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电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代德勤 能源的未来 系列电能崛起激发跨领域变革 041.1 电能替代是能源转型的关键 051.2 电能时代的特点 06电能崛起面临三大挑战 072.1 传统技术路线逼近能源效率阈值 082.2 供需矛盾叠加国际贸易政策扰动加剧资源供应链风险 102.3 供需错配造成能量浪费和供应不足同时存在 11以技术创新迎接挑战 133.1 材料体系突破 143.2 资源循环利用 183.3 源网荷储用协同 19新兴商业模式链接新技术与新需求 204.1 共享储能模式前景可期 214.2 重塑资源思维，释放碳生产力 234.3 数字化能源即服务（EaaS）模式百花齐放 254.4 助力全价值链拥抱变革 26结语 27作者及联系人 29电能崛起激发跨领域变革一04电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|电能崛起激发跨领域变革 05电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|电能崛起激发跨领域变革 1.1 电能替代是能源转型的关键可再生能源开启新一轮能源革命当前风电、光伏、储能等新能源技术的快速崛起以及新材料、物联网等关联领域的技术突破正带领人类迈入新一轮能源革命，即以降碳、增效为导向，实现风、光、水、核等清洁能源对化石能源的有序替代，以更丰富、更清洁的动力来源支撑构建起高效、智能且可持续的人类社会发展新模式。据IEA测算，2021年全球能源结构中可再生能源比重为12%，在2050年实现净零排放目标的情景下，这一比例需要将在2030年提升至31%,并在2050年达到70%，成为主导能源1。来源：IEA,德勤研究1.IEA，World Energy Outlook 2022，2022.10，https:/www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022图1：2050年净零排放目标下全球能源结构变化电能替代成为通往未来的关键路径有别于化石能源是天然的易于运输和储存的能量载体，风能、太阳能等清洁能源往往是瞬时、不可控的，要实现大规模开发利用则需要将其转换为稳定的二次能源。电能作为清洁、高效、便捷的二次能源，既是当前新能源资源开发利用的主要形式，其在终端消费中的比重亦持续提升，凭借以下关键优势，将成为驱动此次能源变革的关键一环：来源丰富，经济高效。电能可通过风力发电、光伏发电、水力发电等多种方式获取，且随着技术的不断突破，发电成本持续降低。在消费环节，研究表明，电能的终端利用效率在90%以上，其经济效率是石油的3.2倍、煤炭的17.27倍。安全便捷，技术及基础设施成熟。电能生产及电气化技术经过多年积累，已能实现电能与化学能、机械能、热能等多种能源形式之间的相互快速转换，并且支撑发电、输配电、用电的基础设施已较为完善。不仅能支持不同资源禀赋的地区选取适宜的技术获得安全、稳定的电力供应，亦可以满足工业制造、交通运输、日常生活等多种场景的用能需求。清洁低碳。在用电过程中不直接产生碳排放和污染排放，并且随着发电侧清洁能源装机规模的提升，电力的绿色属性进一步凸显。70%3%7%8%12%可再生能源煤炭石油天然气核能12%27%29%23%5%4%可再生能源煤炭石油天然气核能其他2021624 EJ31%16%25%20%8%可再生能源煤炭石油天然气核能2030NZE561 EJ2050NZE532 EJ06电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|电能崛起激发跨领域变革 中国成为全球电能替代先锋根据IEA公布数据，2021年全球能源终端消费中电能占比为20%，若以2050年实现净零排放为目标，届时这一比例需要达到52%2，这意味着近25万亿千瓦时的电能消费增量。全球主要经济体均将电能替代视为能源转型的关键，并制定了雄心勃勃的装机计划。美国和英国的2050净零战略中均将2035年实现100%清洁电力供应作为关键目标，并在其后出台一系列针对可再生能源发电的财政支持政策。欧盟于2022年5月公布能源独立计划（REPowerEU）亦将2030年可再生能源总体目标从40%提高到45%，并明确到2030年完成600GW光伏装机部署。过去五年中，中国创造了全球最快的新能源发电装机增速，截至2021年，风电及光伏发电累计并网容量均已突破3亿千瓦，可再生能源装机规模超过10亿千瓦，总规模和增幅均居全球首位3。按照中国的双碳目标，到2030年风电、太阳能发电总装机容量将进一步增长至12亿千瓦以上。从终端消费来看，2021年电能占中国终端能源消费比重约26.9%，亦处于全球前列4，而根据能源基金会研究数据，到2060年这一比例将提升至65%5。1.2 电能时代的特点原材料：金属及矿产原料成为实现电能替代的基础支撑锂、镍、钴、稀土、硅等关键金属及矿产原料因其爆发式增长的需求叠加高度不平衡的资源分布特征，成为清洁电能发展的一大痛点。未来钙钛矿、钒等新材料的应用将助力电能突破资源“天花板”。技术体系：材料体系迭代带动能量效率的飞跃随着技术迭代和材料应用创新加速，小型模块化核反应堆、固态电池等新兴技术将带来新的能量转换模式或提高现有能源生产到消费的效率，重新定义能量效率。来源：Irena,德勤研究2.IEA,World Energy Outlook 2022,2022.10,https:/www.iea.org/reports/world-energy-outlook-20223.Irena,Online Data Query Tool,Installed renewable electricity capacity(MW)by Region/country/area,Technology and Year4.中电联，中国电气化年度发展报告2022，202302245.能源基金会，中国碳中和综合报告2022：深度电气化助力碳中和，2022年11月图2：2017-2022年领先国家可再生能源装机规模变化基础设施：新型电力系统打通电能替代最后一公里未来能源供需两侧均呈现更高多样性和波动性，对电力系统的灵活性提出更高要求。在新型电力系统建设中，输配电网、储能、补能设施的部署将与数字化升级融合推进，更完善且智能化的基础设施支撑实现新的用能、补能模式，催生虚拟电厂、电力聚合商等新兴业态，推动消费端电能渗透加速。应用领域：交通及工业领域迎接覆性变革能源变革改变消费者习惯，从单一用能角色向“产消者”身份转变。交通、建筑、工业等高能耗领域率先迎接变革，新能源汽车、独立供能/储能设施等将成为消费者参与能源互动的主要载体，在循环经济、共享经济的商业模式下更多元化的主体将加入能源生态。0200000400000600000800000100000012000001400000中国欧盟美国英国日本20172022可再生能源装机规模（MW）GAGR 13%GAGR 7%GAGR 9%GAGR 6%GAGR 7%电能崛起面临三大挑战二07电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|电能崛起面临三大挑战08电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|电能崛起面临三大挑战来源：Irena，德勤研究6.Irena,Renewable power generation costs in 2021图3：近十年全球新能源发电度电成本变化度电成本（单位:USD/kw)00.10.20.30.40.5201020112012201320142015201620172018201920202021光伏陆上风电海上风电2.1 传统技术路线逼近能源效率阈值新能源技术迭代主导清洁电力成本下降，而传统技术路线提升空间有限近十年来，得益于光伏、风电等新能源技术加速迭代带来的效率提升与成本下降，全球范围内可再生能源装机规模高速增长。据Irena统计，自20112021年十年间光伏发电全球平均度电成本已下降超过80%，从约0.4美元/千瓦时来到约0.05美元/千瓦时，风电平均度电成本也到达0.1美元/千瓦时以下6。然而，随着规模化效应的充分释放，留给传统技术进一步降本增效的空间已较为有限。以光伏领域为例，单晶PERC电池自商业化应用以来，量产转换效率逐年攀升，如今已逼近实验室最高效率记录。在降本增效压力下，主要厂商纷纷开始布局更高性能的产品，而未来清洁电力的渗透步伐很大程度正取决于Topcon、HJT等新一代技术何时实现大规模量产。纵使前景广阔，在电能成为能源领域主导角色之前，仍需在三个方向上突破阻碍，分别来自于：1）传统技术路线逼近能源效率阈值近年来可再生能源装机规模的高速增长得益于技术变革带来的效率提升与成本下降，而当前发电、储能及用能端主流技术都面临着各自的效率瓶颈；2）供需矛盾叠加国际贸易政策扰动加剧资源供应链风险，资源加速开发造成的碳排放量也是新能源发展过程中无法回避的问题；3）供需错配造成能量浪费和供应不足同时存在未来能源供应迎来全面变革，不仅要求电力基础设施具有更高灵活性，亦需建立支持个人、工商业用户、社区等主体参与能源互动的商业模式。09电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|电能崛起面临三大挑战来源：基于公开信息整理，德勤研究来源：公开信息，德勤研究图4：Perc电池量产效率已迫近极限图5：主流长时储能技术比较储能领域亟需寻找兼顾储能效率与经济性的长时储能方案随着可再生能源在能源消费中比重持续提升，储能设施的重要性与日俱增，而能够支持4小时以上乃至数天、数月的充放电循环的长时储能技术则尤为关键。当前应用较为成熟的储能技术中，抽水蓄能、压缩空气储能等技术路线具备较长的服役周期从而有利于压缩储能成本，然而前者往往受限于自然条件，后者偏低的储能效率则意味着较高的能量损失。锂电池储能因其优秀的储能效率以及快速充放电等优势而备受关注，但也不得不关注到潜在的安全风险以及原材料供应等问题。要保证电能替代的经济性，储能领域仍需进一步探寻理想的长时储能技术路线，以实现在成本和效率之间的平衡。20%21%22%23%24%25%201420152016201720182019202020212022perc电池最高实验室效率perc电池最高量产效率短服役周期长高储能效率低抽水蓄能储能效率：70%80%服役周期：40-60年储能功率：1005000MW储能时长：数小时至数月压缩空气储能储能效率：60%70%服役周期：30-40年储能功率：10300MW储能时长：数分钟至数月铅酸电池储能储能效率：65%80%服役周期：5-8年储能功率：kw30MW储能时长：数分钟至数天锂电池储能储能效率：85%98%服役周期：8-10年储能功率：kw20MW储能时长：数分钟至数天熔盐储能储能效率：65%服役周期：25-30年储能功率：1300MW储能时长：数分钟至数月氢储能储能效率：30%50%服役周期：8年以上储能功率：TW级储能时长：数小时至数月电化学储能机械储能化学储能冷/热储能10电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|电能崛起面临三大挑战提升电能消费体验要求更高的能量密度从木材到煤炭再到石油和天然气，人类历史不同阶段的主力能源更替以能量密度的上升为整体趋势，因为更高的能量密度即意味着更高的用能效率，为生产和生活提供便利。不同于化石能源天然具备载体，在电能时代，能量的传递主要依靠电网和电池等载体实现，而载体的性能则决定了电能的消费体验。以能源消费的重点领域新能源汽车为例，电池能量密度直接影响车辆的续航能力。当前主流电池技术能量密度普遍处于300wh/kg（1.09MJ/kg）以下，远远低于传统燃油，也造成用户里程焦虑。如何通过技术创新突破能量密度天花板，是加快电能在消费侧渗透的关键。来源：Engineeringtoolbox,公开信息，德勤研究来源：IEA，德勤研究图6：主流能量载体能量密度比较图7：全球锂、钴供需走势预测2.2 供需矛盾叠加国际贸易政策扰动加剧资源供应链风险能源低碳转型激化关键矿产供需矛盾一些关键性的金属矿物因其在新能源领域所发挥的重要作用而被称为“绿色金属”，例如锂、钴和镍等金属材料与电池的充电性能和能量密度息息相关，钕、镝等稀土元素影响着风力涡轮机的性能和效率，硅元素的光电效应则支撑了光伏电池板将太阳能转换为电能。伴随全球范围内新能源的快速发展，这类矿产资源需求迎来爆发式增长。据IEA预测，在全球积极推进转型的情况下，2030年碳酸锂需求将增长至268万吨，而总开采产能却难以大幅提升，这将带来近150万吨的供应缺口，其他绿色金属的情况也与此类似7。7.IEA，The Role of critical minerals in clean energy transitions,2021-05,https:/www.iea.org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitions0102030405060木材煤炭石油天然气锂电池能量密度（单位:MJ/kg）18.920.724.036.342.248.151.055.20.181.090500100015002000250030002021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030新增开采产能开采产能需求（乐观预测）需求（保守预测）01002003004005002021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030全球碳酸锂供需预测（单位:Kt）全球钴供需预测（单位:Kt）11电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|电能崛起面临三大挑战国际贸易稳定性低加剧供应链风险绿色金属资源在地理空间上的分布极不均衡，跟据国家地质调查局统计，全球大部分锂矿资源集中于于南美锂三角（玻利维亚、阿根廷、智利），全球44%的钴矿位于刚果金，印度尼西亚、澳大利亚与俄罗斯三个国家拥有的镍矿同样占据全球储量半数以上。而当前资源需求最为旺盛的则是其他区域，包括中国、欧洲和北美地区。资源储备与需求的不对称使得关键金属的供应链极易受到国际环境和产出国政策变化的扰动。如阿根廷、智利、玻利维亚三国正尝试推动建立一个锂矿行业的石油输出国组织，从而强化自身在锂价上的话语权。诸如此类的国际政策变动将本已十分紧张的供应格局进一步升温。自2020年以来，全球关键金属市场价格剧烈震荡。可持续性监管政策同样对资源供应环节提出考验伴随全球对低碳及环境友好性的关注不断提升，碳税、ESG信息披露相关监管政策日趋严格。而关键金属的开采、冶炼等过程，却往往伴随着高污染排放和高能耗。以动力电池为例，其全生命周期碳排放大部分为来自于包含原材料获取过程的范围三排放。在可持续性监管范围开始逐步向产品全生命周期延伸的背景下，优化资源供应链条，采用具备低碳属性的矿产来源成为下游企业的当务之急。关键金属供应链在承受在供需压力之外，还将面临清洁低碳转型的考验。2.3 供需错配造成能量浪费和供应不足同时存在电力系统正发生全面变革，能源分配调度日益复杂电能的崛起为电力系统带来诸多变化。在供能端，光伏、风电等清洁电力比重的提升带来更高的波动性，消费端也随着终端用能电气化率提升而日趋多样化，例如交通行业过去一直是化石能源消费的主力之一，但近年来新能源汽车的崛起使其成为了电能消费的重要一员。而为适应这些变化，多地政府相继发布文件提出新能源配储要求，分布式能源、充电桩这些新型设施也纷纷加入，随着电力市场化的推进，源网荷储各种基础设施之间的互动趋于频繁，共同构建起更加庞大也更加错综复杂的新型电力系统。这无疑提升了系统调度的难度。中国的分布式光伏装机规模在2021年超越了集中式装机规模，达到近3,000万千瓦。如何将这些分布式能源系统与大电网有机融合，实现能量互补，具有重要意义。此外，如何平衡可再生能源在时间和空间上的不均衡，以及如何最大化利用供能设施等等，仍在期待更理想的解决方案。来源：国家地质调查局，德勤研究图8：全球主要矿产国资源储量占比锂镍钴智利41%澳大利亚14%阿根廷13%印度尼西亚32%澳大利亚14%俄罗斯9%刚果金44%印度尼西亚16%澳大利亚10%其他32%其他45%其他30%12电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|电能崛起面临三大挑战能源消费习惯转变将深刻影响能源生态电力系统的变化也将重新定义能源消费者角色，屋顶光伏、工商业储能设施、私人新能源充电桩等产品的应用，使消费者从过往单一用能角色开始向“产消者”转变。相关制度正逐步完善，支持新型储能作为独立储能参与电力市场、分布式发电“隔墙售电”的政策不断出台，个人、工商业用户、社区等主体将可以通过优化用能策略，依托私人供能、储能设施参与能源互动从而提升用能效益。在此趋势下，能够支持对用能设施聚合管理、对用能和供应趋势进行预测、支撑用户深入参与能源互动的技术，将成为未来能源生态中必备的核心竞争力。来源：国家能源局，德勤研究图9：2016-2021中国光伏装机新增容量变化01000200030004000201620172018201920202021集中式分布式以技术创新迎接挑战三13电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|以技术创新迎接挑战14电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|以技术创新迎接挑战3.1 材料体系突破光伏：N型电池挖掘晶硅材料潜能，钙钛矿开启薄膜电池新机遇为追求更高的转换效率从而压缩发电成本，晶硅电池历经了从多晶到单晶PERC技术的转变，当前PERC电池量产效率已达到24.5%，逼近效率极限，而TOPcon、HJT 和 IBC等N型电池技术支持进一步挖掘晶硅材料潜能，将转换效率提升至25%30%，已吸引大量厂商布局，预计将在近两年内从实验室走向量产产线。如今以钙钛矿材料为代表的新一代薄膜太阳能电池由于效率潜力高、原材料储量丰富、生产流程短等诸多优势有望为光伏产业带来新的变革。在实验室条件下，单结钙钛矿电池及钙钛矿/硅叠层电池最高转换效率已分别达到25.6%和32.5%，且在政策和资本市场的支持下，研发仍在持续取得突破。同时，作为新型薄膜技术，钙钛矿电池不仅适用于BIPV、车载光伏等场景，甚至可制备于柔性衬底表面从而为可穿戴电子设备提供支持，学术界已涌现大量研究成果。技术优势与应用前景双重加持下，钙钛矿电池已成为光伏领域焦点赛道，继2021年初创企业纤纳光电和极电光能分别拿下3.6亿和2.2亿元融资之后，2022年又有协鑫光电、无限光能 等多家企业获得融资。来源：CPIA，德勤研究图10：光伏电池主要热点技术路线量产效率预测风电：碳纤维增强材料协同分段技术带领风电走向深远海随着陆上及近海优质风能资源开发逐渐趋近于饱和，风电企业正相继踏上前往深远海的征程。而度电成本则是途中最重要的一道关卡相比于陆风项目已步入完全平价时代，海风开发依然面临着降本压力。风电的发电原理决定了更大的风轮半径可实现更大的单机容量，从而压低度电成本。根据CWEA统计数据，近十年来风轮直径维持上升趋势，在海风领域尤其如此。但风机的大型化趋势也对叶片的力学性能乃至生产制造、运输、安装等各个环节带来考验。17%19%21%23%25%27%20222023E2024E2025E2026E2027E2028E2029E2030EPERC-单晶TOPConHJT单结钙钛矿（中试）平均量产转换效率15电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|以技术创新迎接挑战来源：CWEA，德勤研究图11：2011-2021风机大型化发展趋势碳纤维材料为叶片的性能提升提供了解决方案。相比当前风机叶片使用的主流增强材料玻璃纤维，碳纤维可带来更高的强度和抗疲劳性，同时支持叶片轻量化，从而降低运输和安装难度。自2015年丹麦风机巨头vestas将碳纤维主梁拉挤工艺应用于叶片以来，碳纤维在风电领域的应用规模稳步提升，CWEA数据显示，2015-2021年间，全球风电领域的碳纤维用量从 1.8万吨提升至 3.3万吨。国内厂商亦已经实现生产使用碳纤维增强材料的风机叶片，如洛阳双瑞在2021年制造出国内首款超百米碳纤维叶片。随着Vesta碳纤维主梁拉挤工艺专利于2022年到期，其应用规模有望进一步增长。展望未来，分段式叶片技术或将是完全化解大型叶片制造及运输难题的关键。海外领先企业如Enercon、Gamesa、GE均有相关示范项目，其中GE于2020年正式推出其采用两段式叶片的陆上风电机组平台，将其应用进一步拓展至陆上风场。020406080100120140160012345620112012201320142015201620172018201920202021平均风轮直径陆上风机平均单机容量海上风机平均单机容量（米）（MW）16电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|以技术创新迎接挑战来源：IAEA，德勤研究图12：全球代表性小型核反应堆技术路线核电：小型模块化反应堆带来更高效的供能选择核燃料拥有着高于传统化石燃料数百万倍的能量密度，一座核电设施可以在极少的占地面积上实现极大的能源供应规模，同时并不产生二氧化碳及其他污染气体。此外，由于核电设施小时利用率远远高于光伏设施和风机，更赋予了核电经济性。然而，纵使拥有如此多优点，安全性方面的短板使核能的开发利用往往伴随争议。如今小型模块化核反应堆（SMR）技术正尝试将核能带到更多应用场景。小型模块化反应堆是指在工厂中按模块生产后，在部署地完成组装的小型反应堆，根据国际原子能机构（IAEA）的定义，其发电规模均在 300 MWe 以下，也因此大大减少了安全风险，同时实现更低的项目初始投资以及更短的建造周期。作为灵活的分布式能源，小型核反应堆可为工业热电联产、海水淡化制氢、海岛开发利用等场景提供能源获取方案。当前世界多国正加速推进小型核反应堆建设，技术路线也较为多样化。在2020年国际原子能机构发布的小型模块化反应堆技术发展进展中便已记录了70多种在建或处于设计阶段的技术方案。其中美国初创公司Nuscale的模块化小型核反应堆设计于2020年获得批准，预计第一个电厂将于2026年在爱达荷投入商运。而中国中核集团的玲龙一号已于2021年率先开工建设，成为全球首个开工的陆上商用模块化小型堆，预计将于2026年投入使用，届时年发电量将达10亿千瓦时，可满足52.6万户家庭一年生活所需8。在推进小型核反应堆应用的同时，中国也在引领着先进核燃料体系的探索。据报道，2021年中国在甘肃省建造的世界首个钍基熔盐核反应堆启动试运行。该核反应堆功率仅有2MW，但足以供应约1000住户所需电能。由于钍的储量远大于铀，这一技术有望带领核能突破资源天花板，同时该技术无需使用大量冷却水来去除余热，这使其能更好的适应沙漠等缺水环境。作为这一新技术的引领者，中国希望在2030年前建造一个可为数十万户家庭供电的钍基熔盐核反应堆，从而将其推向商业化。类型型号功率单位/企业国家进展LWRSMRCAREM30MWeCNEA阿根廷在建ACP100125MWeCNNC中国2019开始建设BWRX-300300MWeGE-Hitachi美国通过安全评估Nuscale50MWeNuscale美国设计认证移动式SMRACPR50S60MWeCGN中国在建KLT-40S35MWeAfrikantov OKBM俄罗斯商业运营第四代SMRIMSR190MWeTerrestrial Energy加拿大设计阶段HTR-PM210MWe中国华能/CNEC/清华大学中国在建KP-FHR140MWeKairos power美国预概念设计微型反应堆（MMR）eVinci0.2-5 MWeWestinghouse美国基本设计U-battery4MWeUrenco等俄罗斯基本设计8.国家能源局，小身躯、大用途 玲龙一号不只是核能“充电宝”http:/ 625003000丰富7580易回收65806585百MWh级应用来源：根据公开信息整理，德勤研究图13：电池技术路线关键指标比较电池：储能电池和动力电池电化学体系分头突破长期以来，电池技术围绕效率、安全性、成本“不可能”三角不断升级突破，而新型材料体系是诸多技术路径中备受关注的焦点。在动力电池领域，锂电池凭借比铅酸电池高出2-5倍的能量密度获得主导地位，而固态电池技术则被认为是解决锂电池安全短板并支持在能量密度上进一步寻求突破的最有潜力的技术方案固态电池支持使用高电压正极材料，有望将电池能量密度提升到500KWh/kg，同时，固态电解质替代了原本的液态电解质和隔膜，从而避免了电解质泄露风险。海外车企高度重视这一技术，如丰田公司是最早布局硫化物固态电池的企业之一，于2019年宣布与松下成立合资公司共同推动固态动力电池的研发及量产，大众集团计划在2025年之前实现固态电池的量产。国内一批电池厂商亦已进入研发以及中试阶段。值得关注的新兴技术的出现也带来了新的玩家，如辉能科技一家在消费电子领域已实现固态电池商业化量产的企业，近年来也加入了动力电池领域的竞争。与动力电池领域高度关注能量密度不同，储能电站在强调安全的同时，更加追求高储能效率以及循环寿命以降低储能成本。全钒液流电池因其在安全性、循环寿命等指标上的优秀表现被寄予厚望，虽然在储能效率上弱于其他技术路线，通过组合多种电池构建混合电池储能系统，以全钒液流电池作为响应前端，则可以在保证储能效率的同时充分发挥钒电池的优势。钒原材料供应的稳定性亦是其一大优势，不仅储量丰富，并且可从钢铁冶金的富钒炉渣中提取，这意味着可以通过构建跨行业资源循环链条，同步实现降低原材料成本与降碳贡献。据统计，2021年3月至2022年5月，国内已有10个正在规划或建设的全钒液流电池储能示范项目，总规模约3.74GWh。飞速变革的电化学技术甚至有望为钒电池补齐能量密度这一块短板。美国初创企业Influit Energy宣布研发出一种新型液流电池，其能量密度比同体积的锂电池高出23%，而成本仅为后者的一半。18电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|以技术创新迎接挑战3.2 资源循环利用新能源设备退役潮来临，回收利用兼具经济效益和环境效益当前动力电池的平均使用寿命为5-8年，由此推算，动力电池已在2021年进入大规模退役期，当年退役规模约为24Gwh，而到2025年，这一数字可能扩大至173Gwh9。按照风机和光伏组件20-30年的设计使用寿命，风电及光伏设备也分别将在2025年和2030年迎来退役潮，预计到2040年风电和光伏的累计退役规模将分别达到280GW和252GW10。要将规模如此庞大的废弃新能源设备以焚烧、填埋等方式进行处置，不仅耗资巨大，还存在着由重金属、复合树脂等原材料带来的环境污染风险。回收利用能有效减轻固废处置的压力，并且将成为碳排放监管日趋严格的背景下，实现减排的关键路径。以风机为例，据测算，一台1.5MW的风机若被100%回收可以减少约600吨二氧化碳排放4。构建循环经济链条的价值不仅在于减少污染和碳排放，亦是关键原材料供需矛盾下的破局关键。一般而言当动力电池剩余容量到达80%以下即进入退役阶段，若直接将之进行拆解回收，意味着大部分容量价值被浪费。若将退役动力电池重新整合组装，再利用于对能量密度等性能指标要求更为宽松的储能领域，有助于缩减一部分重新生产电池带来的原材料需求。对于达到利用终点的电池模组，通过再生工艺提取其中的锂、镍、钴、锰等金属元素，则可进一步弥补原材料供应的短缺。构成风机和光伏组件的钢材、铝材、铜、复合树脂材料等同样具有回收价值，以到2040年风电及光伏累计退役量全部被100%回收测算，可获取的原材料累计价值将分别达到1.4千亿元和1.1千亿元。新兴回收处理技术不断涌现，成本、安全性以及环境友好性是实现商业化的关键相关的资源循环技术正在成为热点，动力电池回收技术路线已较为明晰。对于达到利用终点的电池，可通过火法、湿法回收等回收拆解工艺提炼出有价值的金属。目前行业内对镍、钴、锰的回收率最高可达99.3%，锂的最高回收率已超过90%。在工艺上进一步提升锂回收率以强化盈利能力以及降低再生过程中的能耗与污染排放是下一步技术攻关的方向。而在此之前，将退役电池梯次利用于储能可充分利用电池剩余容量，具有更高的经济效益，但受限于电池性能监测与评估体系尚不完善，安全性、稳定性难以保障等因素，目前应用范围有限。中国铁塔将退役动力电池梯次利用替代铅酸电池作为基站备电，截至2021年底已累计使用梯次电池51万组，在商业化上走出关键一步。风机舱罩、塔筒主要由铜和钢构成，回收利用路径较为成熟，制造风机叶片所用的复合树脂材料在固化成型后不可再熔化、重塑或自然降解，回收成本较高，尚在起步阶段，缺少成熟商业化模式。垃圾回收管理公司Geocycle旗下水泥厂通过协同处置技术，将叶片废料的有机含量作为热能回收、废料的矿物部分作为灰烬集成到工厂生产水泥熟料的原料中，1吨叶片废料可减少110公斤二氧化碳排放，节省461公斤原材料。国内风机巨头金风科技尝试将回收的叶片废料通过3D打印，制成与混凝土有相同机械性能和耐用性的产品，实现就地再利用从而降低运输成本，该技术已在金风科技亦庄智慧园区示范应用。针对全行业共同面对的难题和挑战，譬如风机叶轮（叶片和轮毂）中复合材料难以回收利用，以及复合材料的回收成本收益如何平衡，需要建立行业联盟，在联盟分享平台上更加开放地相互学习借鉴在零废弃物的价值链的设计、生产、服务和寿命终止的不同阶段采用的技术创新和运营创新，行业才能如期实现零废弃物的循环经济。9.信达证券 电池回收系列专题电池回收成本和盈利拆分模型 2022081610.Greenpeace可再生能源零废未来：风电、光伏回收产业发展研究20220706 http:/ 19电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|以技术创新迎接挑战来源：德勤研究，基于公开信息整理退役光伏组件研究示范研究示范研究示范商业应用商业应用 原材料回收 澳大利亚Deakin University开发出从太阳能电池板废料中提取硅，并将其重新配置为纳米硅的技术，可用于制造锂电池阳极退役风机 水泥厂协同处置技术 3D打印回收技术 垃圾回收管理公司Geocycle旗下水泥厂通过协同处置技术将叶片废料的有机含量作为热能回收，灰烬集成到工厂生产水泥熟料的原料中，1吨叶片废料可减少110公斤二氧化碳排放 金风科技在回收的叶片废料中加入一定比例的其他材料，通过3D打印，制成与混凝土有相同机械性能和耐用性的产品退役电池 原材料回收 原材料回收 中国铁塔将退役动力电池梯次利用替代铅酸电池作为基站备电，截至2021年底已累计使用梯次电池51万组 格林美与国内外超500家整车和电池厂商签署回收合作协议，其电池材料再制造收入2021年占比71%图14：退役新能源设备回收利用技术及应用进展二氧化碳再利用技术再造资源价值在绿色低碳的浪潮中，能源行业对资源循环的理解也不再限于原材料本身，直接空气碳捕集、二氧化碳电解、人工光合作用等前沿技术正探索着将二氧化碳收集并转化为能源产品的途径。2007年成立于冰岛的冰岛碳循环国际公司（Carbon Recycling International）是全球首家实现二氧化碳制甲醇技术商业化的企业。该技术利用从工业生产中排放的废弃物中捕集到的二氧化碳，与通过可再生电力电解制备的氢混合，最终催化转化为甲醇，可作为交通运输、工业生产等领域的燃料。该公司已获得吉利控股集团投资，双方共同推动由二氧化碳制备的甲醇作为汽车燃料的应用。河南顺成集团同样引进了该项技术，并即将在安阳市建成全球最大的示范项目，预计项目投产后每年可回收约15万吨二氧化碳，相当于数万辆汽车的排放量。而一些科学家们正在研究的人工光合作用技术则更具挑战性。与普通光合作用从二氧化碳和水产生碳水化合物不同，芝加哥大学的化学家们最新研发的人工光合作用系统可以直接生产乙醇、甲烷等燃料，并且效率比之前的人工系统高出一个数量级。事实上，当前我们广泛使用的化石燃料正是来自于数亿年的自然光合作用。如果能以更高的效率人工实现这一过程的话，或将重新定义能源供应格局。3.3 源网荷储用协同在以可再生能源为主导的能源图景中，电力系统将从“源随荷动”转向“源网荷储多向互动”，随着分布式新能源、储能设施、多元化用能设备的加入，以及电力市场机制建设的推进，各环节之间的协同调度日趋错综复杂，“云大物移智链边”等新一代数字化技术将为源网荷储深度融合打通数据壁垒，以海量数据驱动电力供应的智能调控和结构转型。新一代数字化技术促进电网“数智化”物联技术将赋予电力系统泛在感知能力，而边缘计算的发展有望将部分数据处理任务下沉至终端设备，从而实现局部自治；5G网络高速率、低时延、广联接、高可靠的特征，为电力物联网的海量实时数据的传递提供了条件；在云边协同的模式下，运用大数据和人工智能，开展负荷实时分析预测，实现削峰填谷、混合储能利用、多能互补协同等场景，从而提高电力系统灵活性和可靠性；区块链技术则凭借其可追溯、实时共享、不可篡改的特性为数据安全保驾护航。多元互动惠及能源消费者未来数字化技术的应用价值并不限于赋能传统电力业务，随着数字化技术向能源消费侧逐步渗透，可通过对海量数据中用能特性与潜力的挖掘，实现能源用量预测分析、用能策略优化、能源市场交易等创新服务。设备类型再利用技术商业化阶段用例新兴商业模式链接新技术与新需求四20电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|新兴商业模式链接新技术与新需求21电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|新兴商业模式链接新技术与新需求我们在上一章重点探讨了能源领域一些正在发生或可能发生的技术创新。毫无疑问，能源领域的技术创新令人期待。但我们还须认识到越硬核的技术创新越需要适用的商业模式支持，从而让新技术在适当的应用场景中落地、迭代，乃至颠覆原有生态系统并创造巨大价值。目前，电化学储能、资源循环和数字能源领域的新兴商业模式正在兴起，这些商业模式链接新技术和新市场需求，推动我们迈向未来能源。4.1 共享储能模式前景可期随着电化学技术和材料技术迭代，可再生能源有望突破现有能效瓶颈，迎来新一轮高速增长。在这一预期下，储能作为新型电力系统支撑之一重要性愈加凸显。与此同时，电化学储能技术发展迅速，储能电池的能量密度、功率密度和循环寿命大幅提升，系统成本有望持续下降。锂电厂商利用新技术，推出差异化电芯产品，开发储能专用300Ah以上大容量，10000次以上长循环寿命的磷酸铁锂电芯。钠离子电池BOM成本较锂电池低30%左右，其产业化加速为储能市场提供具备性价比优势的新技术路径，2022年国内最大规模钠离子电池项目落地安徽阜阳，规模30MW/60MWh。液流电池具备高安全稳定性、循环寿命长、扩容性强、可回收环保等优势，在长时储能领域应用空间巨大。2022年国内首个百兆瓦级全钒液流电池项目并网运行，首个吉瓦时级全钒液流电池项目正式开工。“十四五”新型储能发展实施方案提出，到2025年电化学储能技术进一步提升，系统成本降低30%以上。随着储能电池成本下降和独立储能市场地位明确，储能电站经济性提升，为储能的商业模式推广应用提供有利条件。储能作为平衡电力供需的主要手段，应用场景丰富，可满足发电企业、电网企业和电力用户的不同需求。如在发电侧辅助火电动态运行，减少设备维护及更换成本；或辅助可再生能源友好上网，增加电量交易。电网侧可以帮助电网出现阻塞时储存电能，减少电量损失；或参与调峰、调频，平衡负荷、提升供电质量。在用户侧则可以通过供需管理降低用电成本乃至创造收入。22电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|新兴商业模式链接新技术与新需求来源：德勤研究图15：储能服务应用场景及潜在收益在多元的应用场景驱动下，独立储能成为国内储能电站的主要发展方向。独立储能电站通常采用共享储能模式进行运营。共享储能是指由第三方或用户投资、运维，并由用户共享储能电站容量或功率的商业模式。共享模式下，独立储能电站的收入来源更加多元，包括容量租赁、峰谷电价差套利、容量电价补偿，以及辅助服务收益。从实际应用情况来看，根据中关村储能产业技术联盟不完全统计，独立储能接近2022年新增投运新型储能装机规模的50%。由于地方储能政策差异，独立储能项目商业模式也有所不同。未开展电力现货市场的省份以容量租赁、辅助服务为主；在开展了电力现货市场试点省份，有“价差套利+容量租赁+容量电价补偿”、“价差套利+一次调频”、“价差套利+调峰容量市场”多种模式。发电侧储能电网侧储能用户侧储能辅助火电动态运行