2022年光熱儲能行業(yè)研究報告

2022年光熱儲能行業(yè)研究報告1、光熱儲能原理：以熱能為核心1.1、光伏&光熱：同根生的兩兄弟光伏發(fā)電和光熱發(fā)電是太陽能發(fā)電最主要的兩種形式。光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應，將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿募夹g；而光熱發(fā)電則是通過利用大規(guī)模的集熱鏡和傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)電機熱力循環(huán)做功，將光能先轉(zhuǎn)化為熱能，再轉(zhuǎn)化為機械能，并最終產(chǎn)生電能的技術。光伏發(fā)電：光伏效應，光能直接轉(zhuǎn)化為直流電。光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心為光伏組件，其由多個單晶/多晶硅成分的光伏電池片串聯(lián)構成。當太陽光照射在高純硅上，使電子躍遷，形成電位差，光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽a(chǎn)生直流電，并在逆變器、升壓系統(tǒng)的作用下轉(zhuǎn)變成高壓交流電，最終實現(xiàn)用電、并網(wǎng)功能。光熱發(fā)電：經(jīng)過“光能-熱能-機械能-電能”這一轉(zhuǎn)化過程，產(chǎn)生交流電。光熱發(fā)電通過反射鏡、聚光鏡等聚熱器將采集的太陽輻射熱能匯聚到集熱裝置，加熱裝置內(nèi)的導熱油、熔融鹽等傳熱介質(zhì)，傳熱介質(zhì)經(jīng)過換熱裝置將水加熱到高溫高壓蒸汽，進而驅(qū)動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。除發(fā)電所用熱源不同，其后端技術路徑與火力發(fā)電并無較大差異，且產(chǎn)生電流為交流電，可直接實現(xiàn)并網(wǎng)。相較于光伏，我國光熱發(fā)展相對滯后。2021年，我國光伏發(fā)電累計裝機容量達306.4GW，同比+21%；光熱發(fā)電累計裝機容量僅538MW，同比持平。無論從裝機總量還是裝機增速來看，光伏發(fā)電均遠高于光熱發(fā)電，其主要原因是光熱度電成本遠高于光伏，在市場化的條件下不具備競爭優(yōu)勢。1.2、光熱儲能電站的四大系統(tǒng)組成光熱發(fā)電大致可分為四個部分：集熱系統(tǒng)、熱傳輸系統(tǒng)、蓄熱與熱交換系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)。集熱（聚光）系統(tǒng)：集熱系統(tǒng)是光熱系統(tǒng)的核心，其主要由聚光裝置、接收器、跟蹤機構等部件構成。而其中，聚光裝置又為集熱系統(tǒng)的核心組件，其在中央控制系統(tǒng)操控下，可追蹤太陽位置，收集并向接收器反射最大量的陽光。聚光裝置中的聚光鏡、定日鏡的反射率、焦點偏差等均能影響發(fā)電效率，對設計、生產(chǎn)、安裝技術要求較高，過去被海外廠家壟斷，而目前國產(chǎn)聚光鏡效率可以達94%，與進口產(chǎn)品差距較小，具備國產(chǎn)替代潛力。吸熱系統(tǒng)：吸熱系統(tǒng)的功能為收集集熱裝置產(chǎn)生的熱能，并利用導熱介質(zhì)將熱能傳送給蓄熱系統(tǒng)。儲換熱系統(tǒng)：蓄熱裝置通常由絕熱材料包覆的蓄熱器及價格低廉、比熱容高的儲熱介質(zhì)構成，其主要作用是白天將光熱能儲存，夜間通過熱交換系統(tǒng)將熱能釋放，并通過發(fā)電機最終轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)光伏電站的夜間發(fā)電及調(diào)峰調(diào)頻。發(fā)電系統(tǒng)：光熱發(fā)電系統(tǒng)與火力發(fā)電系統(tǒng)技術具有一致性，市場成熟度較高，二者均通過高質(zhì)量過熱蒸氣推動汽輪機做功，從而將機械能轉(zhuǎn)化為電能。1.3、光熱系統(tǒng)：槽式現(xiàn)為主流，塔式前景廣闊按照光能聚集的方式，光熱發(fā)電系統(tǒng)可分為塔式光熱發(fā)電、槽式光熱發(fā)電、碟式光熱發(fā)電和線性菲涅爾式光熱發(fā)電四類。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)：塔式系統(tǒng)是利用眾多定日鏡，將太陽熱輻射反射到置于高塔頂部的集熱器上，加熱傳熱流體（主要為熔融鹽），高溫傳熱流體通過蒸汽發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生過熱蒸汽推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)：槽式系統(tǒng)將多個槽型拋物面聚光集熱器串并聯(lián)排列，連續(xù)加熱位于焦線位置的導熱流體（主要為導熱油），進而產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動發(fā)電機組發(fā)電。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)：碟式系統(tǒng)利用驅(qū)動裝置自動跟蹤太陽，并用碟形聚光器將太陽光聚集到焦點處的吸熱器上，最后通過斯特林循環(huán)或者布雷頓循環(huán)實現(xiàn)發(fā)電。由于其單體較小，常用于空間太陽能站。線性菲涅耳式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)：菲涅爾系統(tǒng)使用多個跟蹤太陽運動的條形平面鏡代替拋面鏡，將太陽輻射聚集到吸熱管上，加熱傳熱流體（通常為水/蒸汽），并通過熱力循環(huán)進行發(fā)電。我國新簽光熱儲能項目中，塔式光熱占比相對較高。槽式技術成熟較早，專利多為歐美壟斷，目前歷史裝機量較大。截至2022年年初，全球光熱電站項目中，槽式項目達82個，塔式項目僅31個。截至2021年，我國已建成光熱項目中，塔式及槽式的占比分別為60%及28%。1.4、我國光熱儲能電站發(fā)展歷程中國光熱發(fā)電“兩沉兩浮”。1）蹣跚起步。中國光熱發(fā)電初次嘗試發(fā)生在十多年前的內(nèi)蒙古鄂爾多斯，彼時政府擬籌劃在當?shù)亟ㄔO一個50MW級光熱示范電站，并于2006年召開的中德科技論壇上升級為中德合作項目，但受制于技術水平和發(fā)電成本等因素，項目逐漸被擱置。2）焰火重燃。2016年，國家能源局發(fā)布《國家能源局關于建設太陽能熱發(fā)電示范項目的通知》，確定了首批20個太陽能熱發(fā)電示范項目，重燃市場對光熱發(fā)電的熱情，后續(xù)中控青海德令哈項目10MW塔式、首航敦煌10MW塔式等一系列項目拉動光熱發(fā)展進入快車道。3）再陷低谷。隨著18年底示范電價退坡機制的啟動，19-20年光熱項目建設再次陷入停滯。4）峰回路轉(zhuǎn)。21年開始，隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略的逐步深入，光熱儲能具備比較優(yōu)勢，行業(yè)關注度逐漸回升，有望迎再次發(fā)展。2、光熱儲能電站將進入發(fā)展快車道2.1、政策鼓勵，光熱儲能綻放2021年，在經(jīng)歷了近兩年的市場沉寂期后，中國光熱發(fā)電行業(yè)迎來了承上啟下的新元年。隨著新能源裝機規(guī)模不斷擴張，光熱發(fā)電“儲發(fā)一體”優(yōu)勢凸顯，與光伏、風電協(xié)同互補，在清潔供電的同時保證電網(wǎng)的高效穩(wěn)定。而國家21年以來也不斷推出涵蓋光熱發(fā)電在內(nèi)的一系列指導性意見，助力光熱發(fā)電與風電、光伏的融合發(fā)展、聯(lián)合運行，以及儲熱型太陽能熱發(fā)電的發(fā)展。2.2、光熱儲能電站成本已有顯著下降技術成熟+國產(chǎn)替代＝光熱度電成本不斷下降。近年來可再生能源發(fā)電成本不斷下降，部分已低于傳統(tǒng)化石能源發(fā)電成本，據(jù)國際可再生能源機構(IRENA)報告顯示：2010-2020年，全球光伏電站發(fā)電平均成本降幅最大，達85%；光熱發(fā)電系統(tǒng)其次，約為68%。在技術路徑不斷成熟、供應鏈不斷完善以及核心器材國產(chǎn)替代的綜合邏輯下，我國光熱發(fā)電有望擺脫過去經(jīng)濟性不強的局面，疊加“風光儲大基地”戰(zhàn)略，度電成本在未來幾年將持續(xù)快速下降。根據(jù)國際經(jīng)驗，技術進步對光熱儲能電站成本降低的貢獻率約42%，規(guī)?；呢暙I率約37%，批量生產(chǎn)的貢獻率約21%。根據(jù)可勝技術的數(shù)據(jù)，在理想情況下，由于規(guī)?；l(fā)展帶來的電站總投資整體下降幅度可達18.4%~27.6%。2.3、光熱儲能電站：穩(wěn)定發(fā)電為其核心優(yōu)勢新能源發(fā)電痛點在于波動較大，對電網(wǎng)負荷造成沖擊在火力發(fā)電主導的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，電能的供應曲線相對穩(wěn)定，但用電曲線在年內(nèi)、日內(nèi)存在多次峰谷波動。此前通過“了解需求側、控制發(fā)電側”的基本策略，預判用電高峰，預設發(fā)電出力計劃，可較好解決電能供需錯配問題。近年，隨著可再生能源發(fā)電裝機比例的提升給發(fā)電側增添了諸多不可控、不穩(wěn)定因素。風電、光伏發(fā)電受制于自然條件因素，常具有波動性、隨機性、反調(diào)峰性等特點，而其“極熱無風、晚峰無光5”等弊病早已是“老生常談”。據(jù)國家電網(wǎng)測算，2035年前，我國風電、光伏裝機規(guī)模將分別達7億、6.5億千瓦，而所帶來的日最大波動率預計分別達1.56億、4.16億千瓦，大大超出電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力。我國電網(wǎng)迫切需要重新構建調(diào)峰體系，以具備應對新能源5億千瓦左右的日功率波動的調(diào)節(jié)能力。儲能系統(tǒng)具備平滑波動、削峰填谷能力，是新能源發(fā)電的重要穩(wěn)定器儲能技術是應對以風、光為主的新能源系統(tǒng)波動性、間歇性的有效技術。成熟的儲能技術在發(fā)電側可平滑風光電系統(tǒng)的波動，從而提高并網(wǎng)風電、光電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性，改善新能源發(fā)電波動性等短板；在電網(wǎng)側、用戶側，儲能技術可很好地解決電能供需錯配問題，從而減少電網(wǎng)短時承壓過高或峰時用電不足帶來的安全性、穩(wěn)定性問題，并有效消納可再生能源，避免“棄風棄光”現(xiàn)象。儲能系統(tǒng)還可降低調(diào)峰調(diào)頻能耗，并作為備用電力保障用電安全。傳統(tǒng)火電調(diào)峰調(diào)頻中，煤電機組為滿足調(diào)峰能力，往往增加發(fā)電容量以具備應對尖峰負荷的能力，但這使得火電機組經(jīng)常無法達到滿發(fā)狀態(tài)；同時火力發(fā)電對電網(wǎng)調(diào)頻AGC信號響應具有滯后性，嚴重影響機組運行經(jīng)濟性。而儲能系統(tǒng)充放電靈活、反應速度快，可大幅降低備用火力發(fā)電機組容量，并對調(diào)峰信號快速反應，大大提高了電網(wǎng)運行效率。此外，儲能系統(tǒng)還可作為應對電力突發(fā)情況，滿足緊急用電的備用電源，具備一定的能源安全價值。儲發(fā)一體帶來的穩(wěn)定發(fā)電為光熱儲能電站的最大優(yōu)勢相比于風電-抽水蓄能、光伏發(fā)電-蓄電池蓄電等儲發(fā)分離系統(tǒng)，光熱電站集二者于一身，可以像傳統(tǒng)火力發(fā)電廠一樣生產(chǎn)出電網(wǎng)友好型的可調(diào)度電力，以滿足早晚高峰、尖峰時段等多情景下的用電需求；通過人為設置儲能時長及發(fā)電機的負載功率，可實現(xiàn)24小時連續(xù)、穩(wěn)定供電。我國2018年并網(wǎng)的3座商業(yè)化太陽能熱發(fā)電示范項目中，太陽能熱發(fā)電機組調(diào)峰深度最大可達80%；爬坡速度快，升降負荷速率可達每分鐘3%-6%額定功率，冷態(tài)啟動時間1小時左右、熱態(tài)啟動時間約25分鐘，可100%參與電力平衡，部分替代化石類常規(guī)發(fā)電機組，對保障高比例可再生能源電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要價值。電力規(guī)劃設計總院以目前新疆電網(wǎng)為例進行過模擬計算，假設建設100萬千瓦~500萬千瓦不同規(guī)模的光熱儲能電站，可減少棄風棄光電量10%~38%。清華大學能源互聯(lián)網(wǎng)研究院研究結果顯示，如果安裝22GW光伏和7GW風電，青海電網(wǎng)在豐水期可連續(xù)3日全清潔能源供電（包括省內(nèi)負荷及特高壓外送河南）；如果在此基礎上配置4GW光熱儲能電站，青海省在豐水期可實現(xiàn)創(chuàng)紀錄的連續(xù)30日全清潔能源供電。西北風光大基地場景，光熱儲能電站與之匹配度最高熔融鹽是光熱儲能的首選傳熱儲熱介質(zhì)。傳熱蓄熱技術是光熱發(fā)電關鍵技術之一，而傳熱介質(zhì)的工作性能直接影響系統(tǒng)的效率和應用前景。目前槽式光熱電站的工作溫度一般不超過400°C，塔式光熱電站則在550°C以上，在這一溫度區(qū)間，熔融鹽相比水/水蒸氣、液態(tài)金屬等，具有較高的使用溫度、高熱穩(wěn)定性、高比熱容、高對流傳熱系數(shù)、低粘度、低飽和蒸汽壓、低價格等一系列優(yōu)點，是光熱電站傳熱和儲熱介質(zhì)的首選。據(jù)CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)統(tǒng)計，在國內(nèi)首批20個光熱發(fā)電示范項目中，18個采用熔鹽儲能；已備案新增92個光熱發(fā)電站清單中，86個將采用熔鹽儲能。相比于其他儲能方式，熔融鹽儲能與大基地-光電系統(tǒng)匹配度最高。光伏、光熱基地多位于干旱且平坦的戈壁、荒漠，不具備開展抽水蓄能、空氣壓縮儲能等項目的地質(zhì)條件。大基地發(fā)電量較大且工作環(huán)境惡劣，對造價高、壽命短、溫度敏感的電化學儲能形成嚴峻考驗。相比之下，熔融鹽儲能既能滿足儲能容量大、儲時長的要求，又具備經(jīng)濟性，并能在嚴酷的自然條件下安全平穩(wěn)運行25-30年；其腐蝕性的劣勢，則通過提高熔鹽品質(zhì)、使用防腐蝕材料等得到明顯改善。2.4、光熱儲能還可應用于供暖及工業(yè)蒸汽等場景光熱制工業(yè)蒸汽，助力蒸汽價格與煤炭、天然氣價格解耦。工業(yè)蒸汽通常是由燃燒煤炭、天然氣加熱液態(tài)水產(chǎn)生過熱蒸汽制得，下游主要用于滿足工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的加熱需要，其一典型應用是在稠油開采領域的應用。稠油膠質(zhì)瀝青含量高、粘度大、流動性差，需通過蒸汽熱采以獲得較好的經(jīng)濟效益。而在近年化石能源價格大幅上漲及優(yōu)化能源結構、降低能耗、減少碳排放的政策背景下，燃燒化石能源制備工業(yè)蒸汽逐漸喪失成本優(yōu)勢，使用太陽能集熱裝置來產(chǎn)生蒸汽的太陽能EOR具備廣闊前景。太陽能EOR的核心在于利用光熱發(fā)電的集熱技術實時產(chǎn)生過熱水蒸氣或?qū)崮軆Υ嬖谛顭嵯到y(tǒng)備用，通過此種方式，可大幅減少稠油開采成本并減少開采過程中的碳排放。對于光熱電站運營商，其聚光產(chǎn)生的熱能或無需轉(zhuǎn)化為電能并網(wǎng)售賣，而是僅通過蒸汽發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生工業(yè)蒸汽直接售賣給消毒、紡織企業(yè)，減少了發(fā)電過程中大量的能耗損失，增加光熱收入。以光供暖、以光助農(nóng)，光熱發(fā)電不斷開發(fā)新型應用場景。以光熱大循環(huán)為主體，將產(chǎn)生的熱能儲存起來并在溫度較低時釋放，便可用于綠色小鎮(zhèn)的清潔供暖及恒溫蔬菜大棚冬日的溫度保持。近年國家不斷推進北方地區(qū)清潔供暖，打響關于冬季供暖的“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”，光熱供暖在能源價格上漲和儲能問題解決的推動下，經(jīng)濟性、實用性凸顯；而其應用在恒溫蔬菜大棚供暖，可大幅降低菜農(nóng)冬日種植蔬菜成本。3、光熱儲能產(chǎn)業(yè)鏈梳理3.1、光熱儲能產(chǎn)業(yè)鏈梳理目前我國光熱發(fā)電裝備制造產(chǎn)業(yè)鏈已初步形成，涉及精密儀器制造、系統(tǒng)設計、軟件編程、水泥、鋼鐵、玻璃等一系列產(chǎn)業(yè)。國家首批光熱發(fā)電示范項目中，設備、材料國產(chǎn)化率超過90%，而在青海中控德令哈50MW塔式光熱發(fā)電項目等部分項目中，設備和材料國產(chǎn)化率已達到95%以上；2021年，我國從事太陽能熱發(fā)電相關產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品和服務的企事業(yè)單位數(shù)量近550家，其中，太陽能熱發(fā)電行業(yè)特有的聚光、吸熱、傳儲熱系統(tǒng)相關從業(yè)企業(yè)數(shù)量約320家，約占總數(shù)量的60%。我們選取兩座塔式電站在制造階段的材料清單數(shù)據(jù)，主要包括：鏡場區(qū)、吸熱器系統(tǒng)、塔、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、儲熱&傳熱流體系統(tǒng)、基礎及輔助建筑、接線、管道（吸熱器系統(tǒng)管道以外）。不同形式及不同容量的光熱儲能造價結構不一，聚光、吸熱、儲能為核心光熱電站各部分、各原材料成本占比并不恒定。隨著電站規(guī)模變大/儲能時間增加，定日鏡數(shù)量/熔融鹽的用量會相應增加，帶動太陽島投資成本占比提升；但同時電站年利用小時數(shù)和所發(fā)電量都會有所提升，電站整體經(jīng)濟性將會提高，拉動發(fā)電成本下降。聚光、吸熱、儲熱子系統(tǒng)為光熱電站的核心，三者合計成本占比超70%。在光熱系統(tǒng)專有的聚光、吸熱、儲熱子系統(tǒng)中，據(jù)可勝技術測算，材料成本占比<30％，制造加工成本占比>50％，包裝運輸、安裝等成本<20％；原材料中鋼材成本占比53%，熔鹽成本占比21%，玻璃成本占比17%。3.2、光熱儲能市場空間分析據(jù)我們統(tǒng)計，目前我國已運行的8座商業(yè)化示范項目合計裝機容量500MW，總投資152億元，單兆瓦投資0.3億元；當前我國在建的光熱儲能電站項目達19個，對應裝機容量2695MW，考慮“招標-投資-裝機”周期為2-3年，我們測算短期我國光熱儲能市場空間約為808.5億元。3.3、光熱儲能對光熱玻璃及保溫材料增量貢獻假設“十