儲能控溫行業(yè)研究報告

儲能控溫行業(yè)研究報告導(dǎo)語儲能溫控的基本要求：控制單體電池表面溫濕度+避免電池系統(tǒng)產(chǎn)生局部熱點溫度對電化學(xué)儲能系統(tǒng)中的鋰電池容量、功率和安全性等性能都有很大的影響，因而在實際應(yīng)用中，需要進(jìn)行有效的電池?zé)峁芾怼?/p>

一、為什么儲能系統(tǒng)需要溫控？儲能溫控的基本要求：控制單體電池表面溫濕度+避免電池系統(tǒng)產(chǎn)生局部熱點溫度對電化學(xué)儲能系統(tǒng)中的鋰電池容量、功率和安全性等性能都有很大的影響，因而在實際應(yīng)用中，需要進(jìn)行有效的電池?zé)峁芾怼?/p>

與動力電池系統(tǒng)相比，儲能系統(tǒng)聚集的電池數(shù)目更多，電池容量和功率也更大：大量的電池緊密排列在一個空間內(nèi)，運行工況復(fù)雜多變，時而高倍率，時而低倍率，容易造成產(chǎn)熱不均勻、溫度分布不均勻、電池間溫差較大等問題。而這些問題可能會導(dǎo)致部分電池的充放電性能、容量和壽命等下降，從而影響整個儲能系統(tǒng)的性能，嚴(yán)重時會引發(fā)熱失控，造成安全事故。溫度對儲能系統(tǒng)中的鋰電池性能影響包括：容量衰減：高溫下活性鋰離子電池?fù)p失，導(dǎo)致磷酸鐵鋰電池的容量衰減，使得電池儲能系統(tǒng)的實際運行容量快速衰減。熱失控：在電池的充放電過程中，一部分化學(xué)能（放電）或電能（充電）會轉(zhuǎn)變成熱能，若熱能無法及時散出、在電池內(nèi)部積聚形成高溫，可能會導(dǎo)致正負(fù)極發(fā)生短路，引起燃燒、爆炸等安全問題。而在儲能系統(tǒng)中，一個電池?zé)崾Э?，可能引發(fā)連鎖效應(yīng)，造成重大事故。低溫特性：低溫下電解質(zhì)的傳輸性能、鋰的擴(kuò)散速度、電極和電解質(zhì)界面處的電荷轉(zhuǎn)移速度均會顯著下降，因而鋰電池的容量亦會下降。因此鋰電池在低溫下循環(huán)可能會導(dǎo)致鋰在負(fù)極析出、積聚，形成鋰枝晶，輕則造成不可逆的容量損失、降低電池的容量和熱安全性，重則刺破隔膜造成短路。因此，在儲能系統(tǒng)中，溫控的要求包括：控制單體電池的表面溫濕度：保持最佳工作溫濕度，1）溫度+15°C-+35°C；2）相對濕度在5%-95%之間且無冷凝水；避免電池系統(tǒng)中產(chǎn)生局部熱點：電池間的溫差不超過5°C，避免產(chǎn)生局部熱點。儲能系統(tǒng)大容量、電池高倍率趨勢下，儲能溫控愈發(fā)重要以功能分類，電化學(xué)儲能可分為兩種：能量型儲能（高能量輸入/輸出）、功率型儲能（瞬間高功率輸入/輸出）。從大容量、電池高倍率的大趨勢看，未來儲能溫控的重要性將不斷上升。能量型儲能：需要滿足較長時間的放電需求，適用于新能源發(fā)電側(cè)的儲能、用戶側(cè)的峰谷價差套利等，未來趨勢是項目容量不斷擴(kuò)大。

展望未來，風(fēng)光等新能源發(fā)電項目裝機(jī)高增速+配儲比例擴(kuò)大的大趨勢下，發(fā)電側(cè)儲能項目有望加速上量，同時項目容量亦會有擴(kuò)大趨勢。因此，對于能量型儲能項目而言，電池系統(tǒng)的容量增大將帶來項目產(chǎn)熱量的提升，儲能溫控的需求及重要性將隨之上升。功率型儲能：需要滿足大功率放電需求，適用于電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰調(diào)頻場景，未來趨勢是電池高倍率化。火電機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻、電網(wǎng)側(cè)儲能調(diào)頻輔助服務(wù)等場景，要求儲能電池實現(xiàn)高倍率充放電的需求，滿足分鐘級、秒級、甚至毫秒級功率調(diào)節(jié)的能力，快速響應(yīng)負(fù)荷變化。展望未來，新能源發(fā)電項目裝機(jī)量的增加將加大電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰調(diào)頻的需求，電池高倍率化驅(qū)使儲能系統(tǒng)的功率密度不斷提高，因而發(fā)熱量亦將不斷增大，儲能溫控的需求及重要性亦將隨之上升。二、儲能溫控技術(shù)趨勢？已規(guī)模性應(yīng)用的技術(shù)包括風(fēng)冷、液冷，在研技術(shù)包括熱管冷卻、相變冷卻目前，大容量鋰電池儲能系統(tǒng)可采用的溫控技術(shù)主要包括四種，分別適用于產(chǎn)熱率、環(huán)境溫度不同的應(yīng)用場景：風(fēng)冷：以空氣為介質(zhì)進(jìn)行熱交換。主要特點為結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但散熱速度和效率較低，適用于電池產(chǎn)熱率不高的儲能項目；液冷：以液體為介質(zhì)進(jìn)行熱交換。主要特點為散熱速度和效率更高，但結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、成本更高，同時需考慮冷卻介質(zhì)泄露的風(fēng)險；熱管冷卻（尚處于實驗室階段）：依靠管內(nèi)冷卻介質(zhì)發(fā)生相變來實現(xiàn)換熱。主要特點為散熱速度和效率高于液冷，冷卻介質(zhì)泄露風(fēng)險更低，但成本更高；相變冷卻（尚處于實驗室階段）：通過相變材料吸收熱量，并結(jié)合風(fēng)冷/液冷系統(tǒng)等導(dǎo)出熱量。主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊、接觸熱阻低、冷卻效果好，吸收的熱量需要依靠液冷系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)等導(dǎo)出，但相變材料占空間，成本高。風(fēng)冷：優(yōu)勢為成本低，應(yīng)用中考驗風(fēng)道設(shè)計的定制化能力主要構(gòu)成部件：主要由室內(nèi)機(jī)（包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、膨脹閥等）和室外機(jī)（冷凝器等）構(gòu)成，室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)一一對應(yīng)；工作原理：壓縮機(jī)抽取壓縮室內(nèi)熱量，形成高溫高壓氣體送入室外的冷凝器中，氣體通過向外放熱液化，液體回到蒸發(fā)器中向室內(nèi)吸熱蒸發(fā)，后回到壓縮機(jī)，完成一次制冷循環(huán)。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)、安裝成本低。缺點：空氣的比熱容低，導(dǎo)熱系數(shù)也很低，因此冷卻效率較差，適用于發(fā)熱功率小的中小型設(shè)備溫控。在儲能項目的應(yīng)用中，由于不同集裝箱的電池能量密度、擺放位置、容量大小等有所不同，因此需要運用風(fēng)道對集裝箱內(nèi)空氣流向進(jìn)行定制化設(shè)計。散熱風(fēng)道：包括與空調(diào)出口連接的主風(fēng)道、主風(fēng)道內(nèi)的擋風(fēng)板、風(fēng)道出口以及電池架兩端的擋風(fēng)板，作用為將空調(diào)輸出的氣流輸送至各風(fēng)道出口處，并保證各出口氣體流量一致。工作原理：空調(diào)輸出的氣流經(jīng)風(fēng)道出口流入電池模組內(nèi)部，流經(jīng)電池單體表面對電池單體進(jìn)行熱交換，然后由風(fēng)扇抽出。定制化要求：1）風(fēng)道出口的位置及風(fēng)量需要合理分配，使流場及溫度場分布更均勻；2）各出風(fēng)口的氣體流量需一致，送風(fēng)需保持均勻性，以避免產(chǎn)生局部熱點。（報告來源：未來智庫）液冷：優(yōu)勢為冷卻效率高，應(yīng)用中考驗流道設(shè)計的定制化能力以液體為冷卻介質(zhì)，實現(xiàn)熱源側(cè)換熱；根據(jù)液體與熱源接觸方式不同，液冷可以分為直接/間接接觸型液冷。主要構(gòu)成部件：主要由室內(nèi)機(jī)（包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、膨脹閥等）和室外機(jī)（冷卻塔等）構(gòu)成，一般室外機(jī)只有一臺，分散熱源流入冷卻塔中進(jìn)行集中散熱；工作原理：直接接觸型為冷卻液與電池直接接觸進(jìn)行換熱；間接接觸型為冷卻液在冷卻管/板中流動，與電池間接接觸換熱。優(yōu)點：液體的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)高于氣體，因此冷卻效率更高、耗能更低。缺點：成本高、工況復(fù)雜、冷卻塔占地大、存在漏液風(fēng)險。當(dāng)前直接接觸型液冷的應(yīng)用仍不成熟（出于對漏液風(fēng)險的考慮），液冷在儲能的應(yīng)用上以間接接觸型為主，因此在實際應(yīng)用中需要對間接接觸的流道數(shù)量、流量、流速等進(jìn)行定制化設(shè)計。定制化的要求—多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，以獲得性價比更高的方案：液冷系統(tǒng)的冷卻效果與冷板間電池數(shù)目、冷卻劑流速、冷板厚度等設(shè)計參數(shù)有關(guān)，通過提高流道數(shù)量、冷卻劑流速、冷板厚度，可以有效降低平均溫度和讓溫度分布更為均勻，但相應(yīng)的投資成本也會隨著增加。此外，流量的邊際增大效果會隨著流量的增大而遞減。因此，需要進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，從而獲得一個性價比較高的設(shè)計方案。在研技術(shù)：熱管冷卻的效率及安全性更高，相變材料尚處起步階段熱管冷卻：依靠封閉管殼內(nèi)工質(zhì)相變來實現(xiàn)高效換熱。主要構(gòu)成部件：由管殼、管芯及工質(zhì)組成，分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。工作原理：熱管的蒸發(fā)段受熱時毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體在沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。由于毛細(xì)力造成的虹吸作用這一特點，使熱管可在非重力方向傳熱。優(yōu)點：導(dǎo)熱效率更高，溫度控制可做到等溫、恒溫，冷卻介質(zhì)。缺點：尚處于實驗室階段，技術(shù)不成熟。相變材料冷卻：利用相變材料發(fā)生相變進(jìn)行吸熱。相變材料：分為無機(jī)和有機(jī)相變材料，其中無機(jī)相變材料主要有石墨、熔融鹽、結(jié)晶水等，有機(jī)相變材料例主要有石蠟、醋酸等。工作原理：溫度不變的情況下改變物質(zhì)狀態(tài)并且提供潛熱物質(zhì)，轉(zhuǎn)變物理性質(zhì)來吸收或釋放大量潛熱，達(dá)到降溫的目的；此外，相變材料冷卻與其它冷卻方式（如風(fēng)冷、液冷等）耦合形成的散熱系統(tǒng)亦有使用。優(yōu)點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，空間利用率高，不需額外耗功，電池組溫均性較好。缺點：導(dǎo)熱系數(shù)低，導(dǎo)熱性能差，無法用于電池的高產(chǎn)熱工況，尚處于實驗室階段。目前兩種新技術(shù)仍在實驗室階段，考慮研發(fā)和新技術(shù)測試認(rèn)證時間，從中期維度看，我們認(rèn)為3-5年內(nèi)實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用的可能性不大。三、儲能溫控行業(yè)的中期市場空間？市場空間測算：預(yù)計25年溫控市場達(dá)211億元，21-25年CAGR達(dá)到96%對21-25年全球市場空間測算的核心假設(shè)：發(fā)電側(cè)配儲：裝機(jī)量為14/50/85/147/239GWh，液冷占比為30%/38%/45%/50%/55%；電網(wǎng)側(cè)儲能：裝機(jī)量為2/4/12/15/25GWh，液冷占比為15%/20%/25%/30%/35%；工商業(yè)儲能：裝機(jī)量為2/7/16/30/57GWh，液冷占比為15%/20%/25%/30%/30%；戶用儲能：裝機(jī)量為4/8/14/32/77GWh，液冷占比為10%/15%/18%/20%/20%；通信基站：裝機(jī)量為10/12/19/21/22GWh，液冷占比為10%/15%/20%/25%/25%；裝機(jī)產(chǎn)量比：90%。溫控系統(tǒng)價值量：21年風(fēng)冷/液冷價值量分別為3000/9000萬元/GWh，往后每年降幅5%。測算結(jié)果：1）預(yù)計21年全球儲能溫控市場空間14億元，其中風(fēng)冷、液冷分別占比80%/20%；2）預(yù)計25年市場空間達(dá)到211億元，其中風(fēng)冷、液冷分別占比58%/42%；3）21-25年CAGR達(dá)95.9%。四、儲能溫控行業(yè)的投資機(jī)會？4.1、行業(yè)壁壘：市場參與者的競爭優(yōu)勢來自于哪些方面？儲能溫控與精密空調(diào)、工業(yè)制冷設(shè)備等有相似的技術(shù)要求儲能溫控與精密空調(diào)、工業(yè)制冷設(shè)備等具有較高的技術(shù)要求相似性。概括來說，儲能溫控的工作對象電池系統(tǒng)、精密空調(diào)的工作對象如數(shù)據(jù)中心、以及工業(yè)制冷設(shè)備的工作對象如工業(yè)機(jī)組等，對溫控的要求有較高的相似性，具體表現(xiàn)為：對溫度、濕度有高恒定性要求：必須控制設(shè)備處在恒溫恒濕環(huán)境的狀態(tài)中，以避免設(shè)備及內(nèi)部電子元件燒毀甚至引發(fā)火災(zāi)。有在戶外工況下正常工作的能力：要求有較好的過濾空氣雜質(zhì)（風(fēng)冷）、液體雜質(zhì)（液冷）能力，以防止雜質(zhì)進(jìn)入溫控系統(tǒng)或設(shè)備中。長時間穩(wěn)定運行的能力：設(shè)備通常需要長時間不間斷運行，因此對應(yīng)要求溫控設(shè)備有7*24小時不間斷穩(wěn)定運行的能力。液冷中，要求管路中的冷卻液不能泄露：一旦管路中的冷卻液發(fā)生泄漏，會引發(fā)設(shè)備進(jìn)水短路，毀壞設(shè)備甚至引發(fā)火災(zāi)。4.2、行業(yè)投資機(jī)會：為什么看好細(xì)分賽道儲能溫控？液冷占比提高帶來ASP提升，市場空間CAGR超越儲能大行業(yè)。儲能溫控行業(yè)的投資機(jī)會，主要來自：市場空間增速超越儲能大行業(yè)需求增速（21-25年儲能溫控行業(yè)空間CAGR+96%，儲能裝機(jī)量CAGR+92%）。實現(xiàn)超越大行業(yè)需求增速的主要原因，系液冷占比提高預(yù)期，帶來的ASP提升。制造業(yè)通常有年降機(jī)制，因而使得行業(yè)市場空間增速慢于下游需求增速，而儲能溫控行業(yè)能實現(xiàn)超越大行業(yè)需求增速的核心原因，系出于對溫控散熱速率需求提升而帶來的液冷占比提高預(yù)期。基于我們的預(yù)測，預(yù)計21-25年液冷占比將由20%提升至42%，而液冷的價值量高于風(fēng)冷，因此預(yù)計21-25年儲能溫控行業(yè)平均價值量由4200萬元/GWh提升至4500萬元/GWh。4.3、公司投資機(jī)會：哪些公司有望從行業(yè)中脫穎而出？中期市場格局：精密空調(diào)行業(yè)與儲能溫控行業(yè)有較高相似性及可比性儲能溫控行業(yè)與精密空調(diào)行業(yè)具有較高的相似性，除技術(shù)相似性外，亦同樣考驗公司的預(yù)制化、模塊化、定制化、智能化能力。精密空調(diào)廣泛運用于數(shù)據(jù)中心等對主設(shè)備運行環(huán)境有較高要求的行業(yè)。除滿足基本的性能要求外，精密空調(diào)供應(yīng)商同樣需要提高其預(yù)制化、模塊化、定制化、智能化能力，以滿足下游非標(biāo)性需求：1）通過預(yù)制化&模塊化，提高效率、降低成本；2）通過定制化，滿足項目的地域環(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)、溫濕度要求等多樣性需求。3）搭配智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)狀態(tài)查詢、報警分析、參數(shù)設(shè)定等遠(yuǎn)程智能控制功能。受數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求爆發(fā)，精密空調(diào)行業(yè)經(jīng)歷了14-19年的行業(yè)高增期，因此，我們選取數(shù)據(jù)中心的精密空調(diào)行業(yè)做橫向?qū)Ρ?，以分析預(yù)測中期層面儲能溫控行業(yè)的市場格局發(fā)展方向。2014年為中國數(shù)據(jù)中心行業(yè)爆發(fā)的元年，14-19年中國數(shù)據(jù)中心市場空間從372億元增長至1541億元，CAGR+32.9%。受大行業(yè)高增速帶動，國內(nèi)機(jī)房空調(diào)市場亦有較大增長，14-19年市場空間從34.6億元增長至57.4億元，CAGR+10.7%。（報告來源：未來智庫）或與精密空調(diào)行業(yè)類似，“一超多強(qiáng)”——龍頭地位穩(wěn)固，行業(yè)格局分散精密空調(diào)市場格局：經(jīng)過多年發(fā)展，目前國內(nèi)機(jī)房空調(diào)呈“一超多強(qiáng)”格局，先進(jìn)入者艾默生龍頭地位穩(wěn)固，其他份額由國內(nèi)公司占據(jù)?！耙怀薄袠I(yè)龍頭：艾默生自70年代末進(jìn)入中國市場，并跟隨90年代末精密空調(diào)行業(yè)發(fā)展至數(shù)據(jù)中心機(jī)房領(lǐng)域，憑借先發(fā)優(yōu)勢及技術(shù)積累迅速打開中國國內(nèi)機(jī)房空調(diào)市場，14-19年市場份額穩(wěn)定在30%左右。“多強(qiáng)”—國內(nèi)供應(yīng)商市場份額穩(wěn)步提升：從制造業(yè)行業(yè)特性而言，精密空調(diào)行業(yè)下游通常會開發(fā)3-4家供應(yīng)商，以提高議價權(quán)、提高供應(yīng)鏈安全性；因此，在多年的發(fā)展中，隨著國內(nèi)供應(yīng)商在產(chǎn)品制造能力、軟實力（非標(biāo)化能力）等多方面的提升，國產(chǎn)品牌的銷售額及市場份額亦有穩(wěn)步提升，1