全球電化學儲能市場展望與技術創(chuàng)新

　　第一章 可再生能源發(fā)展需要大規(guī)模儲能支撐

　　光伏和風電每度電的成本一直在降低，可再生能源的裝機量也一天比一天多。

　　2010 - 2020年期間，公用事業(yè)光伏平均每度電成本(LCOE)降了85%，集中式光伏的這個成本降了68%，陸上風電的LCOE降了56%，海上風電的LOCE降了48%，光伏和風電技術發(fā)電的成本已經(jīng)跟化石燃料發(fā)電成本一樣了，甚至更低。2011 - 2021年的時候，全球可再生能源新增裝機容量增加了130%還多，可是不可再生能源只增加了24%。

　　從2014年起，像光伏、陸上風電這類可再生能源，它們的新增裝機量就已經(jīng)開始比非可再生能源多了。2021年的時候，可再生能源(不算抽蓄的情況)累計裝機容量達到了3064GW，發(fā)電量大概有8000TWh。要是想達成全球升溫1.5°C的目標，到2030年，可再生能源的裝機容量和2020年相比還得增加兩倍多呢。

　　在可再生能源發(fā)展成為剛需的情況下，儲能是很有發(fā)展前景的。

　　從2011年開始，全球能源結構迅速朝著低碳方向發(fā)展，可再生能源裝機的發(fā)展速度也加快了。特別是像風電、光伏這種間歇性的可再生能源，在近幾年成了全球新增裝機的主力軍。2021年的時候，全球可再生能源總裝機量(不算抽蓄)達到了3064GW，這當中風電是825GW，光伏是849GW。過去的10年里，全球可再生能源裝機容量年化增速一直保持在8 - 10%左右。

　　全球可再生能源發(fā)電量和裝機容量的預測(由兩種機構作出的預測)

　　我們對國內(nèi)權威能源研究機構全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究中心，還有國際可再生能源署的研究預測做了比較。這兩家機構呢，在全球發(fā)電量的預測上有15%的差距，不過對于全球可再生能源容量占比和發(fā)電量占比，看法比較接近。我們能參考這兩家機構關于風電、光伏這類間歇性電源消納占比的看法，來預測儲能市場發(fā)展的依據(jù)。這兩家機構都覺得，在2030 - 2035年的時候，全球風電光伏消納占比會超過40%，到2050年能超過60%。

　　新能源滲透率越高，能源系統(tǒng)對儲能的需求就越強烈。

　　高比例的清潔能源系統(tǒng)得有足夠的調(diào)節(jié)能力，這樣才能同時應對消費側和供應側的隨機變化。通常會把用電負荷減去風電、光電出力之后得到的值定義為凈負荷，能源系統(tǒng)對調(diào)節(jié)能力的需求是由凈負荷的波動特性決定的。凈負荷的波動和用電負荷、新能源出力特性關系很密切，而且會隨著新能源滲透率的提高而變大。

　　拿華北某省夏季典型日來說分析一下。要是新能源滲透率是零的話，用電負荷是28.54GW，這也就是凈負荷了，它有著早、晚兩個高峰，夜間低谷這樣的波動特點。當新能源滲透率到20%的時候，凈負荷的平均值就下降了，白天光伏發(fā)電讓凈負荷白天的高峰明顯變小了。新能源滲透率要是增加到50%呢，風電和光電的出力對凈負荷的影響就更大了，中午光伏出力最大的時候，凈負荷能降到零以下，就有了“鴨形曲線”的特點。等新能源滲透率增加到80%時，凈負荷在一天里大部分時間都小于零，波動得更明顯了。

　　總體來講，新能源滲透率一提高，凈負荷的最大值和平均值就不斷降低，標準差和最大變化速率則不斷上升，能源系統(tǒng)對儲能的需求也變得越來越迫切了。

　　電化學儲能的應用場景最廣，這是由技術特性決定的。

　　按照技術類型來劃分，以電能釋放的儲能方式大體上能分成機械儲能、電磁儲能以及電化學儲能。各種儲能技術都有各自的內(nèi)在特性，像是功率密度和能量密度就不一樣，電化學儲能的能量密度和功率密度都比較高，這就使得它在技術上有很廣泛的適用性。鋰離子電池呢，它的功率密度和能量密度都很高。

　　第二章：2025年新型儲能市場展望

　　中國儲能技術的水平提高得很快，好多儲能技術的水平在世界上都是領先的。

　　在“十二五”和“十三五”這兩個階段，國家和產(chǎn)業(yè)一直不斷投入，中國儲能技術的水平提高得特別快。壓縮空氣儲能、儲熱儲能、鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池以及鈉離子電池，這些已經(jīng)達到或者快接近世界先進水平了;抽水蓄能、飛輪儲能、超級電容器和新的儲能技術跟世界先進水平比還有些差距，不過總體上這個差距在一點點變小。

　　2021年，中國的機構和學者發(fā)表了11949篇儲能SCI論文，數(shù)量在世界上排第一，而且把排第二的美國遠遠地甩在了后面，中國已經(jīng)是全球在儲能技術基礎研究方面最活躍的國家了。在關鍵技術和集成示范上，中國也都取得了重要的成果，中國已經(jīng)成為世界上儲能技術研發(fā)和示范的主要核心國家之一。

　　儲能能加速應用是電池成本下降推動的。

　　電化學儲能系統(tǒng)大多是由電池組、電池管理系統(tǒng)(BMS)、儲能變流器(PCS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)還有其他電氣設備組成的。電池是整個儲能系統(tǒng)里的核心部分，它的成本能占到儲能系統(tǒng)總成本的50%，所以電池是儲能降低成本的關鍵。

　　我國磷酸鐵鋰電池儲能電站的建設成本在全球處于領先地位。

　　2021年的時候，我國磷酸鐵鋰電池儲能的中標價已經(jīng)降到了1.2 - 1.7元/Wh。BNEF算過，2022年全球電化學儲能EPC成本大概是261美元/kWh(差不多1.66元/Wh)，預計到2025年能降到203美元/kWh(大概1.29元/Wh)。(報告來源：未來智庫)

　　分布式光儲：以“特斯拉戶用光伏”為例

　　2021年的時候，特斯拉儲能這塊新增的裝機量達到了3.9GWh，跟上年比增加了32%，在全球新型儲能市場里占的份額大概是16%。從2017年到2021年，特斯拉儲能新增裝機量每年平均下來的復合增長率特別高，達到了82.74%?，F(xiàn)在特斯拉主要有三款儲能產(chǎn)品，就是Powerwall、Powerpack還有Megapack。Powerwall呢，是2015年5月推出來的家用儲能電池;Powerpack和Megapack是商業(yè)用的能源產(chǎn)品，Powerpack在2017年推出，Megapack在2019年推出，是給商業(yè)機構和公共事業(yè)機構用的。2021年特斯拉儲能裝機量增長的動力，主要就是Megapack帶來的。

　　特斯拉正在提升Megapack工廠的產(chǎn)能。因為市場需求一直比產(chǎn)能高，所以特斯拉儲能裝機量的增長還是被電池產(chǎn)能給限制住了。特斯拉的高管在業(yè)績交流會上說，Megapack在全球儲能市場現(xiàn)在是供不應求的情況。2021年，每年能生產(chǎn)40GW的Megapack工廠已經(jīng)在美國加州開始動工建設了，等建好了，特斯拉的產(chǎn)能會從現(xiàn)在的3GWh增加到40GWh。

　　發(fā)展的現(xiàn)狀是：全球抽水蓄能裝機量最多，電化學儲能排在后面，和它差距不大。

　　到2021年年底的時候，全球已經(jīng)投入運營的電力儲能項目累計裝機規(guī)模達到了209.4GW，跟去年相比增長了9%。在這當中，抽水蓄能累計裝機的占比頭一回低于90%，和去年同期相比下降了4.1個百分點;新型儲能累計裝機規(guī)模排在后面，有25.4GW，跟去年同期比增長了67.7%，在新型儲能里，鋰離子電池占著絕對主導的地位，市場份額在90%以上。

　　到2021年底的時候，中國已經(jīng)投入運營的電力儲能項目，累計裝機規(guī)模有46.1GW，這個規(guī)模占全球市場總規(guī)模的22%，在世界上排第二，跟去年相比增長了30%。在這些項目里，抽水蓄能的累計裝機規(guī)模是最大的，有39.8GW，同比增長25%，它的占比和去年同期比又下降了，降了3個百分點;新型儲能的增長速度最快，同比增長75%，累計裝機規(guī)模達到5.7GW。

　　2021年的時候，中國新增加的儲能項目數(shù)量頭一回超過了10GW，有10.5GW呢。在這些項目里，抽水蓄能新增加了8GW，跟之前相比增長了437%;新型儲能新增加的容量規(guī)模也第一次超過了2GW，達到了2.4GW(4.9GWh)，同比增長了54%。

　　第三章：鈉離子電池原理及發(fā)展趨勢

　　鈉離子電池的工作原理跟鋰電池是一樣的。

　　鈉離子電池存在很久了，它和鋰離子電池原理一樣。20世紀80年代的時候，ARMAND團隊最早提出鈉離子電池，到了90年代，經(jīng)過產(chǎn)業(yè)化推廣，鈉離子電池有了技術方面的應用。鈉離子電池說到底呢，就是在充放電的時候，靠鈉離子在正負極之間嵌入和脫出完成電荷轉(zhuǎn)移;鋰離子電池則是通過鋰離子在正負極間移動來實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，二者工作原理其實是一樣的。

　　從材料體系方面來說，除了隔膜之外，別的材料組分都有顯著的變化，正極和負極材料的變化尤其明顯。

　　鈉離子電池有個優(yōu)勢，那就是資源豐富。

　　鈉資源挺豐富的：在地殼里，鈉元素的豐度達到2.3%，在所有元素里能排到第六位呢，這可比鋰元素的0.0017%高多了。陳立泉院士說，現(xiàn)在全球已經(jīng)探明的、能拿來開采的鋰資源儲量，也就夠14.8億輛電動汽車用的。隨著全球電動化的進程加快，鋰資源短缺的壓力就更明顯了。

　　鈉資源分布更平均：美國地質(zhì)調(diào)查局2019年的報告指出，南美洲的阿根廷、智利、玻利維亞這三個國家，鋰資源儲量在全球占比達52.10%，而中國鋰資源儲量只占7.26%，分布特別不平均。中國六成以上的鋰原料都得靠進口，對外依賴程度很高。鈉元素以鹽的形式在陸地和海洋里到處都有，獲取起來很方便。

　　鈉離子電池有優(yōu)勢：低溫時性能好，倍率性能也不錯。

　　倍率性能很棒：鈉離子的溶劑化能比鋰離子低，界面上離子擴散能力比較強，而且鈉離子的斯托克斯半徑小。在電解液濃度相同的時候，鈉鹽電解液的離子電導率要比鋰鹽電解液更高，快充性能也更好。寧德時代的數(shù)據(jù)顯示，鈉離子電池能在15分鐘里充電到80%;中科海鈉也表示他們的電池12分鐘就能充到90%，這充電速度可比正常狀態(tài)下鋰離子電池30分鐘充80%的速度快多了。

　　低溫性能好：鈉離子的離子電導率高，對電解液濃度要求低，低溫下電解液粘度比鋰離子電池的低，電池整體性能更好。鈉離子電池正常工作溫度在-40℃到80℃，有些產(chǎn)品在-20℃時容量保持率能達到88%，這可比磷酸鐵鋰60 - 70%左右的容量保持率強多了。

　　鈉離子電池存在不足，循環(huán)壽命和能量密度還有改進的余地。

　　循環(huán)壽命這塊兒呢，鈉離子電池目前整體的循環(huán)壽命大概是2000次上下，這跟磷酸鐵鋰電池比起來，表現(xiàn)要稍微差一些。特別是和部分用在儲能領域、循環(huán)壽命超過5000次的磷酸鐵鋰電池相比，鈉離子電池還是有一定差距的。

　　能量密度方面：鈉創(chuàng)新能源的鈉離子電芯能量密度能超過130Wh/kg，立方新能源電芯能量密度是140Wh/kg，中科海鈉的產(chǎn)品能量密度達145Wh/kg，這些都還有繼續(xù)優(yōu)化的空間;寧德時代最新的第二代鈉電池，設計的能量密度可以達到200Wh/kg。