2023-2025 新型储能投资机会及储能电站收益分析报告

新型储能投资机会漫谈及独立储能电站收益分析 “碳中和”的储能定位 为实现双碳目标，未来新增电源将以风电、光伏等新能源为主，预计2030年前后，新能源发电装机将达到16-17亿 千瓦，届时将取代煤电成为我国装机规模最大的电源；预计2050年前，新能源装机规模将超过40亿千瓦，发电量占 比接近50%。 9% 2020年 7.6万亿千瓦时 新能源,29% 2030年 11.5万亿千瓦时 新能源,49% 2050年 15.6万亿千瓦时 新能源,59% 2060年 16万亿千瓦时 装机结构 发电量结构 “碳中和”大背景 新能源,26% 2020年 21.6亿千瓦 新能源,48% 2030年 40亿千瓦 新能源,69% 2050年 62亿千瓦 新能源,78% 2060年 69亿千瓦 新能源, 随着新能源比重提高、常规火电机组比重下降，系统整体转动惯量降低，新型电力电子设备应用比例大幅提升，极大地改变了传统电力系统的运行规律和特性，电力系统安全稳定运行挑战日益严峻。 英国大停电：2019年8月9日，天然气发电厂故障后引发电网频率波动，造 成海上风电连锁脱网事故，引发严重频率问题，导致英格兰及威尔士发生了大面积停电。 未来新能源+储能应用场景将更加广泛，包括利用“风光水火储”一体化模式支撑高比例新能源基地外送、建设系统友好型新能源电站、构建分布式供能系统促进分布式新能源就近消纳等，新能源的开发与储能结合将越来越紧密。 系统友好型新能源电站 支撑高比例新能源基地外送 省级电网调度中心 电站智慧联合调控中心 风光储单元 物理储能 ●技术成熟 ●成本最低 ●使用规模最大 物理储能 电化学储能 电磁储能 相变储能 氢储能 抽水蓄能 锂离子电池 超级电容 熔融盐储热 压缩空气储能飞轮储能 碳铅电池液流电池 超导储能 高温相变储热 钠流电池 电化学储能 ●建设周期短 ●调节灵活 ●运行效率高 ●技术路线多元 ●应用范围广 抽水蓄能 ●目前技术最成熟、应用最广泛的能量型储能技术； ●具有规模大、寿命长 、运行费用低等优点； ●建设周期较长，需要适宜的地理资源条件； ●度电使用成本0.1 元左右，度电成本最低 电化学储能 ●具有布置灵活、快速响应、功率和能量密度高等特点； ●锂电池系统循环寿命约8000次，度电使用成本0.5-0.6元。 压缩空气储能 ●属于一种新兴的储能形式，在国内尚无大面积推广； ●西北院负责的鲁能青 海格尔木压缩空气储能项目，含税上网电价为700元/MWh； ●未来总体造价将下降 10～20%，下降空间有限； 储热技术 ●主要有熔融盐储热技术和高温相变储热技术 ； ●熔融盐储热技术的主要优点是规模大； ●高温相变储热技术具有能量密度高、系统体积小、储热和释热温度基本恒定、成本低、寿命长等优点。 氢储能 ●适用于大规模储能和长周期能量调节； ●是实现电、气、交通等多类型能源互联的关键； ●在国内，氢储能技术目前还处于示范应用阶段。 ●非化石能源消费比重：约16% ●我国全社会用电量 ：7.5万亿千瓦时 2020 2025 ●非化石能源消费比重：需达到20%以上 ●我国全社会用电量 ：预计将达到9.5～ ●抽蓄装机：6200万 千瓦 ●新型储能装机： 3000～5000万千瓦 ●抽蓄装机：3179万千瓦 ●新型储能装机：约 340万千瓦 9.8万亿千瓦时 2030 ●非化石能源消费比重：需达到25%以上 ●我国全社会用电量 ：将超过11万亿千瓦 ●抽蓄装机：1.2亿千瓦 ●新型储能装机：1.5 时 储能布局预测 ●“十四五”期间，在西部新能源富集地区，布局电源侧新型储能，重点布局在内蒙古、新疆、青海、甘肃、四川、云南等区域； ●在中东部负荷中心地区，以源网荷储模式布 局一批电网侧和用户侧新型储能，重点布局在京津冀、长三角、粤港澳大湾区等区域； ●在西藏、青海等地区结合分布式新能源将 布局一批新型储能，重点解决独立供电问题。 ●今后，储能将作为独立市场主体参与辅助服务市场，探索建设共享储能。 亿千瓦 抽水蓄能 10 北京 180） ） 河北 山 内蒙 抽水蓄能发展布局目前，在建抽水蓄能电站总规模5500万千瓦，约60%分布在华东和华北。中长期，一方面将服务新能源大规模发展和电力外送需要，加大在“三北”地区抽水蓄能布局；另一方面，结合负荷中心调峰 局一批抽水蓄能项目。 芝瑞蓄能（120江） 荒沟蓄能（120） 阜康能（ 120） 新疆 120） 甘肃 敦化蓄能（140） 吉林 蛟河蓄能（120） 丰宁二期（辽宁清原蓄能（抚宁蓄能（120）180） 天津 易县蓄能（ 西 镇安蓄能（ 140） 120 文登蓄能（ 沂蒙蓄能（ 青 海 山 12潍坊蓄能（ 140） 西藏 四川 南 五岳抽蓄（绩溪抽蓄（99） 金寨抽湖蓄北（120）徽长龙山抽蓄 （衢21江0抽蓄江（30） 平江蓄能（ 贵140） 磐安抽蓄（30） 西 周宁蓄能（ 120） 云南 句容抽蓄（ 15） 3绩溪抽蓄 （49宁海抽蓄缙云抽蓄（90 ） 厦门蓄能（ 永泰蓄能（ 120） 广西 广东 梅州蓄能（ 阳江蓄120） 120） 海南 “十四五”新增投产抽水蓄能布局 单位：万千瓦 南阳天东池蓄能（120 洛宁蓄（ 哈密天山蓄能（ 及系统安全稳定运行需求，中东部重点在河北、山东、浙江、安徽、河南、湖南、湖北、广东和广西等地区布 黑 龙 蓄 古 1540 1140 1080 960 865 580 634 0 0 0 0 0 0 0 180） 0） 120 ） 抽 ） 上海 州 ） （140） 10 0 140） 台 湾 能（ 浙江 江苏 福建 安 河 湖南 陕西 重庆 宁夏 华北东北西北西南华东华中南方 中长期重点实施及储备项目分布 抽水蓄能技术路线推动700米及以上水头和单机容量40万千瓦级抽水蓄能机组实现国产自主化。因地制宜发 展中小型抽水蓄能，开展小微型抽水蓄能技术与分布式发电结合研究。探索推进梯级水电站储能，依托常规水电站增建混合式抽水蓄能，推进示范项目建设并适时推广。 中小型抽水蓄能：一般指水库总库容1亿立方米以下且装机容量30万千瓦以下的抽水蓄能电站 梯级电站储能：采用“常规水电+梯级储能泵站+新能源”三位一体的开发模式，围绕水电站建设能源调节枢纽，提高灵活调节能力。 北京密云小型抽水蓄能电站黄河上游龙羊峡电站梯级电站储能 压缩空气储能 压缩空气储能（CAES） •压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术发展起来的一种能量存储系统。 燃气轮机系统CAES系 统 非补燃式四级先进绝热CAES系统 太阳能补热式CAES系统 德国汉特福商业化压缩空气储能电站 世界第一座压缩空气储能电站，1978年投入商业运行，，目前仍在运行中。机组的压缩机功率60MW，释能输出功率为290MW，系统将压缩空气存储在地下600m的废弃矿洞中，矿洞总容积达31万m3，压缩空气的压力最高可达10MPa。机组可连续充气8h，连续发电2h。冷态启动至满负荷约需6min，在25%负荷时的热耗比满负荷高 211kJ，其排放量仅是同容量燃气轮机机组的1/3，但燃烧废气直接排入大气。该电站在1979-1991年期间共启 动并网5000多次，平均启动可靠性97.6%，平均可用率86.3%，容量系数平均为33.0%～46.9%。 美国阿拉巴马商业化压缩空气储能电站 美国Alabama州的McIntosh压缩空气储能电站，世界第二座压缩空气储能电站，1991年投入商业运行。其储气洞穴在地下450m，总容积为56万m3，压缩空气储气压力为7.5MPa。该储能电站压缩机组功率为50MW，发电功率为110MW，可以实现连续41h空气压缩和26h发电，机组从启动到满负荷约需9min。该机组增加了回热器用以吸收余热，以提高系统效率。该电站由Alabama州电力公司的能源控制中心进行远距离自动控制。1992年储能耗电46745MWh，净发电量39255MWh。 飞轮储能 充电原理：电机工作在电动机状态，外部电能输入，驱动飞轮高速旋转,电能转换为动能储存 DC AC  功率变换器 实现直流和交流的双向转换 变频驱动  电动机 电能动能  飞轮 动能的主要存储载体  轴承系统 起支撑和保护的作用 放电原理：电机工作在发电机状态，利用飞轮高速旋转的惯性带动转子旋转，通过发电机将飞轮存储的动能转换 成电能输出 发电机 DC AC动能电能 功率变换器 实现直流和交流的双向转换 变频驱动 飞轮 动能的主要存储载体 轴承系统 起支撑和保护的作用 飞轮储能公式： ，储能量与飞轮的质量成正比，与角速度（转速）的平方成正比 飞轮储能的主要技术对比 轴承技术：机械轴承VS磁轴承VS磁悬浮轴承 飞轮材料技术：合金材料VS复合材料 应用技术：功率型飞轮VS能量型飞轮 电机转子 永磁材料 飞轮腔体 内部真空环境 飞轮本体 动能的主要存储载体 磁悬浮轴承 五轴主动控制 电机定子 电动机/发电机双模 第三代 第二代 第一代 低速飞轮（3000转/分钟左右），同轴方式运行，体积大，损耗大 机械轴承/磁力卸载机械轴承中速飞轮（10000转/分钟左右）、损耗大，轴承使用寿命短 全磁悬浮高速飞轮（30000转/分钟左右），能量密度高，损耗小，使用寿命长 国家电网公司《规模化风电机组调频性能关键技术研究与应用项目》科技项目 部署地点：国家能源集团山西龙源风力发电有限公司右玉老千山风电场 全国首个完成35KV并网试验的兆瓦级飞轮储能系统 全国首个飞轮+锂电池混合储能示范项目 重力储能 综合储能系统：重力势能储能还可与其他储能系统结合形成一种综合式的储能系 统 根据重力储能的储能介质和落差实现路径的不同，本文将重力储能分为以下四类：新型抽水储能、基于构筑物高度差的重力储能、基于山体落差的重力储能和基于地下竖井的重力储能。 新型抽水储能 新型抽水储能是传统抽水蓄能的变种，虽然同样需要水来形成液位差，通过水泵/水轮机来实现充放电，但是不需要修建上下两个水库，占地面积大大减少。目前研究可分为海水抽水蓄能、海下储能系统和活塞水泵系统。 基于构筑物高度差的重力储能 固体重物可以利用构筑物高度差来进行重力储能 。目前的研究主要有储能塔、支撑架、承重墙等结构。 基于山体落差的重力储能 可以利用山体落差和固体重物的提升来进行重力储能，相比人工构筑物结构更加稳定，承重能力更强。目前的研究主要有ARES轨道机车结构、MGES缆车结构、绞盘机结构、直线电机结构和传送链结构等。 基于地下竖井的重力储能 苏格兰Gravitricity公司提出了一种使用废弃钻 井平台，利用绞盘吊钻机进行储能的机构。 葛洲坝中科储能技术公司2018年提出了利用废弃矿井和缆绳提升重物的方案，解决了废弃矿井长时间不使用的风险和浪费问题，也降低了重力储能系统的建设成本。 多种新型重力势能储能技术对比 液流电池储能 全钒液流电池原理图 厂房布置 受用地限制，结合储能电站的容量。车间采用多层布置:一层布置电解液罐， 二层布置电池电堆， 顶层设备平台布置了预制舱式的PCS 220kV配电装置及主变压器布置在一层厂房内 主要设备的布置 电解液储罐 预制舱式PCS 安全防护 钒液流电池储能电站的设计关注点 防火 •钒液流电站的火灾风险 •变压器火灾 •电线电缆火灾 •DC模块及PCS等功率元件火灾 •电池本身火灾风险极低 防爆 •钒液流电站的爆炸风险 •电池在充电过程中会产生少量氢气。 •措施 •对氢气进行组织排放。 •设置氢气探测器，实时检测氢气浓度异常。 •对储能车间进行爆炸危险区域划分 •对处于爆炸危险区内的设备选择防爆型。 环境影响 钒液流电池储能电站的设计关注点 电解液污染