全球电化学储能市场展望与技术创新.pdf
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1、请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容证券研究报告|2022年7月21日储能专题研究储能专题研究全球电化学储能市场展望与技术创新全球电化学储能市场展望与技术创新行业研究 深度报告 电力设备与新能源 电池投资评级:超配证券分析师:王蔚祺S0980520080003证券分析师:李恒源S0980520080009联系人:陈抒扬请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容可再生能源发展需要大规模储能支撑01全球2025年新型储能市场展望02电化学储能降本路径:钠离子电池原理及发展趋势03目录请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容投资建议 2011年以来,随着全球能源结构快速向低碳形式转型,
2、可再生能源装机加快发展,尤其是风电、光伏等间歇性可再生能源在最近几年成为全球新增装机的主力。过去10年,全球可再生能源装机容量始终保持8-10%的年化增速。2021年全球可再生能源总装机量达到3064GW(不含抽蓄),其中风电为825GW,光伏849GW。电力系统的波动性将随着可再生能源渗透率的提高而日渐提升,同时用电侧的电气化率提升也进一步增加了电力系统调度的挑战,因此电网需要大幅提高灵活性,各类储能技术将扮演重要的角色。本文探讨的储能需求主要以提升电网灵活性的电力储能装机为主,不包含各种便携式储能产品。电力储能广泛应用于电力系统电源侧、电网侧、用户侧,不同应用场景对储能的持续放电时长有不同
3、需求,对应电力系统常用的时序分析方法,可分为超短时(秒级到分钟级)、短时(小时到数日)和长期时间尺度(周、月、年)。全球能源互联网发展合作组织根据各大洲电力装机和负荷的分布特点,预测到2050年全球以氢能、抽水蓄能、压缩空气、液流电池等长时电力储能将占到储电量的95%,以锂电池、钠电池、飞轮、超级电容为主的等短时储能将占储能功率容量的92%。到2050年,主要应用于发电侧一次调频、日内调峰,以及用户侧日内调峰的短时储能占整体储能功率的81%,占储电量的5%。我们预测兼具功率型和能量型的锂离子电池、钠离子电池等电化学储能技术短期发展迅速,2025年以电化学储能为主的新型储能全球累计装机有望从20
4、21年的51GWh达到741GWh,2022-2025年新增电力储能装机分别达到55/110/193/331GWh,复合增速有望超过70%。从2022到2035年全球电化学储能将得到广泛规模化应用,但产品仍需进一步改善安全性,提升循环次数和能量密度,以及降低成本。全球锂资源分布不均衡的大背景下,当前碳酸锂价格高企,为了缓解上游资源紧张对储能以及动力电池相关产业的发展制约,以宁德时代为代表的电池企业、当升科技、容百科技为代表的材料企业纷纷布局钠离子电池体系,宁德时代在2021年宣布计划在2023年量产钠离子电池,近期当升科技和容百科技也相继推出钠离子正极材料,旨在推动上游资源供给更为丰富,成本更
5、低,同时安全性更高的电化学储能技术推广普及,共同推动电化学储能早日进入TW级别的发展阶段。投资建议:我们同时看好锂离子电池与钠离子电池在电力储能领域的发展前景,推荐钠电池及材料布局前瞻的企业:1)电池企业:宁德时代;2)材料企业:当升科技、容百科技、厦钨新能、璞泰来、天赐材料。风险提示:1.储能产业化进展不及预期;2.下游需求不及预期;3.钠离子电池产品竞争加剧请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容第一章:可再生能源的发展第一章:可再生能源的发展需要大规模储能支撑需要大规模储能支撑请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容光伏风电度电成本持续下降,可再生能源装机与日俱增图1:2010-
6、2023年全球光伏、集中式光伏、陆上风电、海上风电平均度电成本和PPA/现货竞拍电价资料来源:IRENA,国信证券经济研究所整理图2:2001-2021年全球可再生能源新增新增装机(GW)及占比(%)资料来源:IRENA,国信证券经济研究所整理0%15%30%45%60%75%90%04590135180225270200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015201620172018201920202021非可再生能源可再生能源可再生能源占比2010-2020年,公用事业光伏平均度电成本(LCOE)下降了85%,集中式
7、光伏LCOE下降了68%,陆上风电LCOE下降了56%,海上风电LOCE下降了48%,光伏和风电技术发电成本已经达到或低于化石燃料发电成本。2011-2021年,全球可再生能源新增装机容量增长超过130%,而不可再生能源仅增长了24%。自2014年以来,以光伏、陆上风电为主的可再生能源新增装机已经开始超过非可再生能源。2021年,可再生能源累计装机容量达到3064GW(不含抽蓄),发电量约为8000TWh。为了实现全球升温1.5C的情景,到2030年,可再生能源装机容量仍将相比于2020年增加2倍以上。请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容可再生能源发展刚需下,储能大有可为2011年以来
8、,随着全球能源结构快速向低碳形式发展,可再生能源装机加快发展速度,尤其是风电、光伏等间歇性可再生能源在最近几年成为全球新增装机的主力。2021年,全球可再生能源总装机量达到3064GW(不含抽蓄),其中风电为825GW,光伏849GW。过去10年,全球可再生能源装机容量始终保持8-10%附近的年化增速。图3:2011-2021年全球可再生能源累计装机量(GW)及同比增速资料来源:IRENA,国信证券经济研究所整理1,0571,0901,1371,1761,2121,2471,2731,2961,3121,3331,4112202673003494164675145646227328257410
9、414118022830039548959071684972778491961051111181241271438.5%8.5%8.4%9.0%8.7%8.5%7.9%7.7%10.2%15.8%0%2%4%6%8%10%12%14%16%18%05001,0001,5002,0002,5003,0003,50020112012 2 013 2 014 2 015 2 016 2 017 2 018 2 019 2 0202021水力发电风能太阳能生物质能地热能潮汐能增速请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容可再生能源发展刚需下,储能大有可为随着可再生能源的发展,以光伏和风电为代表的间歇
10、性电源占发电量的比例逐步提高,截至到2020年,德国、英国已经突破或者接近30%,欧盟地区整体也已经突破20%。美国和中国分别达到12和10%,并且中国未来5年将快速提升占比。图4:2020年全球主要地区风电光伏发电量(TWh)及占比资料来源:Ember,国信证券经济研究所整理382 218 208 230 257 541 847 476 273 2,220 3,581 6,896 13574241924571139193963374675113192711884131014413326133%29%17%17%12%11%10%10%10%20%12%10%0%5%10%15%20%25%3
11、0%35%0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 德国英国澳大利亚意大利土耳其巴西日本法国墨西哥欧盟美国中国其他能源发电TWh风力发电量TWh光伏发电量TWh风光发电占比请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容全球可再生能源发电量和装机容量预测(两种机构预测)资料来源:IRENA,国信证券经济研究所整理表2:国际可再生能源署在升温1.5C情景预测(GW)资料来源:全球能源互联网发展合作组织,IEA,国信证券经济研究所整理202120302050陆上风电(GW)84929556172海上风电(GW)8253822002光伏(GW)1
12、230522114036水电(含抽蓄)(GW)45514652508其他可再生能源(GW)1507493082总发电量(TWh)270004218978698总装机量(GW)74741426630229可再生能源发电量占比29%65%90%风电光伏等发电量占比*8%42%63%可再生能源装机占比41%76%92%可再生能源装机容量(GW)3,054 1077127799表1:全球能源互联网合作组织预测(GW)202120352050风电84937496760光伏(GW)825489010920水电(GW)123022822860核电*455489520其他可再生能源150489780总发电量(
13、TWh)270002900051000总装机量(GW)74741630026000可再生能源发电量占比29%57%75%风电光伏等发电量占比*8%44%60%可再生能源装机占比41%70%82%可再生能源装机容量(GW)3,054 11,410 21,320 我们比较了国内的权威能源研究机构全球能源互联网研究中心,以及国际可再生能源署的研究预测,两家机构虽然对于全球发电量的预测存在15%的差距,但对于全球可再生能源容量占比,以及发电量占比较为趋同,可以借鉴两家机构对于以风电、光伏为代表的间歇性电源的消纳占比,用于预测储能市场的发展依据。两家机构均认为,在2030-2035年全球风电光伏消纳占比
14、将达到40%以上,2050年达到60%以上。请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容随着新能源渗透率提高,能源系统对储能的需求越强高比例清洁能源系统需要足够的调节能力同时应对来自消费侧和供应侧的随机变化。一般把用电负荷减去风、光出力后的值定义为净负荷,净负荷的波动特性决定了能源系统对调节能力的需求。净负荷的波动性与用电负荷、新能源出力特性密切相关,随着新能源渗透率提高而增大。以华北某省夏季典型日为例进行分析,当新能源渗透率为零时,用电负荷为28.54GW,即为净负荷,呈现早、晚两个高峰,夜间低谷的波动特性;新能源渗透率达到20%时,净负荷平均值下降,白天光伏发电使净负荷的日内高峰明显减小;
15、当新能源渗透率增加到50%时,风、光出力对净负荷的影响程度进一步加大,在中午光伏最大出力时刻净负荷降至零以下,呈现“鸭形曲线”特点;当新能源渗透率增加到80%时,净负荷在日内大部分时间小于零,波动性更加明显。总体上看,随着新能源渗透率的提高,净负荷的最大值和平均值不断下降,标准差和最大变化速率不断提高,能源系统对储能的需求越来越强烈。图5:不同新能源渗透率下净负荷短时间尺度波动情况资料来源:全球能源互联网发展合作组织,国信证券经济研究所整理新能源渗透率(%)0205080净负荷最大值(GW)28.5425.5917.314平均值(GW)23.4119.685.29-7.85标准差(GW)4.3
16、33.095.7212.24最大变化速率(GW/h)3.894.646.7716.69资料来源:全球能源互联网发展合作组织,国信证券经济研究所整理表3:不同新能源渗透率下净负荷短时间尺度波动情况请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容根据应用场景和时间尺度不同储能系统的分类电源侧:跟踪计划出力及平滑发电输出,为系统提供调峰、调频及备用容量等辅助服务,解决弃风、弃光;电网侧:延缓输变电设备的升级与增容,提高电网运行的稳定水平;用户侧:分时电价管理、容量费用管理、提高供电质量和可靠性、提高分布式能源就地消纳、提供辅助服务等方面。资料来源:全球能源互联网发展合作组织,国信证券经济研究所整理储能广
17、泛应用于电力系统电源侧、电网侧、用户侧的不同场景。不同应用场景对储能的持续放电时长有不同需求,对应电力系统常用的时序分析方法,可分为超短时、短时和长期时间尺度。电源侧:平滑新能源出力波动、调频等场景属于超短时和短时尺度应用,季节性调峰等场景属于长期尺度应用;电网侧:提供系统备用、延缓输变电设备阻塞等均属于短时尺度应用;用户侧:提高电能质量、调频属于超短时和短时尺度应用,参与需求侧响应在短时和长期尺度均有应用。电源侧电网侧用户侧超短时尺度(秒分钟)短时尺度(小时天)长期尺度(多日及以上)平滑风光出力跟踪发电计划提高发电基地送出调频调峰调频提供备用容量黑启动服务提高系统暂态稳定性无功支撑缓解设备阻
18、塞事故备用提高电能质量需求侧响应备用电源参与辅助服务图6:电源侧、电网侧、用户侧储能情况请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容技术特性决定电化学储能应用场景最为广泛根据技术类型的不同,以电能释放的储能方式主要分为机械储能、电磁储能和电化学储能。不同储能技术具有不同的内在特性(如功率密度和能力密度),电化学储能同时具有较高的能量密度和功率密度,决定了其广泛的技术适用性。其中,锂离子电池同时具有高功率密度与高能量密度。表4:不同储能技术类型主要特点资料来源:中国电机工程学会、中科院电工所、中国电动汽车百人会,国信证券经济研究所整理储能技术适用储能时长响应时间放电时长综合效率/%寿命:年技术成
19、熟度应用场景物理储能抽水蓄能长时s-min级1-24h75-8540-60成熟调峰、备用空气储能长时min级1-24h70-8920-40成熟调峰、备用飞轮储能短时ms-min级ms-15min93-9515+商业化早期调频、平滑波动电磁储能超导储能短时100 msms-8s 95-9820+开发阶段调频、平滑波动超级电容短时ms级ms-60 min90-9520+开发阶段调频、平滑波动电化学储能铅蓄电池短时ms-min级min-h75-905商业化调峰、调频、通讯基站备用电源钠硫电池短时ms级s-h级80-9010-15商业化调峰、调频、能量管理、备用液流电池短时/长时ms级s-h级60-8
20、55-10商业化早期调峰、调频、能量管理、备用锂离子电池短时/长时ms-min级min-h级98-955-15商业化调峰、调频、能量管理、备用化学储能氢能短时/长时ms-min级min-h级60-9010-20开发阶段调峰、调频、能量管理、备用电转甲烷短时/长时ms-min级min-h级-开发阶段调峰、调频、能量管理、备用请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容中远期全球储能路线规划资料来源:全球能源互联网发展合作组织,国信证券经济研究所整理图7:2022-2070年全球储能路线规划请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容第三方机构对于全球储能装机容量预测2050年(考虑地区差异)表5
21、:2050年全球各区域储能装机容量预测资料来源:全球能源互联网发展合作组织,国信证券经济研究所整理区域欧洲非洲北美中南美亚洲合计新能源渗透率(%)653850436157%储能装机容量(TW)0.430.210.620.072.774.1占最大负荷比例(%)303039124438%储电量(TWh)1351.23160.50.43204.1501占用用电量比例1.6%0.03%1.8%0.01%0.5%0.75%用电量(TWh)8,438 4,100 8,917 4,300 40,820 66,574 北美地区、欧洲净负荷长期波动较大,需要更多的长期储能,因此储电量占年用电量比例明显高于其他洲
22、,分别达到1.8%和1.6%;而且北美光伏装机容量较多,净负荷短时尺度波动较大,因此对短时储能的需求也较大,储能装机需求达到最大负荷的39%,是长时和短时最大的市场之一。亚洲地区幅员辽阔,内部各区域特点各异,东亚、南亚季风型气候明显,风电出力的季节性波动较大,因此需要配置较多长期储能。西亚、中亚光伏装机占比高,且外送电力流较大,对短期储能需求较高;东南亚水电资源丰富,调节能力充足,对储能需求较少。非洲和中南美新能源渗透率相对较低,净负荷波动主要体现在短时尺度,特别是非洲光伏装机占比大,需要大量短时储能减少弃光,储能装机需求约为最大负荷的30%;中南美洲水电资源丰富,为系统提供充足的调节能力,因
23、此储能装机需求最小,仅占最大负荷的12%。综上,全球能源互联网发展合作组织预计2050年前,清洁能源的大规模开发利用将为全球带来约4.1TW、500TWh的储能需求。请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容全球储能装机容量预测(根据电力净负荷波动特点测算)当新能源渗透率小于等于20%时,储能在电网中最大负荷占比较小,其中主要的储能类型是抽蓄,电网主要依靠传统化石能源机组进行调节;当新能源渗透率上升至50%时,储能系统和传统机组对调节电网贡献基本持平,两者最大负荷占比超过70%,应用最为广泛的储能形式转变成电化学储能;当新能源渗透率上升至80%时,储能系统将对电网的调节起到主导作用,其最大负
24、荷占比约80%。我们预计到2035年全球电化学储能(含动力电池)装机容量将达到1000GW,2050年达到2590GW;因此2021-2025年全球电化学储能年均新增装机容量达到97GW,2035-2050年年均新增装机容量达到159GW。资料来源:全球能源互联网发展合作组织,国信证券经济研究所整理图8:不同新能源渗透率下维持电网系统平衡所需的调节工具最大负荷(功率)占比(%)0204060801001200%20%50%80%传统机组抽蓄电化学储能其他短时储能长期储能需求侧电网互联调节交易储能提供占系统负荷最大比例(%)图9:2035年和2050年电化学储能(含动力电池)和抽水蓄能功率预测(
25、TW)0.02 1.00 2.59 0.180.50.500.511.522.53202120352050电化学储能抽蓄2022-2035年均新增电化学储能97GW以上2036-2050年均新增电化学储能159GW以上资料来源:全球能源互联网发展合作组织,国信证券经济研究所预测请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容92%5%8%95%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%功率占比储电量占比短时长时全球储能装机容量长期预测资料来源:全球能源互联网发展合作组织,国信证券经济研究所整理短时尺度应用场景包括跟踪出力计划、二次调频(也称为自动发电控制,Automatic
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