3月2日,在特斯拉首次投资者日活动上,马斯克公布了特斯拉“宏图计划”的第三篇章。在马斯克改变世界的计划中,除了可再生能源发电、储能这些被人们熟知的零碳技术,他还重点介绍了“热泵”。
这也不是马斯克第一次提到热泵了。2020年,马斯克就将热泵空调应用在热销车型Model Y上,开辟了新能源车热管理的新标杆。
“热泵”并不是一项黑科技或者新技术。简单来说,热泵可以在电力的驱动下,将热量移动到更被需要的地方去,以提升能量利用效率,降低能耗水平。
从本质来看,热泵的存在就是为了热管理。无论是将多余的热量用来供暖,还是将不需要的热量散去降温,都在此范围之内。
以新能源车为例,在制热部分,由于没有余热可以用,必须要电池主动加热,所以热管理的效率更加关键。一个好的热管理系统,不仅可以提升电池的安全性和乘客的舒适度,还能够显著降低综合能耗。
新能源车热管理的核心主要是针对动力电池,除了特斯拉这样的整车商发力热管理,以宁德时代的动力电池企业也在积极布局热管理。
2022年6月23日,宁德时代发布麒麟电池热管理技术,通过水冷系统结构设计适应新能源车高压快充的热管理要求,导热性能提升50%,实现急速控温。凭借技术的领先性,麒麟电池被美国《时代》周刊(TIME)评为2022年度最佳发明之一。
不过,相比于新能源汽车和动力电池,另一个锂电池的应用领域对于热管理的需求更为急迫,那就是电化学储能。
2022年全球储能电池出货量总计达到142.7GWh,相较2021年的46.9GWh大幅增长了204.3%。全球未来储能市场势必会随着可再生能源发电市场的繁荣而持续增长。
根据CNSEA的不完全统计,近十年全球储能安全事故发生60余起,其中较为严重的几次储能电站事故不仅造成了财产损失,还造成了人员伤亡。
综观全球储能电站事故,电池热失控成为起火事故的主要原因。电池热失控指由于内部短路或外部短路导致电池短时间产生大量热量,引发正负极活性物质和电解液反应分解,产生大量的热和可燃性气体,导致电池起火或者发生爆炸。
在储能快速发展的过程中,安全问题也开始逐渐暴露。而且部分储能电站建设在人口密集区域,一旦发生起火、爆炸等安全事故,损失重大。对于一个正处在成长期的行业来说,安全事故不利于产业树立积极正面的形象。
与动力电池系统相比,储能系统电池的功率更大、数量更多、产热更多,而电池排列紧密又导致散热空间有限,热量难以快速、均匀地散发,易引起电池组之间的热量聚集、运行温差过大等现象,最终损害电池的寿命和性能。
当储能系统主动参与调峰调频,高倍率高容量的发展趋势下产热显著增加,热管理系统的重要性不断增强。锂电池的最佳运行温度大约为10至35摄氏度,理想的热管理系统可以让锂电池始终保持在最佳状态,发挥出最优性能。
不过,尽管热管理对于储能系统有着重要的作用,但热管理在整个储能系统中的成本比重并不高。
储能温控技术方案主要分为风冷及液冷。风冷是以低温空气为介质,利用自然风或风机与电芯产生热对流,进而降低电池温度。风冷结构简单,但是换热效率低下且无法实现精准控温,相比而言液冷方案采用水、乙醇、制冷剂等冷却液,通过液冷板上均匀分布的导流槽和电芯间接接触,靠近热源、换热效率高、能耗低,可以保证电池单体温度的一致性。
远景能源实测数据表明,与普通风冷产品相比,液冷散热方案在各项性能指标上优势明显:
► 换热系数/效率高:液冷的换热系数大概在1000~50000之间,风冷的换热系数只有 25~100之间,液冷系统更适用于储能的2C、3C快充应用。
► 电池温差小,寿命长:液冷系统可将柜内所有电芯的温差精准控制在3℃以内,使得电池 寿命提升20%,且能够在气温-40℃~+50℃的地区正常运行。
► 能耗低:液冷产品减少了风冷产品中 95%的风扇旋转部件,等同于减少大量故障点,后期运维工作量小。同时,风冷通过冷却空气间接冷却电芯,整个储能系统将产生很大的自耗电,而液冷产品能降低这部分额外成本。
► 占地面积小:通过集约化设计和大容量电芯,液冷储能产品与相同容量的集装箱方案相比,占地面积节约50%以上,针对未来百MW级以上的大型储能电站,对占地成本的节约更明显。
► 环境适应性更强:液冷系统是一个全密封的柜体,Pack可以到IP65的级别,对未来海上风电的配储场景更友好。
主流厂商均密集推出液冷储能系统产品。2021年宁德时代基于液冷CTP电箱技术推出户外预制舱系统EnerC;2022年5月,阳光电源推出面向大型地面电站的PowerTitan以及面向工商业储能的PowerStack,均采用液冷系统,科华数能、蜂巢能源亦推出液冷储能系统解决方案。2023年远景能源、宝光智中、沃太能源等众多储能集成商均推出新款液冷储能系统产品。
安全性更高,系统寿命延长降低全生命周期成本。液冷储能系统可更精准地控制电池温差,延长系统寿命,同时液冷方案的电费及运维费用相比风冷进一步下降,从而降低LCOS。目前风冷系统单GWh价值量在2000-4000万元,液冷系统单GWh价值量已下降至约4000万元,占系统成本比例仅约3%。根据集成厂商发布产品的测算,液冷方案相比风冷普遍可降低储能LCOS 15%-20%。
我们认为在集成商产品丰富度提升、部分液冷项目落地验证数据后,终端业主对液冷方案接受度将逐步提升,其渗透率有望迎来快速提升。
以1MWh的集装箱式储能系统为例,这类小规模低能量密度的储能系统一般采用风冷技术。根据测算,在典型工况1C运行时,系统产热率为39kW,需要的空调最小制冷功率为24kW。
以市面上某种户外空调为例,制冷量为1500W,价格2000元/台,制冷成本约计算为1.33元/W。若满足上述集装箱储能系统,则对应需要约3万元,可进一步得出单GWh储能系统选择风冷方案投资成本约为3000万元。同理,按照液冷板等关键部件成本测算,单GWh储能系统选择液冷方案投资成本约为9000万元。
测算结果表明,保守假设下,2021-2025年全球电化学储能热管理市场空间分别达到17/30/52/82/123亿元,对应CAGR+65%。其中,中国市场分别将达到2/5/8/15/27亿元,对应CAGR+85%。
中性假设下,如果2025年全球电化学储能容量需求达到315GWh,则对应储能热管理市场空间为166亿元,2021-2025年的CAGR为78%。
乐观假设下,如果2025年全球电化学储能容量需求达到450GWh,则储能热管理市场空间为237亿元,2021-2025年的CAGR为95%。
4月7日,美的集团旗下的美的楼宇科技发布多款液冷储能热管理产品。本就在热泵、IDC热管理、新能源车热管理、机器人传动热管理领域有着大量技术积累的美的入局,让储能热管理市场未来竞争会更加激烈。
海信家电作为传统家电龙头,2021年收购日本三电,开始进军汽车热管理业务。2020年,海信成立子公司青岛海信网络能源公司,开始研发液冷、风冷储能热管理解决方案,入局参战。
除了传统工业空调/温控企业、家电巨头们,汽车空调、热管理企业也在跑步进场。成立于1999年的松芝股份以客车空调业务起家,逐步发展出汽车热管理业务。2020年,松芝股份开始布局储能热管理,走的就是液冷技术路线年度业绩报告,松芝股份已进入宁德时代、远景能源等客户的供应商体系,并进入量产阶段。
然而,在储能热管理标准缺失的当下,初期竞争可能依然暂时无法摆脱无序、低价等问题。对此,有不少热管理企业表示,希望能够尽早完善储能标准化。
有新能源电站相关业主单位表示,希望热管理企业“更加了解行业,深入了解应用场景,挖掘出来具体的要求,形成一套标准化的产品和解决方案。
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