作為重點技術路線發(fā)展。在鋰電產業(yè)持續(xù)高速發(fā)展、電池成本不斷降低的狀況下,預計鋰離子電池仍將是未來電化學儲能的主流。
撰稿:徐云飛 (國泰君安電力設備新能源團隊首席分析師)、王浩 (國泰君安電力設備新能源團隊首席分析師)
責任編輯:周大偉
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