如何為儲能安全降溫？

隨著清潔能源占比逐步提升，儲能在電力系統(tǒng)的發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)起到了至關(guān)重要的作用。電化學(xué)儲能由于能量密度大、應(yīng)用靈活、響應(yīng)快速等優(yōu)勢，滲透率快速提升。

中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會的初步統(tǒng)計，2022年1-12月共投運儲能項目244個，總裝機功率為20.4154GW；其中電化學(xué)儲能項目221個，裝機功率高達5.933GW/13.190GWh；非電化學(xué)新能源儲能項目共投運10個（飛輪儲能項目6個、壓縮空氣項目3個，超級電容項目1個），投運規(guī)模為0.2774GW/1.1265GWh；

電池作為電化學(xué)儲能的核心部件，具有較大的熱失控風(fēng)險，從安全角度看，儲能熱管理極具重要性。

熱管理是電化學(xué)儲能系統(tǒng)重要組成部分。

電化學(xué)儲能產(chǎn)業(yè)鏈分為上游設(shè)備商、中游集成商、下游應(yīng)用端三部分。

上游設(shè)備包括電池組、儲能變流器（PCS）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）、熱管理和其他設(shè)備等；中游環(huán)節(jié)核心為系統(tǒng)集成+EPC；下游主要分為電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)三大場景。

儲能產(chǎn)業(yè)鏈多數(shù)企業(yè)參與其中1-2個細分領(lǐng)域，少數(shù)企業(yè)從電池到系統(tǒng)集成，甚至EPC環(huán)節(jié)全參與。

電化學(xué)儲能產(chǎn)業(yè)鏈全景圖

2011-2021年間，全球共發(fā)生32起儲能電站起火爆炸事故，2022年1-5 月，全球就已經(jīng)發(fā)生了10起以上的儲能著火事故。國內(nèi)在電池儲能站快速發(fā)展的同時，由于電池、PCS質(zhì)量問題或者系統(tǒng)集成商施工能良莠不齊，電池儲能火災(zāi)隱患較為嚴(yán)重，起火事故頻繁。

2021年4月16日，北京國軒福威斯儲能電站發(fā)生火災(zāi)爆炸，經(jīng)調(diào)查，起火原因是LFP電池發(fā)生內(nèi)短路，引發(fā)電池?zé)崾Э仄鸹?。同?月，搭載特斯拉 Megapack儲能系統(tǒng)的澳大利亞“維多利亞大電池”項目在測試過程中因冷卻系統(tǒng)泄露，引發(fā)電池倉起火。

電池?zé)崾Э爻蔀槠鸹鹗鹿实闹饕?。電池?zé)崾Э刂赣捎趦?nèi)部短路或外部短路導(dǎo)致電池短時間產(chǎn)生大量熱量，引發(fā)正負極活性物質(zhì)和電解液反應(yīng)分解，產(chǎn)生大量的熱和可燃性氣體，導(dǎo)致電池起火或者發(fā)生爆炸。

頻繁出現(xiàn)的起火事件凸顯出熱管理已成為保障儲能電站安全運行必不可少的重要組件。

目前儲能熱管理較為成熟的技術(shù)路線為風(fēng)冷和液冷，其中風(fēng)冷在目前儲能系統(tǒng)中占主流，液冷方案在未來滲透率料將不斷上升。

熱管理成為儲能系統(tǒng)核心，風(fēng)冷與液冷是目前成熟的技術(shù)路線。儲能熱管理的冷卻方式主要有以下三大技術(shù)路線：風(fēng)冷（空氣冷卻）、液冷和相變冷卻，此外還有熱管冷卻。

三大熱管理技術(shù)路線對比

1.風(fēng)冷

目前，在功率密度較小的集裝箱儲能系統(tǒng)和通信基站儲能系統(tǒng)中主要采用風(fēng)冷技術(shù)。

一方面是因為風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，并且易于實現(xiàn)；另一方面是因為儲能系統(tǒng)對能量密度和空間的限制不像動力電池系統(tǒng)那么苛刻，可以通過增加電池數(shù)目來獲得較低的工作倍率和產(chǎn)熱率。

集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)集裝箱、鋰離子電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、儲能變流器、空調(diào)和風(fēng)道、配電柜、七氟丙烷滅火裝置等組成。

集裝箱式儲能電站風(fēng)冷系統(tǒng)

風(fēng)冷熱管理系統(tǒng)有空調(diào)結(jié)構(gòu)包括落地一體式、頂置一體式、分體式等構(gòu)型。落地一體式空調(diào)用于已預(yù)留空調(diào)空間的儲能集裝箱中，通常頂部出風(fēng)，與集裝箱內(nèi)部的風(fēng)道相連接，直接對電池組進行精確送風(fēng)。

儲能集裝箱內(nèi)部沒有空間安裝空調(diào)，則需要使用頂置一體式空調(diào)，空調(diào)安裝在集裝箱頂部，從頂部對電池進行制冷。

分體式空調(diào)內(nèi)機安裝在電池組當(dāng)中，前回風(fēng)背送風(fēng)，將空調(diào)出風(fēng)口與風(fēng)道相連，直接對電池進行制冷。

儲能電池?zé)峁芾砭唧w方案?

2.液冷

液冷方案采用水、乙醇、硅油等冷卻液，通過液冷板上均勻分布的導(dǎo)流槽和電芯間接接觸進行散熱。其優(yōu)點包括：

1）靠近熱源，高效制冷；

2）與相同容量的集裝箱風(fēng)冷方案相比，液冷系統(tǒng)不需要設(shè)計風(fēng)道，占地面積節(jié)約50%以上，更適合未來百MW級以上的大型儲能電站；

3）相比風(fēng)冷系統(tǒng)，由于減少了風(fēng)扇等機械部件的使用，故障率更低；

4）液冷噪聲低，節(jié)省系統(tǒng)自耗電，環(huán)境友好。

儲能系統(tǒng)熱管理液冷路線

未來隨著新能源電站、離網(wǎng)儲能等更大電池容量、更高系統(tǒng)功率密度的儲能電站需求起步，儲能系統(tǒng)能量密度與發(fā)熱量更大，對安全性和壽命的要求更高，將推動行業(yè)更多轉(zhuǎn)向采用液冷方案。

寧德、陽光電源、比亞迪等頭部企業(yè)已率先切換，龍頭示范效應(yīng)將驅(qū)動液冷滲透加速。

各儲能公司液冷技術(shù)方案布局

3.相變冷卻

相變冷卻，是利用相變材料發(fā)生相變來吸熱的一種冷卻方式。

對電池散熱效果影響最大的是對相變材料的選擇，當(dāng)所選相變材料的比熱容越大、傳熱系數(shù)越高，相同條件下的冷卻效果越好，反之冷卻效果越差。

相變冷卻具有結(jié)構(gòu)緊湊、接觸熱阻低、冷卻效果好等優(yōu)點，但是相變材料本身不具備散熱能力，吸收的熱量需要依靠液冷系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)等導(dǎo)出，否則相變材料無法持續(xù)吸收熱量。此外，相變材料占空間，成本高。

相變冷卻結(jié)構(gòu)

根據(jù)中信證券測算，預(yù)計2025年市場空間123-237億元。

以1MWh的集裝箱式儲能系統(tǒng)為例，這類小規(guī)模低能量密度的儲能系統(tǒng)一般采用風(fēng)冷技術(shù)。根據(jù)測算，在典型工況1C運行時，系統(tǒng)產(chǎn)熱率為39kW，需要的空調(diào)最小制冷功率為24kW。

以市面上某種戶外空調(diào)為例，制冷量為1500W，價格2000元/臺，制冷成本約計算為1.33元/W。若滿足上述集裝箱儲能系統(tǒng)，則對應(yīng)需要約3萬元，可進一步得出單GWh儲能系統(tǒng)選擇風(fēng)冷方案投資成本約為3000萬元。同理，按照液冷板等關(guān)鍵部件成本測算，單GWh儲能系統(tǒng)選擇液冷方案投資成本約為9000萬元。

測算結(jié)果表明，保守假設(shè)下，2021-2025年全球電化學(xué)儲能熱管理市場空間分別達到17/30/52/82/123億元，對應(yīng)CAGR+65%。其中，中國市場分別將達到2/5/8/15/27億元，對應(yīng)CAGR+85%。

中性假設(shè)下，如果2025年全球電化學(xué)儲能容量需求達到315GWh，則對應(yīng)儲能熱管理市場空間為166億元，2021-2025年的CAGR為78%。

樂觀假設(shè)下，如果2025年全球電化學(xué)儲能容量需求達到450GWh，則儲能熱管理市場空間為237億元，2021-2025年的CAGR為95%。

電化學(xué)儲能熱管理市場空間測算（保守假設(shè)）

目前參與儲能熱管理市場的公司包括生產(chǎn)空調(diào)、液冷板等工業(yè)溫控設(shè)備的公司。布局較早，擁有技術(shù)積累的公司可能擁有更多優(yōu)勢。

儲能熱管理行業(yè)的參與者根據(jù)技術(shù)路線來源分為兩大類：

風(fēng)冷技術(shù)公司：大部分是以前空調(diào)相關(guān)的公司，包括精密溫控，如英維克、申菱環(huán)境、朗進科技、佳力圖；汽車空調(diào)熱管理者，如松芝股份、奧特佳、三花智控、銀輪股份、飛榮達。

液冷技術(shù)公司：工業(yè)冷卻相關(guān)者，如同飛股份、高瀾股份、黑盾股份。

新能源公司能夠憑借儲能電池與熱管理系統(tǒng)的一體化設(shè)計獲得更好的性能，并憑借電池的市場占有率穩(wěn)定熱管理系統(tǒng)市場。另一方面，溫控設(shè)備公司有更深厚的技術(shù)積累和規(guī)模優(yōu)勢，在成本和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)上取得優(yōu)勢。

解決能源領(lǐng)域所面臨的問題的四種途徑主要為先進能源網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、需求響應(yīng)技術(shù)、靈活產(chǎn)能技術(shù)及儲能技術(shù)。儲能技術(shù)以主動的跨時段、跨季節(jié)的發(fā)用平衡能力創(chuàng)造商業(yè)價值，解決電網(wǎng)被動調(diào)節(jié)負擔(dān)，是支撐可再生能源穩(wěn)定規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵。

熱管理系統(tǒng)，是交叉學(xué)科的技術(shù)融合，融合的技術(shù)包括材料學(xué)，化學(xué)，機械結(jié)構(gòu)，電氣控制。解決了關(guān)鍵核心技術(shù)才確保電化學(xué)儲能行業(yè)順利健康發(fā)展，而儲能問題的解決是實現(xiàn)碳達峰碳中和重要路徑之一。

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