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环球UG:中石油大学专家详解储能行业发展:内部收益率5-7%,激进的投资者眼光可盯在锂电池、全钒液流电池、甚至铁铬液流电池

环球UG:中石油大学专家详解储能行业发展:内部收益率5-7%,激进的投资者眼光可盯在锂电池、全钒液流电池、甚至铁铬液流电池

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作者|徐泉(中国石油大学北京碳中和未来技术学院副院长、网易青年经济学家峰会会员)

依托于传统能源,新能源是一种相对而言比较新兴的技术,具体包括太阳能、风能、化学能源,也就是我们常用的电池,还有氢能、生物质能和地热能。

储能是我们通过介质或者设备,利用物理或者化学的原理和方法,把能源储存起来,根据具体特定的形式进行释放。简而言之,储能就是我们把能量通过物理或者化学的方法封存,在需要的时候再进行释放,储存释放、储存释放来回的循环。

93%以上的储能是抽水储能,也就是通过高温高压、通过电力把水抽到高处,在低处进行释放。同时还包括一些新的储能形式,包括熔盐储能、非熔盐储能,压缩空气储能,它们统称为物理储能,也就是通过机械能或者物理能的力量储存一些能量,在需要的时候进行释放。

近几年来发展比较迅速,增长最快的是电化学储能,也就是我们比较熟悉的电池,比如我们平时开的新能源车,实际上用的是锂电池,另外还有一些比较新的液流电池,包括铅蓄电池,它们统称为电化学储能的方式。电化学储能比起别的储能方式,具备比较宽的调峰,使用比较方便,大的小的都能用,这些优点。

如果具体分类的话,储能可以分为储氢、储电、储热。储氢,比如嫦娥五号升空,要用到一个高压气态的储氢。这个在航空航天领域的应用由来已久,只是在近几年来有一种民用的趋势,大家在看能不能把氢气作为一种能源进行储存。储氢产生的氢能源经过燃烧,氢只会生成纯水,它是一种非常清洁的能源。还有储电的方式,就是刚刚说的电化学、电池和机械能,最后还有一种储热,就是熔盐通过温度和材料的相变进行一个储能的方式。

储能的核心是进行波峰和波谷之间的调节。为什么我们以前没有注重这种储能的形式,而在这两年特别火呢?以前我们主要是通过火力发电,但是众所周知火力发电会有一些空气污染,国家提出了3060的双碳目标,因此火力发电现在正在被慢慢的控制,新能源发电,也就是太阳能发电、光伏发电、风能发电等等成为了主流。

风能和太阳能发电都有一个特点,就是它有波峰和波谷,白天的时候能够发电,但是晚上的时候不能发电。因此国家电网就碰到了一个难题,怎么能够把波峰的电尽量在波谷的时候也能用,满足各个阶段用能的需求。

风能发电还存在着间歇性的问题,有风的时候就能发电,没风的时候就不能发电,那是不是有一种储能的形式,无论有没有风,都能让用电的需求端实现自由的能量使用,因此储能领域就应运而生。

最近每天都有关于储能的新闻,我们可以看到包括北京市和各个地区,有大量关于储能包括新能源这方面的攻关,可以看到国家正在积极推动氢能、先进储能、智慧能源系统碳减排关键技术的开发。另外也指明了我们要研究的方向,比如氢能要重点做电解水制氢,也是我们常说的氯氢。另外我们要积极规模化的使用氢气的储存与配送的技术,增加燃料电池的供应。

在即将举办的北京冬奥会上,会有一些氢能和氢车的展示,也是我们国家给全世界一个靓丽的名片。

我们还要进一步推动咱们的数字能源系统,包括综合能源控制和多能互补能方向的研究。具体的研究形式会涉及到智慧能源管理系统,简单说就是通过一种智慧的方式,实现能源自由、快速的调动,达到尽可能让能源去到它们需要去的地方,我们要集成懂碳中和的人员,还要有计算机的人员,大家共同努力把这个系统做好。

2020年的储能项目特别多,主要集中在各个省市,包括河北、山东、福建、河南、张家口,这都是一些先行的城市,可以看到各个地方根据每个地方的特征,它们选择储能建设的方式也是不一样的。比如水利比较丰富的地方,就会选择抽水储能,对有一些控制,或者各个不同的环境,会选择空气储能,或者是一些新的能源利用的形式。

预计2020年到2025年,我们储能的空间会得到一个非常快速的增长,预计到2050年我们的储能装机容量将达到200个GW左右。国内新增的储能项目截止到目前已经有257个,储能规模11.8GW,分别是去年同期的1.6倍和9倍。显而易见的是,储能行业正迎来一个快速发展期。

截至2021年11月,超过二十多个省份发布了鼓励或强制新能源配置储能的政策,配置比例在5%-20%之间。可想而知,储能未来将成为更多的电厂,甚至更多的可再生资源厂的一个标配,这也给储能行业形成了一个有力的推手。

通过今年比较火的盐湖提锂的项目可以看出,锂电池已经到了供不应求的地步,龙头企业正在全世界找锂矿,哪个地方有锂矿就到哪个地方先“抢”过来,大家对锂电池的未来也是非常看好的。

随着储能的快速发展,可以看到各式各样的储能形式也会得到快速的提高。下面我将具体介绍一下每种储能的技术。

抽水储能就是在电力负荷低谷期将水从下层水库抽到上层水库,将电能转化成重力势能储存起来,在电网负荷高峰期释放上池水库中的水发电。这也是我国布局较早的技术。到目前为止,水力资源非常好的一些河流、一些水域,都已经提前做好了规划,未来会进行抽水储能的设计。

抽水储能可以大规模地实现削峰填谷的作用。为加快抽水蓄能发展,“十四五”期间,国家电网将在新能源集中开发地区和电力负荷中心新增建设抽水蓄能电站装机2000万千瓦以上,开放超1000亿元股权投资。

在2021年能源电力转型国际论坛上,国家电网董事长辛保安表示,未来五年国家电网计划投入3500亿美元(约2万亿元),推进电网转型升级;到2030年,中国抽水蓄能装机规模将从目前的2341万千瓦提高到1亿千瓦。2021年8月,能源局印发关于征求对《抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿)提出,“十四五”期间抽水蓄能将开工1.8亿千瓦(CAGR约为20%) ,到2025年投产6200万千瓦,投资9000亿。

抽水储能的进入门槛比较高,比较好的一些地块与区块,已经比较早的被国家所谋划,因此大家更多的目光集中在一些新的储能方式上。   

并不是每一个地段每一个城市或者每一个用电高峰的地方,都有很好的水库或者是水资源,因此我们必须要开发一些新的储能技术,比如压缩空气储能。压缩空气储能作为储能的一种补充形式,就是通过压缩空气的方式把能量集中在地下洞穴或者人工储罐当中去,它对地下的天然洞穴有非常高的要求,但是它具备一些优势,就是成本比较低,寿命比较长,也比较可靠安全,可以提高存储的利用率。

压缩空气储能的使用效率可以从50%到70%不等,随着规模的增加,压缩空气储能也是有一个快速发展趋势。国家对压缩空气储能也做了一些规划。2019年6月,国家发展改革委办公厅等四部门联合印发了《贯彻落实<关于促进储能技术与产业发展的指导意见>2019-2020年行动计划》,提出重点推进大容量压缩空气储能等重大先进技术项目建设,推动百兆瓦压缩空气储能项目实现验证示范。今年发布的国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要明确指出,在氢能与储能等前沿科技和产业变革领域,组织实施未来产业孵化与加速计划,压缩空气储能被列为了未来要实施的储能示范项目之一。

可以看到,在国家发改委、国家能源局在加快推动新兴储能的过程中,已经提出了压缩空气储能和液流电池储能,将来会快速的实现商业化的运营和发展。这是具体列举了一下现在空气压缩储能的例子。其中做的比较好的企业和公司,包括中科院工程热物理所、国家电网、华电集团,还有一些企业先进储能的示范项目。其中中科院工程热物理所首次实现了不需要依靠天然洞穴,进行一些设备的研制可以进行压缩空气储能。压缩空气储能现在的系统利用效率,经过进一步的优化已经由52%提高到了60.2%,相当于是100度电进去,通过压缩空气储能可以出来60度电,供我们削峰填谷。

电化学储能模块也得到了非常快速的发展。从我们平时用的充电宝、手机,还有一些新能源车,无不用到锂电池。锂电池在发展的初期也提出了各式各样的路线,包括磷酸铁锂技术、碳酸锂技术、三元锂技术,最终市场经过了选择和淘汰。最新的特斯拉和比亚迪,主要是通过磷酸铁锂技术进行封装。特斯拉也在近期开放了一个“电池日”,它们首发的4060的电池,也是具备非常大的竞争力。

锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。锂电池依靠材料的进步,有正极材料,隔膜,负极材料,还有有机的电解液,六氟磷酸锂现在也做得非常优秀。可以看到锂电池是一个高集成的材料学工艺,需要设计比较好的,纯度比较高的正极和负极材料,还涉及到非常好的隔膜,可以让正极负极材料进行快速的锂的往返嵌入和拖嵌。

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锂电池现在的循环次数可以达到2000次、3000次、4000次,最高可以做到6000次,然后会涉及到衰减。另外可以看到,锂电池已经广泛的应用于水利、火力、风力、太阳能电站的储能系统。锂电池的优势和劣势也非常的明显。锂电池的优势在于可以充放电,循环寿命比较长,循环放电的性能非常好。锂电池劣势就是锂非常贵,现在的需求实在是太多了,另外,锂电池没法儿完成1万次以上的充放电的需求,因为按照中国最新标准,涉及到80%以上锂的衰减率就会把锂电池进行一个回收和再利用。

中国电子信息产业发展研究院电子信息研究所发布《锂离子电池产业发展白皮书(2021版)》中指出,储能用锂离子电池市场占比不断提升,2020年达到了6.4%,较2019年提高1.3个百分点。其中电动汽车用锂离子电池对2020年全球锂离子电池产业增长的贡献率超过了60%。2021年11月18日,国家工信部发布《锂离子电池行业规范条件(2021年本)》(征求意见稿)。文件首次明确了储能电池、动力电池单体能量密度、电池组能量密度、循环寿命等具体要求,以及安全和管理方面要求。最新的一个国家重点研究计划,也是不停地对能量电池和能量密度、电池组的密度、循环寿命和容积的保持率,做进一步的规范,不停地提高行业进入的门槛。这样中国锂电池技术可以进一步的得到迭代和发展。到目前为止,储能电池的的循环寿命需要保持到5000次以上,基本上可以满足我们的车开上10年、15年的需求。

2020年,全球锂离子电池市场规模达到了3141亿元,预计2026年将达到8241亿元,年复合增长率(CAGR)为14.8%。前年,锂电池之父古迪纳夫在98岁高龄的时候拿到了诺贝尔奖。锂电池已经得到了快速和健康的,全方位的发展,中国也涌现了一批超过500亿到1000亿的锂电池公司。

液流电池由点堆单元、电解液、电解液存储供给单元以及管理控制单元等部分构成,是电池里面一个新兴领域的竞争者。液流电池是通过电池的正负极活性实现的一个氧化还原堆的电池,它通过不同的电解液之间进行一个相互之间的循环转换,实现了电池的储存和释放。它的优势包括造价低,有利于并行的设计,有望实现快速满足大中型储能和调峰的需求。

现在液流电池可分为四大类。第一,全钒液流电池,也是最近这几天股市特别火的一个方向,全钒液流电池将快速得到商业化的应用。第二,新兴的铁铬液流电池。第三,铅酸液流电池。铅酸液流电池初期的设计成本比较低,但是它的循环次数比较低,只能做到3000次左右,所以后期的维护成本是比较高的。第四,锂离子液流电池。

以全钒液流电池举例,全钒液流电池是以不同氧化态的钒离子来储存化学能的一种可充电液流电池。全钒液流电池的最主要特征是电池正负极的变价元素都为钒。钒以四种不同氧化态存在于正负极溶液中。不同价态的钒颜色是不一样的,所以全钒液流电池在具体工作的时候有不同颜色的液体的变化,非常漂亮。这也是到目前为止走得最前面的液流电池的技术。

大连化物所、中科院通过与地方企业合作,接连攻克了电解液、系统集成等诸多关键技术难题,大连化物所通过开发可焊接多孔离子传导膜,使得电堆膜材料的使用面积下降30%、电堆的总成本下降40%。今年国家电网也在不同的地方上了全钒液流电池的示范,示范的效果非常好。2021年7月15日,国家发改委、能源局发布的《关于加快推进新型储能发展的指导意见》指出,坚持储能技术多元化,实现压缩空气、液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期。我们预计全钒液流电池在近几年会得到快速和健康的发展。

铁铬液流电池是美国NASA在八十年代初期提出的电池,在2014年的时候首次完成了商业化项目,现在这个机子还在运转,能量使用寿命大概在60到70左右。中国石油大学北京团队联合中海储能,现在在进行一个铁铬液流电池的开发,有一些成果即将发布。国能电投今年采用了美国的技术做的第一个示范,今年的示范也做得非常好。

铁铬液流电池的长相和原理跟全钒液流电池很像,也是两个罐子,有正负极,液体在相互之间流动,通过充电和放电实现能量的储存和释放。它的理论效率大概可以达到80%到90%,在实验室的使用寿命已经无限接近于这个理论值了。

铁铬液流电池的优势在于循环的次数非常多,可以达到2万次以上。哪怕用了20年或者25年,因为现在基本上签光伏指标都是签20年,这中间的储能肯定是不能接受替换的,所以铁铬液流电池循环次数是可以满足光伏储能的需求的。

铁铬液流电池的资源主要是铁和铬,现在地球上大概有1.5亿吨铬,3200吨钒,所以铁、铬的成本也是比较低廉的。另外因为它主要是盐酸的盐溶液,所以基本没有爆炸的风险,安全系数比较高,可以进行并行的设计,规模大、容量大,可以达到百兆瓦的级别。

在发电侧铁铬液流电池可以实现削峰填谷,弥补风电的波动率大和光电间歇性的缺点。具体在用户侧可以满足不动的保护柜、机柜,实现用户负载的储能保护,另外也可以进行高低峰电价的套利。有多种用户侧的场景。

中国石油大学北京联合中海储能这两年,尤其是去年攻克了铁铬液流电池之前存在的一些问题,包括它的副反应等各个问题。国家电投中央研究院目前实验室的能量密度为140mA每平方厘米,在产能达到1GW的时候,铁-铬液流的系统成本将与抽水蓄能相媲美。

我们对储能技术做了一个横向对比,国外的储能技术发展得比较早,尤其是美国和日本,近几年中国也进行了快速的迭代。我们通过研究发现,锂电池包括固态电池适合的储能区间是每分钟、每小时这个级别,从每小时到每天这个级别比较适用于液流电池的适用范围。对于抽水储能,因为水从低处抽到高处需要几个小时,所以适用的区间大概是每小时到每天。氢能是能源终极的利用形式,它是通过电解水制氢的方式,可以得到长时间的运输跟输运,所以我们认为氢能的储能区间适用范围是从天到星期或者月这个级别。

不同的储能方式各有优缺点,但是更为重要的是,每一种储能方式都有一个最适用于它的储能使用区间,这也是下一步随着储能行业得到商用,作为投资者,作为用户必须要面对的问题。

我们对整个储能技术做了一个横向的对比,基于千瓦初步预估了一下不同储能方式的成本(编辑注:内部分享,加入VIP即可获得不同储能技术的容量、工作时间、成本、电池电流密度、循环寿命次数、度电成本等具体成本数据)。对抽水储能,它的电坝建得越大,成本越低,电坝建的越小,成本越高,最好的最大的电坝现在都已经建好,或者正在建设当中。

压缩空气和非熔盐储能,还有一些非常小众的储能方式,包括一些热储能或者聚光的储能,通过成本的核算发现,它们并不具备商业可持续发展的趋势。

对于电化学储能,从蓬勃的发展区间来说,最早是做铅酸电池。铅酸电池的价格非常低,但是新能源包括电网提出一个需求,就是储能慢慢的从2个小时变成4个小时、6个小时、8个小时,希望储存的能量越来越大,储存的时间越来越长,储存的寿命,按照现在光伏小镇的指标至少是20年到25年,铅酸电池的寿命比较短,虽然建设成本比较低,但是后期维护成本可能相对来说会高一些。锂电池,钠电池和全钒液流电池,初期建设成本稍高,但是后期基本上不需要什么运营,整个全生命周期算下来,成本还是可以得到一个较大的下降。

我们横向对比了五种电池的电流密度和能量循环的使用效率,未来我们认为大中型的储能会集中在全钒和铁铬,对小型和短期的储能会集中在锂电池和钠电池的使用。大中型的成本是比较低的,循环寿命特别高,适用于放在这个地方长期做削峰填谷。

储能内部的收益率,基本上像三峡、国电都,内部的收益率主要是5%到7%,优势就是比较稳定。对比较激进的投资者,大家的眼光可以盯在锂电池,全钒液流电池甚至铁铬电池当中去。

最近我们完成了一个铁铬液流电池的终试,现在的能量密度可以达到160MA每立方厘米,达到了国际领先的水平。未来各种各样的国家重点实验室也是围绕3060的双碳目标进行改革,我们的眼光也是从以前的采油和炼油,集中在了分子管理、二氧化碳的利用与转化,CCUS和清洁储能的材料,这也是未来的研究方向。

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