風起 鋰電儲能鈦酸鋰新戰事
時間:2021-01-07 10:50來源:北極星儲能網 作者:風滿樓 洛神
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隨著碳中和目標的確立，風光等新能源發電比例上升，儲能的風口已然是越來越近，與此同時，隨著儲能成本的下降，商業模式單一的“阿喀琉斯之踵”正在變得越來越小。
一方面，儲能系統集成的價格整體下降超出預期，日前還驚爆出了接近1元/Wh的地板價，向發電側儲能商業化邁出了堅實一步；另一方面，愈來愈多的省份開放了調頻市場，特別是火儲聯合調頻的盈利能力很強，根據多家上市公司所披露出來的2020上半年財報，主要布局于此的頭部企業儲能版塊毛利率均超過了40%！
01 調頻儲能開閘
調頻領域的儲能市場確實是不一樣了。
2020以來，蒙西、甘肅、云南、廣東、山東、山西六省分別出臺調頻新政，進一步擴大了儲能調頻的市場，其中甘肅和廣東兩地的調頻里程申報價格上限均達到15元/MW。
表1:2020年各省發布的調頻文件
政策加碼，推動行業前景逐漸明朗，尤其是近兩年來火儲聯合調頻已成長為國內電化學儲能產業中“率先實現商業化”的領域；在山西、蒙西、京津唐、廣東已進入產業爆發期，在江西、上海、甘肅、江蘇等地也開始陸續落地項目，吸引大批儲能企業入局。這也使得競爭進一步加劇，同質化項目的利潤正越來越薄，甚至部分地區還有虧損的風險。
顯然，儲能系統僅滿足于“能用”已經不合時宜，“好用”的屬性漸漸變得越來越重要。特別是于儲能電池而言，占據了儲能系統高達53%左右的成本，對其性能和成本的綜合考量將變得愈發苛刻。
在過去的幾年里，鋰離子電池價格迅速下降，成功坐上了市場的頭把交椅。根據CNESA數據顯示，截止到2019年底，鋰電池在全球累計裝機規模中占比高達約88.8%。
圖1：全球儲能市場累計裝機規模（2000-2019）
而以調頻為典型代表的“功率型儲能”應用上正在逐步提升，近日，銀隆新能源高鈦酸鋰儲能系統順利落地廣東珠海橫琴區國家電投珠海橫琴熱電有限公司，通過電網調頻、平衡負載波動、黑啟動等功能，為橫琴新區提供安全高效、經濟環保、清潔低碳的綠色能源解決方案。
據了解，在該項目中，銀隆新能源高倍率鈦酸鋰儲能系統主要作用為發電側調頻，通過對電池系統頻繁快速的充放電，以達到調節電網頻率的作用，而其系統長壽命、大倍率的特性充分滿足項目需求，具有響應速度快，短時功率吞吐能力強，且易改變調節方向等特點。銀隆新能源高倍率鈦酸鋰儲能系統與常規調頻電源相結合，可作為輔助傳統機組調頻的有效手段，進一步提高電網運行的安全性與可靠性。
02 鈦酸鋰利刃出鞘
電化學儲能系統廣泛應用于電力系統各個環節，其電池并聯數量多、運行功率大，安全風險和影響都比電動汽車動力電池嚴重的多。因此，安全是業主最關注指標的第一選項。
表2：三種鋰離子電池技術對比
三元鋰電池過去的敗退，正是緣于其看起來 “不那么安全”。
業內人士表示，鋰離子電池中，除了正常的充電-放電反應外，還存在許多潛在的放熱副反應，當電池溫度過高或過充電時，容易被引發。而三元鋰電池組熱穩定性較差，不到300℃就會分解出氧分子，遇到電池中可燃的電解液、碳材料后一點就著，由此產生的熱量進一步加劇正極分解，導致其在極短的時間內就會爆燃。
但這樣的性能，與其說是安全，倒不如說是“危險可控”。
論安全，鈦酸鋰電池無疑更具優勢。與其它鋰離子電池相比，鈦酸鋰電池幾乎不形成穩定性差的SEI膜，避免了電池因過熱而起火的危險。鈦酸鋰材料對金屬鋰的電位為1.55V，對鋰金屬的電位更高，即使在充電后期、低溫或高倍率充電的情況下，此負極的電位也不會達到鋰離子還原成金屬鋰的電位，避免了電池在過充時生成鋰枝晶，安全性更好。而鋰枝晶是刺穿隔膜導致鋰離子電池內部短接，造成電池的熱失控引發燃燒爆炸的罪魁禍首。
此外，為了保證產品的安全性，銀隆已經在其實驗室里，將鈦酸鋰電池先后進行了電鉆、切割、針刺、和高溫烘焙等花式虐待，但鈦酸鋰電池均未發生冒煙起火爆炸等現象。石家莊公交公司技術設備部孟部長稱：“安全性是我們最關心的問題，鈦酸鋰的優點就是電池的安全性高，石家莊公交現在運行的銀隆鈦酸鋰車，沒有發現過冒煙著火的情況。”據最新數據顯示，在投放市場的裝載銀隆鈦酸鋰電池的銀隆車中，因電池誘發的安全故數為零。
其次是長壽命，銀隆鈦酸鋰電池可循環充放高達3萬次，按照每年循環1000次計算，使用壽命長達30年，遠高于其他兩種技術。這主要是由于鈦酸鋰材料結構穩定，在充放電過程中，鋰離子嵌入和脫嵌不會造成鈦酸鋰晶型結構的變化，被稱為零應變材料。充放電過程中，鈦酸鋰材料的晶格參數僅從0.836埃米增加到0.837埃米（1納米=10埃米），體積變化僅0.3%，具有優異的循環穩定性。
傳統鋰電池一般采用石墨做負極材料，石墨為二維層狀結構，鋰離子脫嵌過程當中，體積變化率達到了±10%，嚴重降低了二者的循環壽命。要知道，大型儲能項目運營起來便是以數十年甚至百年計，如果儲能電池壽命只有短短幾年，更換過于頻繁，不僅增加運營成本，而且容易增加性能不穩定的風險，鈦酸鋰的長壽命特性正好解決問題。
另一方面，鈦酸鋰的三維鋰離子通道，可以實現鋰離子快速脫嵌。與其他負極材料相比，鈦酸鋰有著較高的鋰離子擴散系數，電化學反應速度快，滿足大倍率快速充放電的需求，且不會形成阻礙鋰離子擴散的SEI膜，充放電穩定。央視《經濟半小時》播放的報道《新能源跑出“加速度”》顯示，銀隆公交車在頂充設備之下，充電三分多鐘，剩余電量就由33%上升到60%以上，僅僅8分鐘，銀隆公交車的電量就充滿了，顯示為99%。
圖2：6min電池快充曲線圖
另外一個很重要的性能指標就是耐寬溫。鈦酸鋰結構穩定，其尖晶石結構具有三維的鋰離子擴散通道，且表面不形成固液界面鈍化膜，在低溫下各項動力學性能仍能保持常溫時的狀態，充電不會導致短路或出現使負極惡化的鋰枝晶。據有關數據顯示，銀隆生產的鈦酸鋰具備在-50℃~60℃的超寬溫范圍完全充放電的能力。
圖3：鈦酸鋰電池低溫充放電性能
以上即為鈦酸鋰電池“好用”的部分，那么，是什么耽誤了鈦酸鋰電池“能用”呢？
兩個字：成本！
絕大多數的儲能應用場景其實都是商業場景，客戶購買儲能產品歸根到底是為了賺錢或者省錢，在當前以“實現商用”為目標的電化學儲能行業中，似乎成本成了鈦酸鋰電池最大的局限。
但，這個成本是真的高嗎？成本高是單純從初始投資的角度來看的，在調頻電站的長周期內，若考慮全生命周期的里程成本，則有著不同的結果。
03 瞄準里程成本
里程成本指在功率型調頻儲能電站的生命周期內，平均到單位調頻里程的電站投資成本。而最大功率決定了調頻里程的上限，是評價儲能電站參與電網一次或二次調頻經濟性的重要指標。AGC調頻的補償收益如果不考慮競價方面的因素，主要取決于儲能系統的最大功率。
鈦酸鋰電池的充放電倍率遠超其它鋰電池，一般鋰電池的倍率只有2C，銀隆鈦酸鋰電池倍率則可以達到4C，甚至更高，是一般鋰電池的兩倍以上，再加上其與其它鋰離子電池相比高出三倍以上的壽命，在相同裝機體量的前提下，其調頻里程可達到其它鋰離子電池的六倍以上。
換言之，理論上來講，鈦酸鋰電池儲能的初始投資成本只要不超過其他鋰電池儲能的6倍，其在性價比上都是具有優勢的。而銀隆的目標是將初始投資成本壓縮在其它鋰離子的2倍以下，此時，其里程成本僅為其他離子電池的1/3，競爭優勢凸顯。
以典型的2C調頻項目為例，其回收期不到四年，相比一般鋰離子電池可以縮短1.45年，且初期電池配置少，整體投入降低20%，中途無需更換電池。
圖4：鈦酸鋰儲能及一般鋰離子儲能項目年末未回收成本對比
誠然，在整個儲能產業的視角下，調頻等功率型儲能領域，銀隆高功率鈦酸鋰儲能系統擁有最低的里程成本，且具有極高的安全特性，可以說是調頻領域更適合的應用。鈦酸鋰之于儲能電池，就像是轉子發動機之于往復式發動機一樣，雖然不是現階段的市場主流，但在賽車領域卻成為了無冕之王，未來可期。
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