抽水蓄能可再生能源发展刚需下储能大有可为

blackhappy 2023-04-07 发布于北京

展开全文

“储能热管理研究院”的研究员撰写并发布了这篇《抽水蓄能可再生能源发展刚需下储能大有可为》全套文章。

抽水蓄能原理及发展现状

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性电源占发电量的比例逐步提高，截至2021年我国风电、光伏发电量占总发电量比例达到12%，并且未来随着风电光伏的大规模装机，占比将快速提升。

编辑切换为居中

2011-2021年我国风电光伏发电量（亿kWh）及占比（%）

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。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

储能广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。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

电源侧、电网侧、用户侧储能情况

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。抽水蓄能技术成熟，寿命较长，适合电网侧中长时间储能，具有削峰填谷、调频、调相、储能、事故备用、黑启动等功能。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

不同储能技术类型主要特点

中国储能行业概览

据CNESA的不完全统计，2021年我国储能累计装机46.1GW，新增10.5GW，同比增长231%。

抽水蓄能是我国迄今为止部署最多的储能方式，占比86.3%，以36.39GW的装机容量位列世界第一。为满足电网调节能力的需要，抽水蓄能电站容量配置一般为电网总装机容量的7%-10%。目前全国抽蓄电站装机容量占全国电力总装机比重不到2%，离发展目标仍有较大差距。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

2021年我国电力储能项目累计装机类型占比（%）

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

我国抽水蓄能装机容量（GW）及占总装机比例（%）

抽水蓄能产业链

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

我国抽水蓄能产业链示意图

抽水蓄能受益新能源装机将快速发展

抽水蓄能电站由上水库、下水库、输水系统、厂房和开关站组成。

⚫上/下水库：

蓄存水量的工程设施，电网负荷低谷时段可将下水库抽上来的水储存在上水库内，负荷高峰时段由上水库下放至下水库发电。

⚫输水系统：

连接上下水库，由上库进/出水口及事故检修闸门井、隧洞或竖井、压力管道和调压室、岔管、分岔后的水平支管、尾水隧洞及检修闸门井和下水库进/出水口组成。在水泵工况（蓄电）把下水库的水输送到上水库，在水轮机工况（发电）将上水库放出的水通过厂房输送到下水库。

⚫ 厂房：

地下厂房包括主、副厂房、主变洞、母线洞等洞室。厂房是放置蓄能机组和电气设备等重要机电设备的场所，也是电厂生产的中心。由于受两次能量转换的影响，抽水蓄能电站运行效率一般为75%。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

抽水蓄能电站示意图

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

储能系统削峰填谷示意图

抽水蓄能受益新能源装机将快速发展

抽水蓄能电站可分为纯抽水蓄能电站和混合式抽水蓄能电站两类。

⚫ 混合式抽水蓄能电站

上水库有一定的天然水流量，下水库按抽水蓄能需要的容积在河道下游修建。在混合式抽水蓄能电站内，既安装有普通水轮发电机组，利用江河径流调节发电；又安装有抽水蓄能机组，可从下水库抽水蓄能发电，进行蓄能发电，承担调峰、调频、调相任务。

⚫ 纯抽水蓄能电站

上水库没有水源或天然水流量很小，水在上、下水库循环使用，抽水和发电的水量基本相等，流量和历时按电力系统调峰填谷的需要来确定。纯抽水蓄能电站仅用于调峰、调频，不能作为独立电源存在，必须与电力系统中承担基本负荷的电厂协调运行。

编辑

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

混合式抽蓄电站（左）与纯抽蓄电站（右）示意图

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

两类抽水蓄能电站差异对比

抽水蓄能受益新能源装机将快速发展

⚫ 我国抽水蓄能资源总量达到1604GW，当前已纳入规划站点资源总量814GW，其中重点实施项目421GW，规划储备项目305GW。

⚫ 根据国家能源局发布的《抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035年）》，到2025年抽水蓄能投产62GW以上，到2030年投产120GW左右；根据抽水蓄能行业协会展望，2035年投产规模有望超过400GW。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

我国抽水蓄能站点资源（GW）

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

我国中长期抽水蓄能发展规划装机容量（GW）

我国抽水蓄能资源分布

⚫ 截至2021年底，我国投运抽水蓄能装机容量36.39GW，在建抽水蓄能容量达到61.53GW，在建项目主要集中在华东及华北电网统调区域，已建和在建规模均居世界首位。

⚫ 我国抽水蓄能已纳入规划的814GW中，主要集中在西北及西南电网统调区域。随着西北风光大基地建设的逐步开展，抽水蓄能电站将成为配套可再生能源的重要储能手段。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

我国已建、在建抽水蓄能分布情况（2021年）

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

我国已纳规抽水蓄能资源情况（2021年）

抽水蓄能项目核准建设显著提速

⚫ 2021年，我国抽水蓄能核准项目容量以13.7GW创下历史新高。2022年初至今新增开工抽水蓄能项目达到13GW，建设显著提速。

⚫ 遵循“能核尽核、能开尽开”的原则，预计2022年抽水蓄能核准建设规模超过50GW，新增投产规模9GW，年底总装机容量达到45GW左右，“十四五”期间可核准并达到开工条件项目容量270GW。

编辑

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

2021年抽蓄储能项目核准情况（MW、个）

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

2021年以来开工抽水蓄能项目

抽水蓄能项目核准建设显著提速

2021年核准抽水蓄能电站平均单位静态造价5,367元/kW，机电设备及安装工程占比居首。抽水蓄能电站工程建设条件个体差异明显，造价水平与工程建设条件和装机规模密切相关。一般情况下，抽水蓄能电站单位造价随水头高度和装机规模增加而显著降低。

⚫ 抽水蓄能工程中机电设备及安装工程投资占比26.1%，位列榜首。⚫ 未来随着项目开发难度增加，工程造价水平将呈现持续攀升态势。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

2021年核准抽水蓄能电站造价（元/kW）

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

抽水蓄能电站各部分投资占比（%）

抽水蓄能项目核准建设显著提速

根据水规总院预测，“十四五”期间新核准并达到开工条件的项目容量有望达到270GW ，按照5,500元/kW的造价进行测算，预计“十四五”期间抽水蓄能投资额超过1.4万亿元，“十五五”期间以约合1.8万亿元达到顶峰。抽水蓄能设备进入发展快车道，按照设备投资占比15%保守测算，预计2021-2035年间每年平均新增价值量超过450亿元。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

我国抽水蓄能投资规模（亿元）

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

我国抽水蓄能设备价值量（亿元）

更多内容可以点击下载：

《2022年电力设备与新能源行业：储能专题研究系列之抽水蓄能，建设提速迎高景气，精尖研发掀国产替代浪潮》

二、与温度传感器

抽水的设备本身用不上温度传感器，温度传感器主要用在抽水蓄能、压缩空气储能，而且主要用电网级大型储能。

储能温控市场乘风起

储能系统涉及大量单体电芯，温度是影响电池一致性的重要因素。一般而言，与动力电池系统相比，储能系统装载的电池数量更多，同时电池的容量也更大，当大量的电池紧密排列在一起时运行工况将更为复杂多变，容易造成产热不均匀、温度分布不均匀、电池间温差过大等问题，从而影响电池一致性。通常电池组中各单体电池所处环境不可避免的会存在差异，如在方形的锂离子电池组中，中间的电池与四周的电池所处的环境温度、电池的受力情况等往往各不相同。

1、一般而言，锂离子电芯的最佳工作温度区间为 10~35℃，当温度低于-20℃时，电解液可能会凝固，从而阻碍锂离子的流动，导致阻抗增加，电芯容量将明显下降；而当温度超过 60℃时，电芯内部有害化学反应速率将明显提升，对电芯造成潜在破坏，严重时将引发安全事故。因此，对于储能系统而言，将电芯始终持在合适的温度区间内极为重要，有效的温控系统不仅能够保证储能电站的安全性以及使用寿命，也能在一定程度上提升性能与效率。因此，温控系统是保障锂电池储能正常运行的重要环节。储能系统工作过程中，电池会持续性地释放热量，在不具备温控能力或温控能力不足的情况下会导致系统温度不断上升，而温度是影响锂离子电池性能的重要因素。工作温度对锂离子电池性能影响较大，温度过高将引发严重安全隐患。综上所述，为确保储能项目长期、稳定、安全运行，温控系统是锂电池储能中不可或缺的重要环节。储能温控系统的主要功能是根据储能系统运行的要求以及工作期间电池所经受的内、外热负荷状况，采用恰当的温控技术来组织系统内、外部的热交换过程，从而保证储能系统的工作温度与电池之间的温差始终维持在合适的区间内。

编辑

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（磷酸铁锂的最佳工作温度为 15~35 摄氏度）

编辑

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（锂离子电池的三类温度区间）

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（磷酸铁锂电池温度特性）

2、热失控是锂电池主要的安全隐患，温度过高是其重要诱因。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（锂电池热失控过程）

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（电池不一致将导致储能系统整体性能显著下降）

3、安全问题凸显，储能温控重要性持续提升。

4、储能规模与能量密度齐升，温控重要性提高。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（全球部分大型电化学储能项目)

根据相关研究，锂电池放电倍率越高，运行过程中产生的热量也将越多，因此随着功率型储能项目利用率的增加，储能温控系统同样将面临更大的挑战。相对于功率型储能系统，电池充放电倍率的增长同样将对温控能力提出更高要求。相较于能量型储能系统，调频等功率型储能系统的单体规模相对较小，但运行过程中往往需要频繁进行快速充放电。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（不同放电倍率下锂电池充放电温度对比）

热管理形式：风冷与液冷

储能热管理形式多样，风冷及液冷成熟度相对较高。目前主流的热管理方式包括风冷、液冷、热管冷却和相变冷却四种。

目前风冷和液冷的应用已较为广泛，热管冷却与相变冷却的产业化程度则相对较低。其中，相变冷却是利用相变材料发生相变来吸热的一种冷却方式，具有结构紧凑、接触热阻低、冷却效果好等优点，但相变材料成本较高，且储热和散热速度较慢，目前在储能温控领域使用较少。

热管冷却则是依靠封闭在管内的冷却介质发生相变来实现换热，具有散热效率高、安全可靠等优点，但成本同样较高，在储能等大容量电池系统中的实际应用较少。从技术成熟度与产业化程度出发，我们认为风冷和液冷仍将是中长期内主要的储能温控形式。

1、风冷系统初始成本较低且安全可靠，为当前主要的储能温控形式。

编辑

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（风冷储能系统结构示意图）

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（风冷系统工作原理图）

2、液冷系统散热能力强且全生命周期成本较低，有望成为未来发展趋势。

编辑

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（液冷储能系统示意图）

编辑

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（液冷系统管路布臵示意图）

储能温控市场将高速增长

从制冷性能以及全生命周期成本角度出发，当前液冷系统的优势已经逐渐开始体现。从 2021 年各大电池厂商与储能系统集成商推出的新产品看，液冷已经成为主流温控方案，我们预2022年起储能系统中液冷的应用比例将快速提升。目前，液冷系统的单位价格约为空冷系统的2-3 倍，因此随着液冷的加速渗透，储能温控系统整体的单位价值量有望呈上升趋势。储能温控量价齐升， 2025 年全球市场空间有望超过 130 亿元。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（全球储能温控市场空间测算）

储能温控市场格局优，龙头占先机

1、温控是储能产业链中“小而精”的细分环节

储能温控系统定制化程度高，需要充足的项目经验与客户关系积累，头部厂商具备较强的先发优势。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（储能温控产业链）

储能温控市场有望维持当前较优的市场竞争格局。作为一个价值量占比较低、技术壁垒较高、客户黏性较强的细分环节，储能温控市场有望维持当前较优的市场竞争格局，龙头厂商的领先地位较为稳固。根据前文中的测算，2021 年全球储能温控市场规模大概为10亿元量级，而行业龙头英维克 2021 年的储能温控业务收入约为 3.37 亿元，简单推算龙头的市场占率超过1/3，市场集中度高于储能变流器、系统集成等环节。近来随着储能市场的快速扩大，越来越多的参与者开始涉足储能领域，无论是在电池、变流器还是系统集成环节，短期内市场竞争格局均趋于激烈。

2、多方势力角逐，龙头厂商率先受益

多方势力逐鹿储能温控市场。目前储能温控市场的参与者大致可分为数据中心温控厂商、车用热管理厂商以及工业领域温控厂商三大类。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（储能温控市场主要参与者）

2-1.数据中心温控与储能温控。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（数据中心温控与储能温控在整体结构上有一定相似性）

2-2. 车用热管理厂商在技术能力、客户资源等方面具有较多积累，亦正加速布局储能温控市场。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（电力机柜与储能系统温控方案存在一定相似性）

2-3. 部分具有电力行业经验的工业制冷厂商开始切入储能温控市场

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（汽车热管理系统与储能温控系统存在一定的共性）

储能温控市场方兴未艾，技术、客户积累深厚的龙头厂商有望率先受益市场爆发。随着下游储能需求的快速增长，不可避免地会有更多参与者进入储能温控市场，但我们认为行业“小而精”的特性决定了龙头厂商可以在较长时间内维持较强的竞争优势。因此，我们看好当前的行业龙头英维克能够率先受益下游需求爆发，与此同时同飞股份等在电力领域具有丰富经验的工业制冷厂商亦有望在储能领域取得较快突破。

3、英维克与同飞股份等储能温控产品

英维克：机房温控、机柜温控、轨交空调、新能车空调业务。“统一技术平台基础+专业细分市场延伸”的发展战略

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（英维克储能温控产品）

同飞：国内领先的工业制冷解决方案服务商。产品已广泛应用于数控机床、激光、电力电子、电化学储能、半导体、氢能、工业洗涤等领域。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（同飞储能温控产品）

与温度传感器

1、温度传感器在电网级储能上的应用

“温度传感器在储能应用，主要有家庭及工商业储能、通信储能、电网级箱式储能。我们目前还没介入这块业务。”华工高理告诉温度传感器研究员，“这块业务单体需求量少，无法满足我们规模化的要求。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（特普生箱式储能CCS-螺丝固定方案）“我们特普生温度传感器，用在家庭及工商业储能、通信储能、电网级箱式储能的比较多。”特普生说，“我们2022年推出来储能CCS电池模组温度/电压采集方案，用家庭/工商业储能CCS、通信储能CCS、箱式储能CCS来解决对应不同储能温度采集问题。CCS(Cells Contacting System)，即线束板集成件、采集集成件、总成或线束隔离板。储能CCS，安装在电池包上，形成一套电池模组。

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（特普生家庭/工商业储能CCS-FPC方案）“我们储能CCS，通过铜铝巴，实现电芯串并联，输出电流；采集电芯电压；采集电芯温度。我们有螺丝固定方案、激光焊接方案、超声焊接方案、FPC方案。”

编辑切换为居中

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（特普生通信储能CCS-激光焊接方案）2、温度传感器在电网级储能销售渠道上的应用温度传感器公司的销售团队，要判断自己的产品优势，符不符合电网级储能客户，也要判断有没有团队深耕细作于电网、电网级储能产业，如果有，那就搭建“电网行业温度传感器销售小组”，拓展涉足发电端、输电端、配电端的产品厂家，很多产品用得上温度传感器。也要深耕电网级储能行业，另外，储能温控厂家也是温度传感器的重要目标客户！