利用电池储能系统实现可再生能源

工业与电子实践 利用电池储能系统实现可再生能源 电池储能系统的市场正在快速增长。对于那些想要引领潮流的人来说，这是关键问题。 本文是GabriellaJarbratt，SörenJautelat，MartinLinder，ErikSparre，AlexandrevandeRijt和QuanHanWong 的共同努力，代表了麦肯锡的工业与电子实践和麦肯锡的电池加速器团队的观点。 ©Petmal/盖蒂图片社 2023年8月 随着下一阶段巴黎协定的目标迅速接近，各国政府和 世界各地的组织都在寻求增加可再生能源的采用率。一些使用能源最重的地区有额外的激励措施来追求传统能源的替代品。在欧洲，激励措施源于 来自能源危机。在美国，它来自2022年的《通货膨胀减少法案》 分配3700亿美元用于清洁能源投资的法律。 这些发展推动了电池储能系统（BESS）的市场。电池存储是可再生能源发电的重要推动者，尽管潜在能源具有固有的间歇性特征，但仍可帮助替代能源为世界能源需求做出稳定贡献。BESS提供的灵活性将使其成为诸如调峰、自消耗优化和在停电时的备用电源等应用的组成部分。随着电池价格的下跌，这些应用开始变得更加有利可图。 所有这些都创造了一个重要的机会。2022年，超过50 亿美元投资于BESS， 根据我们的分析-几乎比上一年增长了三倍。我们预计到2030年，全球BESS市场将达到1200亿美元至1500亿美元，是今天的两倍多。但这仍然是一个分散的市场 ，许多提供商想知道在哪里以及如何竞争。现在是时候弄清楚 最好的机会将是在快速加速的BESS市场，并开始为它们做准备。 这里有一些问题和答案，以帮助BESS玩家制定他们的策略。 主要的机会是什么？ Thebestwaytogetasenseoftheopportunities associatedwithBESSistosegmentthemarketbytheapplicationsandsizeofusers.Thereare BESS的三个部分：仪表前（FTM）公用事业规模的安装 ，通常大于10兆瓦时（MWh）；仪表后（BTM）商业和工业安装，通常范围从30千瓦时（kWh）到10兆瓦时；和BTM住宅安装，通常小于30千瓦时（图表1 ）。 附件1 电池储能系统用于整个能源领域。 仪表前面(FTM)仪表后面(BTM) 发电和配电 用例•价格套利 •长期产能付款 •辅助服务市场 •开发可再生能源发电 •投资延期 商业和工业 (C&I)住宅 •可再生集成(屋顶光伏) •不间断电源(UPS) •电力成本优化 •电动汽车(EV)充电基础设施 家庭整合： •可再生集成(屋顶光伏) •电动汽车充电基础设施 来源：麦肯锡储能洞察 麦肯锡公司 我们预计，公用事业规模的BESS已经占了新年度产能的大部分，在本十年的剩余时间内，每年将增长29％左右 ，这是三个细分市场中最快的。预计2030年年度公用事业规模安装量为450至620吉瓦时（GWh），这将使公用事业规模的BESS在当年占总市场的90％（图表2）。 FTM安装的客户主要是公用事业，电网运营商和可再生能源开发商 tobalancethehatterntencyofrenewables,providegridstabilityservices,ordefercoverlyinvestmentstotheirgrid. TheBESSprovidersinthissegment 通常是垂直集成的电池生产商或大型系统集成商。他们将根据成本和规模，可靠性，项目管理跟踪记录和能力 为电网优化和交易开发能源管理系统和软件解决方案。 BESS的部署已经在大规模进行。一家美国能源公司正在 正在研究一个BESS项目，该项目最终可能具有6GWh的容量。另一家在能源内外拥有商业利益的美国公司已经超过了这一水平，2022年的BESS部署达到了6.5GWh。现在，涌入BESS的大部分资金都用于增加能源供应商灵活性的服务-例如，通过固定的频率响应。从长远来看，BESS的增长将更多地来自太阳能公园和风电场的建设，这将需要电池来满足其短期存储需求。 附件2 从现在到2030年，电池储能系统的容量可能是五倍。 年新增电池储能系统(BESS)容量，% Utility 100%in 商业和工业住宅 复合年增长率, GWh=110–140140–180175–230215–290275–370350–470440–580520–700 10 86 4 2023–30 14% 13% 4 2030 4 11 5 13 5 14 6 7 16 85 7 18 83 19 81 76 78 72 74 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 21 29% 市场规模, $billion 44–5550–6560–7565–8575–10090–115105–135120–150 注意：由于四舍五入，数字可能不会总和为100％。来源：麦肯锡储能洞察BESS市场模型 麦肯锡公司 FTMutility-scaleBESS的收入模型很大程度上取决于提供商正在进入的地区的动态。大多数utility-scaleBESS参与者追求收入堆叠的策略，或 从各种来源收集收入。他们可能参与辅助服务、套利和容量拍卖。例如，英国的许多BESS安装目前都围绕着诸如频率控制之类的辅助服务。意大利的BESS参与者赢得了该国以可再生能源为重点的产能拍卖之一，从而取得了突破。德国的机会更多地围绕着避免昂贵的电网升级。 在FTM公用事业部门获得牵引力的BESS参与者已经理解了单独回应国家及其法规与使用单一战略的价值。 商业和工业部门的价值在哪里？ 商业和工业（C＆I）是第二大部门，我们预测其13％ 的复合年增长率将使C＆I在2030年之前达到52至70GWh的年度增量。 C&I有四个子部分。首先是电动汽车充电基础设施（EVCI）。根据麦肯锡未来移动中心的数据，电动汽车将从2025年全球汽车销量的23％跃升至2030年的45 ％。这种增长将需要快速扩展常规充电站和超级充电器 ，给当前的电网基础设施带来压力，并需要昂贵且耗时的升级。 Toavoidthis,chargingstationcompaniesandownermayopttoputaBESSontheirproperties.PartnershipshavealreadyformedbetweenBESSplayersandEVproducerstobuildmoreEVCI,includinginremotelocations. C&I的下一个子部分是电信塔、数据中心和医院等关键基础设施。在这个子部分中，铅酸电池通常在停电期间通过不间断电源提供临时备份，直到电力恢复或柴油发电机打开。除了更换铅酸电池，锂离子BESS产品还可以用于 减少对不环保柴油发电机的依赖，并可以与屋顶太阳能等可再生能源集成。在某些情况下,存储在电池上的多余能量可以允许组织通过电网服务产生收入。一些电信运营商和数据中心所有者已经转向BESS作为他们的不间断电源解决方案，并获得BESS提供的额外好处。 第三部分是公共基础设施、商业建筑和工厂。该细分市场将主要使用储能系统来帮助调峰，与现场可再生能源集成 ，自我消耗优化，备份应用程序以及提供电网服务。我们相信BESS有可能将这些领域的能源成本降低高达80％。在德国，北美和英国等经常采用需求费的地方，BESS的论点尤其强烈。 最终的C＆I子部分包括恶劣的环境-采矿，建筑，石油和天然气勘探的应用以及户外节日等活动。增长的来源将是客户从柴油或燃气发电机转向低排放解决方案，如BESS和混合动力发电机。推动该部分采用的主要因素是即将出台的法规（包括欧盟委员会以可持续性为重点的法规。 BigBuyersinitiativeandOslo’splanfornetzeroonconstructionsitesby2025).manyofthecompaniesthatmaketheswitchwillstartbyconvertingtohybridgensetsolutionsratherthanimmediatelymovingtowardsbess. 什么是BESS住宅消费者游戏？ 住宅安装-到2030年将达到约20GWh-代表了最小的 BESS部分。 但是，考虑到从传统家庭存储到偏远社区创建微电网等领域的创新和差异化机会，住宅是一个有吸引力的细分市场 。从销售角度来看，BESS可以与光伏电池板捆绑在一起 ，也可以集成到智能家居或家用电动汽车充电系统中。量身定制的产品 将帮助住宅客户实现自给自足、优化自我消耗和降低峰值功耗等目标，这可能意味着该行业的利润率更高。我们最近对替代能源购买的消费者调查表明，对BESS产品的兴趣将归结为几个因素，从价格、安全性和安装便利性开始（图表3）。 我们如何看待我们的战略定位？ Inanewmarketlikethis,it’simportanttohaveasense ofthepotentialrevenuesandmarginassociatedwiththedifferentproductsandservices.TheBESSvaluechainstartswith 制造商的存储组件，包括电池和电池组，以及逆变器 ，外壳和系统平衡中的其他基本组件。根据我们的估计 ，这部分链的提供商将获得大约一半的BESS市场利润池 。 然后是系统集成活动，包括能源管理系统和其他软件的总体设计和开发，以使BESS更加灵活和有用。我们希望这些集成商再获得25％至30％的可用利润池。 最后，10%到20%的利润池与销售实体、项目开发组织 、其他客户获取活动和委托相关（图4）。 我们需要了解的电池技术领域发生了什么？ 从技术角度来看，客户关心的主要电池指标是周期 寿命和负担能力。锂离子电池目前占主导地位，因为它们满足客户的需求。镍锰钴阴极曾经是原电池化学，但锂铁 附件3 价格，性能，安全性和良好的保修是购房者在电池储能系统中寻求的首选。 2023BESS1德国客户调查，被认为是最重要的，%的受访者 主要购买因素 价格和性能安全和保修 安装或交付时间的便利性和成 本 供应商品牌或本地工程 服务和维护 软件功能和产品 系统的可持续性足迹系统的空间需求和体积 34 19 14 10 7 6 5 5 1电池储能系统。 资料来源：麦肯锡BESS客户调查，2023年，德国市场（n=300） 麦肯锡公司 附件4 电池储能系统价值链包括制造、系统集成和客户获取。 电池储能系统的价值链崩溃（仅限硬件） 电池组 xx 系统平衡估计利润池 客户获取 调试 电池系统制造50–55%系统集成25–30%10–20% 细胞包 逆变器 集装箱化 系统设计和集成 网格优化项目 软件发展 互连SCADA1/控制器和控 制 电力电子系统设计 EMS2 市场营销和销售 1监控和数据采集。 2能源管理系统。 来源：GTM研究；麦肯锡储能洞察BESS市场模型麦肯锡公司 磷酸盐（LFP）已取代它成为更便宜的选择。（磷酸铁锂客户似乎愿意接受LFP在某些领域不如镍电池强大的事实，例如能量密度。）但是，锂是稀缺的，这为许多其他有趣的产品打开了大门 和有前途的电池技术，特别是基于电池的选择，如钠离子（Na-离子），钠-硫（Na-S），金属-空气和液流电池。 钠离子是一种值得关注的技术。可以肯定的是，钠离子电池在某些重要方面仍然落后于锂离子电池。钠- 离子电池具有较低的循环寿命（2,000-4,000对4,000- 8,000锂）和较低的能量密度（每公斤120-160watt-hours对每公斤170-190watt-hoursLFP）。然而，钠离子有可能成本更低 根据我们的分析，比LFP便宜20％-并且技术不断提高 ，特别是随着制