（报告出品方：光大证券）
1、长时储能：碳中和时代的必然选择
1.1、储能的本质：让能量更可控
储能的核心是实现能量在时间和空间上的移动，本质上是让能量更加可控。我们把各种发电方式的本质归一化，可以发现：火电、核电、生物质发电天然就有相应的介质进行能量的存储，并且介质适宜进行贮存和运输，即本身就配置了储能功能。而对于水力发电、风力发电、光热发电、光伏发电而言，发电借助的来源是瞬时的、不可贮存和转运的。相应地，如果我们想让这些能源更加可控，必须人为的添加储能装置。可以理解为，储能装置的添加，会使得水力、风力、光伏、光热成为更理想的发电形式。
1.2、储能的应用：让分布式更“优质”、让系统更灵活
发电侧与电网侧一直承担着让能量更可控的任务，储能将作为一种方式提供灵活性资源。在抽水蓄能大建设、新型储能兴起之前，电网的灵活性资源更多的需要火电提供。而目前，在一个优质的电网存在的情况下，系统的灵活性调节资源是由抽水蓄能、新型储能、火电等共同提供的。此时，建设抽水蓄能和新型储能的节奏，要评估两个方面：（1）从经济性维度上，建设抽水蓄能、建设新型储能与进行火电灵活性改造何者最优；（2）从需求量维度上，火电灵活性改造存在存量机组数量约束、抽水蓄能存在地理资源约束，这两大约束会在什么时间点成为掣肘因素。
储能可以让分布式光伏发电更“优质”，使其有成为家庭用电主力的可能。储能的应用使得用户侧“自发自用”成为了可能，在一个更多偏向于盈利属性的电网环境下，储能加持下的分布式光伏发电更加“优质”。此时，分布式光储的推进核心变成了经济性考量：光储发电的成本与从电网买电的价格孰高孰低。在没有可靠电力保障的情况下，储能是正常生活的刚需。储能装置储存的是能量，而充足的能源是保障生活正常进行的必要需求。而在户外、偏远地区，在有战争可能的地区，在电网保障不足的地区，从生存与避险的角度讲，配置储能是最基本的需求。此处储能推进的核心是：正常家庭能否负担得起一套储能设备，或者一套光储系统。
1.3、储能的需求：高比例可再生能源下的必然要求
高比例可再生能源对系统的灵活性调节能力提出了更高的需求。长时间来看，新能源发电可以满足电量平衡需要，但由于出力波动，在短时内无法满足电力平衡需要。新能源出力具有不确定性、间歇性以及不可控性的特点，为电力系统维持发电及负荷的实时平衡带来挑战。由于新能源机组出力具有间歇性，同样容量的新能源机组与常规火电或水电机组带负荷的能力并不相同，因此电力系统充裕度分析中新能源容量无法与常规机组同等对待。以风电为例，风电可信容量指等可靠性前提下风电机组可以视为的常规机组容量大小，风电容量可信度为其可信容量占其装机容量的比例，根据王彤等对南网的可靠性评估结果，南网年风电的容量可信度在0.67%~18.75%之间。而方鑫等人在《并网光伏电站置信容量评估》一文中测算，光伏的容量可信度在54%~56%之间。
波动性可再生能源并网会对电力系统产生多种影响。这些影响并非突然出现，而是随着波动性可再生能源渗透率的提高而逐步增多。具体可根据波动性可再生能源渗透率的不同分为四个阶段：第1阶段：已部署第一批波动性可再生能源发电厂，但对系统基本没有影响；只会造成极少的局部影响，例如在发电厂的并网点。
第2阶段：随着波动性可再生能源发电厂数量的增加，负荷与净负荷之间的变化日益明显。改进系统运行方式以更充分地利用现有系统资源，通常足以满足系统并网要求。第3阶段：供需平衡难度更大，需要系统性地提高电力系统灵活性，现有设施和改进运行方式难以满足这一要求。第4阶段：在某些特定时段，波动性可再生能源发电量足以提供系统大部分电力需求，电力系统在系统受到扰动后迅速响应的方式发生变化。可能涉及到规则调整，使波动性可再生能源发电也要提供频率响应服务，如一次调频和二次调频。
目前美国加州可再生能源发电高峰时占比超50%，正处于第4阶段。根据CAISO数据，绘制年加州夏季单日电力供给调配曲线。分析发现，可再生能源能够满足8-17点左右的日间供电需求，而在19点以后的时间，可再生能源发电量骤降，此时电网中的灵活性调节资源发力，天然气大力发电，但是仍有巨量的用电缺口需要通过从其他州进口电力补足。对于美国加州而言，需要从其他州进口电力来补足的用电缺口，就是其对于储能的需求空间。
1.4、长时储能：碳中和时代的必然呼唤
长时储能（long-durationenergystorage)，一般指4小时以上的储能技术。长时储能系统是可实现跨天、跨月，乃至跨季节充放电循环的储能系统，以满足电力系统的长期稳定。可再生能源发电渗透率越高，所需储能时长越长。可再生能源发电具有间歇性的特点，主要发电时段和高峰用电时段错位，存在供需落差。随渗透率上升，平衡电力系统的负荷要求增加。相较于短时储能，长时储能系统可更好地实现电力平移，将可再生能源发电系统的电力转移到电力需求高峰时段，起到平衡电力系统、规模化储存电力的作用。
储能设备削峰填谷功能凸显，以4h为代表的长时储能设备具有发展必要性。根据CAISO数据，绘制年加州夏季单日电池储能设备的充放电曲线。由图可见，储能设备在白天以高功率储存电能，在晚间用电高峰高功率放电，高峰放电持续时间超4h。根据Strategen的《LongDurationEnergyStorageforCaliforniasClean,ReliableGrid》研究报告，未来到年，太阳能将成为加州最主要的可再生能源，占比达75%。为平衡太阳能发电，需要在白天存储8到12个小时的电能，晚间存储调度量也将增加，最多时需连续放电12小时，长时储能发展不可或缺。
美国加州由于较高的可再生能源发电比例，是最早大量部署持续放电时间4小时储能系统的地区之一。从年开始，加州地区就已经开始陆续部署4小时的储能系统。根据Strategen预测，加州到年将部署2-11GW的长时储能设备，到年将实现45-55GW的长时储能配置。
1.5、长时储能的推进节奏：循序渐进、星辰大海
对于长时储能而言，最重要的是为电力系统的灵活性调节提供支撑。概括而言，电力系统中，灵活性资源的需求方主要是风力、光伏发电设施；电力系统的灵活性主要来自于两个方面，一方面是原有发电机组的灵活发电，另一方面就是储能设施的配置。我们在分析推进节奏时，将灵活性提供方简化为三部分：存量机组；成熟的储能方式——抽水蓄能；新型储能技术。通过这种方式，可大致勾勒出随着风光发电量占比的逐步提升，储能的推进节奏。具体可分为三个阶段：
阶段1：风光发电量10%左右的水平（对应中国年前后所处的阶段）：新型长时储能技术发展的战略窗口期在此阶段，存量的发电机组（煤电、气电）可以进行改造，提供更多的灵活性资源支持；传统的储能方式抽水蓄能由于建设周期较长（6-8年），需尽快规划上马；新型储能项目成本仍然过高，但是如果仍存在灵活性缺口，需要新型储能项目尽快补上。
阶段2：风光发电量20%左右的水平（对应中国约年前后所处的阶段）：新型长时储能技术产业化降本的决战期在此阶段，存量的发电机组改造基本完成，无法提供更多的增量灵活性；抽水蓄能项目逐渐落成，与存量机组一同成为灵活性调节主力；而此时，对于新型储能的需求量也进一步提升。阶段3：风光发电量30%左右的水平（对应中国约年的阶段，对应美国加州约年所处的阶段）：成本最优的长时储能技术装机量快速增长期在此阶段，存量机组无改进空间且逐步淘汰；抽水蓄能受限于地理资源约束无法继续上量；只能依靠新型长时储能技术提供增量的灵活性资源。
分地域来看：节奏上先欧美，后国内：以美国加州、德国、澳大利亚南部为代表的欧美地区，当前风光发电量占比已经很高，对于长时储能的需求也愈发迫切。考虑到当前各类新型储能的经济性，他们更多的选择配置锂电储能系统。以宁德时代、阳光电源为代表的中国锂电储能行业，正在全球范围内开疆拓土，占领份额。
具体到中国：预计从年到年，我国风光发电量占比将从9.5%提升到16.4%。根据《“十四五”可再生能源发展规划》的目标：年可再生能源年发电量达到3.3万亿千瓦时，“十四五”期间可再生能源发电量增量在全社会用电量增量中的占比超过50%，全国可再生能源电力总量消纳责任权重达到33%左右；“十四五”期间，风电和太阳能发电量实现翻倍，到年可再生能源电力非水电消纳责任权重达到18%左右。我们假设：（1）火电年利用小时数从年的小时下降到小时；（2）年燃气、其他火电、生物质发电占比与年保持一致；（3）水电利用小时数不变；（4）风电年均新增50GW，利用小时数提升至小时；（5）光伏年均新增90GW，利用小时数提升至小时。
在此假设情况下，可以满足《“十四五”可再生能源发展规划》中的目标。根据此假设情景计算，从年到年，我国风光发电量占比将从9.5%提升到16.4%。
在“十四五”期间，火电改造与抽水蓄能是灵活性增量的主力，这为新型储能加速发展提供了战略窗口期。在当前情况下，一方面中国存在着一批可以进行改造来增加灵活性的机组；一方面中国存在着一部分抽水蓄能资源储备。根据潘尔生等《火电灵活性改造的现状、关键问题与发展前景》，不同机组特征、改造目标、燃料特性等条件都将带来改造投资的巨大差别，通常投资按30~90元/千瓦计算，是最便宜的灵活性调节资源。其次为抽水蓄能，之后为以锂电为代表的新型储能。
据郭剑波院士《中国高比例新能源带来的平衡挑战》分析，我国“十四五”期间将完成存量煤电机组灵活性改造2亿干瓦，增加系统调节能力~万千瓦，新增煤电机组中具备灵活调节能力的达1.5亿干瓦；到年，新型储能装机容量达到万干瓦以上；抽水蓄能规模年达到万千瓦以上，年达到1.2亿干瓦左右。新型储能将会在年以后，逐渐成为灵活性调节的主力。
2、长时储能：百花齐放，百舸争流
储能技术特点及降本情况各不相同，根据应用场景的不同，长时储能技术将呈现多线并举的格局。概括而言，长时储能技术可分为机械储能、储热和化学储能三大主线。其中，机械储能包括抽水蓄能、压缩空气储能；储热主要为熔盐储热；化学储能包括锂离子电池储能、钠离子电池储能以及液流电池储能。
2.1、抽水蓄能：当前最成熟、度电成本最低的储能技术
2.1.1、原理：依靠水的重力势能作为介质储能
抽水蓄能仍然是当前最成熟、装机最多的主流储能技术。抽水蓄能是机械储能的一种：在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库时将电能转化成重力势能储存起来，在负荷高峰时利用反向水流发电，综合效率在70%到85%之间。
2.1.2、优劣势：储能技术成熟，但选址受限、开发周期较长
优势：当前最成熟的储能技术，度电成本最低。根据《储能技术全生命周期度电成本分析》（文军等，年）中测算，在不考虑充电成本且折现率为0的情况下，抽水蓄能仅有0.元/kWh的度电成本，在各种储能技术中度电成本最低。劣势1：地理资源约束明显，远期来看无法足量的满足储能需求。虽然抽水蓄能不具有化学电池易老化和储能容量限制的问题，但是它对于地理因素的要求较高，一般来说只能建造在山与丘陵存在的地方，上下水库要求存在于较近的距离内，并有着较高的高度差。并且在高度差不明显的条件下，抽水蓄能电站所能达到的能量密度相对有限。
劣势2：初始投资成本高、开发建设时间长，在风光建设超预期的时候，储能资源无法及时匹配。抽水蓄能电站的建造成本较高、开发周期约7年。根据《抽水蓄能电站建设与运营模式思考》（孙晓新，年）数据，一个万千瓦的电站通常需要60-80亿元的投资。根据《溧阳抽水蓄能电站工程设计变更与优化》（李建军等，年）溧阳抽水蓄能电站建设周期约为7年，主体工程于年4月开工建设，年10月11日最后第6台机组投产发电，工程全部竣工投产。
2.1.3、产业链：主要涉及投资、承包、设备商
在抽水蓄能电站的建设中，涉及的主要公司为投资商、承包商、设备商。在投资运营环节：国网、南网为主要投资运营企业。截至年底，国网在运和在建抽水蓄能规模分别为万千瓦、万千瓦，占比分别为64.6%、74.4%，在抽水蓄能开发建设和运营市场中处于领导地位。在承包环节：中国电建份额占比最高。抽水蓄能项目主要采用EPC模式，由中国电建等建筑商规划设计，承担建设项目。根据中国电建年5月公告，公司在国内抽水蓄能规划设计方面的份额占比约90%，承担建设项目份额占比约80%。在具体建设过程中，涉及上市公司的主要为设备环节：行业竞争格局长期较为稳固，主要参与公司有三家，“两大一小”，“两大”为哈尔滨电气、东方电气，“一小”为浙富控股。
2.1.4、产业化：最早实现大规模商业化，装机总规模超36GW
中国抽水蓄能装机规模显著增长。根据国际可再生能源机构数据，截至年底，我国已投产的抽水蓄能电站总规模为36.39GW，中国抽水蓄能电站总规模占全球的比例，从年的17%提升至年的28%。从单个电站规模来看，目前国内最大的为惠州与广州的抽水蓄能电站，规模均为2.4GW。竣工于年的惠州抽水蓄能电站工程总投资为81亿元，设计年发电量为46亿千瓦时；一期竣工于年、二期竣工于年的广州抽水蓄能电站工程总投资为60亿元，设计年发电量为49亿千瓦时。
2.2、压缩空气储能：效率提升下，极具前景的大规模储能技术
2.2.1、原理：依靠高压气体作为介质储能
压缩空气储能系统是一种能够实现大容量、长时间电能储蓄的电力储能系统。通过压缩空气存储多余的电能，在需要时，将高压气体释放到膨胀机做功发电。传统压缩空气储能技术原理脱胎于燃气轮机，其工作流程为：压缩、储存、加热、膨胀、冷却。当前压缩空气技术以中温蓄热式压缩空气储能为主。中温技术将压缩空气加热到-℃，温度越高，转换效率就越高，最新压缩空气储能的电转换效率可以达到60-70%。但高温对压缩机等设备材料的要求更高，当前产业化方向以中温为主。
2.2.2、优劣势：已摆脱地理约束，但当前效率相对较低
优势1：随着技术的进步，可以通过储气罐的形式存储压缩气体，从而摆脱了地理约束，可以大规模上量。传统的压缩空气储能需要借助特定的地理条件建造大型储气室，如岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等，从而大大限制了压缩空气储能系统的应用范围。当前随着技术的进步，可以通过建设大型储气罐来进行存储。优势2：单位成本相对较低。设备成本占系统成本的大部分，存在着随着大规模应用快速降本的可能。劣势：整个系统的效率相对来说仍在较低的水平。当前涉及运行的项目效率在50%-70%之间，较成熟的抽水蓄能的76%左右还有一定的差距，这一定程度上影响了整个项目的经济性。
2.2.3、产业链：压缩机、膨胀机为核心部件
压缩机是压缩空气储能系统中最核心的部件之一，其性能对整个系统起决定性影响。大型压缩空气储能电站的压缩机多为轴流与离心压缩机结合机组的结构，压缩机压比需达到40-80，甚至更高。根据美国电力研究协会报告，按2年美元计价下，Huntorf电站装配的压缩机成本大约在美元/KW。膨胀机同样是压缩空气储能系统中的核心部件。大型压缩空气储能系统中的膨胀机具有膨胀比大、负荷高等特点，一般采用多级膨胀加中间再热的结构。根据美国电力研究协会报告，按2年美元计价，百兆瓦级大型电站中，透平膨胀机的投资成本大约在美元/KW。
2.2.4、产业化：百兆瓦级先进压缩空气储能系统并网调试
自从年StalLaval提出利用地下洞穴实现压缩空气储能以来，国内外对压缩空气储能系统的研究和开发十分活跃。20世纪70年代起，传统压缩空气储能系统进入商业化发展。目前唯二实现商业化运行的大型压缩空气储能电站是德国Huntorf和美国AlabamaMcIntosh电站，输出功率均达到百兆瓦级。作为传统压缩空气储能系统，其储气装置为地下洞穴或废弃矿洞，发电过程中均需使用燃料，能量转化率相对较低，在45-55%左右。
以中储国能为代表的中国企业持续推进先进压缩空气储能系统的研究。相较于传统压缩空气储能系统，先进压缩空气储能系统不依赖化石燃料、不使用储气洞穴，具有寿命长、清洁无污染、储能周期不受限制等优势。中储国能于年底实现并网的张家口MW/MWh先进压缩空气储能系统，设计效率达到了70.4%，单位装机成本降低至-美元/KW。该项目将有效促进我国压缩空气储能技术产业化进程。
2.3、锂离子电池：优秀的中短时储能技术同样适用于部分长时场景
2.3.1、优劣势：储能技术较为成熟，但锂资源约束明显
优势1：锂电池储能是当前技术最为成熟、装机规模最大的电化学储能技术。根据中关村储能数据，年锂离子电池占中国新型储能装机量的89.7%，是最具代表性的新型储能技术，目前广泛应用于1-2小时的中短时储能场景中，在4-8小时的储能项目中也有应用。
劣势1：锂离子电池提供功率与贮存能量的装置绑定在一起，在不提升功率，仅提升容量的情况下，电池成本等比例增加。即4小时储能系统的电池成本是1小时储能系统的4倍。而抽水蓄能、压缩空气、液流电池、熔融盐等储能方式，均可以实现功率装置和能量装置的解耦，若单纯增加储能时间，仅需等比例配置贮存能量的装置即可。劣势2：随着全球电池需求量的迅速增长，锂资源开始面临着资源约束问题。一方面是锂资源的总量分布有限，地壳丰度仅为0.%;另一方面是锂资源的空间分布不均匀，锂矿主要分布在澳洲、南美地区，根据美国地质勘探局年报告，我国锂资源储量仅占全球6%，且开采成本较高，现在的电池生产用锂对外依存度过高。同时，锂资源约束还带来锂资源在动力电池和储能电池间分配的问题。
锂资源的供需紧张也使得年以来，锂资源大幅涨价，锂电池成本持续上升。根据wind数据，与年1月1日价格相比，最高点年3月22日碳酸锂价格上涨%，氢氧化锂价格上涨%。
2.3.2、产业链：发展成熟，电池价值量占比最高
锂离子电池储能产业链相对来说已经比较成熟。在整个系统中，电池成本占比最高。当前受限于上游锂资源价格居高不下，当前的整个锂离子电池储能系统成本与年初相比不降反升。
2.4、钠离子电池：与锂电类似，但无资源约束的储能方式
2.4.1、原理：与锂离子电池类似
钠离子电池与锂离子电池的工作原理类似，为嵌脱式电池。充电时，Na+从正极脱嵌，进入负极；放电时，Na+从负极回到正极，外电路电子从负极进入正极，将Na+还原为Na。
2.4.2、优劣势：更低的理论成本，更低的循环寿命
优势：与锂资源相比，钠资源储量非常丰富，所以在大规模应用的场景下，钠离子电池没有明显的资源约束。而且，钠离子电池的正极材料、集流体材料的理论成本比锂电更低，在完成产业化降本之后，其初始投资成本有望较锂电更低。劣势：在电池性能上，由原理所决定的，钠离子电池的循环寿命和储能效率低于锂离子电池。钠离子电池循环寿命提升速度较快，年商业化初期钠离子电池循环寿命在0次左右，年底胡勇胜研究团队研究出了循环寿命达到0次的钠离子电池。但是当前主流的锂离子电池储能，循环寿命更高，年，宁德时代研制出循环寿命超过00次的锂离子电池。
2.4.3、产业链：上中下游发展初具雏形
钠离子电池作为一种新的电池技术路线，产业链包括上游资源企业、中游的电池材料及电芯企业。钠离子电池与锂离子电池最大的区别在于正极材料。目前钠离子电池正极材料主要有钠过渡金属氧化物（如NaMnO2）、钠过渡金属磷酸盐（如Na3V2(PO4)3)、钠过渡金属硫酸盐（如Na2Fe2(SO4)3)、钠过渡金属普鲁士蓝类化合物（如Na2FeFe(CN)6)等几大类。层状金属氧化物是当前比较主流的正极材料。除正负极材料外，钠离子电池的电解液、隔膜、外形封装和相关制备工艺与锂电池相似，可利用现有锂离子电池产业链，加速产业化发展。
2.4.4、产业化：MWh级钠离子电池储能系统投入运行
钠离子电池商业化进展近年来加快。年7月，宁德时代发布钠离子电池产品，行业龙头正式进入到钠离子电池领域。此外，中科海钠也在近年来先后推出钠离子电池电动自行车、电动汽车和储能电站的示范项目。年6月28日，由中科海钠和中科院物理所联合打造的，全球首套1MWh钠离子电池光储充智能微网系统在山西太原综改区正式投入运行。
2.5、液流电池：功率与容量解耦的电化学储能方式
2.5.1、原理：依靠氧化还原液流电池进行储能
液流电池是一种大规模高效电化学储能装置。区别于其他电池储能装置，液流电池将反应活性物质储存于电解质溶液中，可实现电化学反应与能量储存场所的分离，使得电池功率与储能容量设计相对独立，适合大规模蓄电储能需求。目前典型液流电池体系包括全钒液流电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池、多硫化钠/溴电池等。
全钒液流电池
全钒液流电池（VanadiumRedoxBattery，VRB），是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。通过两个不同化合价的、被隔膜隔开的钒离子之间交换电子来实现电能与化学能的相互转化。钒电池充电后，正极为V5+，负极为V2+；放电后，正负极分别为V4+和V3+溶液。正极和负极之间由隔膜隔开，该隔膜只允许H+通过,，H+也就起到了电池内部导电的作用。
铁铬液流电池
铁铬液流电池（Iron-chromiumflowbattery），是最早被提出的液流电池体系。铁铬电池充电后，正极为Fe3+，负极为Cr2+；放电后，正极为Fe2+，负极为Cr3+。盐酸作为支持电解质，水为溶剂。
2.5.2、优劣势：容量、功率独立设计，规模易扩展，但成本较高
优势1：在长时储能中，液流电池最大的优势为输出功率和储能容量可分开设计。通过增加单片电池的数量和电极面积，即可增加液流电池的功率，目前中国商业化示范运行的钒电池的功率已达5MW。通过增加电解液的体积或提高电解液的浓度，即可任意增加液流电池的电量，可达百兆瓦时以上。优势2：循环寿命长。由于液流电池的正、负极活性物质只分别存在于正、负极电解液中，充放电时无其它电池常有的物相变化，可深度放电而不损伤电池，电池使用寿命长。劣势：成本问题是当前液流电池最大的劣势。全钒液流电池当前的产业化进程较快，但是面临着钒资源约束的问题；铁铬液流电池没有明显的资源约束问题，但是当前产业化推进相对较慢。
2.5.3、产业链：隔膜、电解液为影响性能的核心材料
液流电池主要由电解液、隔膜、电极材料、泵、功率转换系统等部分组成。电解液是液流电池的核心材料，是整个化学体系中存储能量的介质。在全钒液流电池中，电解液成本占据了储能电池成本的一半以上。隔膜是影响液流电池性能和成本的又一核心材料。它起着阻隔正极和负极电解液互混，隔绝电子以及传递质子形成电池内电路的作用。因此隔膜应该具备高的氢离子导电能力和高的离子选择性，尽量避免正负极电解液中不同价态的钒离子互混，以减少由此造成的电池容量损失。隔膜还应该具有优良的化学及电化学稳定性、耐腐蚀性、抗氧化性，满足电池长时间运行的要求。而且需要成本低廉，提高产品的市场竞争力，利于大规模商业化推广。良好的化学稳定性，高的比表面积和电催化活性是电极的关键。泵在钒电池中起到输送电解液的作用，需要具有较强的稳定性。
全钒液流电池
根据Y.K.Zeng的《A