惠陽助推新型儲能產業高質量發展
動態2023-07-26
儲能市場高速增長，新型儲能蓬勃發展
新型儲能方式介紹
新型儲能具有選址靈活、響應快速等優勢。按照存儲介質的不同，儲能技術可劃分為電儲能、熱儲能、化學儲能等。新型儲能則是指除抽水蓄能以外的儲能技術，主要包括鋰電池儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、液流電池、氫(氨)儲能等。相對于抽水蓄能，新型儲能具有建設周期短、選址靈活、響應快速、調節能力強等優勢，能夠為電力系統提供多時間尺度、全過程的調控能力。
政策+經濟性雙輪驅動，儲能迎來爆發式增長
全球新型儲能市場規模持續增長。新型儲能近年來呈現高速發展態勢，根據CNESA數據，2022 年全球新型儲能累計裝機量達到 45.8GW，同比增長超80%;新增新型儲能裝機量為 20.4GW，同比增長超 99%。截止 2022 年末，全球新型儲能項目中94%為鋰離子電池儲能項目、0.6%為液流電池儲能項目。根據應用場景不同，儲能可以分為電源側儲能、電網側儲能、用戶側儲能等。根據 CESA 數據，2021 年全球電化學儲能中電源側/電源側輔助服務/電網側/分布式及微網/用戶側等場景裝機規模占比分別為 30.9/32.1/26.6/4.2/6.2%。
表前儲能(電源側儲能(含輔助服務)+電網側儲能)：政策引領行業快速發展
中國：強制配儲政策刺激表前儲能市場發展，商業模式演變優化儲能經濟性。根據 CNESA 數據，2022 年國內電化學儲能新增裝機規模為7.3GW/15.9GWh，同比+200%/+280%;其中新增表前儲能裝機占比超 92%。儲能配置優化新能源發電靈活性，強制配儲政策加快國內表前儲能發展。從電源側來看，配置儲能能夠有效減少廢光廢風率、平滑輸出功率曲線，提高新能源項目經濟效益;從電網側來看，儲能產品能夠有效參與電力市場輔助服務(包括調頻調峰、無功調節等)。 2021 年以來，國家在儲能政策上持續加碼。2021 年8 月發改委、能源局發布《關于鼓勵可再生能源發電企業自建或購買調峰能力增加并網規模的通知》，鼓勵發電企業自建儲能或調峰能力增加并網規模，超過電網企業保障性并網以外的規模初期按照功率 15%的掛鉤比例(時長 4 小時以上)配建調峰能力，按照20%以上掛鉤比例進行配建的優先并網，國家強制配儲政策正式推出。隨后各地方政府分別推出相應配儲政策，國內表前儲能市場進入快速發展期。
商業模式優化，增益儲能項目經濟性。在強配政策背景下，各地方政府紛紛提出政策補貼優化儲能項目經濟性。同時，共享儲能等商業模式的提出，通過服務多個發電項目的模式，減少新能源項目初始建設資本開支、提高資源利用效率，優化配儲經濟性。 美國：補貼激勵行業發展。根據 CNESA 數據，2022 年美國新型儲能新增裝機規模達到近 4.9GW，同比+39%;其中表前儲能裝機占比超90%。聯邦政策和地方政策對行業發展具有積極影響。2022 年 8 月，美國正式發布IRA 法案，針對儲能提出延長 ITC 稅收抵免有效時間且放寬抵免要求：1)抵免有效期延長：此前版本2022年抵免比例開始滑坡，現行版本 2033 年之后再滑坡。2)抵免力度增加：稅收抵免由基礎抵免+額外抵免構成，其中基礎抵免額度由過去最高的26%提升至30%、結合額外抵免后最高可抵免稅收的 70%。3)獨立儲能納入ITC 補貼范圍。
用戶側儲能：剛需+電價高企助推發展
國內峰谷價差拉動工商業儲能發展。據中關村儲能產業技術聯盟統計，2023年7月全國各地代理電價峰谷價差均值為 0.76 元/KWh，高于2022 全年價差0.70/kWh，與 2023 年 6 月價差相比略有上漲;已有 18 個地區峰谷價差達到工商業儲能實現經濟性的門檻價差 0.70 元/kWh。隨著部分區域的尖峰電價機制建立，給工商業儲能帶來了更大應用空間。
戶儲市場高速增長，美國&歐洲引領發展。根據 EV Tank 數據，2022 年全球戶用儲能新增裝機量為 15.6GWh，同比+136%;其中歐洲占比高達36%以上。
電價偏高+用電穩定性推動戶儲市場發展：1)災害頻發下用電穩定性需求推動戶儲發展。美國的電力設施相對老舊且各州電網相對獨立，相互之間難以調度協同，在颶風、暴風雪等自然災害頻發影響下，居民會遇到用電中斷等問題。戶儲能夠有效保障居民用電的穩定性。2)居民用電偏高，戶儲經濟性明顯。近年來通貨膨脹影響下能源價格持續居高不下，海外居民電價高、上網電價低，政策給予稅收優惠及資金補貼下戶儲具有較高經濟性。
我們預計 2023 年全球新型儲能裝機有望達到 133GWh，2026 年全球新型儲能新增裝機量有望達到 810GWh，2023-2026 年均復合增速達到82%。分地區來看，2026 年美國/歐洲/中國新增裝機量分別為197/185/310GWh;分應用場 景 來 看 ， 表 前 儲 能 / 工 商 業 儲 能 / 戶 用 儲能2026 年新增裝機分別為548/75/187GWh。
釩電池兼具靈活與安全，是儲能的可靠手段
釩電池基本結構與特性
全釩液流電池(簡稱釩電池)是以釩為活性物質呈循環流動液態的電池。釩電池工作原理為使用外接泵把電解液壓入電堆體內，在機械動力作用下電解液在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環流動、流過電極表面并發生電化學反應，隨后雙電極板收集和傳導電流，從而使得儲存在溶液中的化學能轉換成電能。
釩電池最早由 A.Pellegri 等人于 1978 年提出，1988 年開啟工程化發展，目前日本、中國、澳大利亞、加拿大、美國等處于全球技術第一梯隊。當前下游需求未打開，釩電池裝機規模較小，截至2022 年底全球液流電池(以釩液流電池為主)累計裝機規模為 274.2MW，在全球新型儲能中占比0.6%。其中中國液流電池累計裝機為 157.2MW，在國內新型儲能中占比1.2%。
釩電池系統主要由功率單元、能量單元、電解液輸送系統、電池管理系統、儲能逆變器等組成，其中功率單元和能量單元是核心構件。功率單元-電堆主要由離子膜、電極、密封墊、電極框、雙極板等構成。電堆是系統的重要部件，是發生電化學反應的主要場所，其數量和大小影響了釩電池功率。能量單元-電解液是不同價態的釩離子水溶液(正極為+4/+5 價，負極為+2/+3價)，其分別存儲在正負極儲液罐中。電解液的體積和濃度決定了釩電池的儲能容量。
釩電池中電解液與電堆的成本占比較高。電解液一次成本占總成本的35%，其中五氧化二釩占電解液成本 60%左右(V2O5按 13 萬元/噸計算)。電堆成本占總成本的 35%，而電堆成本中 55%來自于離子傳導膜。其他裝置(如管路與控制系統、循環泵等)占總成本的 30%。
釩電池高安全、長壽命、靈活性高，是長時儲能的有效方式
釩電池安全穩定，契合儲能電站對安全性的高要求。據CNESA 不完全統計，2022年全球共發生了 18 起儲能安全事故，百兆瓦級的事故項目數明顯多于往年。2022年，國家能源局在《防止電力生產事故的二十五項重點要求(2022 年版)(征求意見稿)》中提出中大型電化學儲能電站禁用三元鋰電池和鈉硫電池，對儲能電站安全性進行更高要求。 鋰離子電池內部短路、熱失控進而導致有機電解液分解、氣化、燃燒，是鋰電電站起火爆炸的主要原因。而釩電池的電解液是水溶液，具有本征安全性;同時循環流動的工作方式還能幫助電池系統快速散熱，安全性高。
釩電池安裝靈活、建設周期短、壽命長，有望成為有效的長時儲能方式。長時儲能一般是指可以持續充放電 4 小時以上的儲能技術，包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、重力儲能、液流電池儲能等。長時儲能側重于解決峰谷時期供需匹配等經濟性問題，能夠提升新能源消納能力。 與抽水蓄能、壓縮空氣儲能等長時儲能技術相比，釩電池不受地理和地質條件約束、選址靈活，且項目建設周期短、對環境影響較小，在長時儲能領域前景廣闊。
釩電池功率與容量單元相互獨立，成本能夠伴隨儲能時長而有效攤銷，與長時儲能具有較高契合度。釩電池輸出功率由電堆決定，儲能容量由電解液決定，兩者互相獨立;功率可以通過增加電堆數量來提升、容量可以通過提升電解液濃度與體積來實現。同時，在功率不變的情況下，增加儲能時長能夠攤銷功率單元成本，從而使得單 Wh 明顯下降。
當前釩電池商業化應用面臨一些障礙：1)電池合適的工作溫區在5-40℃，相對較窄;2)能量密度低，體積較大;3)初始投資額高，根據融科儲能數據，釩電池系統初始投資成本在 2.1-7.5 元/Wh，顯著高于磷酸鐵鋰電池(1.0-1.5元/Wh)。未來伴隨優化電解液配方、改進電堆材料等方式出現，釩電池電化學性能有望進一步優化;同時伴隨儲能時長的增加和規模效應的增益，釩電池的經濟性有望改善。
政策持續加碼，釩電池產業化進程加速
各國政府積極推出政策，支持釩電池行業發展。釩電池憑借靈活性、安全性等優勢，在長時儲能領域有望成為重要的儲能方式，故而獲得各國政府政策的積極支持。中國從總體規劃、實施細節、安全規范等多方面積極推出細則，加快釩電池產業化進程。
國內廠商釩電池積極布局，項目招標量逐步提升。中國的液流電池研究起步較早，已經涌現出大連融科、北京普能等主攻釩液流電池的企業。據不完全統計，2023年初至 7 月中旬，國內已簽約釩液流儲能項目 15 個，合計裝機功率達3.6GW;國內已招標釩液流電池系統項目 8 個，合計招標功率超過109MW。
2026 年液流電池新增裝機量有望達到19.6GWh
隨著全球能源轉型，可再生能源的滲透率提升帶動新型儲能的發展，特別是可再生能源大基地的建設帶動長時儲能的應用，我們預計2023 年全球液流電池行業進入規模化發展的元年，2023 年全球新增裝機有望達到1.7GWh，2026 年全球液流電池新增裝機量有望達到 19.6GWh，2023-2026 年均復合增速達到125%。
產業鏈：電堆與電解液是核心組成部分
釩資源：國內儲量豐富，釩產能充足
中國釩資源儲量豐富，可實現自給自足。根據美國地質調查局數據，2022年中國釩資源(折金屬釩)儲量約 950 萬噸，占全球釩總儲量的36.5%，位列全球第一。2022 年中國金屬釩產量約為 7 萬噸，同比-0.4%;占全球總產量的70%，位列全球第一。國內具有豐富的釩資源儲量和生產能力，能夠支撐下游各種應用場景的持續發展。
金屬釩的主要生產方式包括：1)釩鈦磁鐵礦經鋼鐵冶金加工得到釩渣提釩，其是目前最主要的生產方式，約貢獻了國內 85-90%左右的釩產量;2)含釩副產品及含釩石煤生產;3)直接來自于釩鈦磁鐵礦。 國內釩生產行業市場集中度相對較高。2021 年國內五氧化二釩產能約17.14萬噸(折合金屬釩產能為 9.6 萬噸)，其中釩鈦股份、河鋼股份、成渝釩鈦分別以4.0/2.2/2.0 萬噸的年產能排名前三，CR3 為 47.8%。
釩目前主要應用在鋼鐵領域，釩電池的持續放量有望帶來釩需求的可觀增量。釩的主要應用領域包括鋼鐵、化工、鈦合金及釩電池儲能等，其中鋼鐵領域用釩占比超過 80%。 2022 年在國內釩電池蓬勃發展，其在國內消耗約 9000 噸五氧化二釩，同比+80%以上，在國內釩資源消費比例達到 8.2%，同比+4pct。我們假設2026 年全球釩液流電池裝機達到 19.6GWh，對應五氧化二釩需求約為15.7 萬噸(折金屬釩8.8萬噸)，為釩需求帶來可觀增量。
五氧化二釩價格對于釩電池電解液成本影響顯著。根據大連融科數據，1GWh釩電池對應電解液需要 8000 噸的五氧化二釩。如果五氧化二釩價格增加1 萬元/噸，那么電解液成本將增加 0.08 元/Wh。
離子膜：國產替代正當時
離子膜是電堆的核心部件，其性能影響了釩電池的容量穩定性與壽命。釩電池中離子膜主要起著阻止正負極活性物質互混、傳導氫離子的作用。離子膜需要具備：1)良好的導電性，2)較優的機械性能，3)高離子選擇性，4)良好化學穩定性等。離子膜的性能將會直接影響釩電池的穩定性、壽命等。
離子膜根據原理差異通常可以分為離子交換膜和多孔離子傳導膜。離子交換膜是通過離子交換基團的選擇性傳導氫離子，而多孔離子傳導膜是利用膜孔徑實現氫離子的篩分和傳導。
全氟磺酸膜是目前釩電池中最常用的離子膜，但目前主要依賴進口。PSVE單體(全氟磺酰基乙烯基醚)與四氟乙烯共聚制成全氟磺酸樹脂，樹脂熔融擠出或流延之后即可得到全氟磺酸膜。全氟磺酸膜憑借其良好的導電性以及出色的穩定性，成為目前在釩電池產業化應用最廣泛的離子膜。 全氟磺酸膜行業的核心壁壘在于：1)PSVE 單體(全氟磺酰基乙烯基醚)制備反應條件苛刻(需無水、惰性氣體保護等條件)且專利保護完全;2)四氟乙烯易爆炸、運輸難度大，生產全氟磺酸樹脂的企業多需要具有四氟乙烯自供能力;3)聚合復雜度高，全氟磺酸樹脂需要 PSVE 單體、四氟乙烯、六氟丙烯等進行多元聚合，反應條件控制難度大;4)成膜技術要求高、工序繁瑣，部分環節專利被海外企業把控。 據高工氫電統計，2021 年中國液流電池國產膜占比為23.1%，進口膜占比為76.9%。而科慕(原杜邦)的 Nafion 膜在國內市場份額高達75%。
國內企業加速全氟磺酸膜國產化，并且積極進行其他離子膜探索。國內企業全氟磺酸膜的性能持續提升，有望憑借性價比優勢加速進口替代。目前，蘇州科潤、東岳未來氫能等在國產化方面進展領先，億華通旗下上海神力、國潤儲能等均積極加快產品研發與布局。 而中國科學院大連化物所等也持續加快在多孔離子傳導膜等領域研究，現已完成電池系統可靠性驗證。
電極：碳素類材料為主流路線，國內企業配套能力強
電極主要為活性物質提供反應場所，是電堆的重要組成部分。與鋰離子電池不同，釩電池的電極不含活性物質，只為活性物質提供電化學反應場所，其自身也并不參與反應。電極通常具備電導率高、機械性能好、耐強酸腐蝕、化學穩定性好等性能，主要電極材料包括金屬類電極、碳素類電極等。碳素類電極碳氈/石墨氈是目前釩電池電極主流方案。金屬電極雖然導電性好、機械性能好，但是部分金屬電極電化學可逆性差、且整體成本較高，故而并未實現大規模應用。碳素類電極，特別是碳氈/石墨氈，憑借制備工藝成熟、導電性能優、化學穩定性強以及成本低，成為目前釩電池主要電極材料。碳紙較碳氈/石墨氈厚度更薄，可使得電堆各部件更加緊湊，更利于實現小型化、從而提升電池功率密度;其有望成為下一代電極材料。
電極主要依托國內企業生產。碳氈/石墨氈均為碳纖維材料，二者是燒制溫度不同的產品，石墨氈燒制溫度更高、含碳量更高。國內主要的碳氈/石墨氈生產企業包括江油潤生、遼寧金谷、江蘇普向等。而碳紙由于制備工藝復雜，生產企業多以日本東麗、加拿大 Ballard、德國 SGL、美國 AvCarb 等國外企業為主。
雙極板：電堆重要結構件
雙極板是釩電池電堆的重要結構件，主要功能為隔離正負極電解液、匯集電流和支撐電極等。雙極板通常需具備高導電性、高機械強度、耐腐蝕等性能，目前主要包含石墨雙極板、金屬雙極板、碳塑復合雙極板等技術路線。
小型電堆多使用改性石墨雙極板，大功率電堆多使用碳塑復合雙極板。改性石墨雙極板導電性好、耐腐蝕、價格低廉且技術成熟，但是裝配時易碎，只適合用于小型電堆。碳塑雙極板電導率高、強度高，主要用于大功率電堆中。石墨雙極板的主要生產企業包括華熔科技、上海弘楓、開封時代等;碳塑雙極板主要生產企業為嘉興納科等。此外，中國科學院大連化物所也開發出新一代高導電、高韌性、可焊接的碳塑復合雙極板，并實現批量化生產。
電堆：釩電池核心功率單元
電堆的數量與大小決定了釩電池的功率水平。單電池主要由離子膜、電極、密封墊、電極框、雙極板等組成。電堆則是將多個單電池采用壓濾機的方式疊合緊固，而后通過焊接等工序制備而成。大功率的釩電池可以通過增加電堆數量或者增大電堆電極的面積來實現功率提升。 電堆制造企業往往需要將各類耗材、電子元器件等裝配到一起，特別是大功率電堆，對于疊合裝配的技術和工藝經驗要求更高，行業具有較高的壁壘。
電堆降本的主要手段：1)通過優化電極材料性能等方式，提升電堆功率密度;2)優化電堆組裝工藝，如依托激光焊接技術將離子膜與電極框直接密封、減少密封墊使用來降低成本。 目前釩電池系統企業多進行電堆自產。釩電池系統主要由電堆、電解液、儲液罐、電池管理系統、逆變器等組成;電解液和電堆是核心構件。電池管理系統、逆變器等產品多由鋰電儲能產業鏈中相關企業直接提供。因此，國內目前多數釩液流電池企業在產業化初期，多采用電堆自產的方式來控制成本和優化功率性能。目前國內領先的電堆生產企業包括融科儲能、北京普能、上海電氣等。
電解液：核心能源單元，殘值高回收價值大
電解液釩離子濃度決定了釩電池系統的能量密度。電解液是不同價態的釩離子水溶液(正極為+4/+5 價，負極為+2/+3 價)，其分別存儲在正負極儲液罐中。電解液常見支撐電解質包括：鹽酸、硫酸、鹽酸-硫酸混酸。理論上1kWh 釩電池需要5.6kg 的 V2O5，但由于電解液實際利用率僅在 70%左右，故而實際生產中1kWh釩電池往往需要 8kg 的 V2O5。 電解液的制備方式包括：1)物理法：將高純 VOSO4直接溶解于硫酸溶液，該方法操作簡單，但是 VOSO4成本高、且電解液釩離子濃度較低，使得電池能量密度較差。2)化學還原法：使用還原劑將 V2O5還原成易溶于水的VOSO4或混合價態的釩離子，再溶解于酸中。該方法操作及設備簡單，但是操作較復雜且容易引入雜質元素。3)電解法：將 VOSO4或 V2O5在酸溶液中進行電解還原得到低價的釩離子溶液，該方法工藝簡單、且具有產業化可行性，但是設備復雜。目前電解法與化學還原法是主流的電解液制備方式。 電解液發展趨勢：1)高濃度電解液能夠提升能量密度。2)高穩定性電解液能夠避免電池使用中較快產生沉淀，提高電池效率;同時減少系統的熱管理負荷，降低成本。3)高活性的電解液能夠提高傳質速度，提高電解液利用率。電解液性能改善方式主要包括：1)優化支撐電解質組分，通過添加鹽酸等方式提高釩離子溶解度;2)增加添加劑，優化電解液穩定性或提升電解液電化學活性。
電解液殘值高，可回收利用。釩電池電解液反應過程中無明顯損耗，電解液的殘值可以做到原有的 70%。我們假設儲能時長為 4h 的釩電池系統初始建設成本為3元/Wh，其中電解液成本為 1.5 元/Wh、其他零部件成本為1.5 元/Wh(折合6元/W);那么使用后回收電解液殘值為 1.05 元/Wh，其他金屬假設殘值為0.075 元/Wh(折合 0.3 元/W)的話，那么 4h 的釩電池系統實際投資成本為1.875 元/Wh，名義初始投資成本下降 38%。同時更高儲能時長的系統實際單Wh 投資成本下降幅度更大。由此企業可以通過電解液租賃等商業模式降低初始投資成本，以此降低電池系統投資成本。
精選報告來源：未來智庫
報告出品方：國信證券，作者：王蔚祺、李全、陳抒揚
作者：王蔚祺、李全、陳抒揚
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