2022年壓縮空氣儲能行業(yè)研究 產(chǎn)業(yè)化推動快速降本增效

2022年壓縮空氣儲能行業(yè)研究產(chǎn)業(yè)化推動快速降本增效1.儲能：構建新能源系統(tǒng)的核心要素廣義儲能包括電儲能、熱儲能和氫儲能三類，抽水蓄能以外的儲能統(tǒng)稱為新型儲能。電儲能可分為電化學儲能和機械儲能兩種技術類型。其中電化學儲能主要包括鋰離子電池、鉛蓄電池和鈉硫電池等；機械儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等。我國當前儲能以抽水蓄能為主，新型儲能正迎來快速發(fā)展。根據(jù)CNESA統(tǒng)計，截至2021年底，中國已投運電力儲能項目累計裝機規(guī)模46.1GW，同比增長30%。其中，抽水蓄能的累計裝機規(guī)模最大，為39.8GW，同比增長25%，新型儲能累計裝機規(guī)模達到5729.7MW，同比增長75%。新型儲能是構建新能源系統(tǒng)的核心要素，十四五期間將增長10倍至30GW。建設周期短、選址簡單靈活、調(diào)節(jié)能力強，與新能源開發(fā)消納的匹配性更好，優(yōu)勢逐漸凸顯。新型儲能可在電力運行中發(fā)揮頂峰、調(diào)峰、調(diào)頻、爬坡、黑啟動等多種作用，是構建新型電力系統(tǒng)的核心要素。儲能可在電源側、電網(wǎng)側及用戶側多個場景中應用儲能商業(yè)應用場景可分為電源側儲能、電網(wǎng)側儲能及用戶側儲能。其中新能源電站配置儲能以減少棄電、參與調(diào)峰；電網(wǎng)側主要參與調(diào)峰調(diào)頻；用戶側主要用于“谷充峰放”的價差。具體而言：電源側：主要模式包括可再生能源并網(wǎng)、電力調(diào)峰、系統(tǒng)調(diào)頻、輔助動態(tài)運行。電網(wǎng)側：可再生能源并網(wǎng)、緩解電網(wǎng)阻塞、延緩輸配電設備擴容升級。用戶側：電力自發(fā)自用、峰谷價差套利、容量費用管理、提升供電可靠性。大規(guī)模儲能成為新能源消納的剛需雙碳目標下，大規(guī)模新能源并網(wǎng)帶來電網(wǎng)運行風險，大規(guī)模儲能成為剛需。2020年12月，我國在聯(lián)合國2020氣候雄心峰會提出2030年可再生能源裝機達到12億千瓦。但由于可再生能源固有的間歇性和不確定性，導致并網(wǎng)消納困難，電力系統(tǒng)迫切需要先進的大規(guī)模儲能技術來解決可再生能源接入問題，以提高常規(guī)電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)的效率、安全性及經(jīng)濟性。政策要求超過保障性并網(wǎng)的規(guī)模按照功率15%的掛鉤比例配建調(diào)峰能力。根據(jù)2021年7月國家能源局及發(fā)改委聯(lián)合發(fā)布的《關于鼓勵可再生能源發(fā)電企業(yè)自建或購買調(diào)峰能力增加并網(wǎng)規(guī)模的通知》，超過電網(wǎng)企業(yè)保障性并網(wǎng)以外的規(guī)模初期按照功率15%的掛鉤比例（時長4小時以上）配建調(diào)峰能力，按照20%以上掛鉤比例進行配建的優(yōu)先并網(wǎng)。多地政策要求新能源配儲比例10%-15%以上，成為電源側儲能的最大助推力。據(jù)統(tǒng)計，2021年至今山東、浙江、湖南、廣西、內(nèi)蒙、陜西等多個省市發(fā)布文件，明確新能源發(fā)電項目儲能配置要求，普遍省份（地市）儲能配置比例在10%~20%，備電時長在1h~4h。2.壓縮空氣儲能：領先的大容量、長時儲能系統(tǒng)壓縮空氣儲能是一種先進的大規(guī)模、長時儲能系統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)（

Compressed-AirEnergyStorage）是一種能夠實現(xiàn)大容量、長時間電能儲蓄的電力儲能系統(tǒng)。通過壓縮空氣存儲多余的電能，在需要時，將高壓氣體釋放到膨脹機做功發(fā)電，其技術原理發(fā)展自燃氣輪機。傳統(tǒng)補燃式壓儲需要使用化石燃料作為熱源，效率較低。其結構簡單，穩(wěn)定性佳，投資成本低，具備與燃氣電站類似的快速響應特性，但依靠燃燒化石燃料提供熱源，引致污染，同時不留存壓縮熱，因此能量密度與效率較低，碳排放大，不適用于大規(guī)模儲能。非補燃式系統(tǒng)不使用化石燃料作為熱源，更加低碳高效。它通過儲熱裝置等技術手段滿足膨脹過程中的加熱需求，以實現(xiàn)高效可靠的電力存儲與再生。根據(jù)熱能來源及應用方式的不同，非補燃式又可劃分為絕熱式、等溫式、液態(tài)空氣和超臨界等技術路線。非補燃式系統(tǒng)不用化石燃料為熱源，更加低碳環(huán)保高效中溫絕熱壓縮空氣儲能技術可行性最高，成行業(yè)主流。絕熱壓縮空氣儲能在壓縮過程中通過提升壓縮機單級壓縮比獲得較高溫度的壓縮空氣和較高品位的壓縮熱能，并將壓力勢能和壓縮熱能解耦儲存。釋能時，利用儲熱裝置將壓縮熱反饋給高壓空氣，實現(xiàn)空氣壓力勢能和壓縮熱能的耦合釋能，提高系統(tǒng)的整體效率。中溫適當降低了壓縮機排氣溫度（<400℃），可基于當前成熟的關鍵設備技術和工藝水平開展設計和制造，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控性較強，易于實現(xiàn)工程化應用。高溫效率高，但難度極大。壓儲性能介于抽蓄及鋰電之間，尤其適合發(fā)電側大規(guī)模儲能壓縮空氣儲能是一種介于抽蓄及鋰電之間的大規(guī)模長時儲能。相比電化學儲能，壓儲成本更低，安全性更高，容量更大，但爬坡及響應略慢，效率偏低。壓縮空氣儲能與當前應用最廣的抽水蓄能在各方面性能最為接近，同時也是目前能夠實現(xiàn)100MW+功率等級應用的主要技術。相比抽水蓄能5-6年的建設周期及地域條件的限制，壓縮空氣儲能建設周期短（2年）、不明顯受地域限制，但成本略高，效率略低。壓儲經(jīng)濟性：逼近抽水蓄能，未來產(chǎn)業(yè)化有望進一步降本儲能電站收益和其放電電量直接相關，基于全生命周期度電成本分析結果如下：磷酸鐵鋰電池儲能的成本較高。在抽水蓄能和壓縮空氣儲能的全生命周期度電成本中，充電成本占比很大，而電化學儲能則是設備成本占比較大。當考慮充電成本時，儲能技術充放電效率對全生命周期度電成本有較大影響。壓儲度電成本逼近抽水蓄能，若利用“棄風棄光”電量充電，成本優(yōu)勢更加明顯。其選址受地質(zhì)限制較小，裝機容量可大可小，布置靈活，既可以布置在發(fā)電側，也可以布置在電網(wǎng)側、用戶側，當利用“棄風棄光”電量充電時（充電電價可按0計算，則儲能度電成本與充放電效率無關），其度電成本優(yōu)勢明顯，具有大規(guī)模應用前景。3.產(chǎn)業(yè)化推動快速降本增效產(chǎn)業(yè)化推進+政策東風，壓儲迎來爆發(fā)，預計2025年開工超10GW建設顯著提速：自2022年2個標桿項目投產(chǎn)以來，壓儲項目從年初投運的182MW擴展至目前在建及規(guī)劃裝機容量的6115MW。電源側配儲空間：2030年累計配儲需求可達301GW。按照2030年風電光伏裝機2311GW、15%配儲比例計算，電源側配儲需求達347GW。扣除截止2021年底，我國已投運的46GW儲能裝機規(guī)模，預計我國新增配儲空間約為301GW。壓儲市場空間：參照抽蓄規(guī)模，壓儲有望形成對抽蓄的補充及部分替代。根據(jù)前文預測，電源側配儲2030年累計配儲需求可達301GW。中國電建2022年預測，十四五抽蓄目標開工270GW。結合當前壓儲在建及籌建項目規(guī)模（6.1GW），我們預計壓儲項目將在2022-23年項目鋪開，2024-25大規(guī)模開工，考慮后續(xù)儲能需求，2025年起有望每年新開工超過10GW。產(chǎn)業(yè)化推進：壓縮空氣儲能技術效率逐漸提升傳統(tǒng)國外采用補燃式，系統(tǒng)效率約45-55%。目前唯二實現(xiàn)商業(yè)化運行的大型壓縮空氣儲能電站是德國Huntorf和美國AlabamaMcIntosh電站，輸出功率均達到百兆瓦級。作為傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)，其儲氣裝置為地下洞穴或廢棄礦洞，發(fā)電過程中均需使用燃料，能量轉化率相對較低，在45-55%左右。壓縮空氣儲能系統(tǒng)轉換效率逐漸提升，普遍達到60%-70%。效率是影響壓縮空氣儲能系統(tǒng)發(fā)展的至關要素，目前國內(nèi)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的效率逐漸達到國際領先水平。2016年貴州畢節(jié)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的效率為60.2%；2022年江蘇金壇壓縮空氣儲能電站的效率為61.4%；2022年張家口壓縮空氣儲能系統(tǒng)的設計效率為70.4%。產(chǎn)業(yè)化推進：規(guī)模放大+國產(chǎn)設備成熟，投資成本有望降低首臺套商業(yè)化陸續(xù)驗證，未來規(guī)模放大及設備成熟助推成本下降。今年以來，金壇60MW及張家口100MW投運，大規(guī)模壓儲項目得到商業(yè)化驗證。伴隨裝機規(guī)模逐步由100MW發(fā)展到300MW，壓縮空氣儲能技術正由示范應用階段，轉向商業(yè)化發(fā)展階段。伴隨項目擴張，國產(chǎn)設備成熟及放量生產(chǎn)，壓儲投資成本有望進一步下降。我們預計產(chǎn)業(yè)化后，300MW項目投資成本有望從當前的單位千瓦8400元降低至5000元左右，逼近抽水蓄能投資水平。產(chǎn)業(yè)化推進：儲氣庫資源豐富，充分保障壓儲大規(guī)模發(fā)展壓縮空氣儲能儲氣庫可分為鹽穴、改造礦洞、人造硐室、人造儲氣罐/管道等。根據(jù)《壓縮空氣儲能技術與發(fā)展》，鹽穴儲氣庫機組容量較大，單位投資較低；廢舊礦洞和新建洞穴也可用作大型電站建設，單位投資稍高于鹽穴；而低溫儲罐和高壓氣罐一般用于中小型電站，且多處于試驗階段，投資較高。1)鹽穴儲庫多基于已開采完成的老腔，主要成本在于初期改造和后期維護，相對建設投資成本較小。但鹽巖儲氣庫存在選點局限性、鹽穴失效（鹽穴蠕變、鹽巖夾層變形破壞）、輸氣管道較長導致氣壓損失大等問題。2）新建硬巖儲氣庫布置限制最少，單價最高，運行問題相對較少。3）礦洞改造儲氣庫工程造價適中，但不同礦洞的地質(zhì)條件相差較大，工程投資不確定性可能較大。對于煤礦而言，地下瓦斯等有毒氣體和煤巖損傷等可能影響電站運營。4.政策東風有望加速行業(yè)爆發(fā)容量電價體現(xiàn)抽水蓄能電站提供調(diào)頻、調(diào)壓、系統(tǒng)備用和黑啟動等輔助服務的價值，抽水蓄能電站通過容量電價回收抽發(fā)運行成本外的其他成本并獲得合理收益。2021年4月發(fā)改委發(fā)布《進一步完善抽水蓄能價格形成機制的意見》，明確了未來抽水蓄能電站的計價方式將以兩部制電價為主，并積極推動兩部制電價的市場化。抽水蓄能容量電價核定辦法規(guī)定，電站經(jīng)營期按40年核定，經(jīng)營期內(nèi)資本金內(nèi)部收益率按6.5%核定。意見同時提出推動電量電價市場化，有利于抽蓄電站提升盈利水平。5.壓儲產(chǎn)業(yè)鏈投資機遇壓儲產(chǎn)業(yè)鏈：上游核心裝備企業(yè)有望優(yōu)先受益壓儲的產(chǎn)業(yè)鏈可分為上游核心設備及資源提供方、中游技術提供及建設方、下游投資運營商。不同技術路線的裝備價值差別較大，一般對于以鹽穴及洞庫為儲氣庫的項目而言，壓儲單位GW設備投資約20億，其中壓縮機占比約25-30%，透平膨脹機占比約15-20%，換熱系統(tǒng)15-20%，儲熱系統(tǒng)占比約15-20%，上游核心裝備企業(yè)有望優(yōu)先受益。壓儲主要設備：壓縮機和換熱系統(tǒng)技術壁壘較高壓縮空氣儲能技術的難點主要包括關鍵部件技術性能、優(yōu)化系統(tǒng)集成與控制技術等：（1）儲能系統(tǒng)優(yōu)化設計、集成與控制技術；（2）寬負荷多級壓縮機全三維設計與變工況調(diào)節(jié)技術；（3）高負荷多級透平膨脹機全三維設計與變工況調(diào)節(jié)技術；（4）陣列式超臨界蓄熱（冷）換熱器設計技術。壓縮空氣儲能系統(tǒng)關鍵設備主要包括壓縮機、換熱系統(tǒng)和透平膨脹機。壓縮空氣儲能系統(tǒng)包含壓縮、儲氣、蓄熱/冷、回熱/冷、膨脹發(fā)電等多個子系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的關鍵設備主要包括壓縮機、換熱器和膨脹機，相關的設備技術相對成熟，通過項目示范建設，基本形成了一定的產(chǎn)業(yè)鏈基礎。雖然壓縮空氣儲能循環(huán)與燃氣輪機類似，但壓縮機壓比和膨脹機膨脹比均遠高于常規(guī)燃氣輪機的壓縮機和透平。壓儲主要設備：壓縮機要求流量大，壓力高，目前實現(xiàn)國產(chǎn)化空儲系統(tǒng)壓縮機要求流量大，壓力高。壓縮機是一種壓縮氣體提高氣體壓力或輸送氣體的機器，應用廣泛，其中用于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮機具有流量大、壓力高的特點。目前，市場上壓縮機的技術比較成熟。單機大容量壓縮機制造困難，因此大容量壓儲系統(tǒng)多采用壓縮機串并聯(lián)形式。作為壓縮過程中的核心部件，壓縮機決定著儲能過程中的效率，開發(fā)大流量、高效率、高排氣溫度（提升系統(tǒng)的蓄熱溫度和回熱溫度）的壓縮技術，有助于提升系統(tǒng)的整體儲能效率，但大規(guī)模壓縮機的設計制造仍需技術研發(fā)，且壓縮機實現(xiàn)單機300MW級仍存在很大難度和瓶頸，需現(xiàn)有壓縮機采用并聯(lián)或串聯(lián)方式。壓儲主要設備：換熱系統(tǒng)供貨主要為三大主機廠商換熱系統(tǒng)是影響儲能效率的關鍵環(huán)節(jié)，包含低溫介質(zhì)儲罐、高溫介質(zhì)儲罐和導熱油等元件。換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，按換熱結構，換熱器主要分為管殼式換熱器和板式換熱器。換熱系統(tǒng)提高換熱溫度和效率可進一步提升整體系統(tǒng)效率。換熱系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)的儲能效率影響較大，蓄熱溫度和回熱溫度越高，系統(tǒng)的?損失越小，系統(tǒng)的儲能效率也越高。通過提升蓄熱回熱系統(tǒng)的蓄熱溫度、換熱效率，可進一步提升系統(tǒng)的整體效率。壓儲主要設備：透平膨脹機透