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(报告出品方/作者:天风证券,孙潇雅)
一、为什么储能系统需要温控?
储能温控的基本要求:控制单体电池表面温湿度+避免电池系统产生局部热点
温度对电化学储能系统中的锂电池容量、功率和安全性等性能都有很大的影响,因而在实际应用中,需要进行有效的电池热管理。 与动力电池系统相比,储能系统聚集的电池数目更多,电池容量和功率也更大:大量的电池紧密排列在一个空间内,运行工况复杂多变, 时而高倍率,时而低倍率,容易造成产热不均匀、温度分布不均匀、电池间温差较大等问题。而这些问题可能会导致部分电池的充放电 性能、容量和寿命等下降,从而影响整个储能系统的性能,严重时会引发热失控,造成安全事故。
温度对储能系统中的锂电池性能影响包括:
容量衰减:高温下活性锂离子电池损失,导致磷酸铁锂电池的容量衰减,使得电池储能系统的实际运行容量快速衰减。
热失控:在电池的充放电过程中,一部分化学能(放电)或电能(充电)会转变成热能,若热能无法及时散出、在电池内部积聚形成高 温,可能会导致正负极发生短路,引起燃烧、爆炸等安全问题。而在储能系统中,一个电池热失控,可能引发连锁效应,造成重大事故。
低温特性:低温下电解质的传输性能、锂的扩散速度、电极和电解质界面处的电荷转移速度均会显著下降,因而锂电池的容量亦会下降。因此锂电池在低温下循环可能会导致锂在负极析出、积聚,形成锂枝晶,轻则造成不可逆的容量损失、降低电池的容量和热安全性,重 则刺破隔膜造成短路。
因此,在储能系统中,温控的要求包括:
控制单体电池的表面温湿度:保持最佳工作温湿度,1)温度+15°C-+35°C;2)相对湿度在5%-95%之间且无冷凝水;
避免电池系统中产生局部热点:电池间的温差不超过5°C,避免产生局部热点。
储能系统大容量、电池高倍率趋势下,储能温控愈发重要
以功能分类,电化学储能可分为两种:能量型储能(高能量输入/输出)、功率型储能(瞬间高功率输入/输出)。从大容量、电池高倍 率的大趋势看,未来储能温控的重要性将不断上升。
能量型储能:需要满足较长时间的放电需求,适用于新能源发电侧的储能、用户侧的峰谷价差套利等,未来趋势是项目容量不断扩大。 展望未来,风光等新能源发电项目装机高增速+配储比例扩大的大趋势下,发电侧储能项目有望加速上量,同时项目容量亦会有扩大趋 势。因此,对于能量型储能项目而言,电池系统的容量增大将带来项目产热量的提升,储能温控的需求及重要性将随之上升。
功率型储能:需要满足大功率放电需求,适用于电网侧调峰调频场景,未来趋势是电池高倍率化。火电机组联合调频、电网侧储能调频 辅助服务等场景,要求储能电池实现高倍率充放电的需求,满足分钟级、秒级、甚至毫秒级功率调节的能力,快速响应负荷变化。展望 未来,新能源发电项目装机量的增加将加大电网侧调峰调频的需求,电池高倍率化驱使储能系统的功率密度不断提高,因而发热量亦将 不断增大,储能温控的需求及重要性亦将随之上升。
二、储能温控技术趋势?
已规模性应用的技术包括风冷、液冷,在研技术包括热管冷却、相变冷却
目前,大容量锂电池储能系统可采用的温控技术主要包括四种,分别适用于产热率、环境温度不同的应用场景:
风冷:以空气为介质进行热交换。主要特点为结构简单、成本低,但散热速度和效率较低,适用于电池产热率不高的储能项目;
液冷:以液体为介质进行热交换。主要特点为散热速度和效率更高,但结构更复杂、成本更高,同时需考虑冷却介质泄露的风险;
热管冷却(尚处于实验室阶段):依靠管内冷却介质发生相变来实现换热。主要特点为散热速度和效率高于液冷,冷却介质泄露 风险更低,但成本更高;
相变冷却(尚处于实验室阶段):通过相变材料吸收热量,并结合风冷/液冷系统等导出热量。主要特点是结构紧凑、接触热阻 低、冷却效果好,吸收的热量需要依靠液冷系统、风冷系统等导出,但相变材料占空间,成本高。
风冷:优势为成本低,应用中考验风道设计的定制化能力
主要构成部件:主要由室内机(包括压缩机、蒸发器、膨胀阀等)和室外机(冷 凝器等)构成,室内机与室外机一一对应;
工作原理:压缩机抽取压缩室内热量,形成高温高压气体送入室外的冷凝器中, 气体通过向外放热液化,液体回到蒸发器中向室内吸热蒸发,后回到压缩机,完 成一次制冷循环。
优点:结构简单、易维护、安装成本低。
缺点:空气的比热容低,导热系数也很低,因此冷却效率较差,适用于发热功率 小的中小型设备温控。
在储能项目的应用中,由于不同集装箱的电池能量密度、摆放位置、容量大小等 有所不同,因此需要运用风道对集装箱内空气流向进行定制化设计。
散热风道:包括与空调出口连接的主风道、主风道内的挡风板、风道出口以及电 池架两端的挡风板,作用为将空调输出的气流输送至各风道出口处,并保证各出 口气体流量一致。
工作原理:空调输出的气流经风道出口流入电池模组内部,流经电池单体表面对 电池单体进行热交换,然后由风扇抽出。
定制化要求:1)风道出口的位置及风量需要合理分配,使流场及温度场分布更均 匀;2)各出风口的气体流量需一致,送风需保持均匀性,以避免产生局部热点。(报告来源:未来智库)
液冷:优势为冷却效率高,应用中考验流道设计的定制化能力
以液体为冷却介质,实现热源侧换热;根据液体与热源接触方式不同,液 冷可以分为直接/间接接触型液冷。
主要构成部件:主要由室内机(包括压缩机、蒸发器、膨胀阀等)和室外机(冷 却塔等)构成,一般室外机只有一台,分散热源流入冷却塔中进行集中散热;
工作原理:直接接触型为冷却液与电池直接接触进行换热;间接接触型为冷却液 在冷却管/板中流动,与电池间接接触换热。
优点:液体的比热容、导热系数高于气体,因此冷却效率更高、耗能更低。
缺点:成本高、工况复杂、冷却塔占地大、存在漏液风险。
当前直接接触型液冷的应用仍不成熟(出于对漏液风险的考虑),液冷在储能的 应用上以间接接触型为主,因此在实际应用中需要对间接接触的流道数量、流量、 流速等进行定制化设计。
定制化的要求—多目标优化设计,以获得性价比更高的方案:液冷系统的冷却效 果与冷板间电池数目、冷却剂流速、冷板厚度等设计参数有关,通过提高流道数 量、冷却剂流速、冷板厚度,可以有效降低平均温度和让温度分布更为均匀,但 相应的投资成本也会随着增加。此外,流量的边际增大效果会随着流量的增大而 递减。因此,需要进行多目标优化设计,从而获得一个性价比较高的设计方案。
在研技术:热管冷却的效率及安全性更高,相变材料尚处起步阶段
热管冷却:依靠封闭管壳内工质相变来实现高效换热。
主要构成部件:由管壳、管芯及工质组成,分为蒸发段、绝热段和冷凝段。
工作原理:热管的蒸发段受热时毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在微小的压差下 流向另一端放出热量凝结成液体, 液体在沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。由于毛细力造成的虹吸作用这一特点,使热管可在非重力方向传热。
优点:导热效率更高,温度控制可做到等温、恒温,冷却介质。
缺点:尚处于实验室阶段,技术不成熟。
相变材料冷却:利用相变材料发生相变进行吸热。
相变材料:分为无机和有机相变材料,其中无机相变材料主要有石墨、熔融盐、 结晶水等,有机相变材料例主要有石蜡、醋酸等。
工作原理:温度不变的情况下改变物质状态并且提供潜热物质,转变物理性质来 吸收或释放大量潜热,达到降温的目的;此外,相变材料冷却与其它冷却方式 (如风冷、液冷等)耦合形成的散热系统亦有使用。
优点:系统结构简单,空间利用率高,不需额外耗功,电池组温均性较好。
缺点:导热系数低,导热性能差,无法用于电池的高产热工况,尚处于实验室阶 段。
目前两种新技术仍在实验室阶段,考虑研发和新技术测试认证时间,从中期维度 看,我们认为3-5年内实现规模化应用的可能性不大。
三、储能温控行业的中期市场空间?
市场空间测算:预计25年温控市场达211亿元,21-25年CAGR达到96%
对21-25年全球市场空间测算的核心假设:
发电侧配储:装机量为14/50/85/147/239GWh,液冷占比为 30%/38%/45%/50%/55%;
电网侧储能:装机量为2/4/12/15/25GWh,液冷占比为 15%/20%/25%/30%/35%;
工商业储能:装机量为2/7/16/30/57GWh,液冷占比为 15%/20%/25%/30%/30%;
户用储能:装机量为4/8/14/32/77GWh,液冷占比为 10%/15%/18%/20%/20%;
通信基站:装机量为10/12/19/21/22GWh,液冷占比为 10%/15%/20%/25%/25%;
装机产量比:90%。
温控系统价值量:21年风冷/液冷价值量分别为3000/9000万 元/GWh,往后每年降幅5%。
测算结果:1)预计21年全球储能温控市场空间14亿元,其 中风冷、液冷分别占比80%/20%;2)预计25年市场空间达 到211亿元,其中风冷、液冷分别占比58%/42%;3)21- 25年CAGR达95.9%。
四、储能温控行业的投资机会?
4.1、行业壁垒:市场参与者的竞争优势来自于哪些 方面?
储能温控与精密空调、工业制冷设备等有相似的技术要求
储能温控与精密空调、工业制冷设备等具有较高的技术要 求相似性。概括来说,储能温控的工作对象电池系统、精 密空调的工作对象如数据中心、以及工业制冷设备的工作 对象如工业机组等,对温控的要求有较高的相似性,具体 表现为:
对温度、湿度有高恒定性要求:必须控制设备处在恒温恒 湿环境的状态中,以避免设备及内部电子元件烧毁甚至引 发火灾。
有在户外工况下正常工作的能力:要求有较好的过滤空气 杂质(风冷)、液体杂质(液冷)能力,以防止杂质进入 温控系统或设备中。
长时间稳定运行的能力:设备通常需要长时间不间断运行, 因此对应要求温控设备有7*24小时不间断稳定运行的能力。
液冷中,要求管路中的冷却液不能泄露:一旦管路中的冷 却液发生泄漏,会引发设备进水短路,毁坏设备甚至引发 火灾。
4.2、行业投资机会:为什么看好细分赛道储能温控?
液冷占比提高带来ASP提升,市场空间CAGR超越储能大行业。储能温控行业的投资机会,主要来自:市场空间增速超越储能大行业需求增速(21-25年储能温控行业空间CAGR+96%,储能装机量 CAGR+92%)。实现超越大行业需求增速的主要原因,系液冷占比提高预期,带来的ASP提升。制造业通常有年降机制,因而使得行业市场空间增速 慢于下游需求增速,而储能温控行业能实现超越大行业需求增速的核心原因,系出于对温控散热速率需求提升而带来的液冷占比提高预 期。基于我们的预测,预计21-25年液冷占比将由20%提升至42%,而液冷的价值量高于风冷,因此预计21-25年储能温控行业平均 价值量由4200万元/GWh提升至4500万元/GWh。
4.3、公司投资机会:哪些公司有望从行业中脱颖而 出?
中期市场格局:
精密空调行业与储能温控行业有较高相似性及可比性
储能温控行业与精密空调行业具有较高的相似性,除技术相似性外,亦同样考验公司的预制化、模块化、定制化、智能化能力。精密空 调广泛运用于数据中心等对主设备运行环境有较高要求的行业。除满足基本的性能要求外,精密空调供应商同样需要提高其预制化、模 块化、定制化、智能化能力,以满足下游非标性需求:1)通过预制化& 模块化,提高效率、降低成本;2)通过定制化,满足项目的 地域环境、建筑结构、温湿度要求等多样性需求。3)搭配智能控制系统,实现状态查询、报警分析、参数设定等远程智能控制功能。
受数据中心建设需求爆发,精密空调行业经历了14-19年的行业高增期,因此,我们选取数据中心的精密空调行业做横向对比,以分 析预测中期层面储能温控行业的市场格局发展方向。2014年为中国数据中心行业爆发的元年,14-19年中国数据中心市场空间从372 亿元增长至1541亿元,CAGR+32.9%。受大行业高增速带动,国内机房空调市场亦有较大增长,14-19年市场空间从34.6亿元增长 至57.4亿元,CAGR+10.7%。(报告来源:未来智库)
或与精密空调行业类似,“一超多强”——龙头地位稳固,行业格局分散
精密空调市场格局:经过多年发展,目前国内机房空调呈“一超多强”格 局,先进入者艾默生龙头地位稳固,其他份额由国内公司占据。
“一超”—行业龙头:艾默生自70年代末进入中国市场,并跟随90年代 末精密空调行业发展至数据中心机房领域,凭借先发优势及技术积累迅速 打开中国国内机房空调市场,14-19年市场份额稳定在30%左右。
“多强”—国内供应商市场份额稳步提升:从制造业行业特性而言,精密 空调行业下游通常会开发3-4家供应商,以提高议价权、提高供应链安全 性;因此,在多年的发展中,随着国内供应商在产品制造能力、软实力 (非标化能力)等多方面的提升,国产品牌的销售额及市场份额亦有稳步 提升,19年多家国内企业市场份额提升至10%左右。
精密空调盈利能力:国内主要厂商的毛利率在30%-40%之间,我们认为, 稳定的毛利率主要系行业非标特性决定。依米康的统计口径为信息领域 (系统集成业务+精密空调业务),系统集成业务毛利率低于精密空调业 务,使得整体毛利率较低。除了依米康之外,佳力图和英维克的业务毛利 率均在30%-40%,我们认为,相对较高且稳定的毛利率主要因行业非标 特性决定。
类比储能温控行业:基于高相似性及高可比性,我们认为,中期来看储能 温控行业或会有相似的演变路径——市场格局呈“一超多强”,盈利能力 相对较高及稳定。
报告节选:
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