Relatório de Pesquisa da Indústria de Armazenamento de Energia: O Armazenamento de Energia Está Vivenciando um Explosão em Desenvolvimento
1. O conector de armazenamento de energia é um elemento indispensável para o desenvolvimento de novas fontes de energia
1.1 A participação global na geração de energia nova aumenta
O mundo está a desenvolver vigorosamente novas energias e a quota de nova geração de energia aumenta
As novas energias contribuem principalmente para o crescimento da geração global de energia. Em termos de volume total, a geração global de energia em 2020 ultrapassará 25.000 TWh, dos quais os combustíveis fósseis (energia térmica) continuarão sendo a principal fonte de energia, respondendo por mais de 70% da geração; enquanto a participação total da geração de novas energias aumentará significativamente, respondendo por mais de 25% em 2020.
Em termos de incremento, em 2011, a proporção de nova energia global na nova capacidade instalada de energia excedeu a da energia tradicional e atingiu 83% em 2020. Espera-se que ela continue a dominar o mercado de nova capacidade instalada no futuro.
1.2 A nova energia aumentou suas necessidades de flexibilidade da rede
A produção de nova energia gerada é instável e desalinhada com o pico de consumo de eletricidade
A produção de energia nova gerada está desalinhada com o pico de consumo de eletricidade e é instável. Em primeiro lugar, do ponto de vista dos padrões de consumo de eletricidade, 10h e 20h são os dois picos, respectivamente. No entanto, as usinas eólicas e fotovoltaicas têm maior produção no início da manhã e ao meio-dia, respectivamente, e há uma grande diferença entre a distribuição do horário de produção e a carga de energia. Em segundo lugar, as estações do ano e o clima também causam flutuações e instabilidade na produção de energia nova gerada, sendo necessárias outras medidas energéticas para ajudar a melhorar a estabilidade da rede elétrica.
O desenvolvimento da geração de energia a partir de novas fontes de energia requer o aprimoramento da flexibilidade da rede elétrica. Quando os fatores instáveis da geração de energia a partir de novas fontes de energia fazem com que o fornecimento de energia do sistema exceda a demanda, isso levará ao abandono da geração de energia a partir de novas fontes de energia, resultando em desperdício de recursos; quando os fatores instáveis da geração de energia fazem com que o fornecimento de energia do sistema seja menor que a demanda, isso levará à redução da carga e à escassez de energia. Portanto, quando a produção de energia a partir de novas fontes de energia não corresponde à carga de energia, recursos de regulação flexíveis são necessários como meio de regulação, a fim de melhorar a capacidade do sistema elétrico de regular para cima e para baixo, de modo que o sistema elétrico possa alcançar um equilíbrio dinâmico entre oferta e demanda. Em 2020, a capacidade instalada de recursos tradicionais de regulação flexível (como gás) em meu país representava apenas 4,46%, e áreas ricas em novos recursos energéticos frequentemente carecem de recursos tradicionais de regulação flexível. No futuro, com o aumento da proporção de geração de energia a partir de novas fontes de energia, o problema da instabilidade na geração de energia a partir de novas fontes de energia se tornará cada vez mais proeminente, e a capacidade insuficiente de regulação do sistema elétrico precisa ser resolvida com urgência. A demanda por recursos de regulamentação flexíveis no meu país aumentará ainda mais. (Fonte: Report Research Institute)
1.3 O conector de armazenamento de bateria se torna o quarto elemento indispensável do novo sistema de energia
*** orienta vigorosamente o desenvolvimento do conector de armazenamento
O armazenamento de energia tornou-se o quarto elemento indispensável do novo sistema elétrico. Em 25 de fevereiro de 2021, a Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma e a Administração Nacional de Energia emitiram as "Opiniões Orientadoras sobre a Promoção da Integração de Fonte, Rede, Carga e Armazenamento de Energia e o Desenvolvimento da Complementaridade Multienergética", que esclareceram o caminho de implementação da integração de fonte, rede, carga e armazenamento, e exploraram a construção de um novo sistema elétrico com fonte, rede, carga e armazenamento altamente integrados, otimizando e integrando os recursos locais de fornecimento de energia, rede e carga, apoiados por avanços tecnológicos avançados e inovação em mecanismos institucionais.
2. O armazenamento de energia eletroquímica se destaca entre muitas soluções
2.1 O armazenamento de energia eletroquímica se destacará
Os caminhos da tecnologia de armazenamento de energia são divididos principalmente em armazenamento de energia mecânica, armazenamento de energia eletromagnética, armazenamento de energia eletroquímica e outros armazenamentos de energia.
Atualmente, as tecnologias de armazenamento de energia são divididas principalmente em armazenamento de energia mecânica, armazenamento de energia eletromagnética, armazenamento de energia eletroquímica e outros tipos de armazenamento de energia. Entre elas, o armazenamento bombeado em armazenamento de energia mecânica é a tecnologia mais amplamente utilizada no mercado de armazenamento de energia devido à sua tecnologia mais madura, mas o armazenamento bombeado é altamente dependente das condições geográficas. O armazenamento eletroquímico de energia é a tecnologia de armazenamento de energia mais popular no mercado, que é dividida principalmente em quatro tipos de baterias de armazenamento de energia: baterias de lítio, baterias de chumbo-ácido, baterias de fluxo e baterias de sódio-enxofre. Entre elas, a tecnologia de baterias de íons de lítio é relativamente madura e entrou na fase de produção em massa em larga escala. É a tecnologia de armazenamento eletroquímico de energia de crescimento mais rápido e maior.
2.2 Três principais cenários de aplicação de armazenamento de energia eletroquímica
① Lado da geração de energia
O armazenamento de energia representa a maior proporção na geração de energia, e suas principais funções incluem suavização da produção, regulação de frequência/tensão e redução de picos e preenchimento de vales. Dentre elas, a redução de picos e preenchimento de vales é a função mais central do armazenamento de energia na geração de energia, ou seja, absorver a energia eólica e solar abandonada quando a nova energia está em seu pico; descarregar quando a nova energia é insuficiente, suavizar a produção de energia e melhorar a taxa de utilização da nova geração de energia.
②Lado da grade
As funções de armazenamento de energia na rede são principalmente serviços auxiliares de energia, incluindo regulação de carga de pico, regulação de frequência, regulação de potência reativa, sistema de energia em espera e black start. A regulação de carga de pico e a regulação de frequência são os principais meios auxiliares. A regulação de carga de pico refere-se ao carregamento do sistema de armazenamento de energia da rede durante o período de "vale" com baixa carga de energia; durante o período de "pico" com alta carga de energia, o sistema de armazenamento de energia descarrega na rede para suavizar a distribuição da demanda de energia; a regulação de frequência refere-se ao sistema de regulação de cada unidade operacional na rede, alterando a potência da unidade de acordo com suas próprias características estáticas quando a carga de energia muda e a frequência da rede muda, ou aumentando ou diminuindo a carga de algumas unidades para restaurar a frequência da rede, de modo a se adaptar às necessidades de mudanças de carga externa.
③Lado do usuário
As principais funções do armazenamento de energia do lado do usuário incluem "redução de picos de carga e preenchimento de vales", novo consumo de energia e gerenciamento de capacidade. Entre elas, "redução de picos de carga e preenchimento de vales" é o modelo de negócios mais importante do lado do usuário, podendo ser usado para arbitragem e armazenamento de energia. Para usuários industriais e comerciais em geral, o armazenamento de energia é geralmente usado para carregar quando os preços da eletricidade estão baixos e descarregar quando os preços da eletricidade estão altos, de modo a reduzir o custo por quilowatt-hora. Para usuários como estações rádio-base 5G e data centers, quedas de energia causarão enormes perdas, portanto, o armazenamento de energia desempenha um papel mais de reserva de energia. (Fonte do relatório: Report Research Institute)
2.3 A inovação do modelo e a redução de custos aumentam a eficiência económica do armazenamento de energia eletroquímica
O modelo de armazenamento de energia compartilhada melhora a eficiência econômica e se torna um novo promotor do armazenamento de energia
Da perspectiva do modelo de negócios, se as usinas de armazenamento de energia fornecerem serviços apenas para uma única usina de energia nova, a taxa de utilização será baixa; as instalações de armazenamento de energia que atendem a uma única usina de energia nova geralmente terão recursos dispersos, gerenciamento difícil e altos custos operacionais; o armazenamento de energia em usinas dispersas é difícil de atingir despacho e liquidação unificados, e não pode participar de uma variedade de serviços auxiliares da rede, e o modelo de negócios será difícil de comercializar.
O armazenamento compartilhado de energia amplia o caminho da receita de armazenamento de energia, o que deve solucionar os problemas acima e trazer novas oportunidades de armazenamento de energia no lado da geração de energia. O armazenamento compartilhado de energia refere-se à construção de uma usina de armazenamento compartilhado de energia em uma nova estação de coleta de energia. A usina de armazenamento de energia assina um acordo de liquidação de tarifas de eletricidade com novas usinas de energia e empresas de fornecimento de energia dentro ou fora da região. Quando a nova usina de energia é afetada por restrições de energia, a agência de despacho (rede) armazena a energia eólica e fotovoltaica abandonada no sistema de armazenamento compartilhado de energia e libera a energia quando o lado da carga estiver no pico de consumo de energia ou houver espaço para aceitação. O despacho e o gerenciamento unificados de usinas de armazenamento de energia são realizados.
III. A era do armazenamento de energia eletroquímica está chegando
3.1 Crescimento rápido do armazenamento global de energia eletroquímica
Em 2021, o armazenamento global de nova energia atingirá 10,2 GW, um aumento anual de 117%
Em 2021, a capacidade instalada acumulada de projetos de armazenamento de energia em operação em todo o mundo foi de 209,4 GW, um aumento de 9% em relação ao ano anterior. Entre eles, a capacidade instalada acumulada de armazenamento de energia nova representa 12,2%, ou seja, 25,4 GW, um aumento de 67,7% em relação ao ano anterior, e as baterias de íons de lítio respondem por mais de 90% da participação no mercado de armazenamento de energia nova.
3.2 O desenvolvimento do armazenamento de energia eletroquímica da China acelera
Em 2021, a China adicionou 2,4 GW/4,9 GWh de novo armazenamento de energia
De acordo com os cálculos da CNESA, em 2021, a capacidade instalada total de projetos de armazenamento de energia da China em operação foi de 46,1 GW, representando 22% do mercado global, um aumento de 30% em relação ao ano anterior. Entre eles, em 2021, o armazenamento de energia nova aumentou 2,4 GW/4,9 GWh, e a capacidade instalada acumulada atingiu 5,73 GW, um aumento de 75% em relação ao ano anterior. As baterias de íons de lítio representaram 89,7% do mercado de armazenamento de energia nova.
A julgar pela situação do planejamento e construção de novos projetos de armazenamento de energia, o novo armazenamento de energia da China avançará para o desenvolvimento em larga escala em 2021: um total de 865 projetos planejados, em construção e colocados em operação em 2021, com uma capacidade total de 26,3 GW. Entre eles, os novos projetos de armazenamento de energia colocados em operação são principalmente projetos de pequeno e médio porte de 10 a 50 MW, representando 46%; os projetos de armazenamento de energia planejados/em construção são principalmente projetos de grande escala de 50 MW e acima, representando 85%, dos quais mais de 70 projetos de 100 MW estão planejados e em construção. A maioria dos projetos de 100 MW está na forma de armazenamento de energia independente/armazenamento de energia compartilhado e tem a base e as condições para que a rede desempenhe um papel em nível de sistema em termos de volume.
IV. Cálculo do espaço de armazenamento de energia eletroquímica
4.1 China: O armazenamento de energia eólica e solar contribui com a principal contribuição incremental no lado da geração de energia
O armazenamento de energia eólica e solar domina o crescimento do armazenamento de energia no lado da geração de energia
Em 2019-2021, a nova capacidade fotovoltaica instalada da China foi de 30,22, 48,75 e 52,57 GW, respectivamente. De acordo com a previsão do CAPI, nos três cenários (conservador, otimista e neutro), a capacidade fotovoltaica recém-instalada da China em 2022-2026 será de 75, 80, 85, 90, 95 GW, 90, 95, 100, 110, 116 GW, 83, 88, 93, 100 e 106 GW, respectivamente, com uma taxa de crescimento composta de cinco anos de 13%, 17% e 15%, respectivamente.
De 2019 a 2021, a capacidade eólica recém-instalada da China será de 24,88, 72,50 e 46,83 GW, respectivamente. 2020 é o primeiro ano de subsídios à energia eólica onshore, resultando em uma corrida para instalar energia onshore. Após 2020, a taxa de crescimento da capacidade instalada de energia eólica retornará a um nível estável. De acordo com a previsão da GWEC, a nova capacidade instalada de energia eólica onshore da China será de 46,28, 50,18, 49,68, 50,15 e 52,81 GW em 2022-2026, representando 46%, 49%, 47%, 42% e 41% da nova capacidade instalada de energia eólica do mundo, com uma taxa de crescimento composta de cinco anos de 12%; A capacidade instalada de energia eólica offshore da China deverá aumentar em 39 GW entre 2022 e 2026, representando 43% da capacidade mundial.
4.2 China: O espaço de armazenamento de energia na rede é relativamente limitado
Em 2022-2026, o armazenamento de nova energia na rede aumentará em cerca de 18 GWh
Suposição básica 1: O lado da rede desempenha apenas um papel na regulação de pico; a taxa de demanda de regulação de frequência do lado da rede é geralmente de 3% a 5%, a demanda de regulação de frequência de energia térmica é de cerca de 2%, e a energia eólica e solar são mais voláteis, assumindo um aumento anual de 0,4%.
Suposição básica 2: De acordo com as estatísticas da CNECA, a capacidade instalada de armazenamento de energia na rede em 2021 é de 2,01 GW, e as taxas de penetração da regulação de frequência eletroquímica e da regulação de pico são de 2,12% e 0,04%, respectivamente; presume-se que a taxa de penetração da regulação de frequência de armazenamento de energia aumentará em 1% a cada ano de 2022 a 2024. A taxa de penetração da regulação de pico é de 0,01%; a taxa de penetração da regulação de frequência de armazenamento de energia em 2025-2026 é de 2%, e a taxa de penetração da regulação de pico é de 0,02%.
Suposição básica 3: A densidade de corrente da regulação de frequência eletroquímica é grande (2C), a capacidade é pequena e o tempo é curto; a densidade de corrente da regulação de pico eletroquímica é pequena (1C), a capacidade é grande e o tempo de carga e descarga é longo; presume-se que o tempo de regulação de frequência eletroquímica e regulação de pico seja de 1h e 2h, respectivamente.
Conclusão: Estimamos que a potência acumulada do armazenamento de energia na rede em 2022-2026 será de 4,33, 6,28, 8,74, 13,53 e 19,58 GWh, respectivamente, e o armazenamento incremental de nova energia na rede em 2022-2026 será de cerca de 18 GWh.
4.3 China: A demanda por armazenamento de energia do lado do usuário continuará a crescer
De 2022 a 2026, a quantidade incremental de novo armazenamento de energia do lado do usuário será de cerca de 13 GWh
Suposição básica 1: O New Energy Blue Book 2021 prevê que o consumo total de eletricidade em 2025 será de 9,5 trilhões de kWh, assumindo que a taxa de crescimento do consumo de eletricidade diminuirá ano a ano de 5% para 3% de 2022 a 2026.
Suposição básica 2: Supõe-se que a configuração de armazenamento de energia ainda será dominada pela indústria e comércio de 2022 a 2026, e a proporção do consumo de eletricidade industrial e comercial no consumo total de eletricidade da sociedade permanecerá em 86% de 2022 a 2026.
Suposição básica 3: Taxa de penetração do armazenamento de energia eletroquímica = capacidade instalada cumulativa de armazenamento de energia no lado do consumo de energia / energia industrial e comercial; De acordo com as estatísticas da CNECA, a capacidade instalada de armazenamento de energia no lado do usuário em 2021 é de 1,37 GW, então pode-se calcular que a taxa de penetração do armazenamento de energia eletroquímica em 2021 é de 0,08%; presume-se que a taxa de crescimento da taxa de penetração do armazenamento de energia eletroquímica aumentará em 0,01% ao ano de 2022 a 2026.
Suposição básica 4: Suponha que o tempo de carga e descarga de cada conjunto de armazenamento de energia seja de 2 horas de 2022 a 2024.
Conclusão: Estimamos que a potência acumulada do armazenamento de energia na rede em 2022-2026 será de 4,25, 6,17, 8,55, 11,44 e 14,89 GWh, respectivamente, e o armazenamento incremental de nova energia na rede em 2022-2026 será de cerca de 13 GWh.
5. Classificando os principais elos do armazenamento de energia eletroquímica não celular
5.1 Composição do sistema de armazenamento de energia eletroquímica
O sistema de armazenamento de energia eletroquímica envolve muitos links
A upstream da indústria de armazenamento de energia é composta principalmente pela fabricação de baterias, incluindo materiais positivos e negativos, eletrólitos, diafragmas, etc.; a midstream é a integradora do sistema de armazenamento de energia, incluindo o projeto de todo o sistema e a seleção de múltiplos subsistemas, como conjuntos de baterias, sistemas de gerenciamento de baterias, sistemas de gerenciamento de energia, conversores de armazenamento de energia, etc.; após a construção pelo fabricante do pacote EPC, ele é utilizado para geração de energia, rede e consumo de eletricidade. (Fonte do relatório: Report Research Institute)
Há muitas empresas envolvidas no campo de armazenamento de energia, incluindo principalmente provedores de tecnologia de armazenamento de energia representados pela CATL, China National Energy Storage e EVE Power, provedores de PCS de armazenamento de energia representados pela SENENG Electric, Kehua Digital Energy e Soying Electric, e integradores de sistemas de armazenamento de energia representados pela Haibosichuang, Electric Times e Kehua Digital Energy.
5.2 Sistema de controle de temperatura de armazenamento de energia eletroquímica
As baterias de lítio têm requisitos rigorosos quanto à temperatura operacional e o sistema de controle de temperatura desempenha um papel importante
A faixa entre 15 °C e 35 °C é a melhor faixa de temperatura operacional para que a bateria atinja o desempenho máximo. Essa faixa de temperatura também é a mais eficaz, confiável e segura para o funcionamento da bateria. Exceder a faixa padrão reduzirá a capacidade da bateria, retardará as reações químicas e aumentará os custos do ciclo de vida.
Devido aos requisitos de temperatura para a operação de baterias de lítio, o sistema de controle de temperatura é extremamente importante para o bom funcionamento dos sistemas de armazenamento de energia de baterias de lítio. As principais soluções de controle de temperatura atualmente incluem ar-condicionado integrado de saída superior + solução de fornecimento de ar preciso por duto, solução de isolamento de canal quente e frio dividido, ar-condicionado de montagem superior + solução de fornecimento de ar preciso por duto, solução integrada de saída inferior, solução de controle de temperatura do tipo água fria resfriada a ar, etc.
5.3 Sistema de combate a incêndio com armazenamento de energia eletroquímica
Como uma demanda rígida por armários de armazenamento de energia, o sistema de combate a incêndio desempenha um papel no alerta precoce e na prevenção de desastres
De acordo com estatísticas incompletas, ocorreram 50 acidentes com incêndio e explosão em usinas de armazenamento de energia em todo o mundo entre 2011 e 2021. As principais causas dos acidentes foram defeitos no sistema de gerenciamento de baterias e a perda de calor das baterias de lítio. Portanto, o sistema de combate a incêndio desempenha um papel importante no alerta precoce e na prevenção de desastres, visto que há uma demanda constante por armários de armazenamento de energia.
O sistema de combate a incêndio é composto principalmente por detectores de incêndio, controladores de incêndio, alarmes sonoros e luminosos, controladores de comunicação, alarmes sonoros e luminosos, interruptores manuais e dispositivos de extinção de incêndio. O sistema pode detectar riscos de incêndio a tempo e emitir sinais de alerta e alarme precoces durante o período de risco de incêndio e na fase inicial da ocorrência. Quando as condições pré-determinadas de determinação de incêndio são atendidas, o dispositivo de extinção de incêndio é acionado automaticamente para extinguir o incêndio em sua fase inicial, alcançando assim o objetivo de proteger a segurança dos contêineres de armazenamento de energia.
O valor do sistema de combate a incêndio representa cerca de 2% a 4% do valor total, cerca de 40.000 a 160.000/MWh.
