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机械行业周报:储能温控设备领域投资机会有哪些?

机械设备2022-06-18李哲、赵璐民生证券我***
机械行业周报:储能温控设备领域投资机会有哪些?

本周关注:迈为股份、先导智能、新强联、三一重工、景业智能 本周核心观点:随着疫情缓解,制造业出现明显恢复式生产,其中汽车、新能源领域增长动能强劲。经过前期回调,相关标的估值已具备布局价值,继续看好相关的锂电、光伏设备及工业自动化标的。 热管理是储能安全重要环节,空冷技术仍然占据主导地位。储能系统内部存在电池易热、温度分布不均匀的问题,热管理对于防止系统容量衰减、寿命缩短、热失控至关重要。目前储能系统冷却的方式主要包括空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却。空冷技术具备方案成熟、结构简单、容易维护、成本低等优点,是目前国内储能热管理系统普遍采用强制冷却的方式。但空冷技术通常用于产热率较低的场合,如通信基站、小型地面电站等功率密度较小的区域,对于电容量较大的储能系统,其散热性能无法满足,且进出口的电池组间温差偏大,散热不够均匀。 液冷技术是未来主要发展趋势,当前间接液冷技术最为成熟。液冷系统具有换热系数高、比热容大、冷却效果好的特点,且在不同环境下持续性较好,结构紧凑、占地面积小。按发热元件与液体介质的不同接触方式,液冷又可以分为直接液冷、间接液冷。由于间接液冷不需要发热器件与液体接触,因此对发热期间本身的改造和适配要求较小,目前冷板式液冷的成熟度相对较高。按照管路的连接方式不同,间接液冷又可以进一步分为串联式、并联式冷却。根据跨越电子数据,虽然在液冷条件下,并联流道整体温度低于串联流道,但二者温度仅相差0.4℃,因此从实际与设计角度考虑,串联流道结构规整简单更适合产品设计。目前,各大电池厂已纷纷布局液冷产品,如宁德时代的EnterOne,阳光电源的PowerTitan、PowerStack,比亚迪的BYDCube、科华S³液冷储能系统等。未来随着充放电倍率的提升、中高功率储能产品的普及,液冷技术的渗透率也将逐渐提升。 预计到2025年储能温控市场空间达164.6亿元。综合我们的产业链调研,以及埃泰斯、美国国家可再生能源实验室NREL等数据,储能温控设备的单位投资额约为3000-8000万元/GWh不等,其中液冷技术单位投资额较高。根据GGII统计,2021年我国电力储能系统出货量为29GWh(包括出口海外),同比增长341%,为2020年6.6GWh的4.39倍,其背后增长原因主要得益于2021年海外储能电站装机规模暴涨,以及国内风光强配储能的管理政策。据GGII预计,到2022年我国电力储能系统出货量或接近60GWh,市场空间方面,预计2022-2025年储能温控市场空间分别为46.6、74.8、109.8、164.6亿元,其中液冷市场空间分别为7、18.7、38.4、74.1亿元,到2025年液冷渗透率或达45%。 各行业温控企业相继切入储能赛道。储能温控设备布局的参与企业主要包括三种类型,1)数据中心温控企业,如英维克、申菱环境;2)工业温控企业,如同飞股份、高澜股份;3)汽车温控企业,如松芝股份、奥特佳。从技术上看,集装箱储能温控与集装箱数据中心的温控,在技术上最为相似,而汽车用热管理的相似性则来源于温控对象均为电化学电池,且均需应对户外工况的变化。工业温控企业在液冷和户外应用领域有较为深入的技术积累。 投资建议:目前,不同行业企业相继切入储能温控赛道,抢占初期市场,未来几年将是储能及其温控市场发展的黄金时期。建议关注布局储能温控领域较早的英维克、奥特佳,以及工业温控龙头同飞股份。 风险提示:宏观环境不确定性的风险、相关产业政策变动的风险、技术更新迭代的风险、市场竞争加剧的风险。 1上周组合 上周关注组合:三一重工、天地科技、先导智能、应流股份。截至2022年6月17日,周区间涨跌幅-0.28%,同期机械设备申万指数涨跌幅0.87%,同比跑输设备指数。从2021年11月21日组合开始至今,累计收益率-25.58%,跑输沪深300指数14.43pct,跑输申万机械指数3.86p Ct 。 2储能温控的几种技术路径及市场空间 随着“十四五”期间可再生能源规划的提出,新型储能系统装机量有望迎来黄金发展期,储能温控市场也有望迎来快速增长,同时,储能安全问题也受到更多重视。 根据新产业智库、GGII新能源研究所,2022年6月3日,法国Poggio-di-Nazza镇的光伏储能电站发生火灾,德国当地时间5月8日,在德国卡尔夫区的Althengstett一个用户侧储能系统发生爆炸,财产损失预计超过40万欧元;往前三个月,全球最大的储能电池电站Moss Landing发生自建设以来的第二起爆炸,数十个电池架被熔毁。2021年4月,北京一个储能电站发生起火和爆炸,火灾致使周边商户和顾客紧急撤离,商场停业,最终,事故导致2名消防员牺牲,1名消防员受伤,另有1名电站员工失联。 储能系统具有电池容量大、功率高、散热要求高等特点,系统内部存在电池易热、温度分布不均匀的问题,这些特性决定了储能系统热管理的重要性。此外,对储能系统进行有效的热管理,对于防止系统容量衰减、寿命缩短、热失控至关重要。 锂电池的寿命和性能,一般会受到温度和适度变化的影响。因此,在对储能系统热管理进行探讨前,可以对温湿度对锂电池寿命的影响进行探讨。 2.1温度、湿度对锂电池的影响 2.1.1温度对锂电池的影响 根据《集装箱储能系统热管理系统的现状及发展》,温度对锂电池的影响主要体现在容量、使用寿命、热稳定性等方面。 锂电池容量和使用寿命,会随着温度变化产生较大改变,最主要的原因就是温度会导致电池内的电阻、电压改变。在高温环境下,正极中的金属离子会发生溶解进入电解液,并穿过隔膜在负极沉积,导致负极内阻增加,此外,高温环境也会导致活性材料以及有效锂离子的流失。而在低温环境下,由于电解质的传输性能会显著降低,因此锂电池的容量也会显著降低。例如,磷酸铁锂电池的容量在0摄氏度以下的保持率为60-70%,而在-20摄氏度的环境下,保持率则降低到20-40%。 温度对锂电池稳定性的影响,主要体现在高温导致内部材料发生分解反应。持续高温环境下,锂电池内部的SEI膜(固体电解质界面莫)会首先分解,随后,负极材料与电解液发生反应,隔膜熔融,最后正极材料和电解液发生分解。其中SEI膜的分解温度区间一般在80-120摄氏度。 电池的这些变化会导致锂离子通道发生闭塞,正负极直接接触,从而导致短路,放出大量热。此外,由于材料分解过程中还会产生大量气体和热量,导致电池内部压力迅速增加,发生鼓包、破裂、泄压阀破裂、铝箔熔化等现象。而当热失控现象一旦发生,电池内部温差可达520摄氏度,对安全性是极大的挑战。此外,在长期极端低温环境下,电池负极会析出锂,形成锂枝晶,锂枝晶较多时会刺穿SEI膜,也会导致电池无法工作。 电池模组温度不均匀性会导致整个电池产生木桶短板效应。电池在实际使用过程中,由于复合的变化会导致电流波动起伏,进而引起电池组生热不均匀。在电池组往复多次使用后,组内各单体的老化程度不同,易产生过充和过放的现象,导致电池性能下降,因此,电池组在工作时的性能是由最差的单体电池所决定。而要保证组内各单体的均一性,提高电池组的整体寿命,则要减少个单体间的温度梯度,一般各单体间温差不宜超过5摄氏度。 图1:锂电池工作的温度区间 图2:水分对锂离子电池的影响 2.1.2湿度对锂电池的影响 湿度对电池性能的影响,主要体现在加剧电池内部的反应。锂离子电池内部使复杂的化学体系,这些系统内部反应过程都与水分密切相关,而水分的失控或粗化控制,会导致电池中水分的超标存在,不仅会导致电解质锂盐的分解,也会对正负极材料的成膜和稳定性产生恶劣影响,进而影响容量、内部、等电化学特性。 根据《湿热环境下NCM三元锂离子电池热失控分析》,环境湿度增加,电池达到热失控临界温度的时间会逐渐缩短。在环境适度为100%工况下的临界时间,比50%适度下的临界时间提前7.2%,这表明湿度在一定范围内会加剧电池热失控。因为随着适度增加,电池内部的反应会逐渐加剧,导致电池鼓包或外壳破裂,进而降低电解液的热稳定性。此外,水分过量也会导致电池内的电解液分解出氢氟酸,腐蚀金属零件,进而导致漏液,并破坏SEI膜,使锂离子发生不可逆转的化学反应,降低电池的能量。 2.2储能温控的几种技术路径 以集装箱储能系统为例,冷却的方式主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却几种方式。风冷散热技术是从空调延伸而来,而液冷技术则是从电动汽车借鉴而来。风冷具备方案成熟、结构简单、容易维护、成本低等优点,但通常用于产热率较低的场合,如通信基站、小型地面电站等功率密度较小的区域。液冷系统系统具有换热系数高、比热容大、冷却效果好的特点,且在不同环境下持续性较好,结构紧凑、占地面积小。未来随着充放电倍率的提升、中高功率储能产品的普及,液冷的占比也将逐渐提升。 2.2.1空气冷却 空气冷却是以气体为传热截至的一种热管理技术,简称空冷。空气冷却原理在于,将低温介质送入系统内部,介质流过电池表面,利用热传导和热对流两种方式带走电池产生的热量。 一般,根据是否存在外界设备主动提供能量,可以将热管理系统分为主动式、被动式。对风冷而言,可以分为自然冷却(被动式)、强制冷却(主动式)两种。 1)自然冷却,是指利用自然风压、空气温差、空气密度等,对电池进行散热处理。2)强制冷却,是通过机械手段(风机等)对电池进行冷却降温处理,通常以通风的方式实现冷却。目前国内储能热管理系统普遍采用强制冷却的方式。 虽然两种冷却方式涉及的冷却结构都较为简单、便于安装、制造成本较低,但对于电容量较大的储能系统,其散热性能并不能满足,且进出口的电池组间温差偏大,散热不均匀。 图3:空气冷却结构示意图 图4:液体冷却结构示意图 2.2.2液体冷却 液体冷却是以液体为介质进行从传热的热管理技术,简称液冷。根据北极星电力储能网,防冻液的密度一般为空气的1000倍,比热容是空气的4倍,因此作为热量载体,液冷具备更大载热量、流阻低、换热效率高,因此在环境温度变化大的场合得到广泛应用。 此外,液冷系统由于密度高,而且可以和电池包高度集成,因此体积也相对较小,现场安装方便,无需担心灰尘、水汽凝结等问题。在热失控前兆的情况下,液冷方案可依靠大流量的载冷介质强制电池包散热,并实现电池模块间的热量重新分配,快速抑制热失控持续恶化。 由于液体具有较高的热容量和换热系数,可以将低温液体与高温电池进行热量交换,从而达到降温目的。液体冷却速度快,对降低最高温度、提升电池组温度场一致性的效果显著,同时,热管理系统的体积也相对较小。 此外,液冷系统的形式也较为灵活,可将电池单体或模块沉浸在液体中,也可在电池模块间设置冷却通道,或在电池底部采用冷却板。电池与液体直接接触时,液体一般必须保证绝缘(如矿物油)以避免短路。另外,液冷系统对气密性、机械强度、以及寿命的要求也较高。 根据发热元件与液体介质的不同接触方式,液冷又可以分为直接液冷、间接液冷。 直接液冷,又称为浸没式液冷,即设备直接浸泡在液体中进行冷却,但目前尚未得到大规模使用,其难点在于冷却液的稳定性、系统的密封性、系统内部的压力控制等。浸没式液冷的工质一般包括矿物油、氟化液两类。1)矿物油沸点高、不易挥发、密度要求低,但其粘度较大,设备从冷却池取出后回附着大量工质,处理难度大;2)电子氟化液粘度低、易挥发,设备取出后无工质附着问题,便于插拔线缆、更换板卡等。不过由于电子氟化液沸点低、挥发性强,若设备密封性不足则会导致工质逃逸,冷却效率降低,此外,氟化液价格高昂,定期补液也会增加维护费用,冷却剂泄露也会对环境造成影响。除此之外,使用低沸点工质作为冷却液时,还需要考虑设备内部气压问题,若工质沸腾会导致系统内部压强持续增加,而工质的冷凝环节出现故障,沸腾的气体将不能及时重新野花,导致“爆缸”等事故。 间接液冷,就是常见的冷板或冷头+冷排的设计。元器件产生的热量通过连续流动着液体的冷板带走,流经冷排时热量散逸,温度降低,降温后的流体再返回冷板,继续吸热,循环往复。 由于间接液冷不需要发热器件