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2015年中国可再生能源行业发展现状及市场空间预测【图】

    根据 2015 年上半年能源局统计数据,2015 年上半年弃风电量为 175 亿千瓦时,弃风率为15.2%,其中甘肃(弃风电量为 31亿千瓦时、弃风率达到 31%)、新疆(弃风电量达到了29.7 亿千瓦时、弃风率为 28.82%)、蒙西(弃风电量 33 亿千瓦时、弃风率 20%)、吉林(弃风电量 22.9亿千瓦时、弃风率 43%)等地区。2014 年由于是小风年,所以全国的风电弃风率下降到了 8%。

    2015年上半年光伏总装机为 35.78GW,弃光电量为18 亿千瓦时,弃光率为8.54%,其中弃光严重的甘肃(弃光电量 11.41亿千瓦时)和新疆弃光率(弃光电量为5.41亿千瓦时)达到了 28%和19%。根据 2015 年 1-9 月能源局数据,装机总量39.75GW,1-9 月全国累计光伏发电量 306亿千瓦时,弃光电量约 30 亿千瓦时,弃光率为 10%;比半年度弃光率略有提高,弃光主要发生在甘肃和新疆地区。其中,甘肃省弃光电量 17.6 亿千瓦时,弃光率 28%,新疆(含兵团)弃光电量10.4亿千瓦时,弃光率 20%。

历年全国风电和光伏的装机概况

资料来源:智研咨询整理

    当前风电的装机容量大约是光伏的 3.5倍,但上半年新增的风机和光伏装机容量已经基本持平。除去 2014 年是小风年导致了弃风率下降,2011-2014 年的弃风电量分别是 100 亿千瓦时、208 亿千瓦时、162 亿千瓦时、134 亿千瓦时,而进入2015年弃风情况有所加重,2015年上半年的弃风电量就达到了 175亿千瓦时,预计年内的弃风电量将达到 250-300 亿度,直接经济损失将超过 100亿元。截止2015年9 月,当年光伏弃光电量达到了 30 亿千瓦时,估计年内将达到 45 亿千瓦时,弃光率大约 10%。通过以上分析可以看出,未来的弃风和弃光电量的价值将非常高。

    智研咨询( http://www.chyxx.com)发布的《2015-2020年中国可再生能源市场调查及投资前景预测报告》中指出: 2014年以来,中国可再生能源产业继续保持快速增长势头,截至2014年9月底,全国可再生能源发电累计装机容量达4.4037亿千瓦,占全部电力装机容量比例超过30%,继续保持全球可再生能源利用规模第一大国地位。其中,水电规模以上新增装机容量1565万千瓦,溪洛渡、向家坝等一批西电东送标志性大型水电项目投产运行,累计装机容量超过2.9亿千瓦;风电新增装机容量858万千瓦,累计装机容量达到8497万千瓦;光伏发电新增装机容量400万千瓦,累计装机容量超过2000万千瓦;生物质发电新增装机容量90万千瓦,累计装机容量超过940万千瓦。

    一、电力储能用途广泛

    从储能设施的应用场合角度, 储能设施可以广泛地应用于电力行业所有环节,即发、输、配、用这四个环节。

电力储能的用途

资料来源:智研咨询整理

    电力储能技术种类繁多,从大类上来说分为机械储能、电化学储能以及电磁储能。其中机械储能包含抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能,电化学储能包含锂电池、铅酸蓄电池等一系列可进行充电的二次电池,电磁储能主要包含超级电容器储能与超导储能。如上一节中的介绍,不同的储能应用场景必须合理配置不同的储能技术, 可以从额定功率、放电时间、能够达到的响应时间等角度对储能设施进行配置,方能达到最经济最理想的效果。

各类储能技术及特性分析

 
储能类型
放电时间
典型额定功率
特点
机械储能
抽水储能
100-2000MW
4-10h
适合大规模储能,技术成熟,地理条件要求苛刻
压缩空气储能
10-300MW
1-20h
适合大规模储能,地理条件要求苛刻,效率偏低
飞轮储能
5KW-50MW
1s-30min
功率密度高、成本高
电磁储能
超导储能
10KW-50MW
2s-5min
响应快、功率密度高、成本高、维护困难
超级电容
10KW-1MW
1-30s
响应快、功率密度高、成本高、储能量少
电化学
储能
铅酸电池
KW-50MW
min-h
环保问题、技术成熟、成本低、寿命短、可循环次数少
液流电池
5KW-100MW
1-20h
寿命长、适合大规模储能,环保性好,储能密度稍低
钠硫电池
100KW-100MW
数 h
能量密度和功率密度高,高温条件运行,安全性不佳
锂电池
KW-MW
min-h
能量密度高,组串安全性有待提高

资料来源:CNESA,智研咨询整理

    二、全球储能技术分布

    储能在实际情况下可以分为储热和储电两类。从全球范围看,储热和储电的分布较为广泛,在亚洲、欧洲、澳洲以及美洲都有应用案例,未来前景广阔。据中关村储能联盟(CNESA)统计,截止 2014 年年底,全球储能装机达到了 140GW,其中抽水蓄能占到了 99%,熔融盐储热装机超过1.2GW,压缩空气404MW。以电化学为主的电池储能方式占到了0.8%,约 845.3MW,其中钠硫和锂离子电池的占比最大,约占到 40%(338.9MW)和 33%(283.3MW)。

全球各类储能技术装机规模

资料来源:CNESA,智研咨询整理

    抽水蓄能水力发电厂是所有储能方式中单机容量大,具有绝对的优势,但建设时间长,往往需要 5-10 年,且需要较好的地理条件。华中电网、华东电网、华北电网以及南方电网(广东)等接收区外送电比重高且火电、核电占比大;与此同时福建、海南等省也面临着核电发展较快的情况;辽宁、山东、河北、江苏等省也已经大规模开发了风电、太阳能、生物质等可再生能源;即便是普通的水力发电,也面临着丰水期和枯水期的季节性变化因素影响,也需要抽水蓄能电站作为补充电源。

    从中国的范围来看,截止 2014 年底,中国储能累计装机规模为 21.8GW,抽水蓄能占到了 99.5%,即21.8GW,压缩空气储能 1.5MW。此外,以电化学为主的电池储能方式占到了 0.4%,约 845.3MW,其中锂离子和铅酸电池的占比最大,约占到 74%(62.3MW)和14%(12.1MW)。

中国各类储能技术装机规模

资料来源:CNESA,智研咨询整理

    电化学储能方法当前在全球的占比小于 0.1%,即 857.9MW;在我国同样占比略小于 0.1%,即 84.4MW。尽管当前从总量来看,电化学储能的占比还非常小,这主要是由于以抽水能为主的机械储能的单机容量都非常大,可以达到单机 100MW 甚至以上,而中早期的电化学储能主要集中在 3C产品中,所以总量一直比较小,未来电化学储能的规模将随着动力锂电池以及电力储能电池的拓展得到快速的发展。从下表中可以看出中国的电化学储能近 5年虽然复合增长率较快,但是增长速度并不太稳定,但由于新能源汽车销售近年来呈现的巨大增长趋势,可以预期未来电化学储能将拥有较长时间段的持续的高增长率。

中国历年电化学储能总装机容量

 
2000-2010
2011
2012
2013
2014
2015H1
储能安装容量(MW)
2.4
35.2
37.2
53.4
84.4
94.6
年增长率(%)
--
1376
6
44
58
12

资料来源:CNESA,智研咨询整理

    三、四类有代表性的可再生能源储能应用介绍

    1、风光互补储能项目介绍

    风电场和太阳能电厂多建于处在电网薄弱地带的偏远地区。这两类间歇性、不稳定性的电站上网必将带来一系列安全性、可靠性以及电网稳定性的问题,给当地的电网带来重大的不安全隐患,发生在我国西北地区的一些脱网事故已经印证了这一结论。储能技术的引入可以很好地支持这些离网或并网的微电网。

风光互补示意图

资料来源:智研咨询整理

    2、多种储能技术融合的电力储能项目

    储能技术多种多样,每种储能技术都有各自的优点和难以用于实际领域的不足,因此在实际储能项目的建设中往往会将两种或两种以上储能技术结合在一起使用,以达到互补的作用。下表是一些国内外具体的项目。

运用两类以上储能技术的项目列表

时间
地点
类型
项目组成
2004
日本 Shimizu Project
离网微电网
10kW光伏发电+27kW燃气轮机+350kW内燃机+400kWh钠硫电池+100kW超级电容
2009
西班牙 Labein
并网微电网
5.8kW光伏发电+6kW风电+2*5kW柴油机发电+2.18MJ超级电容 50kW微型燃气轮机发电+250kvA飞轮储能
2009
云南
并网微电网
300kW储能逆变器+150kWh钠离子电池+100kW超级电容器
2014
浙江南鹿岛
离网微电网
660kW光伏发电+1MW风电+1700kW柴油发电+4MWh磷酸铁锂蓄电池+1MW*5S 超级电容
2014
浙江鹿西岛
离网微电网
300kW光伏发电+1.56MW风电+1200kW柴油发电+4MWh铅酸蓄电池+500kW*15S 超级电容
2014
天津赛达工业园
并网微电网
300kW光伏+400kW风电+锂离子电池+超级电容

资料来源:智研咨询整理

    能量密度和功率密度是评价电池的两个重要的指标。能量密度(Wh/kg)指的是单位重量的电池所储存的能量是多少,1Wh 等于 3600 焦耳(J)的能量。功率密度(W/kg)指的是单位重量的电池在放电时可以以何种速率进行能量输出,即电池在一定的电压平台之下可以以多大的电流进行放电。

    电力储能按照储能技术的特点分可以分为功率型储能和能量型储能两类。功率型储能技术的代表技术是超级电容和飞轮储能,具体的特征有功率密度大、循环次数多、响应速度快,然而能量密度小;另一类能量型储能技术的代表技术以各类电化学电池为主,具体的特征是能量密度大、储能时间长,然而功率密度小、循环次数少。

复合储能装置

资料来源:智研咨询整理

    两类及两类以上储能技术结合使用的原理在于将两类储能设备的优点加以利用,即最终的目标是得到功率密度大、能量密度大、循环次数多、能够快速相应的储能设施。现阶段,能量型的储能设备(主要是铅酸、锂电池)的使用较为广泛,诸如飞轮、超级电容的加入可以对电化学电池的一系列特性进行优化,譬如降低蓄电池的放电深度、减少蓄电池的放电次数、瞬间功率调整等。

    3、储能设施在虚拟电厂(VPP)的应用

    虚拟电站是将一定区域内数个小型且分散的电站(风能、太阳能、燃气等)以及相应的储能装置、进行调控的能源管理系统集合起来,形成一个虚拟的集合电站,利用风能、太阳能的预测系统预测所控制片区的发电量,并将发电量与所在区域电力的需求量进行匹配,最终达成最经济的电力交易。

    一个虚拟电站至少需要以下数个组成部分:1)数个发电电源(风、光、燃气、柴油机等、相应的储能设施(压缩空气储能、蓄电池储能、飞轮储能等)以及能力转换与管理系统;2)可再生能源发电机组的发电预测系统,能够根据实际天气情况预测区域内太阳能及风能的发电情况;3)负荷预测系统,用以计算短时间(1h或7d)的应用负荷预测;4)电力管理系统,用于监视、计划和优化分散电力机组的操作;5)电力数据管理系统,可以用来收集、保存与优化发电和用电两端的数据;6)前端交易平台,可进行电量交易,与外界通信互联等。

虚拟电站示意图

资料来源:智研咨询整理

    虚拟电站的核心在于将不稳定的可再生能源发电进行预先上报,与需求电量进行匹配,通过投标确定电价。虚拟电站的运行过程中可以起到交易平台的作用,搓合电能交易,同时通过机械或电化学的方式将电能进行储存对电价实行低买高卖,同时也可以利用储能装置对区域电网提供调频调压、无功补偿等辅助服务,收取一定的服务费用。如果单个发电厂无法输出预先上报的电量,则需要通过虚拟电厂的交易平台进行购买。因此虚拟电厂起到的不仅仅是单纯的电力调度作用,同时也起到了一个电力的双向交互的平台。由于电力对于稳定性和质量的高要求,电力的出售与交易还不宜做到直接的B to C,因此一个虚拟电站的平台就将一个各类可再生能源的发电站的组合和一个用户的组合结合在一起,更好地进行资源的调配。

虚拟电站流程图

资料来源:智研咨询整理

    目前,虚拟电站的应用和研究主要分布在美国和欧洲,这些电站主要用来完成诸如可再生能源的消纳、需求响应、电力市场交易机制研究等目的。德国的著名工业企业诸如博世、西门子、RWE 等也都参与了这些项目。

已建成虚拟电站项目列表

项目名称
起止时间
主要参与国家
VFCPP
2001-2005
德国
KONWERL
2002-2003
德国
VIRTPLANT
2005-2007
德国
UNNA
2004-2006
德国
CPP
2003-2007
德国
STADG VPP
2004-2006
德国
HARZ BPP
2008-2012
德国
VATTENFALL VPP
2010-2012
德国
PM VPP
2005-2007
荷兰
FENIX
2005-2009
英国、法国、西班牙等
VGPP
2007-2008
奥地利
GVPP
2006-2012
丹麦
FLEXPOWER
2010-2013
丹麦
WEB2ENERGY
2010-2015
德国、波兰等
TWENTIES
2012-2015
德国、法国、英国、比利时、丹麦等

资料来源:智研咨询整理

    储能设施在虚拟电站中起到了至关重要的作用,虚拟电站的核心就是在区域内的低价收电高价卖电,而低价电必然是在低谷时段购得,这就需要储能设施在其中起到关键的作用。只有储能设备能够储存足量的低价电,虚拟电站才能实现在电价高峰阶段放电,最终达到经济上的可行性。随着中国的电改政策逐步推进,未来虚拟电站的引入将有助于推动风能、太阳能等可再生能源平价上网,而这一切的基础就有赖于储能系统的能够进行大规模、经济性地推广。同时,储能设施也可以存在于虚拟电站的输发储用各个环节,除了可以提供电价的差价服务,还可以运用在调频、电压控制、事故备用等既可以创造实用价值和经济价值。

    4、储能在充电设施的应用

    以风能、太阳能为主的可再生能源可以为新能源汽车充电桩进行充电,该种模式有效地对可再生能源进行了消纳,将清洁的电力替代了燃油,对于新能源汽车的推广有着重大的意义。充电设施的组成部分有:充电桩(充电机)、配电柜、控制箱、监控平台以及收费系统等。其中慢充的4-8小时的交流充电桩具体的参数是功率 7KW、电压220V、电流0-32A,快充的(10 分钟-2 小时)直流充电桩具体参数是功率 10KW-120KW、电压380V-750V,电流0-160A。

结合可再生能源的充电设施

资料来源:智研咨询整理

充电设施系统的工作原理

资料来源:智研咨询整理

    电动汽车在充电接入各类电网时主要有以下四类问题:1)对配电网电压调节的影响;2)对三相相位平衡的影响;3)对负荷平衡的影响;4)对电网的谐波影响。配置了储能系统之后,可以带来以下优点:1)电动汽车充电瞬间需要高能量、大功率,而普通的光伏发电功率以及能量都无法满足,因此需要通过储能装置进行能量收集,在电动汽车充电时再进行释放;2)在储能的配合下,电动汽车充电可以实现风能、太阳能等可再生能源利用的最大化,一定程度上缓解峰谷平衡问题,配合了储能后充放储充电站的经济性更好; 3)电力储能系统的加入可以通过电力电子双向变流和控制手段,减少上谐波等影响,改善电动汽车接入时造成的谐振,促进电动汽车更稳定地进行电量充放。

储能设施缓解电动汽车充电对电网的影响

资料来源:智研咨询整理

    总体来说,储能技术对于电动车来说是双重作用,一方面储能技术中电化学储能的快速发展为电动车提供了合适的动力电池,这一点对于电动汽车来说无论是性能上还是成本上都至关重要,另一方面电动汽车接入电网充电,也会给电网带来冲击,电力储能的加入可以减弱电压、相位、负荷的不平衡以及电网的谐波造成的影响。

    四、市场空间分析

    (一)全球储能市场空间

    全球储能市场正在经历着一个转折期,出现了新的增长点。过去,绝大部分的储能来源于抽水蓄能,电化学储能主要集中在容量较小的 3C电子领域,当前这种趋势已经有改变的趋势,未来以动力电池、电力储能等方式出现的电化学储能方式将快速增长。对于全球储能市场的空间,各类协会及咨询机构有各自的预测,大致的情况如下所示。下述的预测基于的理由和逻辑各不相同,但从全球范围的视野来考虑市场空间本来就存在着非常大的不确定性,较为权威的机构给出的数据至少可以提供一个数量级方向的参考。

    1、整体角度

    目前储能技术在支持电网与可再生能源上主要有十几个方面的应用,占主导的应用是电力调峰,其规模约为138.4GW。其次是支持可再生能源,这部分的规模约为2.8GW。

     根据国际能源署2014 年的储能技术路线路估计,到 2050年美国、欧洲、中国和印度到2050年将需要增加 310GW并网电力储能装置 (包含抽水蓄能等一系列非电化学储能的方式) 。

     Navigant预测Navigant Research 的一份报告显示,到 2024年,世界范围内电网规模的储能收入将超过 680亿美金。

    2、分具体细分方向

     全球企业增长咨询公司弗若斯特沙利文咨询公司(Frost & Sullivan)的报告,2014年并网电池储能市场收益达 4.6亿美元(约合人民币29.3亿元),2024 年市场收益将达 83亿美元(约合人民币 528.1亿元)。未来 2-3年,锂离子电池有望成为公用事业规模并网系统中的领先技术。

     风电及光伏储能领域,Navigent预测今后十年将新增21.8GW。

     分布式发电及微电网领域, Navigent预测储能的安装规模将从2014年的817MWh上升到2024年的15182MWh。

    (二)国内电力储能市场空间

    现阶段,我国大规模电网只能采用技术成熟、成本较低的抽水蓄能技术。因此,目前和今后长时期内继续稳步有序地发展抽水蓄能是我国的基本策略,是我国电网安全、可靠、经济运行的保障,并直接关系到我国经济社会的稳定发展。电力储能分为家用以及工商业用两个方向。家庭方面,由于国内的居住环境以及峰谷电价差别不大,家用市场暂时还无法启动;工业领域,接下来几年将从各个试点项目开始逐渐推进。考虑到中国日益壮大的可再生能源发电行业,未来限电、调频、调峰等状况一定会越来越频繁地降临到可再生能源发电行业,因此可以预测存量和增量的可再生能源发电电源在未来很大可能都需要配置一部分的储能设备,储能行业未来空间广阔。此外,储能设备也将渗透进分布式发电、冷热电三联供及智能微网等领域。

    当前国内市场上的电力储能设备主要以铅酸、锂电池为主,电力储能设备对于电池的循环次数、响应时间、功率密度等有着高于普通储能设备的要求,能完全满足电力储能设备要求的电池存在一定的技术壁垒。

    根据来自风电、光伏发电最新的十三五规划预计以及各类单列的,2020 年我国将建有 280GW风电,180-200GW光伏发电,当年新增的风电装机在 40GW,当年新增光伏装机35GW。同时假设风电每W 发电量为1.4度每年,光伏每W平均每年发1.3度-1.6 度电;弃风率在 15%,弃光率在10% ,估算可得弃风电量588亿千瓦时,弃光电量252亿千万时;增量新风电上网电价在 0.4元,增量光伏发电上网在 0.6元,存量按补贴执行。

    按燃煤的电价为基准电价:2020年所浪费电能的价值在 336亿元。 按可再生能源补贴后电价(假设风电、光伏价格均下降) :2020 年所浪费电能的价值在466.2亿元。 按储能设施当前的成本计算(假设储能设施价格持续下降,按新增算) :2020年需装储能设施的价值在 3300亿。

    综合方向,事实上储能还有着更多的技术模式,但无疑电化学储能方式是最灵活和因地制宜的,按 10%的储能份额是电化学储能计算,到 2020 年电化学储能设施的国内市场营收大致在 170亿元。

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