本文来自微信公众号：国君产业研究（ID：industryRCofG），作者：肖洁、鲍雁辛，原文标题：《储能技术路线选择：锂电、钠电、氢能、钒电产业链谁将胜出》，题图来自：《钢铁侠》


储能的技术路线选择成为市场关注的焦点。6月29日，国家能源局发布《防止电力生产事故的十二五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）》，指出，中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池，不宜选用梯次利用动力电池。


煤炭的清洁高效利用和火电的灵活性改造，给了储能市场更多“性价比”的约束。国内储能的未来：一定是市场化竞争、多技术路线并存。储能的下游是电网、电站运营、户用等，与车用锂电（认证周期长、一致性要求高）进入壁垒高、集中度高不同，很难出现寡头的格局，更多是以经济性和成本优势为核心的充分竞争，从产业史上来看和光伏产业更为相似。


放在产业大背景里去看技术路线的差异、演变和未来，我们希望完成系列报告之后可以回答以下类似的细节问题：


  • 氢能领域丰田选择金属双极板，巴拉德选择石墨及复合板，作为双极板厂商哪个才更有未来？

  • 钠电负极厂商，面对性能强成本高的硬碳、性能弱成本低的软碳，更优的选择是什么？

  • 钒电体系承袭于氢能，除一致的材料降本之外，叠加了钒的提纯。如果储能的终极是液流体系（全钒、锌溴、铁铬、有机），钒的上游资源企业是否具备在提纯领域快速降成本的能力？


但无论如何，研究储能的技术路线的选择和投资机会，必须以“长时储能需求和经济性”作为研究的出发点，储能时长才真正意义上代表了储能的市场空间。


一、万亿储能市场：电化学储能迎来机遇


全球能源互联网发展合作组织预测，2060年全社会用电量将达17万亿千瓦时，人均用电量达到12700千瓦时，清洁能源和新能源装机占比将达90%以上。随新能源大规模接入，为克服风光电的间歇性、波动性，整个电力系统正从“源-网-荷”到“源-网-荷-储”转化，储能将成为新型电力系统的第四大基本要素。


市场格局：电化学储能占比迅速提升，锂电仍为主流。储能目前主要集中在抽水蓄能和锂离子电池储能两种形式。无论是全球市场还是中国市场，抽水蓄能的累计装机规模仍占据最大比重，主要得益于较低的成本和满足长时储能的需求，但其份额持续下降；电化学储能的累计装机占比呈现出持续增长的态势，其中，2020年全球电化学储能装机规模增速稳定在50%，中国电化学储能累计装机规模同比增长91%，预计“十四五”时期市场将稳步、快速增长。




按照IEA公布的《2050年净零排放：全球能源行业路线图》的指引，要求到2030年，全球太阳能光伏发电新增装机达到630GW，风力发电的年新增装机达到390GW，这是2020年创纪录新增装机数据的4倍。我们按照中国光伏/风电装机全球占比40%简单测算（252GW、156GW）。



假设1：我们以2021-2025年复合增速5%，2026-2030年复合增速3%作为用电量的测算，2025年同比2020年累计新增发电量2万亿度电都需要由清洁能源来提供，约占全社会总发电量的20%以上。


假设2：我们按照2030年光伏新增装机252GW倒算，2021-2030光伏新增装机的复合增速在17.56%，累计装机复合增速20.42%。如果以更合理的制造业生产逻辑拟合，2021-2025年假设新增装机复合增速25%，2026-2030年新增装机复合增速依然有10%。


假设3：我们按照2030年风电新增装机156GW倒算，2021-2030年风电新增装机的复合增速在8.04%，累计装机复合增速17.54%。


基于碳达峰测算：如果光伏风电发电量占比在2025年达到25-30%的临界上（2020年仅占比5-7%），间歇性能源对于电网的冲击下，储能成为解决电网消纳问题的必然选择。面对2021年国内1.87GW的电化学储能新增装机量来讲，需求增速弹性巨大。



二、经济性考量：借鉴海外光伏储能发展史


2020年风光发电占比最高的国家包括瑞典（19%）、德国（18%）、葡萄牙（18%）、英国（17%）和芬兰（17%）等，欧洲平均占比在12-13%（国内的数据5-7%）。由于葡萄牙、瑞典、芬兰装机规模过小不具备参考意义，我们主要关注德国和英国，其中以德国作为表后储能装机参考、以英国作为表前储能装机参考。



1. 德国户用光伏与储能的发展依赖经济性


光伏发电景气度与政策导向高度同频，对补贴依赖度较高。德国于1990年制定“1000户屋顶计划”，拉开其光伏产业发展的序幕；1998年，政府进一步提出“10万屋顶计划”；2000年，德国通过《可再生能源法》，并于2004年、2008年、2012年对该法案进行了三次修订，明确光伏发电强制上网电价，使德国光伏装机容量快速增长，成为世界光伏标杆国家。


2010-2012年，德国光伏发电新增装机量连续三年超7GW。随着光伏电站装机成本的下降，德国政府也逐渐削减上网电价补贴，装机容量增速逐渐趋于稳定。2018年，政府提出2040年可再生能源在总电力需求中的份额增加到80%的目标，2021年，该目标被提前至2030年。伴随着愈发激进的政策目标的提出，光伏新增装机规模逐年提升。截至2021年底，德国光伏装机量达59.9GW，2021年新增装机5.3GW，新增装机以分布式为主，户用光伏装机占比呈上升趋势。



储能装机方面，用电侧储能占比持续提升，结构特征显著。储能技术进步以及规模化带来的投资成本下降，叠加逐年上涨的高昂电费，推动了德国表后储能市场的蓬勃发展。据Energie Consulting统计，至2020年底，近70%的德国户用光伏发电项目都附带电池储能系统，户用储能装机已超30万个，单户规模约为8.5kWh。





随用电侧储能占比提升，德国电化学储能装机功率与容量的配比趋向1kW/2kWh。综合近年光伏和储能系统新增装机数据来看，德国户用光伏装机倾向于配置10%、2h储能，和当前我国政策中对集中式光伏发电项目所要求的配比相似。



单户光伏与储能装机并无必然联系。以户用屋顶光伏200W/平米，100平米/户的屋顶面积测算，单户光伏系统装机规模约20kW。单户储能装机平均8.5kWh，和非光伏发电时段的单户用电量基本匹配，户用储能系统占用空间较小，用户接受度高。



储能系统成本呈下降趋势，已具备良好经济效益。依据派能科技招股书披露数据，除2020年上半年略有回升外，2017-2019年储能电池系统销售单价逐年下降，销量增势强劲。经测算，德国500€/kWh系统成本下的户用储能系统静态投资回收期6.22年，获利能力较强。




2. 英国领跑欧洲表前储能市场，主要基于光伏装机的高速成长


光伏发电装机于2014-2016年经历高速成长期。2014年，英国发布“光伏发电战略”，重点扶持分布式（屋顶式）光伏系统。2016年4月，再生能源义务法案（RO）对所有光伏项目的补贴终止；2018年，英国终止支持屋顶太阳能项目计划。


随全社会光伏发电量占比大幅提升，英国的电化学储能装机于2016-2019年出现显著增长。截至2020年底英国表前电化学储能装机规模近570MW，占欧洲储能表前装机规模的47%。英国储能表前装机平均配置时长近1小时，主要起提升并网灵活性（能量时移）与电网稳定性（辅助服务）的作用，经济性考量相对较弱。2020年，能量时移和辅助服务储能新增装机分别为175MW和62MW，合计占同年新增装机的80.6%。



3. 国内：经济性促使分布式光伏配套更高比例的储能


经济性驱动下，分布式储能装机空间可观。2017年以前，集中式光伏IRR高于分布式光伏，主要基于补贴因素；2018年以后，分布式光伏IRR实现反超，装机热情高涨。基于德国光伏及储能的发展历史，分布式储能装机量主要基于工业企业的用电量和峰谷电价差，体现经济性，最高可配比到光伏装机的4-5倍，想象空间巨大。


早期分布式装置90%以上的电量全部供给周边高用电密集度的工业，后期随着组件成本的持续下降，分布式光伏IRR进一步提升，则低用电密度的工商业，利用分布式+大储能的模式也将体现经济性。




政策催化推动行业发展。国家政策的支持对于行业的发展起重要作用，集中式光伏上网指导电价和分布式光伏度电补贴都在我国光伏产业发展初期起到极大的推进作用。2018年补贴退坡，装机量也相应下降。


截至2020年，国内风光发电量占全社会总用电量的7.5%，对电网的冲击并不大。根据我们的测算，风光电发电量占比将在2025年达到25-30%的临界上，政策推动电网侧和发电侧配套储能比例的提升。


国内用电侧储能经济性已现。我们以10MW/40MWh储能系统为例进行测算，在未考虑税收优惠时，储能IRR达8.60%，在考虑税收优惠的情况下IRR已达10.46%。




三、国内储能的空间：短期看政策波动、长期看经济性


储能政策缺乏统领性的、可量化计算的国家政策，多为各省市依据自身情况制定。


发电侧：各地依据本地情况出台配储比例政策，常见要求配储10%、2h。


电网侧：各地依据本地情况出台政策，通过调峰、调频辅助服务的价格机制完善来促进储能发展。


用电侧：1）分布式光伏配储：2022年起，部分地方分布式光伏也开始要求配储，依照目前整县推进的模式，其实类似集中式光伏的配储要求。部分地方对分布式光伏配储能项目提供额外补贴，但更多还是作为必须的配储要求发布。


2）峰谷价差套利：部分地方出台配置储能用户的峰谷电价优惠，但主要还是通过加大峰谷价差，以此鼓励工商业用户配储。暂未见针对户用（家庭）的储能优惠政策。


3）5G基站：未明确配储要求，部分地方对配储基站的峰谷电价做出调整（2020年山东：降低低谷电价）。




1. 发电侧：政策性配储规模的核心是合理的IRR


目前，各地依据本地情况出台配储比例政策，常见要求配储10%、2h（0.2wh）。长期来看，配储规模的增长弹性取决于光伏和储能装置成本的持续下价，理论上是维持光储一体化资产的合理IRR。我们按照2030年光伏和储能的成本测算，配储0.6wh的IRR可以达到6%。





2. 用户侧：峰谷电价差套利


国内用户侧的峰谷电价差套利，我们认为主要体现在小工业和商业。按照地区分布，主要是长三角和珠三角。储能装置的经济性体现在两峰两谷（平），每天可以有效充放电两次的区域，比如广东、浙江、江苏等。


我们可以以广东、江苏、浙江三省第二产业的30%和第三产业的合计用电量，作为峰谷电价差套利的储能市场规模。






国内储能的未来：市场化竞争、多技术路线并存。我们的结论：钠锂求异，氢钒求同，寻找上游材料的投资机会。


储能的下游是电网、电站运营、户用等，与车用锂电（认证周期长、一致性要求高）进入壁垒高、集中度高不同，很难出现寡头的格局，更多是以经济性和成本优势为核心的竞争格局，更像是光伏产业。


四、钠锂求异：产业链重合度高，关注上游原材料


1. 锂电钠电原理相同，钠电产业化道路平坦


钠离子电池工作原理与锂离子电池“摇椅式”原理相同，利用钠离子（Na+）在正负极材料之间的可逆脱嵌实现充放电。钠离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液组成，和锂离子电池的生产设备基本可实现兼容，降低了产业化难度。


钠电产业链布局承袭锂电，利于产业化快速导入。我国钠离子电池产业链还处于初级阶段，产业布局尚不成熟。钠离子电池产业链结构与锂电类似，包括上游资源企业、中游电池材料及电芯企业。





2. 钠锂求异：以负极材料为例


硬碳占据负极主流，改善首周循环效率为商业化关键。硬碳材料由于高比容量（300 mAh/g左右）、低储钠电压（平台段电压在0.1V左右）、长循环寿命、来源广而被认为是钠离子电池最具商业化潜力的负极材料。目前，商业化的钠离子电池所使用的负极几乎都是硬碳，硬碳比石墨更易合成。


在商业化应用过程中，硬碳面临着首周库伦效率较低的问题，其在酯基电解液中首周库伦效率大多在50-80%左右。因此，需要通过改进前驱体、改善合成条件等方法减少其内部缺陷，制备出孔隙率低且缺陷少的硬碳。



规模化后生产成本的决定因素：原料价格、残碳率（单耗）、电费（温度和时间）。综合来看，我们认为硬碳成本应该低于人造石墨，软碳成本使用无烟煤之后则更低。


原料价格：过去优质负极材料主要采用进口原料（主要指进口针状焦），2019-2020年原料国产化替代加速，产品成本显著下降。2021年以来，国内负极材料主要原料的价格呈现上涨趋势。下游需求持续增长，供需博弈下原料价格的上涨已成定局，负极材料厂商成本承压，而压力能否传导至下游电池厂商，取决企业基于技术壁垒和客户资源所构筑的议价能力。



残碳率（单耗）：石墨负极材料中，天然石墨单耗相对确定，人造石墨单耗波动较大，依据负极材料厂商披露的数据计算，单耗在1.21-2.28区间内。单耗可能随石油焦和针状焦用量的占比差异而有所变化，除高端人造石墨主要采用针状焦为主外，其余不同品质的负极材料原料用量的具体配比未知。硬碳/软碳负极中，酚醛树脂分子中含有大量的芳香环，残碳率高于其它高分子聚合物，理论值在55~70%，产业化后可能低于50%，原料单耗2以上；生物质原料的残碳率可能只有20%；无烟煤的残碳率大概50-80%，但软碳性能弱于硬碳。



加工费用：无论是软碳还是硬碳，由于其温度和时长要求远远低于人造石墨，成本结构可参考天然石墨，大规模产业化后制造费用（含电费能耗等）可能略高于天然石墨。





五、钒氢求同：降本之路方向一致，关注共用组件


1. 液流电池为储能“量身打造”


液流电池具备两大核心优势：1）安全：从根本上避免爆燃，2）耐用：活性物质衰减缓慢，工作寿命长达15-20年，加之储能系统一般是静态设施，对重量、体积的要求不高，能量密度并非关键指标，使得其尤其适合作为大规模储能系统。



全钒液流电池技术已成熟、综合性能好，是目前所有液流电池技术中最成熟、最可能实现大规模商业化的。其除液流电池的普遍优点外，还有三项优势：1）环境友好：全封闭运行，几乎零排放；2）残值较高：电解液钒元素不发生损耗，残值约70%；3）回收方便：电解液只含单一过渡金属，容易提取。虽然钒电体积相对锂电更大，但是户用储能钒电产品体积仍有一定竞争性，叠加其安全、高生命周期性价比两大优势，除大规模储能系统外，小型化全钒液流电池同样能与家用光伏配套使用。



2. 钒氢同体系，模块化结构中电堆为核心


全钒液流电池与氢燃料电池结构与原理类似，电堆是系统的核心部件，是发生电化学反应和产生电能的场所，电解液或氢气储存在外部储罐中。



鉴于单个电池单元输出功率较小，实践中通常通过将多个单元以串联方式层叠组合构成电堆来提高整体输出功率。以氢燃料电池为例，电堆是由双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆拴牢，构成的复合组件。



从成本构成看，电堆是电池系统的价值量核心，国内电堆在核心材料缺乏与关键技术方面存在短板。钒氢共用材料中，目前石墨双极板基本实现国产化，质子交换膜、气体扩散层仍主要依赖进口。


电堆的降本之路：据GGII统计，电堆近年的降价幅度约为每年30%。与此同时，氢燃料电池系统的平均降价幅度约为每年15%。2021年，批量采购的电堆价格已降至2000元/kW以下，这也使得燃料电池系统价格低于5000元/kW成为可能。




3. 钒氢尚处产业化初期，共用组件更具高确定性未来


气体扩散层（GDL）：位于气体流场层和催化层之间，主要由碳纸/碳布经疏水处理和微孔层涂覆形成。气体扩散层的质量主要取决于碳纸基材，而基材的质量则取决于上游碳纤维。碳纸的制备中，体现技术难度的主要在打浆环节，该环节需要控制打浆度以确保碳纤维的切断的长度适中，粘合剂、分散剂等溶液的材料选择与配比均会影响碳纸的性能。竞争格局方面，龙头包括日本Toray、德国SGL以及美国AvCarb等，其中Toray、SGL均布局碳纤维全产业链。


质子交换膜（PEM）：目前主流技术是全氟磺酸质子交换膜。PEM逐渐趋于薄型化，由几十微米降低到十几微米，降低质子传递的欧姆极化，以达到更高的性能。竞争格局方面，美国的科慕和戈尔领先市场，后者产品系列最为丰富、产品实际应用案例最多，是车用燃料电池市场的主导者 。国内研制能力强、已有规模化生产能力的主要是东岳未来，其以完整的含氟精细化工产业链为特点。



双极板（BP）：依材质可分为石墨双极板、金属双极板和复合双极板。氢燃料电池目前主要采用石墨板或金属板，钒液流电池倾向复合板。国产化进程方面，石墨板基本已实现国产化，金属板已有部分企业实现量产，复合板尚处研发阶段。



4. 钒氢求同：以双极板为例


石墨板适应需求趋于薄型化，乘用车为金属板带来机遇。石墨板：由于其高耐腐蚀性、高耐久性，以及相对较低的技术壁垒，率先实现国产化，在对体积较不敏感而对耐久性敏感的特种车、商用车领域示范应用。


然而，石墨双极板的制作周期长、机械性能差、加工难度大、制作成本高等劣势也不可忽视。市场已有越来越多的企业成功开发出超薄超精细石墨双极板，提前突破了国家制定2025年前单组石墨双极板厚度1.5mm的要求，功率密度开始接近丰田第一代金属双极板的水平。


金属板：抗腐蚀性差，寿命过短是其应用的阻碍，然而随着涂层工艺的持续进步与突破，其有望实现和石墨板相同的使用寿命。


丰田汽车公司率先在旗下Mirai燃料电池汽车上使用金属双极板和涂层，解决了腐蚀、成本和导电等一系列问题。凭借其机械性能优异、高体积功率密度、成本低廉且易批量生产等优势，金属双极板将在乘用车规模化应用的进程中实现突破。



市场格局：仍以石墨板为主，金属板或后来居上。氢燃料电池方面，2020年我国氢燃料电池双极板市场规模达3.1亿元，石墨板（包含碳塑复合板）和金属板的市场占比分别为65%和35%，2021年石墨双极板与金属双极板趋于平分秋色。GGII数据显示，2021年H1金属双极板出货量在双极板总出货量的占比已达45.0%（2020年同期为36.0%）。


钒液流电池方面，基本不考虑金属板，即使是涂层处理后的金属板，在酸性液体环境中也难以长期稳定工作。石墨双极板（机加工）不被看好，因为其机加工过程复杂且成本高。钒液流电池主要采用碳塑复合板，因为其热塑或模压工艺相对机加工简单，但是混合高分子树脂所带来的电阻率增加仍是需要解决的问题。



技术趋势：细密化程度、流道深宽比更高，版型更小，能够使单板能够支撑的功率密度更高，每kW所需板数下降，从而降低电堆集成的难度以及成本。目前100kW电堆一般需要350-400节单芯，而Ballard已经实现140kW高功率电堆仅需309节，大幅减少双极板数量，提升电堆功率密度。



国内产业化进程正在加速：据GGII统计，2021年期间，国内主流双极板企业出货量增长显著，金属双极板领域已出现单个企业单个客户出货达百万片级别的现象；石墨板市场各家出货也均有较大增长，表现明显的是原万片级出货企业的出货量级达到10万片以上，头部企业的出货更是达到了50万片/年以上。



六、乘新能源之风、寻材料类平台


国内目前具备全球竞争力的新能源赛道，可以类比1970-2000年电子产业在日本的地位。强大的政策扶持、技术推动的变革和成本下降，是一个全新的、技术驱动、在全球没有竞争对手的行业，光伏和锂电的崛起就是典型的案例，因为新能源市场的机会和增速被市场认可，资本投入下一代技术导致的变革也最为迅猛，比如电池环节的锂电-钠电-钒电，甚至氢能，比如光伏领域的PERC-TOPCon-HJT-钙钛矿。


对于新能源技术的快速迭代，我们认为，电池和光伏龙头企业由于资金、人才、规模等因素具备天然的优势，但依然没办法完全避免新技术带来的新生力量。与此同时，上游优秀的材料龙头，面对技术路线之争带来的下游集中度走向分散，将在整条产业链的话语权增强。以电池为例，负极材料龙头企业一直以宁德时代为主要的客户，未来很可能拓展给钠电龙头提供硬碳、给氢能和钒电龙头提供石墨双极板等等。


新能源领域单一技术路线的需求和应用空间，不应该是上游材料龙头估值的天花板，我们看好在新能源高速成长和快速技术迭代的长周期里，出现具备中国特色的材料类平台企业。


七、日本电子产业的繁荣带动上游材料集团的产生


1970-1985年为日本电子行业的黄金时代，电子产业产值增加了5倍，内需增加了3倍，出口增加了11倍，出口是绝对的行业增长拉动主力。根据 Semiconductor Industry Association 统计， 1978 年日本在全球半导体总收入中占比 46%，超过美国占比 30%，机器人、集成电路等高新技术均领跑世界水平。


由于日本国内完整的纵向产业链，带动了一系列上游材料集团的产生。21世纪开始日本电子产业衰落，从2000年占据GDP的5%到2018年占GDP的2%。日本电子产业的衰落主要是错过了PC时代和移动互联网时代，事实证明，持续站在技术变革的时代前沿并保持领先在长周期上非常困难。


与此相反，日本电子产业衰落20年过去了，日本依然在电子上游的元器件、材料和精密设备市场实力强劲，依然保持全球的领先地位。材料和设备由于认证周期、规模效应、产品一致性等等属性，可以在更长周期上保持龙头的领先地位和壁垒。


1. 日本在主流半导体材料领域市占率仍超过50%


全球半导体大硅片前五家企业市场份额93%，日本占据一半以上。全球半导体掩膜版主要被美国Photronics、日本DNP以及日本Toppan三家公司所垄断。



全球化学机械抛光液市场主要被美国和日本企业所垄断，包括美国的Cabot、Versum和日本的Fujimi和日立。其中，Cabot全球抛光液市场占有率最高，但是已经从2000年约80%下降至2017年约35%。


光刻胶行业具有极高的行业壁垒，长期为美日公司所垄断，CR5高达87%，行业集中度较高。其中，日本四巨头JSR、东京应化、日本信越与富士电子市占率加和达到72%。




2. 显示领域，日本材料企业依然占据重要地位


FPC上游的材料PI膜目前全球市场由国外少数美日韩企业所垄断，包括美国杜邦，韩国SKC、Kolon PI，日本住友化学、宇部兴产株式会社、钟渊化学和东丽等。


即便在2017年，国内面板产能已经位居全球第一，上游的核心材料，日本依然占据了重要地位。显示用偏光片领域，住友化学、日东电工占据了全球产能的40%。



偏光片上游主要原料PVA膜、TAC膜基本垄断在日本企业，尤其是TAC膜至今国内没有实现规模化的产能。同样，PET、COP等保护膜的主要厂商均在日本。




八、日本电子材料企业长周期财务表现稳健


21世纪以来日材料企业ROE中枢维持在8%合理水平。住友金属矿山及信越化工这净利率呈上升趋势明显，二者业务中起拉动作用的分别是资源业务及半导体硅业务，其余厂商净利率均维持在5%以下。




日本企业逐步明确全球产业链中的材料及零部件供应商定位。虽然，2000年以后日本电子产业产值开始急剧减少，但是企业电子材料相关业务营收却呈上升趋势，增速与全球半导体销售增速基本匹配，同时，经营利润率亦有小幅提升。






以信越化工为例，其电子及功能材料业务营收2001-2009年、2010-2021年（业务分类调整）均呈上升趋势，2001-2009年经营利润率由14%增长至24%，目前稳定在28.5%左右；半导体硅业务近年量利齐升，营收经历2010-2013年波动后，2014年之后稳步提升；经营利润率由9%（2010年）增长至39%（2021年），盈利能力强劲。




本文来自微信公众号：国君产业研究（ID：industryRCofG），作者：肖洁、鲍雁辛