北交所行业主题报告：铅炭电池储能研究，通信基站及家庭储能安全先行

2023开年以来储能行业政策出台超70条，铅炭电池重回主流选择之一 2023年以来国家及地方储能政策发布进入高峰，其中1月份共有50余项发布或征求意见，2月共发布26项储能产业相关政策。2020年国内储能装机量9.2%为电化学储能，其中铅蓄电池为第二大分支，占到10.2%。近期铅炭电池重回储能主流技术选择，招标中标消息频现，如国家电投浙江分公司江苏长强钢铁25.2MW/243.3MWh铅碳电池储能电站项目、中国铁塔甘孜州分公司2022年铅碳电池采购项目询价等。 锂电池热失控易爆燃特性使用场景受限，铅炭电池更适应高安全性考量场景铅酸电池具有高性价比、回收率及安全性高、市场规模大等优势，但存在比能量密度低、循环寿命短等问题。铅炭电池在负极中加入炭材料，减少铅用量的同时延长电池寿命，使电池性能得到综合提升。锂电池由于使用有机物质作为电解液溶剂，当面对热滥用等情况时会发生不可逆的热失控行为，存在较大的火灾危险性。在储能电站、变电站等运营场景中，单节锂电池的热失控燃烧会导致整个电池模组的热失控，甚至整个电池系统的火灾、爆炸事故。《防止电力生产事故的二十五项重点要求》明确中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池；锂离子电池设备间不得设置在人员密集场所，不得设置在有人居住或活动的建筑物内部或其地下空间，锂电池在储能方面受到较大限制。铅酸/铅炭电池主要使用稀硫酸水溶液作为电解液，不会发生热失控、自燃爆炸情况。因此在锂电池使用受限制的特殊环境备电、储能项目方面铅炭电池适用性更强且带来的安全隐患更少。 5G基站储能联动虚拟电厂降本增收，铅炭电池适应住宅储能安全性考量提升国内目前5G基站建设提速，5G基站属于高耗电单位，利用储能装置可以减少高峰负荷需求，同时节省电费、最大限度实现峰谷电价套利。2022年12月深圳虚拟电厂管理中心与中国铁塔、中国电信等单位签订建设合作协议，将合力推动全市5G基站储能系统到2023年接入该中心，为保障能源电力系统安全提供快速、灵活的调节能力。目前欧美家庭用储能系统常见的安装方式为锂电池模组挂墙或锂电池储能柜放置于屋内等。铅炭电池不会发生热失控自燃、爆炸等安全性优势在木质结构家庭储能应用场景中得到展现。同时欧美独栋住宅空间较大，地下室、车库等大面积空间富裕，使用铅炭电池替代锂电池作为储能电池时对于体积较大、重量较大等问题并不敏感。 国内技术发展历史超10年，昆工科技研发大容量铅炭电池成为后起之秀 北交所内目前从事铅炭电池生产的企业为昆工科技，同行企业主要为天能股份、南都电源、圣阳股份、超威动力等。其中南都电源从2010年就已经开始研究铅炭电池项目，圣阳股份于2014年与日本古河电池合作并参与制定《电力储能用铅炭电池》标准。昆工科技通过冶金电极板技术迁移开发，研制出大容量铅炭电池，目前已开始着手较大规模产能建设。 风险提示：技术迭代风险、行业政策变动风险、宏观经济波动风险。 1、储能行业政策支持力度增强，铅炭电池已成为重要参与者 1.1、政策层面：储能支持力度不断增强，年内已公布70余项相关政策 2023年以来，国家及地方储能政策发布进入高峰，其中1月份从国家到地方共有50余项发布或征求意见，涉及新能源配储、辅助服务市场、电力市场、补贴政策等方面；2月全国共发布26项储能产业相关政策。其中，国家政策4项，地方政策22项。国家及地方层面对于储能行业的政策支持力度在不断增强。 表1：储能支持政策进入快速发布期 1.2、铅炭电池已成为电化学储能重要参与者，近期招中标信息频现 到2020年，我国已投运储能项目累计装机规模为35.6GW，占全球市场总规模的18.6%，同比增长9.8%。 图1：我国储能装机规模稳步提升（GW） 从储能方式来看，抽水储能为目前国内累计装机规模最大的蓄能方式，占比达到了89.3%;其次是电化学储能，装机规模占比为9.2%。熔融盐储热装机规模占比为1.5%;压缩空气储能和飞轮储能装机规模占比都小于0.1%。电化学储能中，锂电池仍为主导储能形式，占总量88.8%，铅蓄电池为第二大分支，占到10.2%。 图2：2020年国内电化学储能装机量占9.2% 图3：2020年国内铅蓄电池仅占到电化学储能10.2% 随着铅炭电池技术在近年日趋成熟，国内储能市场各类型的项目招投标中，铅炭电池已经成为重要参与者之一。 2022年8月9日，中国铁塔股份有限公司甘孜州分公司发布2022年铅碳电池采购项目询价公告。公告显示，该项目为铅碳电池采购，预估含税金额48.29万元。采购内容为100AH阀控式密封碳蓄蓄电池180只，不含税单价限价为929.2元/12V.Ah，200AH阀控式密封碳蓄蓄电池140只，不含税单价限价为1858.41元/12V.Ah。 2022年9月28日，国核电力规划设计研究院有限公司发布国家电投集团浙江分公司江苏长强钢铁25.2MW/243.3MWh铅碳电池储能电站项目EPC总承包招标公告。 项目地点为江苏省靖江市江苏长强钢铁有限公司厂区内南侧空地，建设规模为25.2MW/243.3MWh铅碳电池储能电站。中标候选人为长兴太湖能谷科技有限公司，投标报价为2.27亿元，投标单价为0.93元/Wh。备选中标人为湖州吉泰电力设备有限公司。 2023年3月3日，国家电投集团云南国际电力投资有限公司发布国家电投煤山用户侧共享储能项目Ⅰ期工程EPC总承包公开招标，项目地点为浙江省湖州市长兴县煤山镇，建设规模为5.04MW/48.66MWh铅碳电池储能电站，预计项目竣工日期为2023年6月15日。 2022年12月13日，天能股份发布公告，2023-2025三年太湖能谷在其所实施的储能项目(含公司下属生产基地)中采用天能股份的铅炭电池电芯总量合计不低于30GWh的战略合作意向并签署了《储能项目战略采购合作协议》。太湖能谷是一家新能源技术研发商，着力于开发和推广大规模电网储能技术，设计并实施各种规模的储能应用方案，优化储能系统的安装及运行效率。目前已经研发出移动储能电站。 2、安全先行，铅炭电池更适应高价值设备及人群密集储能 2.1、电池技术：承袭铅酸电池成熟技术，负极掺炭提升寿命和能量密度 铅酸电池包含正极板组、负极板组、隔板、电解液、容器等结构组成。正极板活性物质为二氧化铅，负极板主要活性物质为铅。放电过程中正负极板上会形成细小松软的硫酸铅晶体，充电过程中硫酸铅歧化为铅与二氧化铅。 图4：放电过程中正负极板上会形成硫酸铅晶体 铅酸电池因其性价比、回收率及安全性高、市场规模大等优势，广泛应用于电动车、汽车及能源存储等领域，其在能源市场占比超过其他电化学电池的总和。但铅酸电池仍然存在比能量密度低、循环寿命短等问题。 铅炭电池是一种电容型铅酸电池，是从传统的铅酸电池演进出来的技术，它是在铅酸电池的负极中加入了活性碳，能够显著提高铅酸电池的寿命。相比于传统的铅酸电池，在“平行机理”效应下，实现了铅离子到铅的转换，从而使电化学反应循环往复，但难溶的硫酸铅会阻断反应的进行，致使反应中止。碳材料在负极中所起的作用主要是建立导电网格、形成双电容层、抑制难溶硫酸铅晶体的形成、增加活性作用位点等，在减少铅用量的同时延长电池寿命，使电池性能得到综合提升。 图5：铅离子在碳表面还原速率远大于在铅表面，大颗粒硫酸铅晶体被延缓形成 根据负极板碳材料的混合方式不同，可将铅碳电池分为外并式铅碳电池、内并式铅碳电池、内混式铅碳电池等。 图6：根据碳材料混合方式可分为三类铅炭电池 铅炭电池将铅酸电池和超级电容器两者合一：既发挥了超级电容瞬间大容量充电的优点，也发挥了铅酸电池的比能量优势，且拥有较好的充放电性能。而且由于加了石墨烯，阻止了负极硫酸盐化现象，改善了过去电池失效的一个因素，更延长了电池寿命。 表2：铅炭电池相较于传统铅酸电池性能升级明显 铅炭电池材料技术是储能电池领域的主流技术，因其成本低、安全性高等突出优势，大容量铅炭储能电池可广泛用于太阳能、风能、风光互补等各种新能源储能系统，智能电网、微电网系统、无市电、恶劣电网地区的供电储能系统，电力调频及负荷跟踪系统、电力削峰填谷系统以及生活小区储能充电系统等，是主流储能电池之一。 2.2、安全性：铅炭更适应高价值设备及人群密集场所储能需求 在新型储能中，电化学储能以效率高、响应快、建设周期短、技术适应性强等优势，近年来发展迅猛，逐渐成为储能电站的主流。而在电化学储能中，锂离子电池虽然凭借能量密度高，技术成熟的优势占接近90%的比重，但也由于事故多发，用户对电池安全性的考量进一步提升。 锂电池由于使用有机物质作为电解液溶剂，当不正确使用时(热滥用、电滥用和机械滥用)，磷酸铁锂等类型的锂电池会发生不可逆的热失控行为，存在较大的火灾危险性。在储能电站、变电站等实际运营场景中，往往将成百上千节的电池单体经过串并联后形成电池模组或者电池簇后集中使用。在该种情况下，一旦其中某节电池发生火灾，其释放的强热、燃烧等行为会造成周围电池温度上升，导致整个电池模组的热失控，甚至造成整个电池系统的火灾、爆炸事故。 图7：228 Ah的磷酸铁锂电池，100%SOC状态下热失控产生三次射流火 在模拟燃烧实验中，锂电池的燃烧过程包括受热鼓胀、初次射流火、稳定燃烧、多次射流火、火焰熄灭等过程。不同SOC（电池中剩余的电荷余量，100%为满电）状态下，锂电池会产生2-3次射流火，100%状态下热失控温度仅为167℃，而燃烧峰值温度将达到573℃。 表3：SOC达到100%时热失控温度下降至167℃，燃烧峰值温度上升至573℃ 同时在机房、汽车等类型的受限空间内，锂电池的热失控自燃会产生大量可燃性气体及有毒气体，可燃性气体主要包括烷烃类气体和一氧化碳，有毒性气体主要包括一氧化碳、氰化氢、二氧化氮、氯化氢等。大量可燃性气体产生并聚集，容易在短时间内形成爆炸性混合气体，使爆炸成为大概率事件。大量急性中毒类气体产生并聚集，会对现场无防护人员造成速杀性致命伤害。 图8：模拟汽车锂电池燃烧实验中，车厢内有毒性气体短时间内即超过致死浓度数倍 2022年6月，国家能源局公布《防止电力生产事故的二十五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）》。要求中针对火灾事故共提出12条细则，其中针对锂电池、铅炭电池、储能站相关的细则包括： “电化学储能电站站址不应贴邻或设置在生产、储存、经营易燃易爆危险品的场所，不应设置在具有粉尘、腐蚀性气体的场所，不应设置在重要电力设施保护区内。” “中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池，不宜选用梯次利用动力电池；选用梯次利用动力电池时，应进行一致性筛选并结合溯源数据进行安全评估。” “锂离子电池设备间不得设置在人员密集场所，不得设置在有人居住或活动的建筑物内部或其地下空间。锂离子电池设备间应单层布置，宜采用预制舱式。站房式锂离子电池设备间，单个防火分区电池容量不宜超过6MW·h；超过6MW·h时，室内应设置固定自动灭火系统，系统的灭火效果和技术参数应符合本文件2.12.6的规定。” “锂离子电池设备间内应设置可燃气体探测装置，当 H2 或CO浓度大于50×10－6（体积比）时，应联动断开舱级和簇级断路器，联动启动通风系统和报警装置。 铅酸/铅炭、液流电池室内应设置可燃气体探测装置，联动启动通风系统和报警装置。” 相较锂电池而言，铅酸/铅炭电池由于自身结构及反应机理，主要使用稀硫酸水溶液作为电解液，不会发生热失控、自燃爆炸情况。因此在锂电池使用受限制的特殊环境如人群密集场所或高价值设备机房，其备电、储能项目方面铅炭电池凭借其较高的安全性，适用性更强且带来的安全隐患更少。 2.3、经济性：成本优势+地区性峰谷电高价差推动铅炭电池储能站推广 目前储能站盈利模式的其中一类是采取峰谷电价套利模式，即储能站在谷时充电，峰时放电，以此补平电网负荷曲线的同时获取峰谷电价差值的收益。 参考2023年各省电网企业代理购电价格来看，江苏、上海、浙江、福建、广东等省为代表性较强的省份，选取谷时和高峰时段电价进行比较，上海和