储能产业:钠钒电池2024年度策略详解成本优势及全球需求预测
2023 年国内新能源车 1-8 月销量同比增速为近三年最低,同时 2023 年 1-8 月国内新能源车中插混车占比已上升至 29.7%,较 2022 年明显提升 6.7Pct,这将导致电动车的电池装车需求量开始上涨慢于整车总量增长。但考虑到美国等国家电动车渗透率仍明显低于中国与欧洲;未来固态电池等新技术的演进也将明显提升电池材料消耗量;同时储能由于中标价格的持续下降也有望接棒电动车迈入高增长轨道,需求端仍值得期待。
钠电池:2024 年锂钠电池材料成本有望实现平价。行业标准加速推进,国内首批钠离子电池产品测评活动已有 17 家企业通过测评。若按照 2024 年锂价中枢15 万元/吨测算,预计 2024 年钠电池材料成本有望达到 351-392 元/Kwh 区间,磷酸铁锂电池材料成本有望达到 377 元/Kwh,因而锂钠电池材料成本有望实现平价。
钒电池:产业加速发展,看好电解液和质子交换膜。2022 年-2023 年 9 月,全钒液流电池拟建项目迅速增多,项目规模合计已达 3.9GW/16GWh (包括规划、备案、在建、中标、招标等),2024 年有望进入落地阶段,尤其关注电解液和质子交换膜环节。
1.1、 国内新能源车增速放缓,海外需求和新电池技术对需求仍有提振空间
近年来,得益于国家政策的支持和鼓励,中国新能源汽车市场迅猛发展。截至 2022 年末,中国新能源汽车保有量已超越 1310 万辆。但 2023 年新能源汽车销量增速出现了下滑的态势。根据中汽协的数据,2023 年 1 月,我们国家新能源汽车销量 40.8 万辆,同比下滑 5.34%,这也是自 2020 年 8 月以来首次出现同比下滑。2023 年 8 月,我们国家新能源汽车销量为 84.6 万辆,同比增长 27.03%,相比 2022 年 8 月的同比增速 107.48%大幅回落。2023 年 1-8 月国内新能源车销量同比增速为 39.5%,该值为 2021 年以来最低值,2021 年 1-8 月和 2022 年1-8 月国内新能源车销量同比增速分别为 210.7%和 115.6%。
2023 年 9 月 25 日,乘联会秘书长崔东树发布《新能源车锂电池市场分析》,称近两年新能源汽车和储能行业高度景气,对电池的需求急速增长,新能源车用电池的装车占比下降。随着政策推动,插混汽车(PHEV)持续走强,纯电动汽车(EV)走势疲软,预计电动车的电池装车需求量开始上涨持续慢于整车总量增长。
根据乘联会数据,2023 年 8 月纯电动批发销量 55.1 万辆,同比增长 12%,环比增 11%;插电混动销量 24.8 万辆,同比增长 73%,环比增长 2%,2023年 8 月插电混动在新能源车的占比为 31%,较 2022 年同期增加 8Pct。插混车在新能源车中的占比近三年逐年提升,从 21 年的 17%增长至 22 年的 23%,2023年 1-8 月插混比例已达到 29.7%,较 2022 年显著提升。
对能源金属而言,由于插混等带电量较低车型对动力电池需求量较低,因而插混比例的提升使得今年市场的锂电需求压力得到一定的缓解,但我们大家都认为未来需求依旧值得期待。首先,从全世界看,除了中国和欧洲之外,其他几个国家普遍新能源车的渗透率较低。以美国为例,2022 年以及 2023 年前三季度,美国电动汽车渗透率上升至 6.9%和 8.9%,仍远低于中国和欧洲。
其次,未来新技术路线也会提升能源金属用量,以锂为例,如固态电池会明显提升度电用锂量。目前商业化的锂离子电池中主要是采用碳酸酯基有机液态电解液,其优点是与电极材料浸润性好来保证电极材料的充分的利用,同时它在室温下有较高的离子电导率(>10mS/cm)。但是这些有机液体化合物具有挥发性高、易泄露和易燃的安全风险隐患,导致了很多的火灾和爆炸;并且,液体电解质轻易造成锂枝晶的形成,从而造成短路和热失控,也会导致非常严重的安全隐患。
固态电解质具有较好耐热性以及化学稳定性,能够有效提升二次电池体系的安全性。固态电池将现有锂电池的电解液转为固态的电解质,正极仍可沿用目前的LFP、三元材料体系;负极也在向理论容量更高、氧化还原电位更低的锂金属发展,因此固态电池的锂元素仍是一定要使用到的元素,根据雅宝投资者公告,固态电池单度电耗锂量将较现有锂电池体系翻倍。
海外头部锂矿企业对未来需求同样仍然乐观,如全球最大锂矿商美国雅宝公司(Albemarle)此前预计全球锂需求量在 2025 年将达到 150 万吨 LCE,到 2030年,全球锂需求量将达到每年 320 万吨。
在 2023 年,雅宝公司上调了他们的预测,将其对 2030 年全球锂需求(LCE)的预测上调至 370 万吨,比之前的预测增长超过 15.6%。
从我国电力储能累计装机规模看,储能市场仍然展现出蓬勃的生命力。截至2023 年 6 月,中国已投运电力储能项目累计装机规模 70.2GW(包括抽水蓄能、熔融盐储热、新型储能),同比增长 44%。2023 年上半年,中国新型储能继续快速地发展,根据 CNESA DataLink 全球储能数据库的不完全统计,2023 上半年项目数量(含规划、建设中和运行项目)850 个,是去年同期的 2 倍多。新增投运规模 8.0GW/16.7GWh,超过去年新增规模水平(7.3GW/15.9GWh)。
国内大储规模显示储能市场持续景气。从去年的储能中标情况看,第四季度是中标的密集期,因此虽然 2023.8 的储能中标量出现了环比下降,我们仍预计第四季度的储能中标量将会出现增长。
中标价格的持续下行,也利好储能的逐步推广。2023 年 8 月,储能系统中标均价(2h)已经下跌到 1.05 元/wh,EPC 中标均价(2h)已经下跌到了 1.46元/wh。相比于 2022 年 7 月的高点(储能系统 2h 中标均价 1.45 元/wh 以及EPC2h 中标均价 2.11 元/wh)分别下降 27.59%和 30.81%。
储能中标价格的下行一方面是由于供应链价格联动,碳酸锂价格下滑;另一方面随着众多企业进入,行业竞争加剧。
在《储能产业研究白皮书 2022》中,据 CNESA 预测,在政策执行、成本下降、技术改进等因素未达到预期的保守场景下,我国 2026 年新型储能累计规模将达到 48.5GW,市场将呈现稳步、迅速增加的趋势,2022-2026 年的复合年均增长率(CAGR)为 53.3%;在储能规划目标顺利实现的理想情形下,预计 2026年我国新型储能累计规模将达到 79.5GW,这在某种程度上预示着 2022 年至 2026 年期间,新型储能将保持年均 69.2%的复合增长率持续高速增长。
传统储能应用广泛,但其劣势不可忽略。目前传统储能是储能市场中最主要的储能形式,其中抽水蓄能是最成熟、效率最高的储能技术,是当前大规模解决电力系统峰谷问题的主要途径,应用广泛,占了全球 70%以上。它储存能量大,能量释放维持的时间长,技术成熟可靠。2021 年 8 月国家能源局综合司印发《抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035 年)》,提出到 2035 年我国抽水蓄能装机规模将增加到 300GW。但抽水蓄能选址困难,极其依赖地势;投资周期较长。
针对传统储能的不足之处,国家能源局 2022 年 6 月 24 日在《提升新型储能建设水平》中提出“新型储能具有响应快、配置灵活、建设周期短等优势,可在新能源比重逐步的提升的新型电力系统中发挥重要调节作用,是实现碳达峰碳中和目标的重要支撑。”
根据 CNESA 于 2022 年 4 月发布的《2022 年储能产业应用研究报告》,截至 2021 年底,全球已投运的储能项目累计装机规模为 209.4GW,同比增长 9%。其中,顶级规模的是抽水储能,累计装机规模约 180.5GW,占比 86.2%,较 2020年底下降 4.1 个百分点。
新型储能(除抽水蓄能和熔融盐储热储能以外的储能方式,包括锂离子电池、铅蓄电池、钠硫电池、压缩空气、液流电池、超级电容和飞轮储能等)累计装机规模为 25.4GW,同比增长 67.7%,占比 12.2%。新型储能中,锂离子电池仍占据主导地位,累计装机规模占比达 90.9%;压缩空气储能占比 2.3%,铅蓄电池占比 2.2%;钠硫电池占比 2.0%;液流电池占比为 0.6%。
2021 年底,中国储能累计装机规模 46.1GW,位居全球第一。其中,抽水蓄能装机规模 39.8GW,占比 86.3%;新型储能累计装机规模达 5729.7MW,占比 12.5%,熔融盐储热累计占比 1.2%。
新型储能装机中,锂离子电池累计装机规模占比 89.6%,铅蓄电池累计装机规模占比 5.9%,压缩空气储能占比 3.2%,液流电池占比 0.9%,其他电化学储能(超级电容、飞轮储能)合计占比 0.4%。
随着新型储能的持续渗透,资源丰富、成本低廉、能量转换效率高、循环寿命长、维护费用低的钠离子电池非常关注。同时多项行业政策的出台助力钠电池的发展。
与锂离子电池工作原理相似,钠离子电池是主要是依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作,以钠离子嵌入化合物作为正极材料的一种可二次充电的电化学钠离子电池。钠离子电池研究在近十年内突飞猛进。2022 年 1 月《“十四五”新型储能发展实施方案》中,钠电池被列在各类储能技术的首位。
钠离子电池在地壳中丰度较高且成本更低廉。根据 2020 年 3 月容晓晖发布的论文《从基础研究到工程化探索》,锂电池原料成本为 0.43 元/Wh,钠离子电池原料成本为 0.29 元/Wh,较锂电池成本低 32.6%。
虽然钠电池核心的单位体积内的包含的能量及循环寿命指标均弱于锂电池,但其成本优势仍使其在储能等下游应用场景具有较高经济性。根据 2022 年 6 月胡勇胜等《钠离子电池储能技术及经济性分析》一文中的结论,以铅蓄电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池和钠离子电池储能为例,采用模型计算各类电池在调峰应用场景下的全生命周期度电成本,在计及电力损耗的情况下,钠电池的度电成本上限分别较铅蓄电池、磷酸铁锂电池以及三元锂电池低 52.2%、32.4%、54.3%。
7 月 14 日,由无锡市锡山区政府、中关村储能产业技术联盟、中国电子技术标准化研究院联合主办的第二届钠离子电池产业链与标准发展论坛顺利召开,会议发布了《2023 年钠离子电池产业研究报告》及“全国首批钠离子电池测评名单”。本次测评由中国电子技术标准化研究院赛西实验室依据中关村储能产业技术联盟团体标准 T/CNESA 1006—2021《钠离子蓄电池通用规范》部分安全和性能项目开展的检测。
行业标准加速推进,钠电产业化可期。国内首批钠离子电池的产品测评活动可逐步推动钠离子电池产业化和标准体系建设,更好地了解行业现状,包括中科海钠、湖南立方新能源、华钠芯能、弗迪电池等共 17 家企业通过测评。我们大家都认为行业标准的加速推进有望引导产业健康有序发展并且为未来钠电池大规模商业化推广打下坚实基础。
下游应用正从“星星之火”迈向“百花齐放”。两轮车和乘用车稳步推进,储能端存在较大预期差。两轮车端雅迪、台铃、星恒今年先后发布钠电产品;乘用车端 6 月中旬奇瑞和江铃两款钠电车型进入工信部目录;储能端新技术路线聚阴离子和普鲁士蓝值得期待。代表企业:众钠能源 2023 年 5 月安徽广德签约落户,将建设 20GWh 储能电池及 10GWh 储能系统量产基地;7 月 1 日湖南立方新能源、美联新材等 5 家公司联合成功打造全球首个普鲁士蓝钠离子电池储能示范项目。
行业趋势向好,钠电池产线持续扩张。根据 EVTank 的《中国钠离子电池行业发展白皮书(2023 年)》显示,截止到 2023 年 6 月底,全国已经投产的钠离子电池专用产能达到 10GWh,相比 2022 年年底增长了 8GWh,主要增量产能来自于传艺科技、多氟多、维科技术等。EVTank 在白皮书中预计到 2023 年年底全国或将形成 39.7GWh 的钠离子电池专用量产线,主要增加产能来自于宁德时代、湖南立方、海四达、兴储世纪等已确定进入实质性建设并进行设备招标的企业。现有钠离子电池企业的合计规划产能已达到 275.8GWh,按照各企业的规划进度,全行业实现这一产能的时间节点将是在 2025 年年底。
2.3、若按照锂价 15 万元/吨假设,2024 年锂钠电池材料成本有望实现平价
我们对两种钠电池技术路线:层状氧化物正极+硬碳负极、普鲁士蓝正极材料+软碳负极进行了成本拆分,同时也计算了磷酸铁锂电池的材料成本,尝试通过钠电池与锂电池的材料成本对比,进一步挖掘钠电池的优势。
因此,以“层状氧化物+硬碳”和“普鲁士蓝+软碳”两种材料体系为例,2023 年钠电池材料成本约为 464-526 元/Kwh 仍高于磷酸铁锂电池,预计2024 年钠电池材料成本有望达到 351-392 元/Kwh 区间,磷酸铁锂电池材料成本有望达到 377 元/Kwh,因而锂钠电池材料成本有望实现平价。
2022 年由大连融科承建的首个国家级全钒液流电池的一期 100MW/400MWh 示范项目已于 2022 年 10 月底正式并网发电,标志着钒电池开始步入规模化应用阶段。
2022-2023 年,全钒液流电池拟建项目迅速增多,我们大家都认为 2024 年全钒液流电池将进入加速落地阶段,后续将加速拉动对产业链所有的环节的需求,我们重点看好电解液和质子交换膜两个环节。
2022 年以来,在储能整个市场快速地增长的背景下,全钒液流电池项目的进度也大幅超预期。2022 年 1 月-2023 年 9 月期间,包括规划签约、备案、开工、在建、中标、招标等的全钒液流电池项目规模合计已达 3.9GW/16GWh。
目前产业链发展较为初期,多数环节由钒电池生产企业自行完成,主要形成了上游五氧化二钒的原料生产,中游各部件的配套和下游整装生产三大环节。主要的公司情况如下:
(1)上游:上游主要为电解液原料五氧化二钒的生产,包括钒钛股份、河钢股份、川威集团、龙佰集团等。
(2)中游:电解液生产企业主要有大连博融(大连融科子公司)、湖南银峰、河钢股份等。电堆目前多数由钒电池生产企业内部供应,最重要的包含大连融科等钒电池企业;其中,质子交换膜生产企业主要有科慕(原杜邦)、东岳集团、苏州科润等;电极生产企业包括辽宁金谷等。其他的则为电控、电子系统和储存罐等工程物件生产企业。
(3) 下游:钒电池生产企业包括大连融科、北京普能、伟力得、武汉南瑞(国网英大)、上海电气等。
电解液是钒电池的关键材料,不同于锂离子电池,钒电池电解液直接充当电池系统的正负极。电池的正极电解液为含有四价和五价钒离子的硫酸溶液,负极电解液为含有二价和三价钒离子的硫酸溶液。全钒液流电池的电解液是通过硫酸/盐酸和五氧化二钒混合得到高浓度的含钒溶液,再通过配方配制获得。
全钒液流电池的功率和容量相互独立,功率由电堆的规格和数量决定,容量由电解液的浓度和体积决定。当功率一定时,要增加储能容量(充放电时长),只需提高电解液体积、浓度即可,液流电池单位增加的成本低于其他系统电池。
据大连化物所的张华民 2022 年 6 月发表的《全钒液流电池的技术进展》测算,1Kwh 电解液需要 8kg 高纯度的五氧化二钒。张华民在《全钒液流电池的技术进展、不同储能时长系统的价格分析及展望》中测算了不同储能时长的全钒液流电池储能系统价格(融科储能 2021 年第三季度兆瓦级全钒液流电池储能系统价格)。除电解液以外的电池储能系统市场行情报价为 6000 元/kW,五氧化二钒 10万元/吨时,电解液的价格约 1500 元/kWh。
当储能时长为 1 小时,储能系统价格为 7500 元/kwh。若储能时长为 4 小时,储能系统价格为 3000 元/kWh(非电解液部分系统成本按 4 小时分摊,储能系统价格为 1500 元/kWh,占比 50%;电解液价格 1500 元/kwh,占比 50%)。若储能时长增至 8 小时,储能系统价格为 2250 元/kwh。储能时长越长,单位成本越低。
五氧化二钒主要来自于钒钛磁铁矿、石煤提钒、废催化剂原料等,目前国内主流的提钒方式是从钒钛磁铁矿炼钢过程中产生的钒渣中提取五氧化二钒(2020 年占比约 87%)。从事上游钒制品生产的公司包括钒钛股份、河钢股份等。
据百川盈孚,国内钒产品产能合计 19.34 万吨(截至 2023 年 10 月底),钒产品生产的前十大企业分别是钒钛股份、成渝钒钛、承德钒钛、西昌钢钒、承德建龙、四川德胜钒钛、建龙钒业、达州钢铁、锦州钒业、陕西五洲矿业。
同时,部分上游五氧化二钒的生产企业慢慢的开始介入到电解液的生产当中,如钒钛股份与大连博融的合作、河钢股份与北京普能合作等。目前主要生产钒电解液的企业有湖南银峰、星明能源、大连博融、河钢股份等。
2025 年钒电池拉动的五氧化二钒需求分别为 6.1 万吨(悲观)和 12.9 万吨(乐观)。考虑 2023年钒电池规划项目较多实际落地较少,我们对 2023-2025 年的钒电池装机规模做了修正,我们下调悲观假设和乐观假设下 2023 年-2025 年钒电池年新增装机功率和规模。我们预计 2025 年钒电池拉动的五氧化二钒需求分别为 5.6 万吨(悲观)和 8.6 万吨(乐观),假设五氧化二钒价格稳定在 10 万元/吨,对应市场规模分别为 56 亿元(悲观)和 86 亿元(乐观)。
电堆是发生电化学反应的场所,集成了电极、隔膜、双极板等材料组件,其密封设计、组装工艺等对于电池的可靠性、功率密度及整体成本都有着至关重要的影响。电堆的主要结构包括质子交换膜、电极、双极板、铜集流板、液流框、端板及连接件等,其中质子交换膜、电极、双极板为主要的构成部分。
质子交换膜是电堆的重要组成部分,其作用是允许氢离子通过的同时,阻止正负极电解液中不同价态的钒离子的混合。理想的质子交换膜应该拥有高物理化学稳定性、低膜电阻、钒离子选择性高、高质子电导率、低水渗透率和低成本的特点。按照离子交换团不同,钒电池质子交换膜可分为非离子导电膜(多空结构)和离子导电膜;按照化学成分不同,钒电池质子交换膜可大致分为含氟类质子交换膜、非氟类质子交换膜。
全氟类质子交换膜是最早产业化应用于液流电池的商用膜,现在主流的全氟磺酸膜(PFSA)由聚四氟乙烯(PTFE)的主链和全氟乙烯基醚的磺酸基构成,共同形成亲疏水分离结构,并且可在强酸强碱中稳定存在。
在离子交换膜方面,目前全球钒电池主要使用的是科慕(原美国杜邦公司,于 2015 年 7 月与杜邦公司完成拆分)的 Nafion 全氟磺酸树脂交换膜,Nafion薄膜以磺酸基团为交换基团,作为全钒氧化还原液流电池的标准隔膜,其在电解液中的稳定性高,但价格昂贵。目前,国内的江苏科润新材料、东岳集团、亿华通旗下的上海神力、中科院大连化物所、国润储能等都自主创新开发了更低成本的膜,其中江苏科润新材料和东岳集团为专业膜生产商。
据高工氢电统计,国内市场仍以科慕的全氟磺酸树脂膜为主要应用产品,其出货量市场占有率为 77%;而国产的液流电池质子交换膜市场占有率为 23%,其中,国内出货量靠前的企业为江苏科润新材料和东岳未来氢能。
2025 年钒电池拉动的质子交换膜需求分别为 152 万平方米(悲观)和 320 万平方米(乐观),考虑钒电池装机规模的调整,2025 年对应质子交换膜需求修正为 140 万平米和215 万平米,对应市场规模修正为 28 亿元和 43 亿元。
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