储能行业深度报告：长时储能，百舸争流，谁主沉浮？-光大证券.pdf

敬请参阅最后一页特别声明 -1- 证券研究报告 2022 年 8 月 26 日 行业研究 长时储能百舸争流，谁主沉浮 储能行业深度报告 电力设备新能源 长时储能，是碳中和时代的必然选择。储能的本质是实现能量在时间和空间上的 移动，让能量更加可控。储能的应用可以让分布式的发电源更加“优质”，让整 个电力系统更加灵活。储能是高比例可再生能源下的必然要求以美国加州为例， 2021 年可再生能源发电高峰时占比超 50，在夏季早晚缺电高峰需要 30以上 的进口电力才能支撑正常用电。在这样的情况之下，长时储能成为了碳中和时代 的必然呼唤。对于长时储能而言，最重要的是为电力系统的灵活性调节提供支撑。 在推进节奏上，整体将会是循序渐进的，可以分为三个阶段阶段 1，主要由传 统机组提供灵活性，抽水蓄能大力建设，新型储能补充灵活性缺口；阶段 2，抽 水蓄能逐步落成，与传统机组一起成为灵活性调节主力；阶段3，存量机组改进 空间殆尽、抽水蓄能地理资源约束呈现，只有依靠新型长时储能技术提供增量灵 活性资源。分地域来看，推进节奏上先欧美，后国内，当前已有很多欧美国家处 于阶段 3，中国处于阶段 1 向阶段 2 过渡的过程中。 长时储能技术形式多样，抽水蓄能、锂离子电池储能发展领先。概况而言，长时 储能技术可分为机械储能、储热和化学储能三大主线，其中机械储能、化学储能 装机规模占比较高。1）抽水蓄能当前最成熟、最经济的大规模储能技术，但 储能设备选址受限、项目开发周期较长；2）压缩空气储能效率提升下，极具 潜力的大规模储能技术；3）锂离子电池储能当前最具代表性、最经济的化学 储能技术，但面临着锂资源掣肘；4）钠离子电池储能比锂电理论成本更低的 储能方式，循环寿命为当前最大劣势；5）液流电池储能容量与功率模块分离， 适合长时储能，但处于产业化降本初期；6）熔盐储热适合大规模储热，但无 法作为独立储能电站使用。 无资源约束的情况下，平准化度电成本（LCOE）是衡量各种技术优劣的最重要 指标。我们针对五种长时储能技术，在当前情况下，计算其全生命周期成本，在 配置时长为 5 小时的情况下，其 LCOE 由低到高分别为抽水蓄能＜压缩空气储能 ＜锂离子储能＜钠离子电池储能＜液流电池储能。影响LCOE 的三大最重要的指 标分别为初始投资成本、转换效率、循环寿命。对其关键指标进行敏感性分析， 1）抽水蓄能当前成本最优的长时储能方式，技术成熟，各项指标不会再发生 明显的变动；2）压缩空气储能若实际储能效率提升到 70，其经济性有望超 过抽水蓄能；3）锂离子电池储能随产业化进程加速和原材料价格回落，锂离 子储能初始投资成本将逐步下降；4）钠离子电池储能当初始投资成本降低到 1.3 元/Wh时，其经济性有望超过现在的锂电储能；5）液流电池储能当初始 投资成本降低到 2 元/Wh时，其经济性有望超过现在的锂离子电池储能。 投资建议长时储能技术在全球范围内空间广阔。从需求端考虑到放量节奏和 需求总量两方面因素，不应局限于国内，应放眼全球。考虑到中国企业会凭借着 技术和成本优势在全球范围内占领份额，优选储能设备制造环节。（1）锂电 当前海外长时储能的主要选择，推荐宁德时代、阳光电源；关注比亚迪、国轩高 科、亿纬锂能、星云股份、盛弘股份、科士达、科陆电子、英维克、青鸟消防、 国安达；（2）压缩空气储能技术进步加快，关注中储国能（未上市）、陕鼓 动力；（3）钠离子电池锂资源约束下的对冲技术，推荐宁德时代，关注华阳 股份、中科海钠（未上市）、钠创新能源（未上市）、鼎胜新材、容百科技、当 升科技。（4）液流电池储能关注大连融科（未上市）、攀钢钒钛、河钢股份、 上海电气、北京普能（未上市）、国网英大。（5）抽水蓄能关注东方电气、 哈尔滨电气、中国电建、浙富控股。（6）熔盐储热关注西子洁能。 风险分析储能技术成本下降不及预期风险；政策支持不及预期风险；新能源装 机不及预期风险。 买入（维持） 作者 分析师殷中枢 执业证书编号S0930518040004 010-58452071 yinzsebscn.com 分析师郝骞 执业证书编号S0930520050001 021-52523827 haoqianebscn.com 分析师黄帅斌 执业证书编号S0930520080005 0755-23915357 huangshuaibinebscn.com 联系人陈无忌 021-52523693 chenwujiebscn.com 联系人和霖 021-52523853 helinebscn.com 行业与沪深 300 指数对比图 - 3 0 - 1 7 - 4 9 23 0 8 /2 1 1 1 /2 1 0 2 /2 2 0 5 /2 2 电力设备新能源 沪深 300 资料来源Wind 要点 敬请参阅最后一页特别声明 -2- 证券研究报告 电力设备新能源 投资聚焦 随着碳中和的逐步推进，电力系统中可再生能源占比的逐步提升，对于长时储能 的需求也日益迫切。当前的储能领域，各类技术呈现出百花齐放的局面。 我们的创新之处 1、我们深入研究了美国加州当前的能源结构现状，给中国及全球其他地区的长 时储能发展提供了参考； 2、我们结合风光发电量的占比情况与电力系统的灵活性调节需求，推演了长时 储能发展的三部曲。阶段1风光发电量 10左右的水平新型长时储能技术 发展的战略窗口期；阶段 2风光发电量 20左右的水平 新型长时储能技术 产业化降本的决战期；阶段 3风光发电量 30左右的水平成本最优的长时 储能技术装机量快速增长期。 3、我们采用全生命周期成本法测算 5 种主要储能技术的度电成本。在机械储能 中以抽水蓄能为参照系、在化学储能中以锂离子储能为参照系，通过敏感性分析 测算出压缩空气储能、液流电池储能、钠离子电池储能在经济性上获得比较优势 的条件。 股价上涨的催化因素 1、 全球风电光伏建设进程超预期，对长时储能的需求大幅提升； 2、 长时储能技术进步、降本速度超预期。 投资观点 长时储能技术在全球范围内空间广阔。 从需求端考虑到放量节奏和需求总量两方面因素，不应局限于国内，应放眼全 球。考虑到中国制造业会凭借着技术和成本优势在全球范围内占领份额，此时应 优选储能设备制造环节。 （1）锂电当前海外长时储能的主要选择，推荐宁德时代、阳光电源；关注比 亚迪、国轩高科、亿纬锂能、星云股份、盛弘股份、科士达、科陆电子、英维克、 青鸟消防、国安达； （2）压缩空气储能技术进步加快，关注中储国能（未上市）、陕鼓动力； （3）钠离子电池锂资源约束下的对冲技术，推荐宁德时代，关注华阳股份、 中科海钠（未上市）、钠创新能源（未上市）、鼎胜新材、容百科技、当升科技。 （4）液流电池储能关注大连融科（未上市）、攀钢钒钛、河钢股份、上海电 气、北京普能（未上市）、国网英大。 （5）抽水蓄能关注东方电气、哈尔滨电气、中国电建、浙富控股。 （6）熔盐储热关注西子洁能。 从供给端考虑技术和成本两个角度，除了成熟的抽水蓄能与较为成熟的锂离子 电池储能之外，其他各类新型长时储能技术中，技术进步相对较快、未来潜在的 成本优势相对更优的为压缩空气储能。 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -3- 证券研究报告 电力设备新能源 目 录 1、 长时储能碳中和时代的必然选择 6 1.1、 储能的本质让能量更可控 . 6 1.2、 储能的应用让分布式更“优质”、让系统更灵活 . 6 1.3、 储能的需求高比例可再生能源下的必然要求 7 1.4、 长时储能碳中和时代的必然呼唤 9 1.5、 长时储能的推进节奏循序渐进、星辰大海 11 2、 长时储能百花齐放，百舸争流 14 2.1、 抽水蓄能当前最成熟、度电成本最低的储能技术 . 15 2.1.1、 原理依靠水的重力势能作为介质储能 15 2.1.2、 优劣势储能技术成熟，但选址受限、开发周期较长 15 2.1.3、 产业链主要涉及投资、承包、设备商 16 2.1.4、 产业化最早实现大规模商业化，装机总规模超36GW . 17 2.2、 压缩空气储能效率提升下，极具前景的大规模储能技术 19 2.2.1、 原理依靠高压气体作为介质储能 . 19 2.2.2、 优劣势已摆脱地理约束，但当前效率相对较低 . 20 2.2.3、 产业链压缩机、膨胀机为核心部件 . 20 2.2.4、 产业化百兆瓦级先进压缩空气储能系统并网调试 21 2.3、 锂离子电池优秀的中短时储能技术同样适用于部分长时场景. 23 2.3.1、 优劣势储能技术较为成熟，但锂资源约束明显 . 23 2.3.2、 产业链发展成熟，电池价值量占比最高 24 2.4、 钠离子电池与锂电类似，但无资源约束的储能方式 . 25 2.4.1、 原理与锂离子电池类似 25 2.4.2、 优劣势更低的理论成本，更低的循环寿命. 25 2.4.3、 产业链上中下游发展初具雏形 . 26 2.4.4、 产业化MWh级钠离子电池储能系统投入运行 . 26 2.5、 液流电池功率与容量解耦的电化学储能方式 27 2.5.1、 原理依靠氧化还原液流电池进行储能 27 2.5.2、 优劣势容量、功率独立设计，规模易扩展，但成本较高 . 28 2.5.3、 产业链隔膜、电解液为影响性能的核心材料 . 28 2.5.4、 产业化百兆瓦级全钒液流电池储能系统整站调试 29 2.6、 熔盐储热光热电站的配储系统 31 2.6.1、 原理依靠熔盐介质储存热能 31 2.6.2、 优劣势热发电场景中的储能介质 . 31 2.6.3、 产业链光热发电市场促储热产业链成熟 32 2.6.4、 产业化百兆瓦级熔盐塔式光热电站并网发电 . 33 3、 经济性是比较长时储能技术的最佳准绳 35 3.1、 计算方法测算各类长时储能技术的LCOE 35 3.2、 核心假设基于当前时点的技术与成本情况 36 3.3、 初始投资成本、储能效率与循环寿命是三大核心因素 . 37 3.3.1、 最便宜的长时储能抽水蓄能、压缩空气、锂离子电池储能 . 37 3.3.2、 压缩空气效率提升至65时，经济性有望超过抽水蓄能 37 3.3.3、 锂离子电池锂价回落后，仍是比较经济的长时储能方案 . 38 3.3.4、 液流电池初始投资成本和储能效率是两大掣肘因素 38 3.3.5、 钠离子电池极致降本后，可作为比较经济的长时储能方案 . 38 4、 投资建议 . 40 5、 风险分析 . 40 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -4- 证券研究报告 电力设备新能源 图目录 图1储能的应用梳理 7 图22020年五省区风电容量可信度 . 7 图3系统可靠容量供给图 . 7 图4波动性可再生能源并网阶段划分（2017年） 8 图5加州夏季单日电力供给曲线（MW） 9 图6风电、光伏发电占比越高，储能时长越长 9 图7加州夏季单日电池储能设备充放电曲线 10 图8长时储能的推进节奏循序渐进、星辰大海 11 图9欧洲各国可再生能源在电力供应中的比例目标 . 12 图10抽水蓄能电站工作原理 . 15 图11抽水蓄能电站开发建设流程 16 图12抽水蓄能产业链与相关公司情况 . 16 图13全国在运抽水蓄能投资企业分布（万KW） . 17 图14全国在建抽水蓄能投资企业分布（万KW） . 17 图15中国抽水蓄能装机规模显著增长 . 17 图16压缩空气储能系统工作原理 19 图17压缩空气储能技术类型 . 19 图18中储国能各项目转换效率 20 图19压缩空气储能产业链梳理 21 图202021年中国各储能技术装机规模占比 . 23 图212021年以来，锂资源价格大幅上涨 24 图22中国锂资源储量仅占全球6 24 图23锂离子电池产业链梳理 . 24 图24钠离子电池工作原理示意图 25 图25钠离子电池的优势 . 25 图26钠离子电池产业链梳理 . 26 图27钠离子电池商业化进展近年来加快 . 26 图28全钒液流电池工作原理 . 27 图29全钒液流电池反应原理 . 27 图30铁铬液流电池工作原理 . 27 图31液流电池输出功率调节方式 28 图32液流电池储能容量调节方式 28 图33液流电池产业链 29 图34全钒液流电池体系成本结构比例 . 29 图35铁铬液流电池商业化进程 30 图36熔盐储热原理示意图 . 31 图37储热技术类型 31 图38塔式光热发电系统示意图 32 图39熔盐储热清洁供热系统示意图. 32 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -5- 证券研究报告 电力设备新能源 图40熔盐储热产业链梳理 . 32 图41首航高科敦煌100MW熔盐塔式光热电站 . 34 图42成本计算方法示意图 . 36 表目录 表1各类发电方式的储能介质 6 表2加州4h以上的锂电池储能项目. 10 表3全球主要储能市场结构拆分 12 表4“十四五”可再生能源发展规划测算 . 13 表5储能技术路线对比 . 14 表6惠州、广州抽水蓄能电站基本情况 . 18 表7德国Huntorf电站成本结构拆分 21 表8国内外压缩空气储能电站对比 22 表9各类长时储能方式提供功率的装置与贮存能量的装置 23 表10国内全钒液流项目建设情况 30 表1150MW德令哈储热7h熔盐电站参数 . 33 表12全生命周期成本计算的核心假设 . 37 表135 种储能形式的全生命周期度电成本（元/kWh） . 37 表14压缩空气储能中，“度电成本”对初始投资成本、储能效率的敏感性分析（元/kWh） 38 表15锂电储能中，“度电成本”对初始投资成本、储能效率的敏感性分析（元/kWh） 38 表16液流电池储能中，“度电成本”对初始投资成本、储能效率的敏感性分析（元/kWh） 38 表17钠电储能中，“度电成本”对初始投资成本、储能效率的敏感性分析（元/kWh） 39 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -6- 证券研究报告 电力设备新能源 1、 长时储能碳中和时代的必然选择 1.1、 储能的本质让能量更可控 储能的核心是实现能量在时间和空间上的移动，本质上是让能量更加可控。我们 把各种发电方式的本质归一化，可以发现火电、核电、生物质发电天然就有相 应的介质进行能量的存储，并且介质适宜进行贮存和运输，即本身就配置了储能 功能。而对于水力发电、风力发电、光热发电、光伏发电而言，发电借助的来源 是瞬时的、不可贮存和转运的。相应地，如果我们想让这些能源更加可控，必须 人为的添加储能装置。可以理解为，储能装置的添加，会使得水力、风力、光伏、 光热成为更理想的发电形式。 表 1各类发电方式的储能介质 发电方式 能量转换方式 储能介质 储能介质在时间和空间中的转移 A→ B→ C 燃煤 化学能 热能 电能 煤炭 贮存、运输煤炭 燃气 化学能 热能 电能 天然气 贮存、运输天然气 核电 原子能 热能 电能 铀 贮存、运输铀 水 机械能 电能 额外配置 风 机械能 电能 额外配置 光热 太阳能 热能 电能 额外配置 光伏 太阳能 电能 额外配置 生物质 生物质能 电能 生物质 贮存、运输生物质 资料来源光大证券研究所整理 1.2、 储能的应用让分布式更“优质”、让系统更灵活 发电侧与电网侧一直承担着让能量更可控的任务，储能将作为一种方式提供灵活 性资源。在抽水蓄能大建设、新型储能兴起之前，电网的灵活性资源更多的需要 火电提供。而目前，在一个优质的电网存在的情况下，系统的灵活性调节资源是 由抽水蓄能、新型储能、火电等共同提供的。此时，建设抽水蓄能和新型储能的 节奏，要评估两个方面（1）从经济性维度上，建设抽水蓄能、建设新型储能 与进行火电灵活性改造何者最优；（2）从需求量维度上，火电灵活性改造存在 存量机组数量约束、抽水蓄能存在地理资源约束，这两大约束会在什么时间点成 为掣肘因素。 储能可以让分布式光伏发电更“优质”，使其有成为家庭用电主力的可能。储能 的应用使得用户侧“自发自用”成为了可能，在一个更多偏向于盈利属性的电网 环境下，储能加持下的分布式光伏发电更加“优质”。此时，分布式光储的推进 核心变成了经济性考量光储发电的成本与从电网买电的价格孰高孰低。 在没有可靠电力保障的情况下，储能是正常生活的刚需。储能装置储存的是能量， 而充足的能源是保障生活正常进行的必要需求。而在户外、偏远地区，在有战争 可能的地区，在电网保障不足的地区，从生存与避险的角度讲，配置储能是最基 本的需求。此处储能推进的核心是正常家庭能否负担得起一套储能设备，或者 一套光储系统。 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -7- 证券研究报告 电力设备新能源 图 1储能的应用梳理 资料来源光大证券研究所整理 1.3、 储能的需求高比例可再生能源下的必然要求 高比例可再生能源对系统的灵活性调节能力提出了更高的需求。长时间来看，新 能源发电可以满足电量平衡需要，但由于出力波动，在短时内无法满足电力平衡 需要。新能源出力具有不确定性、间歇性以及不可控性的特点，为电力系统维持 发电及负荷的实时平衡带来挑战。由于新能源机组出力具有间歇性，同样容量的 新能源机组与常规火电或水电机组带负荷的能力并不相同，因此电力系统充裕度 分析中新能源容量无法与常规机组同等对待。以风电为例，风电可信容量指等可 靠性前提下风电机组可以视为的常规机组容量大小，风电容量可信度为其可信容 量占其装机容量的比例，根据王彤等对南网的可靠性评估结果，南网 2020 年风 电的容量可信度在 0.6718.75之间。而方鑫等人在并网光伏电站置信容 量评估一文中测算，光伏的容量可信度在 5456之间。 图 22020 年五省区风电容量可信度 图 3系统可靠容量供给图 资料来源王彤等，风电并网对南方电网可靠性的影响评估 资料来源刘永奇等，能源转型下我国新能源替代的关键问题分析 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -8- 证券研究报告 电力设备新能源 波动性可再生能源并网会对电力系统产生多种影响。这些影响并非突然出现，而 是随着波动性可再生能源渗透率的提高而逐步增多。具体可根据波动性可再生能 源渗透率的不同分为四个阶段 第 1 阶段已部署第一批波动性可再生能源发电厂，但对系统基本没有影响；只 会造成极少的局部影响，例如在发电厂的并网点。 第 2 阶段随着波动性可再生能源发电厂数量的增加，负荷与净负荷之间的变化 日益明显。改进系统运行方式以更充分地利用现有系统资源，通常足以满足系统 并网要求。 第 3 阶段供需平衡难度更大，需要系统性地提高电力系统灵活性，现有设施和 改进运行方式难以满足这一要求。 第 4 阶段在某些特定时段，波动性可再生能源发电量足以提供系统大部分电力 需求，电力系统在系统受到扰动后迅速响应的方式发生变化。可能涉及到规则调 整，使波动性可再生能源发电也要提供频率响应服务，如一次调频和二次调频。 图 4波动性可再生能源并网阶段划分（2017 年） 资料来源IEA，中国电力系统转型 目前美国加州可再生能源发电高峰时占比超 50，正处于第 4 阶段。根据 CAISO 数据，绘制2021 年加州夏季单日电力供给调配曲线。分析发现，可再生能源能 够满足 8-17 点左右的日间供电需求，而在 19点以后的时间，可再生能源发电 量骤降，此时电网中的灵活性调节资源发力，天然气大力发电，但是仍有巨量的 用电缺口需要通过从其他州进口电力补足。对于美国加州而言，需要从其他州进 口电力来补足的用电缺口，就是其对于储能的需求空间。 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -9- 证券研究报告 电力设备新能源 图 5加州夏季单日电力供给曲线（MW） 资料来源CAISO，光大证券研究所整理 1.4、 长时储能碳中和时代的必然呼唤 长时储能（long-duration energy storage，一般指 4 小时以上的储能技术。长 时储能系统是可实现跨天、跨月，乃至跨季节充放电循环的储能系统，以满足电 力系统的长期稳定。可再生能源发电渗透率越高，所需储能时长越长。可再生能 源发电具有间歇性的特点，主要发电时段和高峰用电时段错位，存在供需落差。 随渗透率上升，平衡电力系统的负荷要求增加。相较于短时储能，长时储能系统 可更好地实现电力平移，将可再生能源发电系统的电力转移到电力需求高峰时 段，起到平衡电力系统、规模化储存电力的作用。 图 6风电、光伏发电占比越高，储能时长越长 资料来源Paul Albertus 等，Long-Duration Electricity Storage Applications, Economics, and Technologies 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -10- 证券研究报告 电力设备新能源 储能设备削峰填谷功能凸显，以 4h为代表的长时储能设备具有发展必要性。根 据 CAISO 数据，绘制 2021 年加州夏季单日电池储能设备的充放电曲线。由图 可见，储能设备在白天以高功率储存电能，在晚间用电高峰高功率放电，高峰放 电持续时间超 4h。根据 Strategen 的Long Duration Energy Storage for Californias Clean, Reliable Grid研究报告，未来到 2045 年，太阳能将成为 加州最主要的可再生能源，占比达 75。为平衡太阳能发电，需要在白天存储 8 到 12 个小时的电能，晚间存储调度量也将增加，最多时需连续放电 12 小时， 长时储能发展不可或缺。 图 7加州夏季单日电池储能设备充放电曲线 资料来源CAISO，光大证券研究所整理；以兆瓦为单位，以五分钟计算增量；单位MW 美国加州由于较高的可再生能源发电比例，是最早大量部署持续放电时间 4 小 时储能系统的地区之一。从2019 年开始，加州地区就已经开始陆续部署 4 小时 的储能系统。根据 Strategen 预测，加州到 2030 年将部署 2-11GW 的长时储能 设备，到 2045 年将实现 45-55GW 的长时储能配置。 表 2加州 4h 以上的锂电池储能项目 项目 地点 储能功率/容量 时间 RES Renewable Energy Systems America 圣地亚哥 30MW/120MWh 2019.12 AMS Advanced Microgrid Solutions 圣胡安卡皮斯特拉诺 4MW/16MWh 2019.12 RES Renewable Energy Systems America 圣地亚哥 30MW/120MWh 2019.12 Fluence Siemens-AES joint venture 佛布鲁克 40MW/160MWh 2021.03 Powin Energy 埃斯孔迪多 6.5MW/26MWh 2021.06 Terra-gen 圣地亚哥 140MW/560MWh 2021.12 Enel Green Power 波威 3MW/12MWh 2021.12 资料来源Energy Storage，光大证券研究所整理 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -11- 证券研究报告 电力设备新能源 1.5、 长时储能的推进节奏循序渐进、星辰大海 对于长时储能而言，最重要的是为电力系统的灵活性调节提供支撑。概括而言， 电力系统中，灵活性资源的需求方主要是风力、光伏发电设施；电力系统的灵活 性主要来自于两个方面，一方面是原有发电机组的灵活发电，另一方面就是储能 设施的配置。我们在分析推进节奏时，将灵活性提供方简化为三部分存量机组； 成熟的储能方式抽水蓄能；新型储能技术。通过这种方式，可大致勾勒出随 着风光发电量占比的逐步提升，储能的推进节奏。具体可分为三个阶段 阶段1风光发电量 10左右的水平（对应中国 2021 年前后所处的阶段）新 型长时储能技术发展的战略窗口期 在此阶段，存量的发电机组（煤电、气电）可以进行改造，提供更多的灵活性资 源支持；传统的储能方式抽水蓄能由于建设周期较长（6-8 年），需尽快规划上 马；新型储能项目成本仍然过高，但是如果仍存在灵活性缺口，需要新型储能项 目尽快补上。 阶段2风光发电量 20左右的水平（对应中国约 2025 年前后所处的阶段） 新型长时储能技术产业化降本的决战期 在此阶段，存量的发电机组改造基本完成，无法提供更多的增量灵活性；抽水蓄 能项目逐渐落成，与存量机组一同成为灵活性调节主力；而此时，对于新型储能 的需求量也进一步提升。 阶段3风光发电量 30左右的水平（对应中国约 2030 年的阶段，对应美国加 州约2020 年所处的阶段）成本最优的长时储能技术装机量快速增长期 在此阶段，存量机组无改进空间且逐步淘汰；抽水蓄能受限于地理资源约束无法 继续上量；只能依靠新型长时储能技术提供增量的灵活性资源。 图 8长时储能的推进节奏循序渐进、星辰大海 资料来源光大证券研究所绘制 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -12- 证券研究报告 电力设备新能源 分地域来看节奏上先欧美，后国内 以美国加州、德国、澳大利亚南部为代表的欧美地区，当前风光发电量占比已经 很高，对于长时储能的需求也愈发迫切。考虑到当前各类新型储能的经济性，他 们更多的选择配置锂电储能系统。以宁德时代、阳光电源为代表的中国锂电储能 行业，正在全球范围内开疆拓土，占领份额。 图 9欧洲各国可再生能源在电力供应中的比例目标 资料来源Wood Mackenzie，派能科技招股说明书（2020 年 12 月） 表 3全球主要储能市场结构拆分 区域 2021A 2022E 2022 年增速 相关假设依据 中国 5 15 200 假设 100GW 的新增风电、光伏装机按照 10的功率配置 1.5 小时的储能 美国 10 28 180 S另一方面是锂资源的空间 分布不均匀，锂矿主要分布在澳洲、南美地区，根据美国地质勘探局 2021 年报 告，我国锂资源储量仅占全球 6，且开采成本较高，现在的电池生产用锂对外 依存度过高。同时，锂资源约束还带来锂资源在动力电池和储能电池间分配的问 题。 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -24- 证券研究报告 电力设备新能源 锂资源的供需紧张也使得 2021 年以来，锂资源大幅涨价，锂电池成本持续上升。 根据 wind数据，与 2021 年 1 月 1 日价格相比，最高点2022 年 3 月 22 日碳酸 锂价格上涨 849，氢氧化锂价格上涨 883。 图 212021 年以来，锂资源价格大幅上涨 图 22中国锂资源储量仅占全球 6 0 100 , 0 00 200 , 0 00 300 , 0 00 400 , 0 00 500 , 0 00 60 0 , 0 00 202 0-01 202 0-07 202 1-01 202 1-07 202 2-01 202 2-07 价格 碳酸锂 99 . 5 电 国产 价格 氢氧化锂 56. 5 国产 玻利维亚 24 阿根廷 22 智利 11澳大利亚 8 中国 6 刚果（金） 4 加拿大 3 其他 22 玻利维亚 阿根廷 智利 澳大利亚 中国 刚果（金） 加拿大 其他 资料来源wind；单位元/吨，截至 20220825 资料来源美国地质勘探局（2021 年 2 月报告），光大证券研究所整理 2.3.2、产业链发展成熟，电池价值量占比最高 锂离子电池储能产业链相对来说已经比较成熟。在整个系统中，电池成本占比最 高。当前受限于上游锂资源价格居高不下，当前的整个锂离子电池储能系统成本 与 2021 年初相比不降反升。 图 23锂离子电池产业链梳理 资料来源引自光大证券报告碳中和下的新兴赛道，万亿市场冉冉开启碳中和深度报告（三）（2021 年 3 月） 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -25- 证券研究报告 电力设备新能源 2.4、 钠离子电池与锂电类似，但无资源约束的储能方 式 2.4.1、原理与锂离子电池类似 钠离子电池与锂离子电池的工作原理类似，为嵌脱式电池。充电时，Na从正极 脱嵌，进入负极；放电时，Na从负极回到正极，外电路电子从负极进入正极， 将 Na还原为 Na。 图 24钠离子电池工作原理示意图 资料来源中科海钠官网 2.4.2、优劣势更低的理论成本，更低的循环寿命 优势与锂资源相比，钠资源储量非常丰富，所以在大规模应用的场景下，钠离 子电池没有明显的资源约束。而且，钠离子电池的正极材料、集流体材料的理论 成本比锂电更低，在完成产业化降本之后，其初始投资成本有望较锂电更低。 劣势在电池性能上，由原理所决定的，钠离子电池的循环寿命和储能效率低于 锂离子电池。钠离子电池循环寿命提升速度较快，2018 年商业化初期钠离子电 池循环寿命在 2000 次左右，2020 年底胡勇胜研究团队研究出了循环寿命达到 4500 次的钠离子电池。但是当前主流的锂离子电池储能，循环寿命更高，2021 年，宁德时代研制出循环寿命超过 12000 次的锂离子电池。 图 25钠离子电池的优势 资料来源储能科学与技术（钠离子电池从基础研究到工程化探索，容晓晖等） 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -26- 证券研究报告 电力设备新能源 2.4.3、产业链上中下游发展初具雏形 钠离子电池作为一种新的电池技术路线，产业链包括上游资源企业、中游的电池 材料及电芯企业。钠离子电池与锂离子电池最大的区别在于正极材料。目前钠离 子电池正极材料主要有钠过渡金属氧化物（如 NaMnO2）、钠过渡金属磷酸盐 （如 Na3V2PO43、钠过渡金属硫酸盐（如 Na2Fe2SO43、钠过渡金属普鲁 士蓝类化合物（如 Na2FeFeCN6等几大类。层状金属氧化物是当前比较主流 的正极材料。除正负极材料外，钠离子电池的电解液、隔膜、外形封装和相关制 备工艺与锂电池相似，可利用现有锂离子电池产业链，加速产业化发展。 图 26钠离子电池产业链梳理 资料来源光大证券研究所整理 2.4.4、产业化MWh 级钠离子电池储能系统投入运行 钠离子电池商业化进展近年来加快。2021 年 7 月，宁德时代发布钠离子电池产 品，行业龙头正式进入到钠离子电池领域。此外，中科海钠也在近年来先后推出 钠离子电池电动自行车、电动汽车和储能电站的示范项目。2021 年 6 月 28 日， 由中科海钠和中科院物理所联合打造的，全球首套 1MWh 钠离子电池光储充智 能微网系统在山西太原综改区正式投入运行。 图 27钠离子电池商业化进展近年来加快 20 世纪 70 年代 2011 2015 2016 2017 2018 2019 2021 最早出现关于 钠离子电池的 研究 首辆钠离子电池 电动汽车示范 我国首家钠离子 电池公司中科海 纳成立 钠离子软包示范 首座 1 0 0 kW h 钠离子 电池储能电站示范 全球首家专注钠离子 电池工程化的英国 F ARADION 公司率先 成立 中科海纳宣布 完成亿元级 A 轮融资 钠离子电动 自行车示范 小批量试制钠 离子软包 / 圆柱 电池 宁德 时代召开钠离子 电池发布会 首座 1 MW h 级 别钠离子储能 电站示范 资料来源中科海钠官网、基于氧变价的高容量钠离子电池正极材料研究（容晓晖），光大证券研究所整理 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -27- 证券研究报告 电力设备新能源 2.5、 液流电池功率与容量解耦的电化学储能方式 2.5.1、原理依靠氧化还原液流电池进行储能 液流电池是一种大规模高效电化学储能装置。区别于其他电池储能装置，液流电 池将反应活性物质储存于电解质溶液中，可实现电化学反应与能量储存场所的分 离，使得电池功率与储能容量设计相对独立，适合大规模蓄电储能需求。目前典 型液流电池体系包括全钒液流电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池、多硫化钠/ 溴电池等。 全钒液流电池 全钒液流电池（Vanadium Redox Battery，VRB），是一种活性物质呈循环流 动液态的氧化还原电池。通过两个不同化合价的、被隔膜隔开的钒离子之间交换 电子来实现电能与化学能的相互转化。钒电池充电后，正极为 V5，负极为 V2； 放电后，正负极分别为 V4和 V3溶液。正极和负极之间由隔膜隔开，该隔膜只 允许 H通过,，H也就起到了电池内部导电的作用。 图 28全钒液流电池工作原理 图 29全钒液流电池反应原理 资料来源张华民，液流电池技术 资料来源张华民，液流电池技术 铁铬液流电池 铁铬液流电池（Iron-chromium flow battery），是最早被提出的液流电池体系。 铁铬电池充电后，正极为 Fe3，负极为 Cr2；放电后，正极为 Fe2，负极为 Cr3。盐酸作为支持电解质，水为溶剂。 图 30铁铬液流电池工作原理 资料来源房茂霖等，铁铬液流电池技术的研究进展 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -28- 证券研究报告 电力设备新能源 2.5.2、优劣势容量、功率独立设计，规模易扩展，但成本较高 优势1在长时储能中，液流电池最大的优势为输出功率和储能容量可分开设计。 通过增加单片电池的数量和电极面积，即可增加液流电池的功率，目前中国商业 化示范运行的钒电池的功率已达 5MW。通过增加电解液的体积或提高电解液的 浓度，即可任意增加液流电池的电量，可达百兆瓦时以上。 优势2循环寿命长。由于液流电池的正、负极活性物质只分别存在于正、负极 电解液中，充放电时无其它电池常有的物相变化，可深度放电而不损伤电池，电 池使用寿命长。 图 31液流电池输出功率调节方式 图 32液流电池储能容量调节方式 资料来源张华民，液流电池技术 资料来源张华民，液流电池技术 劣势成本问题是当前液流电池最大的劣势。全钒液流电池当前的产业化进程较 快，但是面临着钒资源约束的问题；铁铬液流电池没有明显的资源约束问题，但 是当前产业化推进相对较慢。 2.5.3、产业链隔膜、电解液为影响性能的核心材料 液流电池主要由电解液、隔膜、电极材料、泵、功率转换系统等部分组成。 电解液是液流电池的核心材料，是整个化学体系中存储能量的介质。在全钒液流 电池中，电解液成本占据了储能电池成本的一半以上。 隔膜是影响液流电池性能和成本的又一核心材料。它起着阻隔正极和负极电解液 互混，隔绝电子以及传递质子形成电池内电路的作用。因此隔膜应该具备高的氢 离子导电能力和高的离子选择性，尽量避免正负极电解液中不同价态的钒离子互 混，以减少由此造成的电池容量损失。隔膜还应该具有优良的化学及电化学稳定 性、耐腐蚀性、抗氧化性，满足电池长时间运行的要求。而且需要成本低廉，提 高产品的市场竞争力，利于大规模商业化推广。 良好的化学稳定性，高的比表面积和电催化活性是电极的关键。 泵在钒电池中起到输送电解液的作用，需要具有较强的稳定性。 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -29- 证券研究报告 电力设备新能源 图 33液流电池产业链 资料来源光大证券研究所绘制 全钒液流电池 根据Y.K. Zeng的A comparative study of all-vanadium and iron-chromium re