Отчет об исследовании отрасли накопления энергии: развитие накопления энергии переживает бум
1. Коннектор для хранения энергии является незаменимым элементом для развития новой энергетики.
1.1 Доля новых источников энергии в мировой генерации электроэнергии увеличивается
В мире активно развивается новая энергетика, и доля выработки электроэнергии на новых источниках энергии увеличивается.
Новая энергетика вносит основной вклад в рост мировой генерации электроэнергии. В 2020 году общий объём мировой генерации электроэнергии превысит 25 000 ТВт·ч, при этом основным источником энергии по-прежнему останется ископаемое топливо (тепловая энергия), на долю которого будет приходиться более 70% производства электроэнергии. При этом общая доля новой энергетики значительно увеличится и составит более 25% в 2020 году.
С точки зрения прироста, в 2011 году доля мировой новой энергетики в установленной мощности электростанций превысила долю традиционной энергетики и достигла 83% в 2020 году. Ожидается, что она продолжит доминировать на рынке новой установленной мощности и в будущем.
1.2 Новая энергетика повысила требования к гибкости сети
Выработка новой энергии нестабильна и не совпадает с пиком потребления электроэнергии.
Выработка электроэнергии новыми источниками энергии не совпадает с пиком потребления и нестабильна. Во-первых, с точки зрения моделей потребления электроэнергии, пик приходится на 10:00 и 20:00 соответственно. Однако ветро- и фотоэлектрические электростанции вырабатывают больше электроэнергии рано утром и в полдень соответственно, и существует большая разница между распределением выработки по времени и нагрузкой. Во-вторых, сезонные и погодные условия также могут вызывать колебания и нестабильность выработки электроэнергии новыми источниками энергии, поэтому необходимы другие меры для повышения стабильности энергосистемы.
Дальнейшее развитие новых источников энергии требует повышения гибкости энергосистемы. Когда нестабильные факторы производства электроэнергии приводят к превышению спроса над предложением системы, это приводит к отказу от новых источников энергии и, как следствие, к расточительству ресурсов; когда нестабильные факторы производства электроэнергии приводят к снижению предложения системы над спросом, это приводит к снижению нагрузки и дефициту электроэнергии. Поэтому, когда выработка новой энергии не соответствует нагрузке, необходимы гибкие регуляторные ресурсы в качестве средства регулирования, чтобы улучшить способность энергосистемы регулировать её как в сторону повышения, так и понижения, обеспечивая тем самым динамический баланс между спросом и предложением. В 2020 году установленная мощность традиционных источников гибкого регулирования (таких как газ) в моей стране составляла всего 4,46%, а в регионах, богатых новыми источниками энергии, зачастую отсутствуют традиционные источники гибкого регулирования. В будущем, с ростом доли новых источников энергии, проблема нестабильной генерации новой энергии будет становиться всё более острой, и недостаточная регулирующая способность энергосистемы должна быть решена в срочном порядке. Спрос на гибкие регулирующие ресурсы в моей стране будет и дальше расти. (Источник: Report Research Institute)
1.3 разъем для хранения аккумуляторных батарей становится четвертым обязательным элементом новой системы питания
*** активно руководит разработкой разъема для хранения данных
Накопление энергии стало четвертым неотъемлемым элементом новой энергосистемы. 25 февраля 2021 года Национальная комиссия по развитию и реформам и Национальное энергетическое управление опубликовали «Руководящие положения по содействию интеграции источников энергии, сетей, нагрузок и накопителей и развитию многоэнергетической взаимодополняемости», в которых разъясняется путь внедрения интеграции источников, сетей, нагрузок и накопителей, а также рассматривается создание новой энергосистемы с высокой степенью интеграции источников, сетей, нагрузок и накопителей путем оптимизации и интеграции местных ресурсов электроснабжения, сетей и нагрузок, подкрепленной передовыми технологическими достижениями и инновационными институциональными механизмами.
2. Электрохимическое хранение энергии выделяется среди множества решений.
2.1 Электрохимическое хранение энергии будет выделяться
Технологии накопления энергии в основном делятся на механическое накопление энергии, электромагнитное накопление энергии, электрохимическое накопление энергии и другие виды накопления энергии.
В настоящее время технологии накопления энергии в основном делятся на механическое накопление энергии, электромагнитное накопление энергии, электрохимическое накопление энергии и другие виды накопления энергии. Среди них гидроаккумулирующее механическое накопление энергии является наиболее широко используемой технологией на рынке накопления энергии благодаря своей наиболее зрелой технологии, но гидроаккумулирующее механическое накопление энергии сильно зависит от географических условий. Электрохимическое накопление энергии является самой популярной технологией накопления энергии на рынке, которая в основном делится на четыре типа аккумуляторных батарей: литиевые батареи, свинцово-кислотные батареи, проточные батареи и натрий-серные батареи. Среди них технология литий-ионных батарей является относительно зрелой и вступила в стадию крупномасштабного массового производства. Это самая быстрорастущая и крупнейшая технология электрохимического накопления энергии.
2.2 Три основных сценария применения электрохимического хранения энергии
① Сторона генерации электроэнергии
Накопление энергии составляет наибольшую долю в сфере генерации электроэнергии, и его основные функции включают сглаживание выходной мощности, регулирование частоты/напряжения, а также сглаживание пиков и заполнение провалов. Среди них, сглаживание пиков и заполнение провалов является важнейшей функцией накопления энергии в сфере генерации электроэнергии, то есть поглощение отработанной энергии ветра и солнца в период пика выработки новой энергии; разрядка при её недостатке для сглаживания выходной мощности и повышения коэффициента использования новой энергии.
②Сторона сетки
Функции накопителей энергии со стороны сети в основном представляют собой вспомогательные энергетические услуги, включая регулирование пиковой нагрузки, регулирование частоты, регулирование реактивной мощности, режим ожидания энергосистемы и пуск из обесточенного состояния. Регулирование пиковой нагрузки и регулирование частоты являются основными вспомогательными средствами. Регулирование пиковой нагрузки означает, что система накопления энергии заряжается от сети в период «долины» с низкой нагрузкой; в период «пика» с высокой нагрузкой система накопления энергии разряжается в сеть для сглаживания распределения потребляемой мощности; регулирование частоты означает, что система регулирования каждого рабочего блока в сети изменяет мощность блока в соответствии с его собственными статическими характеристиками при изменении нагрузки и частоты сети, или путем увеличения или уменьшения нагрузки некоторых блоков для восстановления частоты сети, чтобы адаптироваться к изменениям внешней нагрузки.
③Пользовательская сторона
Основные функции накопителей энергии со стороны пользователя включают «сглаживание пиковых нагрузок и заполнение спадов», новое энергопотребление и управление мощностью. Среди них «сглаживание пиковых нагрузок и заполнение спадов» – важнейшая бизнес-модель для пользователя, которая может использоваться для арбитража и накопления энергии. Для промышленных и коммерческих потребителей накопители энергии обычно используются для зарядки в период низких цен на электроэнергию и разрядки в период высоких цен, чтобы снизить стоимость киловатт-часа. Для таких пользователей, как базовые станции 5G и центры обработки данных, отключения электроэнергии приведут к огромным потерям, поэтому накопители энергии играют скорее резервную роль. (Источник отчёта: Report Research Institute)
2.3 Инновации в области моделей и снижение затрат повышают экономическую эффективность электрохимического хранения энергии.
Модель совместного хранения энергии повышает экономическую эффективность и становится новым стимулом для накопления энергии.
С точки зрения бизнес-модели, если станции накопления энергии предоставляют услуги только одной новой электростанции, то коэффициент использования будет низким; объекты накопления энергии, обслуживающие одну новую электростанцию, часто имеют разрозненные ресурсы, сложное управление и высокие эксплуатационные расходы; при хранении энергии на разрозненных станциях сложно добиться единой диспетчеризации и расчетов, и они не могут участвовать в различных вспомогательных сетевых услугах, а бизнес-модель сложно коммерциализировать.
Совместное хранение энергии расширяет возможности получения дохода от накопления энергии, что, как ожидается, решит вышеуказанные проблемы и откроет новые возможности для накопления энергии в сфере генерации. Совместное хранение энергии подразумевает строительство электростанции с общим хранением энергии на новой станции сбора энергии. Электростанция с накоплением энергии заключает соглашение об урегулировании платы за электроэнергию с новыми электростанциями и энергоснабжающими компаниями в регионе или за его пределами. В случае, если новая электростанция сталкивается с ограничениями по мощности, диспетчерское агентство (сетевая организация) будет хранить отработанную энергию ветра и фотоэлектрических установок в системе общего хранения энергии и выдавать ее, когда нагрузка достигает пикового потребления или когда есть возможность ее принять. Реализовано единое диспетчерское управление и управление электростанциями с накоплением энергии.
III. Наступает эра электрохимического хранения энергии.
3.1 Быстрый рост мирового рынка электрохимических накопителей энергии
В 2021 году мировые мощности новых накопителей энергии достигнут 10,2 ГВт, что на 117% больше, чем годом ранее.
В 2021 году совокупная установленная мощность введенных в эксплуатацию по всему миру проектов накопления энергии составила 209,4 ГВт, увеличившись на 9% по сравнению с предыдущим годом. Из них совокупная установленная мощность новых систем накопления энергии составила 12,2%, что на 25,4 ГВт больше, чем в предыдущем году, что на 67,7% больше, а на литий-ионные аккумуляторы приходится более 90% доли рынка новых систем накопления энергии.
3.2 Развитие электрохимических накопителей энергии в Китае ускоряется
В 2021 году Китай добавил 2,4 ГВт/4,9 ГВт·ч новых мощностей по хранению энергии.
По расчётам CNESA, в 2021 году общая установленная мощность введенных в эксплуатацию проектов накопления энергии в Китае составила 46,1 ГВт, что составляет 22% мирового рынка, увеличившись на 30% по сравнению с предыдущим годом. При этом в 2021 году объём новых систем накопления энергии увеличился на 2,4 ГВт/4,9 ГВт⋅ч, а совокупная установленная мощность достигла 5,73 ГВт, увеличившись на 75% по сравнению с предыдущим годом. 89,7% рынка новых систем накопления энергии заняли литий-ионные аккумуляторы.
Судя по ситуации с планированием и строительством новых проектов по хранению энергии, в 2021 году новое хранение энергии в Китае будет двигаться в сторону крупномасштабного развития: в 2021 году запланировано, строится и будет введено в эксплуатацию в общей сложности 865 проектов общей мощностью 26,3 ГВт. Среди них новые проекты хранения энергии, введенные в эксплуатацию, в основном являются малыми и средними проектами мощностью 10-50 МВт, что составляет 46%; запланированные/строящиеся проекты хранения энергии в основном являются крупными проектами мощностью 50 МВт и выше, что составляет 85%, из которых более 70 проектов мощностью 100 МВт запланированы и находятся в стадии строительства. Большинство проектов мощностью 100 МВт представляют собой независимые/совместные накопители энергии и имеют основу и условия для того, чтобы сеть играла системную роль с точки зрения объема.
IV. Расчет емкости электрохимического накопителя энергии
4.1 Китай: накопление энергии ветра и солнца вносит основной дополнительный вклад в производство электроэнергии
Накопление энергии ветра и солнца доминирует в росте производства электроэнергии.
В 2019–2021 годах установленная мощность новых фотоэлектрических установок в Китае составила 30,22, 48,75 и 52,57 ГВт соответственно. Согласно прогнозу CAPI, в рамках трёх сценариев (консервативный, оптимистичный и нейтральный) установленная мощность новых фотоэлектрических установок в Китае в 2022–2026 годах составит 75, 80, 85, 90, 95 ГВт, 90, 95, 100, 110, 116 ГВт, 83, 88, 93, 100, 106 ГВт соответственно, при пятилетнем совокупном темпе роста 13%, 17% и 15% соответственно.
С 2019 по 2021 год новая установленная мощность ветроэнергетики Китая составит 24,88, 72,50 и 46,83 ГВт соответственно. 2020 год станет первым годом субсидирования наземной ветроэнергетики, что приведет к ажиотажу по установке наземных электростанций. После 2020 года темпы роста установленной мощности ветроэнергетики вернутся к стабильному уровню. Согласно прогнозу GWEC, новая установленная мощность наземной ветроэнергетики Китая составит 46,28, 50,18, 49,68, 50,15 и 52,81 ГВт в 2022-2026 годах, что составит 46%, 49%, 47%, 42% и 41% от мировой новой установленной мощности ветроэнергетики, с пятилетним совокупным темпом роста 12%; Ожидается, что установленная мощность морской ветроэнергетики Китая увеличится на 39 ГВт в 2022–2026 годах, что составит 43% от мировой.
4.2 Китай: возможности хранения энергии в электросети относительно ограничены
В 2022–2026 годах сетевые накопители энергии увеличатся примерно на 18 ГВт·ч.
Основное предположение 1: Сетевая сторона играет роль только в регулировании пиковых нагрузок; спрос на регулирование частоты со стороны сетевой стороны обычно составляет 3–5 %, спрос на регулирование частоты тепловой энергии — около 2 %, а ветровая и солнечная энергия более нестабильны, предполагая ежегодный рост на 0,4 %.
Основное предположение 2: Согласно статистике CNECA, установленная мощность накопителей энергии на стороне сети в 2021 году составляет 2,01 ГВт, а уровень проникновения электрохимического регулирования частоты и пикового регулирования составляет 2,12% и 0,04% соответственно; предполагается, что уровень проникновения регулирования частоты накопителей энергии будет увеличиваться на 1% каждый год с 2022 по 2024 год. Уровень проникновения пикового регулирования составляет 0,01%; уровень проникновения регулирования частоты накопителей энергии в 2025–2026 годах составляет 2%, а уровень проникновения пикового регулирования — 0,02%.
Основное предположение 3: Плотность тока электрохимической регулировки частоты большая (2С), емкость маленькая, а время короткое; плотность тока электрохимической пиковой регулировки мала (1С), емкость большая, а время зарядки и разрядки длительное; предполагается, что время электрохимической регулировки частоты и пиковой регулировки составляет 1 ч и 2 ч соответственно.
Заключение: По нашим оценкам, совокупная мощность накопления энергии в сети в 2022–2026 гг. составит 4,33, 6,28, 8,74, 13,53 и 19,58 ГВт·ч соответственно, а прирост нового накопления энергии в сети в 2022–2026 гг. составит около 18 ГВт·ч.
4.3 Китай: спрос на хранение энергии со стороны пользователей будет продолжать расти
С 2022 по 2026 год прирост новых мощностей по хранению энергии на стороне потребителя составит около 13 ГВт·ч.
Основное предположение 1: В докладе New Energy Blue Book 2021 прогнозируется, что общее потребление электроэнергии в 2025 году составит 9,5 триллиона кВт·ч, при условии, что темпы роста потребления электроэнергии будут снижаться из года в год с 5% до 3% в период с 2022 по 2026 год.
Основное предположение 2: Предполагается, что в период с 2022 по 2026 год доминирующую роль в конфигурации накопителей энергии по-прежнему будут играть промышленность и торговля, а доля промышленного и коммерческого потребления электроэнергии в общем объеме потребления электроэнергии обществом останется на уровне 86%.
Основное предположение 3: Уровень проникновения электрохимических накопителей энергии = совокупная установленная мощность накопителей энергии со стороны потребления/промышленная и коммерческая мощность. Согласно статистике CNECA, установленная мощность накопителей энергии со стороны пользователей в 2021 году составляет 1,37 ГВт, поэтому можно рассчитать, что уровень проникновения электрохимических накопителей энергии в 2021 году составит 0,08%. Предполагается, что темпы роста уровня проникновения электрохимических накопителей энергии будут увеличиваться на 0,01% ежегодно с 2022 по 2026 год.
Основное предположение 4: Предположим, что время зарядки и разрядки каждого комплекта накопителей энергии составит 2 часа с 2022 по 2024 год.
Заключение: По нашим оценкам, совокупная мощность накопления энергии в сети в 2022–2026 гг. составит 4,25, 6,17, 8,55, 11,44 и 14,89 ГВт·ч соответственно, а прирост нового накопления энергии в сети в 2022–2026 гг. составит около 13 ГВт·ч.
5. Выделение ключевых звеньев неэлементарного электрохимического хранения энергии
5.1 Состав электрохимической системы накопления энергии
Электрохимическая система хранения энергии включает в себя множество звеньев
Начальная стадия отрасли накопления энергии – это, главным образом, производство аккумуляторов, включая положительные и отрицательные электроды, электролиты, диафрагмы и т. д.; средняя стадия – это интегратор системы накопления энергии, включая проектирование всей системы накопления энергии и выбор нескольких подсистем, таких как аккумуляторные батареи, системы управления батареями, системы управления энергопотреблением, преобразователи энергии для накопления энергии и т. д.; после того, как производитель EPC-пакетов изготовит их, они используются для генерации электроэнергии, создания сети и потребления электроэнергии. (Источник отчёта: Report Research Institute)
В сфере хранения энергии задействовано множество компаний, среди которых основными поставщиками технологий хранения энергии являются CATL, China National Energy Storage и EVE Power, поставщиками систем управления хранением энергии, представленными SENENG Electric, Kehua Digital Energy и Soying Electric, а также интеграторами систем хранения энергии, представленными Haibosichuang, Electric Times и Kehua Digital Energy.
5.2 Система контроля температуры электрохимического накопителя энергии
Литиевые батареи предъявляют строгие требования к рабочей температуре, и система контроля температуры играет важную роль.
Диапазон рабочих температур от 15°C до 35°C — оптимальный для достижения аккумулятором максимальной производительности. Этот температурный диапазон также является наиболее эффективным, надёжным и безопасным для работы аккумулятора. Превышение стандартного диапазона приведёт к снижению ёмкости аккумулятора, замедлению химических реакций и увеличению стоимости жизненного цикла.
В связи с температурными требованиями к работе литиевых аккумуляторов, система контроля температуры крайне важна для их эффективной работы. В настоящее время основными решениями для контроля температуры являются интегрированное кондиционирование воздуха с верхней вытяжкой и точная подача воздуха по воздуховодам, раздельное решение с раздельной изоляцией горячего и холодного воздуха, верхнее кондиционирование воздуха с точной подачей воздуха по воздуховодам, интегрированное решение с нижней вытяжкой, система контроля температуры с воздушным охлаждением и т. д.
5.3 Электрохимическая система пожаротушения с накоплением энергии
Поскольку существует жесткий спрос на шкафы для хранения энергии, система пожаротушения играет роль в раннем предупреждении и предотвращении стихийных бедствий.
По неполным данным, с 2011 по 2021 год на электростанциях с накопителями энергии по всему миру произошло 50 пожаров и взрывов. Основными причинами аварий стали дефекты в системе управления аккумуляторными батареями и тепловой разгон литиевых аккумуляторов. Таким образом, система пожаротушения играет важную роль в раннем предупреждении и предотвращении катастроф, поскольку требования к шкафам для накопления энергии являются строгими.
Система пожаротушения состоит из пожарных извещателей, пожарных контроллеров, звуковых и световых оповещателей, контроллеров связи, звуковых и световых оповещателей, ручных выключателей и устройств пожаротушения. Система способна своевременно обнаруживать опасность возгорания и подавать сигналы раннего оповещения и тревоги в период пожароопасности и на начальной стадии развития пожара. При достижении заданных условий определения пожара автоматически активируется устройство пожаротушения для тушения пожара на начальной стадии, обеспечивая тем самым безопасность энергоаккумулирующих емкостей.
Стоимость системы пожаротушения составляет около 2–4 % от общей стоимости, около 40 000–160 000/МВт·ч.
