好储能需要好电芯,但不能只是好电芯

俺是元小锂 2024-02-11 08:53:20

随着网侧独立储能的发展,面对高调用的前景和越来越大的单体储能电站规模,投资商对储能系统的安全和品质越发看重。但在现实招标中,投资商往往重电芯品牌,轻系统集成商品牌,并且低价中标现象仍然突出。“忽视了专业集成的价值,相较系统集成商品牌,投资商更看重电芯品牌,这并不科学。”一位系统集成商表示。

电芯是储能系统的最重要部分,成本占比超过一半,近年来储能最重要的技术进步,从更大容量、更长循环寿命到液冷技术等,要么是电芯的技术进步,要么是围绕电芯来进行技术创新。但这不意味着储能可以和电芯划等号。

电芯作为储能系统中最重要的能量载体其重要性毋庸置疑,但储能系统的集成涉及众多关键环节,而每一个环节都将深度影响储能系统的安全性和可靠性。

举个简单的例子,能系统集成的第一步,就是将单个电芯组成模组和电池模块/PACK(一般一个电池模块/PACK内包含若干个模组,每个模组由若干个电芯通过钢箍箍在一起),其中的结构、电气和热设计便极其考验集成商对锂电池工作原理、失效机理、发热模型、温控、安全防控手段的研究深度,也考验数据采集点的设计是否合理、可靠,是否能够表征所有电池的状况,以及部分采集数据失效后如何最大化还原电池的状况并在发生异常时能够快速预警和保护等。

此外,储能系统还包括BMS、PCS、EMS以及如何与电网互动等,这些部件共同协作,才能实现电能的储存和释放。这具体涉及到BMS的硬件架构、软件算法,供电设计、PCS的硬件架构、性能优化、控制算法、多系统融合、数据存储/传输/分析/预警/保护、消防、结构强度和防护、温湿控制、电磁环境适应性等,要搭建一个高安全、高效率、低成本的储能系统,需要多专业多领域的跨界融合。

远景集团高级副总裁田庆军指出,好的储能是电芯、电力电子和电力系统的完美结合。好储能需要好电芯,但储能不等于电芯,好电芯不一定能做出好的储能系统。

选用同一厂家的电芯,集成后系统性能表现可能完全不一样。比如,因为不专业的系统集成,储能系统发电不达标、辅电消耗大;由于对电网、电力系统不了解,储能电站的规划设计、功能配置不合理,储能系统无法响应电网、并网不稳定等;储能电站出现故障后,由于储能系统单元多厂家供应,责任不清、扯皮严重。

在国内外,使用一线品牌出现安全事故的案例并不鲜见。从事故官方分析报告来看,60%-80%以上储能事故因非专业集成导致。部分厂家的系统集成设计只是将采购来的不同品牌的锂电池、储能PCS及电池管理系统BMS等设备简单堆砌到集装箱或柜子中,其集成水平无异于“组装机”。

2021年4月16日,北京大红门储能电站起火爆炸,震动了储能业内,也对储能的发展造成巨大负面影响。

事后调查发现,这个储能电站在系统集成方面存在诸多不专业的地方。如:电池状态监测粗放、电芯热失控预警缺失;BMS、PCS、EMS等联动保护不足;消防设计成摆设等等。可以说,正是不专业的系统集成,造成了这次储能电站的重大事故。

从产品角度来看,好的储能系统需要确保安全,并实现更优性能。电芯决定储能系统的性能的上限,但集成能力可以决定下限有多高。专业的系统集成可以更少的降低电芯在转换效率、使用寿命等性能指标上的损失,并提升一致性。

在安全方面,电芯决定的是储能系统的下限,集成能力决定的是安全的上限。电芯安全不等于储能系统安全,选用质量可靠、品质优良的电芯只是储能的安全基础,高可靠性的模组设计、稳定扎实的采集和保护、优化高效的电气控制、性能卓越的温控调校等任何一个单元出错都可能导致储能系统产生不良后果,甚至酿成严重事故。在锂电池储能未能彻底做到本质安全的情况下,必须依靠强大的集成技术能力最大程度地降低火灾风险隐患。

储能的系统集成还在向定制化的方向发展。源网侧大储能和用户侧的需求存在差异。大储要求安全、可靠和更低的初始投资成本;工商业对安全性和经济性要求高;户储还看重外观品质、需要工业设计,追求极致安全;不同场景对电芯、系统等要求具有差异化,需要系统集成商高效集成不同的技术。

科陆电子首席战略专家郭鸿形象地做了一个比喻,电芯的本质是食材,专业的集成商其实更像是一个厨师。集成商基于对业务本身的理解能力,以及集成和交付能力,联合电芯厂商做出满足不同应用场景需求的产品,为行业创造更好的服务。

归根到底,储能系统不是硬件的简单拼接,仅选用好电芯并不能保证储能系统有好的性能表现。好的储能需要从系统的角度去设计和优化,需要全面的核心技术融合,需要储能厂商掌握全栈的专业技术知识。

储能电站要做到15-20年的寿命,储能厂商注定要做投资商的长期合作伙伴,为投资商提供全过程、全生命周期的服务。当前,各地政府都在积极推动储能参与电网调用,储能系统的安全和性能将经受高调用的考虑,一旦频繁参与电网调用,储能系统是“李逵”还是“李鬼”将很快现形,储能投资商也将更快走出唯部件论、唯价格论的误区,以最终系统表现为标准。选择具有专业系统集成能力、值得信赖的的储能厂商,去帮助投资商降成本、去风险。

储能系统集成商之战

去年,储能行业一度处在电池供应链紧张的焦虑之中,随着该问题的缓解,储能电池价格也不断下探,下游储能系统报价也随之走低,环环相扣。目前,国内储能系统集成商的竞争十分激烈,产品呈现出同质化趋势,价格也“内卷”出新高度,价格也因此成为了企业获取订单的关键因素。从产业发展来看,在多方博弈中,仅仅依靠低价的竞争策略不具备可持续性,未来,具有垂直一体化产业链、全球业务布局及强劲综合实力的企业才能快速突出重围。

垂直一体化产业链

储能系统集成产业链包括电池、PCS、EMS、BMS等环节,其中成本占比最高,且对产品性能、产品安全性影响最大的储能设备主要是电池和PCS。

随着下游客户对产品提出更具体、多样化的要求,储能系统集成商不再仅仅是各种储能设备的“集合商”,如何优化电池性能、保证数千个电芯安全运行、提高系统寿命成为了考验集成商实力的因素。

储能大热的风,近两年吹的十分旺盛,从各地的补贴政策,再到众多闻风而起的新老玩家,储能好风光也着实聚集了一大批入局者。当前,储能系统集成市场鱼龙混杂,参与企业众多,如何才能真正分到这杯羹?越来越多头部企业通过垂直一体化深入介入系统集成的各个环节,自上而下完善产品设计与生产,具备一体化垂直制造能力的企业将更有竞争力。

全球业务布局

当前,全球市场业务竞争激烈,而海外储能市场的“高利润”属性使得储能企业拥有更好的竞争格局,但同时,海外市场也有着更高的进入门槛。先人一步的头部企业早已快速布局加码海外业务,不断加强品牌在终端客户的覆盖能力,多方面拓展市场增量空间。更接近终端的客户资源、更提前的锁单能力、更周全的业务布局、更有优势的价格,这些都让头部企业可以快速获得较高的市场份额。长期来看,在完善自身产品的基础上,打造自有品牌并深化客户认知,是储能企业业务稳定发展的护城河。只有从“产品出海”蜕变到“品牌出海”,持续增强品牌影响力,才能正在走向世界。

2024年储能发展趋势

受新能源装机高速增长、电力交易模式发展、原材料成本下降、政策引领等多种因素影响,全球新型储能市场规模快速发展,储能市场近两年迎来了“爆发式”增长。TrendForce集邦咨询预计,2023年全球新增储能装机52GW/117GWh;展望2024年,集邦咨询预计2024年全球储能新增装机71GW/167GWh,同比增长36%/43%,保持高增。

从增量上看,大储仍保持着绝对领先的地位。工商储方面,随着峰谷电价差不断拉大,项目经济性已跑通,预计2024年也有一定增量。户储方面,虽然居民对于装机的迫切性有所减弱,但因户储起量时间早,且盈利模式较为成熟,所以户储在24年的增量上将略高于工商储。从利来看,明年海外大储系统集成商仍可享受碳酸锂降价红利,国内大储系统集成商及PCS公司利润已处于底部,但行业出清尚需时日。海外出货占比高且具有垂直一体化制造能力的头部储能系统集成商将具有一定优势。

储能系统七大主要进化路线

要实现储能平价,储能行业必须走向规模化健康发展,并解决商业模式、安全稳定性、平准化、度电成本LCOE等方面的难点。从技术角度,围绕安全与降本,储能产品的进化路线主要体现在大容量、长寿命、高效率、高安全、储能消防、高度集成以及智能化等方面。

大容量

电芯方面,储能行业继续向更大容量方向发展,储能电芯容量也向280Ah及以上快速迭代,甚至迎来“300Ah+”储能电芯的高潮。当前,280Ah已成为电力储能电芯主流容量,今年下半年多家电池企业具备300Ah+电芯的批量交付能力。容量向上突破的同时,280Ah及以上大容量电芯已经陆续量产交付。

国轩高科循环寿命达万次的300 Ah储能电池已经实现量产;远景动力305 Ah储能电芯已在过去两年里实现了规模化量产交付;2023年2月,亿纬锂能量产LF560K储能电池“超级工厂”于湖北荆门正式动工,产能将达60 GWh。此外,LF560K超级工厂已在云南、青海等地建设,预计2024年Q2开启全球交付;针对电网储能,欣旺达已经实现280Ah电池量产,在研的306Ah/314Ah电池将进一步优化能量密度、能效和成本,目前进展顺利。瑞浦兰钧宣布其320Ah储能电芯将于Q3量产;蜂巢能源325Ah储能电芯将10月在成都基地下线;南都电源305Ah储能电芯将在2023实现量产。鹏辉能源314Ah电芯11月已批量产出货。

此外,在储能系统方面,今年5月开始,主流集成厂商纷纷推出20尺5MWh的高容量储能系统产品。储能单体电芯的容量不断扩大将助推系统单机容量的扩大。当前行业内已有10+企业的20尺5MWh储能系统产品均采用300+Ah大电芯,未来大电芯的逐步量产将帮助储能系统走向5MWh时代。一方面,现阶段市面上5MWh储能系统采用314Ah、315Ah、316Ah和320Ah的大容量电芯,相较于主流280Ah电芯于20尺集装箱集成所呈现的3-4MWh的系统能量,5MWh 20尺集装箱储能系统能量密度更高,节约了占地面积,从而减少了储能电站建设的土地成本。另一方面,预制舱系统有利于减少施工工程量从而降低施工成本,集装箱紧凑型非步入式设计可保证操作与运维全部在箱外完成从而降低调试运维成本。综上,大容量储能系统是降本的一种方式,也是储能未来发展的一个方向。

电芯循环长寿命

储能电池的循环寿命已成当下锂电池企业产品比拼的关键指标,提高电芯循环寿命也成为了发展重点。目前,由于磷酸铁锂电池成本较低且寿命较长,普遍适用于储能系统。锂电池使用寿命的增加在一定程度上意味着储能系统的整个生命周期成本会降低。例如,当储能电池的循环寿命提高到10000次时,储能成本可以降至每千瓦时1000元以下,考虑到充放电损耗和折旧,每度电成本将低于0.16元。随着技术的发展,各大企业都在积极研发循环寿命更长的电芯产品,许多企业的储能电芯循环寿命已突破12000次。

亿纬锂能:LF560K电池容量为560Ah,循环寿命超过12000次。蜂巢能源:325Ah短刀叠片电芯,循环寿命可达12000次。中创新航:305Ah电芯,循环寿命达12000次以上;314Ah电芯循环寿命提升至1.5万次。远景动力:315Ah电芯,循环寿命高达12000次。海辰储能:300Ah电芯,实现了循环寿命达12000次。

高效率

此前,在储能行业的起步阶段,不管是投资方、业主方还是集成方,对效率的要求或者说是实际效率都不是那么清晰。随着储能行业快速增长、储能知识及经验的大量沉淀,各方都加大了对储能系统效率指标的关注,且都会提到相应的效率要求。但对于效率的界定方式,各方都存在较大的差异。业主招标要求中一般会写到储能效率要求不低于85%。5月30日,新疆自治区市场监督管理局发布的《光伏电站储能系统配置技术规范》征求意见稿中,针对储能系统技术要求,提出锂离子电池储能系统能量转换效率不应低于92%,铅炭电池储能系统能量转换效率不应低于86%,液流电池储能系统能量转换效率不应低于65%。

更安全

由大容量产生的安全性难题正在倒逼企业加速进行安全升级,因此温控及消防技术得到了快速发展。风冷系统通过气体对流降低电池温度。具有结构简单、易维护、成本低等优点,但散热效率、散热速度和均温性较差。液冷系统散热效率、散热速度和均温性好,但成本较高。储能温控方面,液冷技术渐渐成为大型储能系统的主流方案,进入大规模应用阶段。对比风冷,采用液冷系统电芯,电芯温差<3℃,提高了系统可靠性。

储能消防

电化学储能电站的消防安全问题一直备受关注。7月1日开始实施的《电化学储能电站安全规范》将消防门槛显著提高,储能产业逐步迈向Pack级消防。

以往,由于储能系统消防验收制度尚未健全,部分地区电化学储能电站消防验收方面基本属于“裸跑”的状态,无法保障电化学储能电站的安全运行,也给行业带来诸多乱象,对行业的长远发展带来诸多弊端。在国家标准《电化学储能电站安全规程》中,对于储能消防提出明确要求,总结起来有以下4点:

1)事前预警

强调“电化学储能电站应设置火灾自动报警系统”“电池室/舱内应设置可燃气体探测器、温感探测器烟感探测器等火灾探测器,每个电池模块可单独配置探测器”。

2)系统联动

强调“电化学储能电站的消防系统、通风空调系统、视频与环境监控系统之间应具备联动功能”。

3)精准消防

强调“电池舱应设置自动灭火系统,锂电池舱自动灭火系统的最小保护单元宜为电池模块,每个电池模块可单独配置灭火介质喷头或探火管”。

4)抑制复燃

强调“灭火介质应具有良好绝缘和降温性能,自动灭火系统应满足扑灭火灾和持续抑制复燃要求。

高度集成

专业系统集成技术应该是将电化学技术、电力电子技术和电网支撑技术深度融合的系统级产品,而不是简单的“搭积木”。储能系统集成商要最大化消除热失控风险,电芯要有充分的均衡能力。储能系统集成商应该具备产品思维,并对系统级产品进行充分的验证、测试,最后才能交付给客户。

回顾当前行业发展动态,无论是用户侧还是源网侧,储能复杂的产品形态搭配复杂的应用模式为集成技术革命埋下了伏笔。如何将电池组、储能变流器(PCS)、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)等关键部分通过有效的方案集成,最大限度提升系统经济性和安全性,成为了行业发展的第一性原理。未来,全生命周期发电量持续提升,控制精度不断提高,系统设计愈发便利,运维模式更加简洁是永恒不变的发展方向。

智能化

储能作为系统解决方案,在未来持续交易的情况下,要保障电站安全、稳定、高效运行,让业主产生最大价值和利益,就需要引进大量的数字化技术,实现软件和硬件结合。EMS和BMS是储能系统中主要的数字化技术应用地。储能系统通过EMS参与电网调度、虚拟电厂调度、源网荷储互动等。作为储能系统的“大脑”,未来EMS核心竞争力主要在于软件开发能力和能量优化策略设计能力。BMS担任系统中的感知角色,主要功能是监控电池储能单元内各电池运行状态,保障储能单元安全运行。BMS功能已由监测、通讯、保护、显示、存储等基本功能,向电池系统安全诊断、长寿命运维、系统经济性指标诊断等高级功能方向发展。

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