抽水蓄能可再生能源發(fā)展剛需下儲能大有可為

blackhappy 2023-04-07 發(fā)布于北京

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“儲能熱管理研究院”的研究員撰寫并發(fā)布了這篇《抽水蓄能可再生能源發(fā)展剛需下儲能大有可為》全套文章。

抽水蓄能原理及發(fā)展現(xiàn)狀

可再生能源發(fā)展剛需下，儲能大有可為

隨著可再生能源的發(fā)展，以光伏和風電為代表的間歇性電源占發(fā)電量的比例逐步提高，截至2021年我國風電、光伏發(fā)電量占總發(fā)電量比例達到12%，并且未來隨著風電光伏的大規(guī)模裝機，占比將快速提升。

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2011-2021年我國風電光伏發(fā)電量（億kWh）及占比（%）

根據(jù)應用場景和時間尺度不同儲能系統(tǒng)的分類

· 電源側：跟蹤計劃出力及平滑發(fā)電輸出，為系統(tǒng)提供調峰、調頻及備用容量等輔助服務，解決棄風、棄光；· 電網(wǎng)側：延緩輸變電設備的升級與增容，提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定水平；· 用戶側：分時電價管理、容量費用管理、提高供電質量和可靠性、提高分布式能源就地消納、提供輔助服務等方面。

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儲能廣泛應用于電力系統(tǒng)電源側、電網(wǎng)側、用戶側的不同場景。不同應用場景對儲能的持續(xù)放電時長有不同需求，對應電力系統(tǒng)常用的時序分析方法，可分為超短時、短時和長期時間尺度。

· 電源側：

平滑新能源出力波動、調頻等場景屬于超短時和短時尺度應用，季節(jié)性調峰等場景屬于長期尺度應用；

· 電網(wǎng)側：

提供系統(tǒng)備用、延緩輸變電設備阻塞等均屬于短時尺度應用；

· 用戶側：

提高電能質量、調頻屬于超短時和短時尺度應用，參與需求側響應在短時和長期尺度均有應用。

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電源側、電網(wǎng)側、用戶側儲能情況

技術特性決定電化學儲能應用場景最為廣泛

根據(jù)技術類型的不同，以電能釋放的儲能方式主要分為機械儲能、電磁儲能和電化學儲能。抽水蓄能技術成熟，壽命較長，適合電網(wǎng)側中長時間儲能，具有削峰填谷、調頻、調相、儲能、事故備用、黑啟動等功能。

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不同儲能技術類型主要特點

中國儲能行業(yè)概覽

據(jù)CNESA的不完全統(tǒng)計，2021年我國儲能累計裝機46.1GW，新增10.5GW，同比增長231%。

抽水蓄能是我國迄今為止部署最多的儲能方式，占比86.3%，以36.39GW的裝機容量位列世界第一。為滿足電網(wǎng)調節(jié)能力的需要，抽水蓄能電站容量配置一般為電網(wǎng)總裝機容量的7%-10%。目前全國抽蓄電站裝機容量占全國電力總裝機比重不到2%，離發(fā)展目標仍有較大差距。

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2021年我國電力儲能項目累計裝機類型占比（%）

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我國抽水蓄能裝機容量（GW）及占總裝機比例（%）

抽水蓄能產業(yè)鏈

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我國抽水蓄能產業(yè)鏈示意圖

抽水蓄能受益新能源裝機將快速發(fā)展

抽水蓄能電站由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、廠房和開關站組成。

?上/下水庫：

蓄存水量的工程設施，電網(wǎng)負荷低谷時段可將下水庫抽上來的水儲存在上水庫內，負荷高峰時段由上水庫下放至下水庫發(fā)電。

?輸水系統(tǒng)：

連接上下水庫，由上庫進/出水口及事故檢修閘門井、隧洞或豎井、壓力管道和調壓室、岔管、分岔后的水平支管、尾水隧洞及檢修閘門井和下水庫進/出水口組成。在水泵工況（蓄電）把下水庫的水輸送到上水庫，在水輪機工況（發(fā)電）將上水庫放出的水通過廠房輸送到下水庫。

? 廠房：

地下廠房包括主、副廠房、主變洞、母線洞等洞室。廠房是放置蓄能機組和電氣設備等重要機電設備的場所，也是電廠生產的中心。由于受兩次能量轉換的影響，抽水蓄能電站運行效率一般為75%。

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抽水蓄能電站示意圖

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儲能系統(tǒng)削峰填谷示意圖

抽水蓄能受益新能源裝機將快速發(fā)展

抽水蓄能電站可分為純抽水蓄能電站和混合式抽水蓄能電站兩類。

? 混合式抽水蓄能電站

上水庫有一定的天然水流量，下水庫按抽水蓄能需要的容積在河道下游修建。在混合式抽水蓄能電站內，既安裝有普通水輪發(fā)電機組，利用江河徑流調節(jié)發(fā)電；又安裝有抽水蓄能機組，可從下水庫抽水蓄能發(fā)電，進行蓄能發(fā)電，承擔調峰、調頻、調相任務。

? 純抽水蓄能電站

上水庫沒有水源或天然水流量很小，水在上、下水庫循環(huán)使用，抽水和發(fā)電的水量基本相等，流量和歷時按電力系統(tǒng)調峰填谷的需要來確定。純抽水蓄能電站僅用于調峰、調頻，不能作為獨立電源存在，必須與電力系統(tǒng)中承擔基本負荷的電廠協(xié)調運行。

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混合式抽蓄電站（左）與純抽蓄電站（右）示意圖

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兩類抽水蓄能電站差異對比

抽水蓄能受益新能源裝機將快速發(fā)展

? 我國抽水蓄能資源總量達到1604GW，當前已納入規(guī)劃站點資源總量814GW，其中重點實施項目421GW，規(guī)劃儲備項目305GW。

? 根據(jù)國家能源局發(fā)布的《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，到2025年抽水蓄能投產62GW以上，到2030年投產120GW左右；根據(jù)抽水蓄能行業(yè)協(xié)會展望，2035年投產規(guī)模有望超過400GW。

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我國抽水蓄能站點資源（GW）

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我國中長期抽水蓄能發(fā)展規(guī)劃裝機容量（GW）

我國抽水蓄能資源分布

? 截至2021年底，我國投運抽水蓄能裝機容量36.39GW，在建抽水蓄能容量達到61.53GW，在建項目主要集中在華東及華北電網(wǎng)統(tǒng)調區(qū)域，已建和在建規(guī)模均居世界首位。

? 我國抽水蓄能已納入規(guī)劃的814GW中，主要集中在西北及西南電網(wǎng)統(tǒng)調區(qū)域。隨著西北風光大基地建設的逐步開展，抽水蓄能電站將成為配套可再生能源的重要儲能手段。

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我國已建、在建抽水蓄能分布情況（2021年）

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我國已納規(guī)抽水蓄能資源情況（2021年）

抽水蓄能項目核準建設顯著提速

? 2021年，我國抽水蓄能核準項目容量以13.7GW創(chuàng)下歷史新高。2022年初至今新增開工抽水蓄能項目達到13GW，建設顯著提速。

? 遵循“能核盡核、能開盡開”的原則，預計2022年抽水蓄能核準建設規(guī)模超過50GW，新增投產規(guī)模9GW，年底總裝機容量達到45GW左右，“十四五”期間可核準并達到開工條件項目容量270GW。

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2021年抽蓄儲能項目核準情況（MW、個）

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2021年以來開工抽水蓄能項目

抽水蓄能項目核準建設顯著提速

2021年核準抽水蓄能電站平均單位靜態(tài)造價5,367元/kW，機電設備及安裝工程占比居首。抽水蓄能電站工程建設條件個體差異明顯，造價水平與工程建設條件和裝機規(guī)模密切相關。一般情況下，抽水蓄能電站單位造價隨水頭高度和裝機規(guī)模增加而顯著降低。

? 抽水蓄能工程中機電設備及安裝工程投資占比26.1%，位列榜首。? 未來隨著項目開發(fā)難度增加，工程造價水平將呈現(xiàn)持續(xù)攀升態(tài)勢。

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2021年核準抽水蓄能電站造價（元/kW）

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抽水蓄能電站各部分投資占比（%）

抽水蓄能項目核準建設顯著提速

根據(jù)水規(guī)總院預測，“十四五”期間新核準并達到開工條件的項目容量有望達到270GW ，按照5,500元/kW的造價進行測算，預計“十四五”期間抽水蓄能投資額超過1.4萬億元，“十五五”期間以約合1.8萬億元達到頂峰。抽水蓄能設備進入發(fā)展快車道，按照設備投資占比15%保守測算，預計2021-2035年間每年平均新增價值量超過450億元。

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我國抽水蓄能投資規(guī)模（億元）

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我國抽水蓄能設備價值量（億元）

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《2022年電力設備與新能源行業(yè)：儲能專題研究系列之抽水蓄能，建設提速迎高景氣，精尖研發(fā)掀國產替代浪潮》

二、與溫度傳感器

抽水的設備本身用不上溫度傳感器，溫度傳感器主要用在抽水蓄能、壓縮空氣儲能，而且主要用電網(wǎng)級大型儲能。

儲能溫控市場乘風起

儲能系統(tǒng)涉及大量單體電芯，溫度是影響電池一致性的重要因素。一般而言，與動力電池系統(tǒng)相比，儲能系統(tǒng)裝載的電池數(shù)量更多，同時電池的容量也更大，當大量的電池緊密排列在一起時運行工況將更為復雜多變，容易造成產熱不均勻、溫度分布不均勻、電池間溫差過大等問題，從而影響電池一致性。通常電池組中各單體電池所處環(huán)境不可避免的會存在差異，如在方形的鋰離子電池組中，中間的電池與四周的電池所處的環(huán)境溫度、電池的受力情況等往往各不相同。

1、一般而言，鋰離子電芯的最佳工作溫度區(qū)間為 10~35℃，當溫度低于-20℃時，電解液可能會凝固，從而阻礙鋰離子的流動，導致阻抗增加，電芯容量將明顯下降；而當溫度超過 60℃時，電芯內部有害化學反應速率將明顯提升，對電芯造成潛在破壞，嚴重時將引發(fā)安全事故。因此，對于儲能系統(tǒng)而言，將電芯始終持在合適的溫度區(qū)間內極為重要，有效的溫控系統(tǒng)不僅能夠保證儲能電站的安全性以及使用壽命，也能在一定程度上提升性能與效率。因此，溫控系統(tǒng)是保障鋰電池儲能正常運行的重要環(huán)節(jié)。儲能系統(tǒng)工作過程中，電池會持續(xù)性地釋放熱量，在不具備溫控能力或溫控能力不足的情況下會導致系統(tǒng)溫度不斷上升，而溫度是影響鋰離子電池性能的重要因素。工作溫度對鋰離子電池性能影響較大，溫度過高將引發(fā)嚴重安全隱患。綜上所述，為確保儲能項目長期、穩(wěn)定、安全運行，溫控系統(tǒng)是鋰電池儲能中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。儲能溫控系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)儲能系統(tǒng)運行的要求以及工作期間電池所經受的內、外熱負荷狀況，采用恰當?shù)臏乜丶夹g來組織系統(tǒng)內、外部的熱交換過程，從而保證儲能系統(tǒng)的工作溫度與電池之間的溫差始終維持在合適的區(qū)間內。

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（磷酸鐵鋰的最佳工作溫度為 15~35 攝氏度）

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（鋰離子電池的三類溫度區(qū)間）

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（磷酸鐵鋰電池溫度特性）

2、熱失控是鋰電池主要的安全隱患，溫度過高是其重要誘因。

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（鋰電池熱失控過程）

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（電池不一致將導致儲能系統(tǒng)整體性能顯著下降）

3、安全問題凸顯，儲能溫控重要性持續(xù)提升。

4、儲能規(guī)模與能量密度齊升，溫控重要性提高。

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（全球部分大型電化學儲能項目)

根據(jù)相關研究，鋰電池放電倍率越高，運行過程中產生的熱量也將越多，因此隨著功率型儲能項目利用率的增加，儲能溫控系統(tǒng)同樣將面臨更大的挑戰(zhàn)。相對于功率型儲能系統(tǒng)，電池充放電倍率的增長同樣將對溫控能力提出更高要求。相較于能量型儲能系統(tǒng)，調頻等功率型儲能系統(tǒng)的單體規(guī)模相對較小，但運行過程中往往需要頻繁進行快速充放電。

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（不同放電倍率下鋰電池充放電溫度對比）

熱管理形式：風冷與液冷

儲能熱管理形式多樣，風冷及液冷成熟度相對較高。目前主流的熱管理方式包括風冷、液冷、熱管冷卻和相變冷卻四種。

目前風冷和液冷的應用已較為廣泛，熱管冷卻與相變冷卻的產業(yè)化程度則相對較低。其中，相變冷卻是利用相變材料發(fā)生相變來吸熱的一種冷卻方式，具有結構緊湊、接觸熱阻低、冷卻效果好等優(yōu)點，但相變材料成本較高，且儲熱和散熱速度較慢，目前在儲能溫控領域使用較少。

熱管冷卻則是依靠封閉在管內的冷卻介質發(fā)生相變來實現(xiàn)換熱，具有散熱效率高、安全可靠等優(yōu)點，但成本同樣較高，在儲能等大容量電池系統(tǒng)中的實際應用較少。從技術成熟度與產業(yè)化程度出發(fā)，我們認為風冷和液冷仍將是中長期內主要的儲能溫控形式。

1、風冷系統(tǒng)初始成本較低且安全可靠，為當前主要的儲能溫控形式。

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（風冷儲能系統(tǒng)結構示意圖）

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（風冷系統(tǒng)工作原理圖）

2、液冷系統(tǒng)散熱能力強且全生命周期成本較低，有望成為未來發(fā)展趨勢。

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（液冷儲能系統(tǒng)示意圖）

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（液冷系統(tǒng)管路布臵示意圖）

儲能溫控市場將高速增長

從制冷性能以及全生命周期成本角度出發(fā)，當前液冷系統(tǒng)的優(yōu)勢已經逐漸開始體現(xiàn) 。從 2021 年各大電池廠商與儲能系統(tǒng)集成商推出的新產品看，液冷已經成為主流溫控方案，我們預2022年起儲能系統(tǒng)中液冷的應用比例將快速提升。目前，液冷系統(tǒng)的單位價格約為空冷系統(tǒng)的2-3 倍，因此隨著液冷的加速滲透，儲能溫控系統(tǒng)整體的單位價值量有望呈上升趨勢。儲能溫控量價齊升， 2025 年全球市場空間有望超過 130 億元。

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（全球儲能溫控市場空間測算）

儲能溫控市場格局優(yōu)，龍頭占先機

1、溫控是儲能產業(yè)鏈中“小而精”的細分環(huán)節(jié)

儲能溫控系統(tǒng)定制化程度高，需要充足的項目經驗與客戶關系積累，頭部廠商具備較強的先發(fā)優(yōu)勢。

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（儲能溫控產業(yè)鏈）

儲能溫控市場有望維持當前較優(yōu)的市場競爭格局。作為一個價值量占比較低、技術壁壘較高、客戶黏性較強的細分環(huán)節(jié)，儲能溫控市場有望維持當前較優(yōu)的市場競爭格局，龍頭廠商的領先地位較為穩(wěn)固。根據(jù)前文中的測算，2021 年全球儲能溫控市場規(guī)模大概為10億元量級，而行業(yè)龍頭英維克 2021 年的儲能溫控業(yè)務收入約為 3.37 億元，簡單推算龍頭的市場占率超過1/3，市場集中度高于儲能變流器、系統(tǒng)集成等環(huán)節(jié) 。近來隨著儲能市場的快速擴大，越來越多的參與者開始涉足儲能領域，無論是在電池、變流器還是系統(tǒng)集成環(huán)節(jié)，短期內市場競爭格局均趨于激烈。

2、多方勢力角逐，龍頭廠商率先受益

多方勢力逐鹿儲能溫控市場。目前儲能溫控市場的參與者大致可分為數(shù)據(jù)中心溫控廠商、車用熱管理廠商以及工業(yè)領域溫控廠商三大類。

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（儲能溫控市場主要參與者）

2-1.數(shù)據(jù)中心溫控與儲能溫控。

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（數(shù)據(jù)中心溫控與儲能溫控在整體結構上有一定相似性）

2-2. 車用熱管理廠商在技術能力、客戶資源等方面具有較多積累，亦正加速布局儲能溫控市場。

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（電力機柜與儲能系統(tǒng)溫控方案存在一定相似性）

2-3. 部分具有電力行業(yè)經驗的工業(yè)制冷廠商開始切入儲能溫控市場

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（汽車熱管理系統(tǒng)與儲能溫控系統(tǒng)存在一定的共性）

儲能溫控市場方興未艾，技術、客戶積累深厚的龍頭廠商有望率先受益市場爆發(fā)。隨著下游儲能需求的快速增長，不可避免地會有更多參與者進入儲能溫控市場，但我們認為行業(yè)“小而精”的特性決定了龍頭廠商可以在較長時間內維持較強的競爭優(yōu)勢。因此，我們看好當前的行業(yè)龍頭英維克能夠率先受益下游需求爆發(fā)，與此同時同飛股份等在電力領域具有豐富經驗的工業(yè)制冷廠商亦有望在儲能領域取得較快突破。

3、英維克與同飛股份等儲能溫控產品

英維克：機房溫控、機柜溫控、軌交空調、新能車空調業(yè)務?！敖y(tǒng)一技術平臺基礎+專業(yè)細分市場延伸”的發(fā)展戰(zhàn)略

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（英維克儲能溫控產品）

同飛：國內領先的工業(yè)制冷解決方案服務商。產品已廣泛應用于數(shù)控機床、激光、電力電子、電化學儲能、半導體、氫能、工業(yè)洗滌等領域。

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（同飛儲能溫控產品）

與溫度傳感器

1、溫度傳感器在電網(wǎng)級儲能上的應用

“溫度傳感器在儲能應用，主要有家庭及工商業(yè)儲能、通信儲能、電網(wǎng)級箱式儲能。我們目前還沒介入這塊業(yè)務。”華工高理告訴溫度傳感器研究員，“這塊業(yè)務單體需求量少，無法滿足我們規(guī)?；囊?。

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（特普生箱式儲能CCS-螺絲固定方案）“我們特普生溫度傳感器，用在家庭及工商業(yè)儲能、通信儲能、電網(wǎng)級箱式儲能的比較多?！碧仄丈f，“我們2022年推出來儲能CCS電池模組溫度/電壓采集方案，用家庭/工商業(yè)儲能CCS、通信儲能CCS、箱式儲能CCS來解決對應不同儲能溫度采集問題。CCS(Cells Contacting System)，即線束板集成件、采集集成件、總成或線束隔離板。儲能CCS，安裝在電池包上，形成一套電池模組。

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（特普生家庭/工商業(yè)儲能CCS-FPC方案）“我們儲能CCS，通過銅鋁巴，實現(xiàn)電芯串并聯(lián)，輸出電流；采集電芯電壓；采集電芯溫度。我們有螺絲固定方案、激光焊接方案、超聲焊接方案、FPC方案。”

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（特普生通信儲能CCS-激光焊接方案）2、溫度傳感器在電網(wǎng)級儲能銷售渠道上的應用溫度傳感器公司的銷售團隊，要判斷自己的產品優(yōu)勢，符不符合電網(wǎng)級儲能客戶，也要判斷有沒有團隊深耕細作于電網(wǎng)、電網(wǎng)級儲能產業(yè)，如果有，那就搭建“電網(wǎng)行業(yè)溫度傳感器銷售小組”，拓展涉足發(fā)電端、輸電端、配電端的產品廠家，很多產品用得上溫度傳感器。也要深耕電網(wǎng)級儲能行業(yè)，另外，儲能溫控廠家也是溫度傳感器的重要目標客戶！