儲能細分領(lǐng)域熱管理研究
發(fā)布日期:2022-10-21 瀏覽次數(shù):813
1. 電化學儲能迎來黃金期
儲能是保障清潔能源大規(guī)模發(fā)展和電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
電力儲能技術(shù)是將電能儲存起來以便以后需要時利用的技術(shù),主要目的是實現(xiàn)電力 在供應(yīng)端、輸送端以及用戶端的穩(wěn)定運行。
傳統(tǒng)能源時代,電力消費方式單一,傳統(tǒng)的煤電、燃機供給足以應(yīng)對電網(wǎng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)求。在新能源革命時代,新能源發(fā)電具備波動性較大、調(diào)節(jié)能力較差等特點,電力系統(tǒng)對 于平滑輸出、調(diào)峰調(diào)頻等電力輔助服務(wù)的需求明顯增長。隨著新能源發(fā)電占比提升,電力 能源結(jié)構(gòu)將明顯變化,儲能需求加速釋放。
儲能按照應(yīng)用場景主要可劃分為發(fā)電側(cè)、輔助服務(wù)、電網(wǎng)側(cè)、集中式可再生能源并網(wǎng)、 用戶側(cè)。發(fā)電側(cè)主要應(yīng)用于電力調(diào)峰、輔助動態(tài)運行等,輔助服務(wù)主要應(yīng)用于系統(tǒng)調(diào)頻、 旋轉(zhuǎn)備用等,集中式可再生能源并網(wǎng)主要應(yīng)用于平滑可再生能源發(fā)電出力、減少棄風棄光 等,電網(wǎng)側(cè)主要應(yīng)用于緩解電網(wǎng)阻塞、延緩輸配電設(shè)備擴容升級等,用戶側(cè)主要應(yīng)用于工 商業(yè)削峰填谷、需求側(cè)響應(yīng)、能源成本管理等。
儲能行業(yè)將進入發(fā)展快車道。
近來國家政府機關(guān)陸續(xù)發(fā)布相關(guān)政策,在優(yōu)化峰谷電價機制、建立尖峰電價機制等面對現(xiàn)行分時電價機制作了進一步完善,并鼓勵發(fā)電企業(yè)自建儲能或調(diào)峰能力增加并網(wǎng) 規(guī)模,引導市場主體多渠道增加可再生能源并網(wǎng)規(guī)模。
新型儲能作為提升能源電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、綜合效率和安全保障能力,支撐新型電力 系統(tǒng)建設(shè)的重要舉措,是能源領(lǐng)域碳達峰碳中和的關(guān)鍵支撐之一。
近年來,光伏風電等新能源發(fā)電大幅發(fā)展,而儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展并未跟上,儲新比近年來 逐步下降,2020 年中國儲新比約為 6.7\%,明顯低于中國以外其他國家和地區(qū) 15.8\%的儲 新比。
2020 年來我國各省出臺鼓勵或強制要求新能源配套儲能的相關(guān)政策,規(guī)定新能源電側(cè)配儲的比例為 5\%-20\%。今年 8 月,國家發(fā)改委、能源局明確調(diào)峰資源15\%功率 (20\%優(yōu)先)、4以上要求配建調(diào)峰能力。
7 月,國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》,確以實現(xiàn)碳達峰碳中和為目標,到 2025 年,實現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)?;l(fā)展轉(zhuǎn),裝機規(guī)模達 30GW 以上;到 2030 年,實現(xiàn)新型儲能全面市場化發(fā)展,技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn) 業(yè)穩(wěn)居全球前列,裝機規(guī)模基本滿足新型電力系統(tǒng)相應(yīng)需求。
近日南網(wǎng)印發(fā)《“十四五”電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》提出“十四五”期間南方電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃投 資約 6700 億元,以加快數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)和現(xiàn)代化電網(wǎng)進程,推動以新能源為主體的新型電 力系統(tǒng)構(gòu)建,儲能系統(tǒng)領(lǐng)域提出新能源配套20GW,南方電網(wǎng)儲新比近 20\%。
電化學儲能成為新增儲能裝機主流。
電化學儲能包括鋰電池儲能、液流電池儲能、鈉硫電池儲能等,其中鋰電池儲能當前 技術(shù)最為成熟。
相比抽水儲能,電化學儲能受地理條件影響較小,建設(shè)周期短,具備高度靈活性,在 響應(yīng)時間、綜合效率等指標上具備顯著優(yōu)勢,并且應(yīng)用場景更為廣泛,對功率型應(yīng)用、容 量型應(yīng)用等均可完全適合。
近年來隨著電化學儲能成本持續(xù)下降,商業(yè)化應(yīng)用日益成熟,逐漸成為新增儲能裝機 主流,未來隨著鋰電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模效應(yīng)的進一步顯現(xiàn),電化學儲能成本仍有較大下降空間。
當前新增投運中電化學儲能已經(jīng)占比較高。CNESA 不完全統(tǒng)計,截至 2020 年底,全已投運儲能項目累計裝機規(guī)模 191.1GW,其中電化學儲能的累計裝機規(guī)模 14.2GW, 2020 年新增投運 4.7GW 中,電化學儲能占比75\%。截至 2020 年底,中國已投運儲能 項目累計裝機規(guī)模 35.6GW,其中電化學儲能的累計裝機規(guī)模為 3.27GW,2020 年新增投 運 1.56GW 中,電化學儲能占比約 49\%。
國內(nèi)動力電池龍頭廠商正在積極儲能電池生產(chǎn)擴產(chǎn)布局。
儲能電池行業(yè)目前尚處于商業(yè)化初期階段,近年來規(guī)??焖侔l(fā)展,2020全球、國內(nèi)儲能鋰離子電池出貨量 27GWh、16.2GWh,分別同比增長 59\%、71\%,2021上半年全球、國內(nèi)儲能鋰離子電池出貨量 18GWh、11GWh,分別同比增長 80\%、100\%。
國內(nèi)動力電池龍頭廠商正積極加大儲能相關(guān)布局。寧德時代擬定增 582 億合計擴產(chǎn) 鋰電池產(chǎn)能約 137GWh,其中湖西鋰離子電池擴建項目(二期)明確新增儲能電柜年產(chǎn)能 約 30GWh。億緯鋰能子公司億緯動力擬與林洋能源合資投建年產(chǎn) 10GWh 儲能電池項目。
未來電化學儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有望進一步超預(yù)期。
預(yù)計 2025全球、國內(nèi)新增電化學172GWh、45GWh, 2021-2025 年 CAGR 分別為 75\%/69\%,預(yù)計 2030 年全球/我國新增電化學儲能裝機量有 望達到 641WGh、156GWh。
2. 熱管理是核心安全環(huán)節(jié)
安全問題是儲能電站的核心問題。
近年來,儲能電站安全事故時有發(fā)生,引發(fā)社會強烈關(guān)注。2021 年 4 月,北京國軒 福威斯光儲充儲能電站發(fā)生爆炸,導致兩名消防員犧牲。7 月,位于澳大利亞維多利亞州 的特斯拉Megapack儲能系統(tǒng)發(fā)生爆燃,在起火后的第四天,當?shù)卣栽谂刂苹饎荨?/span>
2011-2021.4 近十年間,全球共發(fā)生 32 起儲能 電站起火爆炸事故,特別是韓國,在政策激勵之下儲能項目建設(shè)爆發(fā)式增長,但在安裝施 工、系統(tǒng)集成、運行維護等方面產(chǎn)生重大安全隱患,2017 年來已經(jīng)發(fā)生 24 起安全事故。
熱管理是儲能安全重要保障。
上述 32 起儲能電站起火爆炸事故中,66\%(21 起)儲能電站起火爆炸大多發(fā)生在充 電中或充電后休止中,充電中或充電后休止中電池電壓較高,電池活性較大,電芯處于過 充狀態(tài),電壓升高形成內(nèi)短路,造成局部熱失控從而引發(fā)自燃失火等情況。由此可見熱管 理對于儲能電站安全的重要性,儲能系統(tǒng)必須配置足夠強度和靈活性的溫控系統(tǒng)來保障 電站安全穩(wěn)定運行。
鋰電池需要工作于各參數(shù)的安全窗口范圍,鋰電池的最佳工作溫度在 10 度至 35 度, 工作溫度區(qū)間在-20 度至 45 度,可承受溫度區(qū)間在-40 度至 60 度,需要通過初始電熱管 理設(shè)計、BMS/PCS/EMS 以及溫控系統(tǒng)等來維持合理的運行環(huán)境。
3. 液冷方案滲透率將提升
電化學儲能溫控系統(tǒng)冷卻方式主要包括風冷、液冷、熱管冷卻、相變冷卻等。
風冷以空氣為冷卻介質(zhì),利用對流換熱降低電池溫度,風冷可以分為自然風冷和強制 風冷兩種,自然風冷通過空氣本身與電池表面的溫度差產(chǎn)生熱對流,強制風冷需要額外安 裝風機、風扇等外部電力輔助設(shè)備。
液冷以水、乙二醇水溶液、純乙二醇、空調(diào)制冷劑、硅油等液體為冷卻介質(zhì),通過對 流換熱將電池產(chǎn)生的熱量帶走,液冷可以分為直接接觸方式(電池單體或者模塊沉浸在液 體中)方式和間接接觸方式(在電池間設(shè)置冷卻通道或者冷板,讓液體間接冷卻電池), 當前以間接接觸方式為多。
液冷系統(tǒng)(間接接觸)一般由的電池包液冷系統(tǒng)(包含液冷板、管路、快插接頭等)、 制冷供液系統(tǒng)(包含水泵、壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥等)構(gòu)成。
熱管冷卻利用熱管的熱超導性能,依靠封閉管殼內(nèi)工質(zhì)相變來實現(xiàn)換熱,一般由管 殼、管芯及工質(zhì)組成,可以分為冷端風冷和冷端液冷兩種,冷端風冷通過管內(nèi)冷空氣冷卻 管外熱空氣,冷端液冷是管內(nèi)冷卻水冷卻管外熱空氣。
相變冷卻是利用相變材料發(fā)生相變吸收熱量,用相變材料將電池包裹或者把相變材 料壓制成板狀夾在單體電池之間。
風冷具備方案成熟、結(jié)構(gòu)簡單、易維護、成本低等優(yōu)點,但同時由于空氣的比熱容低, 導熱系數(shù)低,風冷一般應(yīng)用于功率較低場景。
相比風冷,液冷方式電池單體溫差更小,壽命更長;散熱系統(tǒng)效率更高,冷卻均勻性 更好;可長時間大倍率充放電,系統(tǒng)適應(yīng)性更好;散熱系統(tǒng)占地面積更小,能耗更低,故 障率更低,維護成本更低。
初期 CAPEX 投入來看,液冷成本一般明顯高于風冷,但基于液冷更高效均勻的制冷 能力,高儲能能力場景液冷整個生命周期投入方面具備優(yōu)勢。
未來液冷的占比將逐步提升,高倍率場景將以液冷方案為主,另外儲能系統(tǒng)溫控系統(tǒng) 也趨向風冷、液冷一體化、集成化設(shè)計。
當前包括寧德時代、陽光電源、比亞迪、遠景能源等均推出了液冷方案。
2021 年 4 月,寧德時代在第十屆儲能國際峰會暨展覽會上發(fā)布了其戶外液冷電柜產(chǎn) 品,該戶外液冷機柜采用了創(chuàng)新液冷技術(shù),并依托智能化、自動化、信息化制造系統(tǒng)和安 全設(shè)計,實現(xiàn)長期高可靠性和高穩(wěn)定性。同時憑借高度集成化設(shè)計和超長壽命技術(shù)還可有 效降低運營能耗及占地面積,敏捷適配多種應(yīng)用場景,最終實現(xiàn)全生命周期高效收益。
2021 年 10 月,陽光電源在 Intersolar Europe 2021 上發(fā)布了其最新液冷儲能系統(tǒng),相 比風冷,液冷顯著降低了系統(tǒng)輔助損耗,確保更長的電池壽命,其智能溫控系統(tǒng)可實現(xiàn)最 大 3 攝氏度的電池溫差,且柜體內(nèi)集成有自動補液裝置,節(jié)省 80\%的灌裝工作,此外由 于整體設(shè)計小于 26 噸,可以在運輸前與電池預(yù)組裝,節(jié)省了高達 50\%的現(xiàn)場安裝時間。
2021 年 10 月,遠景能源發(fā)布其全新智慧液冷儲能產(chǎn)品,智能溫控技術(shù)可隨環(huán)境溫度 和運行狀態(tài)靈活調(diào)整運行模式,與普通風冷產(chǎn)品相比,該液冷儲能產(chǎn)品的電池壽命提升 20\%,降低能耗約 20\%以上,此外通過集約化設(shè)計和 305Ah 大電芯節(jié)約占地面積 50\%以 上。該液冷儲能產(chǎn)品能夠在氣溫-40℃~+50℃的地區(qū)正常運行,目前已完成江蘇、內(nèi)蒙等 地海邊、沙漠地區(qū)多場景下的儲能系統(tǒng)交付。
2021 年初,比亞迪電網(wǎng)級儲能系統(tǒng) BYD Cube T28 成為國內(nèi)首個通過德國萊茵 TV 集團 UL9540A 熱失控測試和技術(shù)評估的電網(wǎng)級儲能系統(tǒng),BYD Cube T28 占地 16.66 平 米,儲能容量 2.8MWh,采用液冷方案,支持 1500V 直流電壓,單位面積能量密度相對標 準集裝箱產(chǎn)品提升超 90\%。未來公司計劃推出搭載刀片電池的升級版 BYD Cube,單位面 積能量密度相對標準集裝箱產(chǎn)品提升超145\%, 等效40尺集裝箱面積電池容量可超6MWh。
電化學儲能產(chǎn)業(yè)將迎來高速發(fā)展。預(yù)計 2025 年全球、國 內(nèi)新增電化學儲能 172GWh、45GWh,2021-2025 年 CAGR 分別為 75\%/69\%,預(yù)計 2030 年全球/我國新增電化學儲能裝機量有望達到 641WGh、156GWh。
電化學儲能溫控有望量價齊升。
從目前各大廠商提出的方案來看,液冷方案較風冷方案可以實現(xiàn)電池壽命提升 20\% 以上,能耗減少 20\%以上,電池溫差 3 攝氏度以內(nèi)。未來隨著儲能能量和充放電倍率的 提升,液冷的占比將逐步提升,有望成為未來主流方案。
從初期投資來看,液冷較風冷顯著提升,進一步打開儲能溫控市場空間?;诋a(chǎn)業(yè)調(diào)研情況,綜合假設(shè)當前單 GWh 儲能溫控平均成本為 3000 萬元-9000 萬 元,其中風冷方案單 GWh 成本 3000 萬元,液冷整體方案單 GWh 成本 9000 萬元,對應(yīng) 電池包液冷系統(tǒng)單 GWh 成本 3000 萬元、制冷供液系統(tǒng)單 GWh 成本 6000 萬元,未來價 格年降幅 5\%:
基于上文對未來電化學儲能規(guī)模的測算,框算全球、國內(nèi)儲能溫控市場規(guī)模如下:
1)全球市場,2025 年電化學儲能溫控市場規(guī)模將達到 42-126 億元,2021-2025 年 CAGR 66\%,2030 年電化學儲能溫控市場規(guī)模將達到 121-364 億元。
2)中國市場,2025 年電化學儲能溫控市場規(guī)模將達到 8-24 億元,2021-2025 年 CAGR 61\%,2030 年電化學儲能溫控市場規(guī)模將達到 30-89 億元。
5. 產(chǎn)業(yè)競爭格局初步形成
儲能溫控環(huán)節(jié)直接下游為儲能系統(tǒng)集成商,儲能系統(tǒng)集成商下游一般為包括電網(wǎng)、發(fā) 電集團等在內(nèi)的業(yè)主方以及工商業(yè)需求場景。
儲能風冷溫控系統(tǒng)一般由儲能溫控廠商直接提供整體系統(tǒng)產(chǎn)品,其中核心部件包括 壓縮機、風機、換熱器等,按照風冷方案單 GWh 成本約 3000 萬元,這 3000 萬元集中流 入風冷溫控系統(tǒng)提供商,目前國內(nèi)包括英維克、申菱環(huán)境、黑盾股份等均有相關(guān)產(chǎn)品銷售。
儲能液冷溫控系統(tǒng)一般由集成商對內(nèi)部電池包液冷系統(tǒng)、外部制冷供液系統(tǒng)分別采 購,按照液冷整體方案單 GWh 成本約 9000 萬元,對應(yīng)電池包液冷系統(tǒng)單 GWh 成本約 3000 萬元、外部制冷供液系統(tǒng)單 GWh 成本約 6000 萬元,分別流入不同環(huán)節(jié)產(chǎn)品供應(yīng)商。
儲能液冷溫控系統(tǒng)中,內(nèi)部電池包液冷系統(tǒng)主要包含液冷板、管路、快插接頭等零部 件,更加偏重精密加工制造等能力,一般由下游儲能系統(tǒng)集成商進行部件采購進行組裝, 對應(yīng)部件價值量流入相關(guān)環(huán)節(jié)供應(yīng)商。
儲能液冷溫控系統(tǒng)中,外部制冷供液系統(tǒng)包含水泵、壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹 閥等零部件,看重整體系統(tǒng)設(shè)計能力和系統(tǒng)集成能力,一般由儲能系統(tǒng)集成商對整體外部 制冷供液系統(tǒng)進行采購。
目前行業(yè)競爭格局初步形成,風冷和液冷市場存在差異。
行業(yè)需求當前處于爆發(fā)期,短期內(nèi)由各廠商在渠道、產(chǎn)品、研發(fā)等方面的積累差異, 競爭格局初步形成。
由于風冷方案成熟度更高、并且在初期投入來看較液冷顯著具備優(yōu)勢,風冷是當前儲 能溫控主力方案,目前風冷領(lǐng)域,英維克、黑盾股份、申菱環(huán)境等均有成熟產(chǎn)品,英維克 份額占據(jù)絕對優(yōu)勢。
而液冷具備更加高效均勻的制冷能力,隨著儲能密度的提升、液冷產(chǎn)品成熟度的提 升,未來液冷的占比預(yù)計將逐步提升。液冷領(lǐng)域,外部制冷供液系統(tǒng)環(huán)節(jié)目前來看英維克、 奧特佳(空調(diào)國際)目前在出貨規(guī)模上領(lǐng)先,松芝股份、高瀾股份等預(yù)計今年將產(chǎn)生訂單 銷售,同飛股份、申菱環(huán)境等也在積極進行客戶拓展;內(nèi)部電池包液冷系統(tǒng)產(chǎn)品領(lǐng)域,科 創(chuàng)新源、飛榮達等均明確表示有液冷板等產(chǎn)品布局。
競爭格局短期或存在波動,中長期看產(chǎn)品性能領(lǐng)先和品牌優(yōu)勢突出的廠商更具優(yōu)勢。
我們認為短期由于交付能力和價格等原因,競爭格局仍可能會發(fā)生一定程度的波動, 但從中長期角度看,儲能安全性要求必然持續(xù)強化,產(chǎn)品性能領(lǐng)先和品牌優(yōu)勢突出廠商的 市場份額預(yù)期將更為樂觀。
6.重點公司分析
6.1. 英維克
英維克是國內(nèi)領(lǐng)先精密溫控節(jié)能解決方案和產(chǎn)品提供商,公司以通信和數(shù)據(jù)中心領(lǐng) 域起家,后續(xù)逐步將業(yè)務(wù)拓展至儲能、新能源客車、軌道交通列車領(lǐng)域,近年陸續(xù)拓展電 子散熱、健康空氣環(huán)境控制等領(lǐng)域。
公司定位熱管理平臺型企業(yè),目前已經(jīng)基本構(gòu)建了熱 源到冷源的設(shè)備散熱全鏈條的技術(shù)平臺,初步形成基于統(tǒng)一技術(shù)和業(yè)務(wù)平臺基礎(chǔ)上的匯 集多個專業(yè)細分領(lǐng)域的業(yè)務(wù)布局。2020 年公司收入 17.03 億元,歸母凈利潤 1.82 億元。
公司在儲能溫控領(lǐng)域已經(jīng)有長久的積累,產(chǎn)品涵蓋風冷、液冷等解決方案,2020 年 推出系列水冷機組并開始批量應(yīng)用于國內(nèi)外市場,產(chǎn)品形態(tài)上包括機柜應(yīng)用、集裝箱應(yīng) 用,冷量跨度從 3 kW-100 kW,滿足 0.3MWh-3MWh,0.2C-1C 的各類主流儲能應(yīng)用場景。公司儲能用戶涵蓋寧德時代、華為、比亞迪、南都、科陸、平高集團、陽光電源、海 博思創(chuàng)以及國外相關(guān)主流系統(tǒng)集成商和電池廠商。今年 5 月,第十一屆中國國際儲能大 會上,公司表示,從 2012 年起到 2021 年 5 月,公司參與的儲能溫控相關(guān)產(chǎn)品規(guī)模已經(jīng) 達到 11GWh,其中液冷占到 4GWh。
基于公司在儲能領(lǐng)域產(chǎn)品、客戶、項目經(jīng)驗方面的先發(fā)優(yōu)勢,目前已經(jīng)占有優(yōu)勢市場 份額,儲能業(yè)務(wù)有望為公司帶來可觀的業(yè)績彈性空間。
6.2. 高瀾股份
高瀾股份成立于 2001 年,以大功率電力電子裝置用純水冷卻設(shè)備及控制系統(tǒng)起家, 主要面向特高壓、新能源發(fā)電等領(lǐng)域,近年來公司聚焦熱管理,2015 年成功研發(fā)服務(wù)器 板式液冷產(chǎn)品應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心冷卻,2019 年收購東莞硅翔 51\%股權(quán)進軍新能源汽車動力 電池熱管理領(lǐng)域,2020 年成立高瀾創(chuàng)新科技聚焦新能源汽車及 ICT 信息與通信等新興熱 管理產(chǎn)品業(yè)務(wù)。2020 年公司收入 12.28 億元,歸母凈利潤 0.81 億元。
公司基于在電力設(shè)備水冷系統(tǒng)領(lǐng)域的深刻理解和長期積累形成的系統(tǒng)集成能力,在儲能電池熱管理技術(shù)方面持續(xù)投入研發(fā),目前進展順利。
公司已有基于鋰電池單柜儲能液冷產(chǎn)品、大型儲能電站液冷系統(tǒng)、預(yù)制艙式儲能液冷 產(chǎn)品等儲備,公司表示已簽署訂單約 1100 萬元(8 月),主要客戶為分布式電池集裝箱的 集成廠家和電池廠家,已與寧德時代展開合作。未來儲能業(yè)務(wù)有望為公司帶來可觀彈性。
6.3. 松芝股份
公司是國內(nèi)領(lǐng)先的汽車熱管理相關(guān)產(chǎn)品供應(yīng)商,產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于大中型客車、乘用 車、專用車、貨車、輕型客車、軌道車及冷凍冷藏車等各類車輛并且進一步拓展到儲能電 站等新能源設(shè)施。2020 年公司收入 33.84 億元,歸母凈利潤 2.47 億元。
基于動力電池熱管理產(chǎn)品的技術(shù)積累以及儲能市場需求,公司開發(fā)了儲能電池溫控 相關(guān)產(chǎn)品,為公司進入光伏和風電儲能領(lǐng)域奠定技術(shù)和產(chǎn)品基礎(chǔ)。
公司中報顯示,公司已經(jīng)成為寧德時代、遠景能源等客戶的多個型號儲能溫控產(chǎn)品的 供應(yīng)商,預(yù)計將在 2021 年開始供貨并形成銷售收入。
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