2023年重力儲能行業(yè)研究報告(附)

2023年重力儲能行業(yè)爭論報告〔附下載〕導語型抽水蓄能、基于構筑物高度差的重力儲能、基于山體型抽水蓄能、基于構筑物高度差的重力儲能、基于山體落差的重力儲能和基于地下豎井的重力儲能。型重力儲能：儲能行業(yè)后起之秀重力儲能舊瓶換酒重力儲能屬于機械儲能，其儲能介質主要為固體物質和水。重力儲能的根本原理是基于高度落差對儲能介質進展升降，從而1〕當以水為重力儲能介質時，儲能系統(tǒng)可以使用密封性較好的管道、豎井等構造。水介質最大的局限在于其靈敏性以及儲能容量將會受到水源和地形的極大2〕當以固體物質為介質時，固體重物需要選擇密度較高的物質，例如金屬、水泥、石砂等從而實現(xiàn)相對較高的能量密度。型重力儲能將通過多種路徑實現(xiàn)。海外在19抽水蓄能電站；我國重力儲能應用相對較晚，于1968一座小型混合式抽水蓄能電站。目前依據儲能介質和落差實現(xiàn)路徑的不同有多種重力儲能方案：基于抽水蓄能、基于構筑物高度差、基于山體落差、基于地下豎井等方案。型重力儲能種類多樣，應用場景翻開重力儲能種類多樣，不同類型重力儲能應用場景不同。依據重力儲能的介質以及高度差，主要有以下四種儲能類型：型抽水蓄能、基于構筑物高度差的重力儲能、基于山體落差的重力儲能和基于地下豎井的重力儲能。型抽水蓄能解決傳統(tǒng)抽水蓄能痛點，提高消納能源發(fā)電的力氣。海下儲能系統(tǒng)：1〕利2〕合理利用海洋空間，適合用于沿海大規(guī)模儲能。我國用電負荷大多為沿海地區(qū)，海上風電場建設加速，沿海地區(qū)儲能需求或將迎來爆發(fā)期。此種儲能的難點在于中空球體的制造、海底系統(tǒng)的加固以及海面溝通的電纜和管道的架設?；钊脙δ芟到y(tǒng)：1〕利用活塞的重力勢能在密封良好的通道內形成水壓進展儲能和釋能；2〕依據活塞的質量以及被抬上升度的轉變，可以轉變其儲能容量，從而實現(xiàn)電網級的長時間儲能。該儲能系統(tǒng)容量可調，水量需求較少，可靈敏應用于城市中小功率儲能和大規(guī)模儲能。相對于傳統(tǒng)的抽水蓄能用水量更少，選址更加靈敏。盡管相對于傳統(tǒng)抽水蓄能選址更為靈敏，但是該項儲能技術只能建筑在地質堅硬的地區(qū)，因此大規(guī)模應用仍受阻礙?；跇嬛叨炔畹闹亓δ芨鞣矫鎯?yōu)勢顯著，選址制約相對較小。以儲能塔為例，儲能塔是利用起重機將混凝土塊堆疊成塔的構造；通過混凝土塊的吊起和掉落進展儲能和釋能。儲能塔具有選址靈敏、能源效率較高、可長時間連續(xù)功率放電、響應速度快等優(yōu)點。因此，該系統(tǒng)足以滿足電網側調峰的需求。破除基于構筑高度差的重力儲能系統(tǒng)進展制約的關鍵在于抑制外部環(huán)境影響，保證做到毫米級別的誤差把握?；谏襟w落差的重力儲能構造能夠降低安全風險，實現(xiàn)連續(xù)大規(guī)模儲能。ARES將沙礫等運送到山頂，在沙石運回山下時將重力勢能轉化為電能。后期演化成多電機多絞盤分段儲能，連續(xù)作業(yè)，利用傳送鏈提升重物方案可以削減能量損耗，安全性足以支撐長時間連續(xù)工作。該儲能系統(tǒng)對環(huán)境影響小，利用重物儲能和釋能，且沒有坍塌風險，構造穩(wěn)定，易實現(xiàn)大規(guī)模安全儲能。軌道車輛儲能系統(tǒng)建設本錢較高，且需要依靠山地地形，因此其進展受到制約。山地纜繩索道構造工作原理：由兩個平臺連接而成，每一個平臺都由一個類似礦山的砂礫儲存站和一個正下方的加砂站組成。閥門將沙石填放入筐內，然后通過起重機和電機電纜將其運送到高海拔平臺。通過將沙石運回低海拔平臺，從而將重力勢能轉化為電能。此系統(tǒng)發(fā)電功率較小，并且受外部環(huán)境影響較大?；诘叵仑Q井的重力儲能，表達了重力儲能向地下爭論趨勢。Gravitricity公司廢棄鉆井工作原理：通過電動絞盤，在用電低谷時將鉆機拉升至廢棄礦井口。在用電頂峰時，通過鉆機的下落釋放儲存的能量。此系統(tǒng)可以通過把握重物下落時間及速度轉變發(fā)電時間和功率。這種儲能技術由于在封閉的環(huán)境中，安全系數高。利用廢棄礦井可以解決長期不使用礦井的風險和鋪張問題，也降低了重力儲能系統(tǒng)的設備本錢。但由于環(huán)境限制，可能存在利用不充分以及泄漏等問題。型重力儲能優(yōu)勢突出，儲能塔一騎絕塵型重力儲能下游應用場景廣泛，儲能塔表現(xiàn)突出。與鋰電池1〕本錢方面，重力儲能度電本錢相對較低；2〕儲能時長方面，儲能時長更長，相對更能滿足客戶儲能需求，例如電網側長時間調峰、工商業(yè)通過儲能套利等；3〕效率方面，重力儲能的效率跨度相對于鋰電池儲能更大，但儲能塔工程與鋰電池儲能的效率差距較小。鋰電池受溫度影響較大，當溫度過低時，鋰電池儲能容量會相應降低，相比而言在溫度層面重力儲能的效率相對于鋰電池更加穩(wěn)定；4〕安全方面，鋰電池儲能屬于化學儲能，其安全系數較低，易發(fā)生自燃或爆炸大事。由于重力儲能是機械儲能，無自燃以及爆炸等安全隱患。與抽水蓄能相比：型重力儲能選址較簡潔。抽水蓄能對于水源以及地形要求較高，型重力儲能種類多樣不完全依靠于水源與地形。下游應用場景廣泛，響應時間跨度大。1〕基于不同的地形可選取不同的重力儲能方案，主要包括基于抽水蓄能、基于構筑物高度差、基于山體落差、基于地下豎井的方案；2〕響應時間：各重力儲能方案響應時間跨度較大〔從小于110秒〕，不同重力儲能方案可滿足不同的響應需求。重力儲能上下游產業(yè)鏈中游儲能系統(tǒng)集成商或將成為重力儲能產業(yè)鏈主角。產業(yè)鏈上游以建設原材料〔水泥、金屬、鋼鐵等〕和裝備為主，中游為儲能系統(tǒng)集成商，下游應用分布在發(fā)電側、電網側以及用戶側。上游原材料價格穩(wěn)定，重力儲能建設設備供給充分重力儲能上游為基建原材料以及機械設備。重力儲能需要用到金屬、水泥等能量密度較高的物質作為重物，因此所選擇的材料以及設備均屬于基建類。基建類大宗原材料價格大都處于區(qū)間內波動，大幅上漲狀況較少。以水泥價格指數為例，202320237135-162動。20237內。由于鐵礦石密度相對較大，且是大型基建機械設備的原材料，因此鐵礦石或將成為上游需求量最大的原材料。我國起重20236.270.21推斷我國起重機產量充分，足以滿足國內需求。起重機或將不會成為重力儲能進展的瓶頸。中游重力儲能系統(tǒng)安裝以及運維商成為主角產業(yè)鏈中游為重力儲能產業(yè)鏈的重點，主要以儲能系統(tǒng)安裝商1〕重力儲能系統(tǒng)安裝方面：重力儲能對于把握要求較高，儲能系統(tǒng)安裝存在確定技術壁壘。以“基于高度差的重力儲能”為例，該工程對于建筑的穩(wěn)定性要求較高，且在運行過程中需要對吊塔和行吊進展精準把握。因此，處于中游的儲能系統(tǒng)安裝商的技術水平將直接影響該儲能工程的運行狀況；2〕重力儲能系統(tǒng)運維方面：重力儲能系統(tǒng)運維提高儲能工程充放電效率。以“海下儲能系統(tǒng)”為例，儲能系統(tǒng)位于海洋內，對于該儲能系統(tǒng)中空中球體、海纜以及管道的維護均有確定的技術壁壘。重力儲能下游為儲能全應用場景重力儲能下游應用可圍繞發(fā)電側、電網側、用電側全方位翻開。1〕發(fā)電側：風力電站以及光伏電站等能源發(fā)電比例上2〕電網側：電力供給以及需求不匹配，疊加能源發(fā)電無法供給穩(wěn)定電力。電網側為應對用電峰谷，保證電網電力供給需求相對平穩(wěn)，儲能需求爆發(fā)；3〕用電側：峰谷價差拉大，導致用電端套利空間逐步翻開，工商業(yè)以及戶用儲能意識增加。儲能行業(yè)需求增長，重力儲能優(yōu)勢助其翻開市場空間需求端、政策端齊發(fā)力，行業(yè)整體空間大幅增長能源裝機量持續(xù)上漲，推動儲能行業(yè)整體需求增長能源裝機量維持較高增速，儲能確定程度上可以解決能源1〕2023及風電累計裝機量為634GW18.73%202343.44GW22.02%202320233.85%22.02%2〕從特性上看，能源發(fā)電具有間歇性、不穩(wěn)定性的特點。當能源發(fā)電的功率波動相對較大，直接上網會對電網造成沖擊。儲能可使得電能質量提高，有效降低能源發(fā)電對于電網3〕從消納上看，我國棄風棄光率仍有改善空間。由于用電負荷電力需求波動會導致能源電力資源的鋪張。我國棄20233.10%2.00%。西北地區(qū)遠離用電負荷，棄風和棄2023510.70%8.90%7.302023年西藏和青海兩地棄光率超1019.80%13.80%著風光大基地逐步落地，西北地區(qū)儲能需求或將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長；4〕從調峰調頻看，電網側配儲將提高電網調峰調頻力氣。調峰：依靠精準切負荷、分布式儲能出力等手段來削減電網峰值電量。以儲能為例，當處于“谷”期時，將電網中的電力儲存進入儲能系統(tǒng)；但處于“峰”期時，儲能系統(tǒng)放電，從而滿足頂峰期電力供給。由于能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，且并網比例提高，從而使得調峰難度上升。調頻：可通過轉變發(fā)電功率和進展負荷治理電網工頻的穩(wěn)定。儲能政策逐步落地，為儲能行業(yè)進展保駕護航儲能行業(yè)進展配套政策不斷加碼，儲能行業(yè)或將迎來供需兩旺1〕整體層面，國家明確“”末儲能30GW2〕發(fā)電側方面，國家強制配儲政策出臺，集中式電站配儲需求穩(wěn)定。依據統(tǒng)計，我國集中式10%-20%2能源裝機量不斷攀升，為削減我國電力系統(tǒng)壓力，集中式電站配儲比例以準時間有望上漲。另一方面，電力市場化進程加快，且峰谷價差拉大。因此，局部企業(yè)有望通過電價差進展套3〕電網側方面，電力關心效勞市場改革進度加速。隨著廣東省將儲能電價納入輸配電價，電網側儲能本錢向下游傳導，整體機制逐步完善，從而推動電網側4〕用戶側，電價機制倒逼用戶側儲能進展。用戶側儲能主要以工商業(yè)為主，由于峰谷價差拉大，以及分時電價機制確實立，企業(yè)儲能意識逐步提高，有望通過儲能以及調整用電時間降低企業(yè)用電本錢。解決行業(yè)痛點問題，型重力儲能大有可為下游儲能應用端問題相對分散，多樣化的型重力儲能系統(tǒng)完善解決下游應用問題。重力儲能類型多樣，選址相對靈敏。發(fā)電側：從光伏來看，儲能塔布局靈敏。因此，集中式與分布式電站均可配套，且安全系數相對較高。集中式光伏方面，盡管儲能塔功率以及儲能密度較小，但是可以通過多個儲能塔組成大型電站的儲能系統(tǒng)。分布式光伏方面，分布式光伏以工商業(yè)和戶用為主。從選址來看，工商業(yè)分布式大多在工業(yè)園區(qū)以及城市中，因此土地資源相對緊缺。儲能塔占地面積相對較小。從安全性來看，工業(yè)園區(qū)以及城市中儲能對于安全要求更高，儲能塔作為機械儲能，安全性相對于電化學儲能較高。從風電來看，儲能塔、山地纜繩索道、海下儲能等型重力儲能均可應用。海上風電方面，目前我國海上風電大多處于近海，且靠近用電負荷。海下儲能可以充分利用海洋資源。海下儲能的構造相對于抽水蓄能更為合理。隨著海上風電崛起，近海儲能需求有望上漲。型重力儲能性能突出。效率方面，目前的儲能技術中電化學儲能對于地理位置要求相對較低，但電化學儲能受溫度影響嚴重。當電化學儲能電站處于溫度較低的地區(qū)，其效率遠不如型重力儲能系統(tǒng)的效率。以LFP0°C，LFP性高于電化學儲能。一方面，由于電池充放電存在不穩(wěn)定因素，導致電化學儲能安全性相對較低。近年來電化學儲能相關安全大事頻發(fā)。依據陽光工匠光伏網不完全統(tǒng)計，20231-516儲能電站的要求，但其仍存在較大的安全隱患。另一方面，由于化學儲能需要增加消防本錢，將提高整體的儲能本錢。相比之下，作為機械儲能的型重力儲能安全性相對較高，安全本錢較低。型重力儲能本錢相對較低，儲能經濟效應凸顯。1〕發(fā)電側：集中式電站方面，盡管目前國家強制配儲，但是在配儲質量以及儲能效果方面仍有提升空間。主要緣由是由于電化學儲能成本較高。電化學儲能對于電站屬于本錢項，因此儲能裝機樂觀性較低，儲能電站質量較差。分布式方面，價格敏感度高，儲能本錢是其重要考慮因素。目前分布式強制配儲趨勢逐步確立；2〕電網側：應用型重力儲能，電力關心本錢有望降低。目前我國電力關心市場機制仍處于打造中，尚不明確。因此，電網側儲能本錢向下傳導難度較大，電網側儲能建設進度相對較為緩慢。多種型重力儲能系統(tǒng)處于進展初期，重力塔儲能工程搶先落地國內型重力行業(yè)處于產品導入期，競爭格局尚未成型。目前型重力儲能產業(yè)化公司主要有四家分別為瑞士的EnergyVaultGravityPowerARESGravitricityEVSPAC儲能塔商用進展加速，多種重力儲能系統(tǒng)進入試驗及商用階段儲能塔工程領先進入國內，多種重力儲能推廣仍存難點。目前型重力儲能處于行業(yè)進展初期，大多數型重力儲能處于提出方案以及設想階段，僅有局部重力儲能工程完成測試或馬上進入商用階段。目前已有六種技術路徑的重力儲能工程進入測試或馬上商用階段。進度較快的儲能技術仍有難點待突破。海下儲能系統(tǒng)StEnSeaIWESStEnSea1：10100IWES1：3StEnSea儲能工程測試，并將結果和方法轉移到700度。從建筑方面來看，主要難點為球體建筑較大、安裝條件苛刻。1〕球體：全尺寸球體〔直徑30〕的建設和組裝難度較大。HTS利，該系統(tǒng)可以在水中制造球體。整個球體將在連續(xù)過程中用纖維混凝土一起澆鑄成整體，以消退接縫導致潛在泄漏的風險；2〕StEnSea滿足水深〔700-800〕、坡度〔<1°〕、距離等要求。依據IWES2023102269%，裝機容量為74854GWh3307比例低于3%。依據我國國情，符合安裝條件的區(qū)域較少。冷靜量和效率來看，全尺寸StEnSea20MWh，功率為5-6MW65%-70%段，從短期來看難以實現(xiàn)商用；從中長期來看在我國是否能夠大規(guī)模應用海下儲能的主要沖突為安裝條件是否能夠相對降低。儲能塔儲能塔構造的重力儲能工程商用節(jié)奏最快，牢靠性較高。EV司在獲得日本軟銀的投資后，于202335MWh2023EnergyVault公司在5MW2023EV100MWh25MW的重力儲能示范工程。從建筑方面來看，儲能塔能量密度較小、占地面積大、外部環(huán)境影響、建筑污染等問題均有待解決。1〕儲能塔能量密度：單個儲能塔能量密度相對較低，針對此問題可以通過多儲能塔多模塊拼湊解決。Energyvault推出EVx?產品平臺引入了高度可擴展的模塊化架構，整體儲能系統(tǒng)GWh；2〕占地面積：儲能塔占地面積較大，EnergyVault25MW2英畝〔8000〕。因此短期應用將主要集中于土地資源豐富的地區(qū)，例如作為風光大基地的配套儲能工程；3〕外部環(huán)境影響：儲能塔塔吊技術要求較高，水泥塊位置誤差要求為毫EVx?平臺可提高重力儲能系統(tǒng)應對惡劣條4〕建筑污染方面：澆筑水泥塊釋放大量二氧化碳，單座儲能塔需要上千塊水泥塊。依據中國水泥網計算，每生產1噸水泥熟料將會排放1或將影響其布局進程。目前儲能塔主要以水泥為主，但是后期有望通過其他密度較高的物質進展替代，從而降低澆筑水泥所帶來的碳排放。機車斜坡軌道系統(tǒng)ARES50MW712239.37.05°左右，高度差為610IWES13-18公里之間，平均坡度為4%-8%；距離變電站或輸電線路小于48公里等。美國內達華州面積約為28ARES計，內華達州擁有超過20量和效率來看，機車斜坡軌道系統(tǒng)容量相對較高可達5MW-1GW以內華達工程為例，軌道機車能以50MW1510較大，因此轉化效率相對較低為78%-80%ARESARES從而導致初始本錢較高。大型ARES1500/kwh〔9000/kwh〕。我們認為，初始投資本錢過高以及轉化效率較低是阻礙軌道機車儲能系統(tǒng)大規(guī)模應用的關鍵。山地纜繩索道儲能系統(tǒng)MGES2023IIASAMGES統(tǒng)設想，致力于解決需求量小的電網側長期儲能需求。目前該儲能系統(tǒng)尚未有成功的商業(yè)案例，推廣進度相對較緩。從儲能系統(tǒng)建筑來看，存在選址要求較高，影響景觀等問題。一方面，MGES峽谷的地質可能難以承受砂石所帶來的額外重量，因此應用場景有所局限。另一方面，該儲能工程需要依山而建，因此對于景觀影響較大。從儲能容量以及效率來看，MGES0.5MW-20MW力量氣受影響。依據IIASAMGES2m/s0.88MW5m/s2.21MW10m/s4.41MWMGESMGESMGES100-200萬美元/MW〔0.6-1.2萬元/kw〕；LCOE50-100美元/MWh〔0.323-0.624元/kwh〕。我們認為，MGESMGES區(qū)風力發(fā)電協(xié)作較好。主要應用場景儲存需求小于20MW，儲存周期較長的電網側。地下豎井系統(tǒng)地上試點工程已獲成功，地下測試選址進展中。Gravitricity位于蘇格蘭愛丁堡的試點工程試驗成功。該工程處于利斯港的250KW25的重物；系統(tǒng)提上升度為7Gravitricity目前正在選址進展原型場地的開發(fā)、測試工作。從儲能系統(tǒng)建筑來看，存在豎井開發(fā)本錢較高以及廢棄礦井資源利用可行性待驗證等問題。利用廢棄礦井開發(fā)地下豎井重力儲能系統(tǒng)，可降低整體開發(fā)本錢，解決豎井開發(fā)本錢過高的問題。我國廢棄礦井資源豐富。依據中國工程院統(tǒng)計，我國山西省、河北省、黑龍江省、云貴川地區(qū)和疆近十年關閉礦井數量分別3810764111646421400Gravitricty全尺寸地下工程正在進展，地下豎井可行性有望得到進一步驗證。從儲