新能源储能设计

在新型储能技术路径中，电化学储能是最耀眼的明星，也是最看好的储能方式之一。

特斯拉的Megapack大型电池储能系统(BESS)

电化学储能本质上就是把电能储存成化学能，再用化学电池的机制放出来，放到电网中变回电能。电化学储能包括锂离子、钠离子、液流等等形式，其中锂离子最为成熟，钠离子和液流还有待技术研发。

电化学相对于抽水蓄能来说，最大的优势就在于灵活。它可以在小型工商业或者家庭周边建立小型储能站，也可以建到大规模的厂站级别，比如在沿海的风电站或沙漠中的光伏电站附近。

电化学储能中最具商业化潜力的，就是锂离子电池。锂电池已经发展多年，随着电动车的普及，无论是技术成熟度还是成本，都达到每年几百吉瓦时级别的量产，使储能电池的成本从原来的3元左右一瓦时，降至现在的1.5元左右一瓦时。

那么，锂离子储能电池与电动车的动力电池有何区别？

在原材料和生产线方面，两者原材料近似度很高，大部分情况下能够共用生产线，但在其中的添加剂和工艺上会有稍许不同。从量产角度来说，这是锂离子储能电池的优势，也是中国发展电化学储能，同时与电动车爆发双轮共振的核心优势。

不过从研发角度来说，两者在循环寿命和能量密度方面要求不太一样。储能电池要求高循环寿命和安全性，而对能量密度没有太高要求，但动力电池对能量密度要求高。这个差异使得储能电池几乎全部是磷酸铁锂，而不用三元材料。

基于这种需求上的差异，在BMS（电池管理系统）上会有不同侧重。虽然储能电池的BMS与动力电池类似，但动力电池安装在高速运动的电动汽车上，对电池的功率响应速度和功率特性、SOC估算精度、状态参数计算数量，有更高的要求，这些调节都需要通过BMS实现。

而储能电池由于充放电更为频繁，需要侧重循环寿命。磷酸铁锂储能电池的循环次数一般是6000次起，甚至到8000次。而动力电池的寿命一般是2000-3000次。从电池结构来看，由于正负极压实密度、水分、涂布膜密度等因素，会影响电池循环寿命，这些工艺会有稍许不同。

从产业链角度来看，两者的上游几乎相同，差异主要在产业链下游。动力电池是供应主机厂，由于主机厂集中度较高，所以是大B销售的逻辑，比如电池厂签约了小鹏、理想或特斯拉，基本上可以保证未来几年的供货锁定期。

但储能电池主要卖给集成商，中间就有了分销，并且储能电池需要结合项目开发周期，会有更多的不确定性，所以基本上是根据订单来生产。

综合来看，锂电池自身的响应速度是毫秒级，能源转化率能达到85-95%，所以对功率型和电网侧储能都是适用的。再基于它的灵活性，其在电力系统的发电侧、电网侧、用电侧都可以根据需求灵活部署：

发电侧：可提高发电的稳定性，包括电力“削峰填谷”、减少弃风弃光；

电网侧：可降低输电的成本，以及调频、备用容量等，提高电网运行的稳定性和可靠性；

用电侧：可通过峰谷电价差套利，减少企业和用户用电成本，以及容量费用管理、自发供电等。

对于电化学储能的另两种方式，钠离子电池与液流电池，也是如今重要的潜在方向。

钠离子电池正处于加紧研发阶段，它的工作原理与锂离子电池相似，改变的是依靠钠离子在正极和负极之间移动来运作，替代了锂离子。

它的优势在于钠元素在自然界中大量存在。像食用盐的氯化钠就是，钠基本随处可得，是地球上的第五大元素，而锂开采资源有限。并且钠离子电池的低温性能更好，充放电性能也维持得比较稳定，比锂离子电池具有优势。

但钠离子电池的缺点在于能量密度低，比锂离子电池低3倍左右，所以一个单体电池在同样容量的情况下，钠离子电池的体积要大最少3倍。

在目前的技术水平下，钠离子电池可能成本更高。因为锂离子能量密度高，结构件就少，比如装Pack、装插箱等等，一个集装箱下来，锂离子电池例如装了3-4 MWh，但是钠离子电池可能只能装1 MWh左右。钠离子电池就需要更多的集装箱、配更多的电器连接件，以及PCS等等，综合算下来整个系统集成成本更高。

钠离子电池的另一个缺点，在于它的循环性能不够好。锂离子储能电池可以做到7000-8000次，但是钠离子现在还很难超过3000次，如果单体电池不超过3000次，那模块组合后可能更低，这也是钠离子的核心研发挑战。

不过宁德时代正在这方面率先尝试，不仅在推进钠离子储能电池，也在电动车动力电池中，尝试研发一种Pack组合方式，一层锂离子电池叠一层钠离子电池，这样能够中和锂离子电池低温时表现不佳的问题。

对于钒液流电池，则是更远期的研发目标。钒液流电池的技术路径完全不同于锂离子、钠离子电池，而是与氢燃料电池原理类似，它是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池，它的工作原理是通过钒化合价的变化，来实现电能与化学能之间的转化。

钒液流电池存在体积大，不易搬运的缺点，但优点也十分突出，主要是使用寿命长（循环次数20000次以上，寿命25年以上）；电解液可循环使用；电池容量可扩充性强（可以通过增加电解液储存器体积增加容量），可用于建造千瓦级到百兆瓦级储能电站；安全性好等等，钒液流电池的这些特性十分适合作为长时储能电池。

钒液流电池也被国家发改委、国家能源局认定为十三五期间重点发展，并进行应用推广的重点技术之一。但由于目前技术还不够成熟，造价和运维成本仍然较高。

除了全钒液流电池，成本更低的铁铬液流电池，也有望成为液流电池的主流路线之一。铁铬液流电池以原料丰富且价格低廉的铁离子和铬离子为活性物质，当储能时长越长，铁铬液流电池的成本优势越明显。

铁铬液流电池的优势明显：绿色安全、低毒性与腐蚀性、运行温度区间比较大、电解液原材料资源丰富、价格低廉等等。另一方面，铁铬液流此前也存在铬活性偏低和容易析氢等问题，但是基于长时储能的迫切需求，国内外团队都在加速突破这些问题，并取得一些不错的成果。

综合来看，我们认为锂离子电池（以磷酸铁锂为主）依然会是未来5-10年电化学储能的主流路径。如果从整体占比来看，抽蓄在2020年高达95%左右，电化学在剩下的5%中占据大头。但未来在整个储能市场变大的同时，电化学占比会逐年升高，以每年新增占比2-3%的速度增长，到2025年占比可能达到15%左右。

当然无论是哪一种储能技术，因为储能本身不生产价值，而是一种存储介质，最关键的因素还是经济性，下面我们就来分析一套电化学储能系统的典型价值链是怎样的。

一套电化学储能系统的价值链分析

一套典型的储能电池系统，主要包括了电池、PCS变流器、BMS 电池管理系统、EMS温控系统等核心环节。

前面的电池环节属于电化学，后面的都属于电子电气。其中电池占据整个价值链的核心，50-60%的成本都在电池。剩下的PCS 20%左右、BMS 8%左右、EMS 3%左右，剩下的是电缆、控制柜、集装箱等工程成本。

电池需要技术沉淀和积累，小批量生产时很多问题不容易暴露，但在大规模出货时，对一致性要求非常高，比如当上万颗电芯组合在一起时，需要保持每一个的内阻等各种各样的参数在合理范围内，维持稳定状态。技术水平与质量的差异，在第7-10年时会有明显差别。

一个典型的电化学储能系统是：

首先，不同的电芯通过并联，形成一个模组，模组包在外壳中，外壳会安装散热系统，比如风冷系统会装上风扇，把热风抽出来，也会装上一些 MSD（断路开关），以保护电池安全。

众多模组会插在一个电池插箱里，电池插箱会装有电池管理单元，它会监测和管理整个模组电池的温度、电压以及电流状态。

然后，众多电池插箱会搭上一个电池架串联在一起，形成大的电池簇，一个常规电池集装箱会装15-20个电池簇，每个电池簇之间再进行串联。在电池集装箱层面，会形成BMS电池管理系统和EMS温控系统。同时，在每个电池集装箱中，还会配置一个消防系统。

最后，每个电池集装箱都是直流输出，形成汇流，其中会经过PCS储能变流器，让直流电变交流电，再经过升压、变压装置，把交流电从1000 V或1500 V，升到35 kV或110 kV，以匹配电网接入点的电压等级。

由于PCS环节与光伏电站有类似之处，所以很多储能变流器厂家，都是从光伏逆变器转变而来。不过储能与光伏、风电所需并不完全一样，光伏与风电主要是逆变器，是从直流变交流，然后就上电网了。

但储能既是一个电源点，又是一个负荷，需要双向，不仅仅是逆变器实现的从直流变交流。主要的差异在软件算法，和需要加一个小型微单机的能源管理系统，来适应电网的网架结构安全，保证频率品质。

目前，由于PCS赛道的集中度并不高，这一点与电池不同，电池厂商的规模效应非常明显，能不断降低成本。PCS是一个电气化产品，本身不需要像电池那么大的产能投入，反而需要更好的灵活度，所以有很多品牌在群雄逐鹿，在用户侧、工商业的储能中，都会有很多应用。

 根据CNESA数据，2021年中国企业全球储能PCS出货量前十名分别是阳光电源、科华数据、比亚迪、古瑞瓦特、上能电气、盛弘股份、南瑞继保、汇川技术、索英电气和科士达。

对于BMS（电池管理系统）来说，也是电池综合效率非常重要的一环。例如特斯拉的电池包配电容量不是最高的，但因为BMS优化的足够好，所以仍然能实现比较高的续航里程，并且对电池寿命保障比较好。BMS能监控每一个电池单元的温度、电流、电压、内阻等情况，保证其在稳定合适的环境下运作，避免电压不均衡和不一致性带来的减损效率甚至热失控风险，储能电池也是同样的道理。

国内BMS电池管理系统排名：

1、弗迪电池：为比亚迪汽车子公司，前身是比亚迪锂电池有限公司，早在1998年就已成立，主要专注电池的研发生产，动力电池主要自供，BMS配套使用；

2、宁德时代：为动力电池龙头企业，市场份额第一，不过BMS的装机量并非第一，部分客户使用了自研或选用其他公司的BMS系统；

3、特斯拉：国产特斯拉的动力电池搭载的是LG化学和宁德时代的，但特斯拉自研了BMS系统

排名第四、第五的华霆动力、力高技术均为专业第三方BMS提供商。前五大BMS提供商占据了将近62%的市场份额，头部企业市场份额大，行业集中度高。特别是弗迪电池和特斯拉均具有整车厂背景，宁德时代又是动力电池厂商，占据了主导权。

对于EMS（温控系统）来说，由于涉及电网调度，往往需要与电网建立深度联系。从技术路线来说，有的偏向液冷，有的偏向风冷，往往是从商用车或数控机床转型过来，解决方案相对成熟。

 同飞股份，英维克，金盘科技，阳光电

最后的环节是集成，储能作为一个终端产品，需要集成商把各环节全部整合起来，根据不同场景来具体配置，一体化和模块化是大趋势。

如今，储能最大的瓶颈在于成本。今年，国家能源局在《“十四五”新型储能发展实施方案》中，设定了一个重要目标——2025年电化学储能技术的系统成本要降低30%以上。以2021年储能系统平均单价1.49元/Wh计算，降本30%对应的单价是1.043元/Wh。

但由于国际环境动荡与需求暴增，磷酸铁锂的原材料价格也在飙升。降本30%的大目标，需要从全生命周期来理解，一方面是新增装机量大幅提升，规模效应将令成本下降；另一方面在于循环寿命，如果能够从5000次增加到1万次，度电成本也会大幅下降，抽水蓄能之所以便宜，也是因为使用期限非常长。

新型储能不仅与光伏、风电联动，储能电池与电动车动力电池也会形成产业共振。当电动车保有量达到现在的3-5倍规模时，对储能的驱动力会非常强。因为在充电高峰，对大电网的冲击也会比较大，需要配备像蓄水池一样的缓冲储能系统。

从技术路径来看，抽水蓄能依然会占据大头，以磷酸铁锂为主的电化学储能会快速上升，但最终肯定会形成多种储能技术路线并存的状态，钠离子电池、液流电池、空气压缩、飞轮储能等等也会占据一席之地。

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