一、溫控是儲能安全經濟運行的重要保障
1.1 熱失控是儲能電站事故頻發的主要原因之一
儲能電站事故頻發,危及生命財產安全。據北極星儲能網不完全統計,2011年-2021年10年間,全球共發生50起儲能電站起火 爆炸事故。其中,韓國30起、中國3起、美國2起、日本1起、比利時1起。
儲能電站事故主要原因在于:鋰電池自身及管理系統缺陷、鋰電池內部熱失控、充放電散熱不暢。發生事故的儲能電站多采用 鋰電池,北京大紅門儲能電站主要系磷酸鐵鋰電池內短路起火導致,而國外儲能事故主要是鋰電池管理系統和鋰電池電芯缺陷 為主。借鑒新能源車起火爆炸經驗分析,其故障大多由熱失控引起的,其次是充電過程散熱不暢所致。
政策明令,安全是儲能發展的底線。國家能源局發布《電力安全生產“十四五”行動計劃》,重點強調電化學儲能安全運行技 術提升;《新型儲能項目管理規范(暫行)(征求意見稿)》強調堅持安全第一原則,提出全生命周期安全管理要求,提出原則上不新建大型動力電池梯次利用儲能項目,避免高安全問題發展。
1.2 鋰電池最佳溫度區間10-35℃,溫控技術要求凸顯
儲能電池最佳溫度區間在10℃-35℃,單體間的溫差均不超過5℃為佳。10℃-35℃是鋰電池最佳溫度區間,以可維持其在最佳 使用狀態,保證儲能系統的性能和壽命。-20℃-45℃內是鋰電池工作溫度區間,但鋰電池會面臨壽命衰減、電解液凝固、抗阻 增加、電池容量明顯下降等問題。溫度超60℃時,鋰電池內部有害化學反應速率提高,使得電芯失控、BMS失效、PCS保護失 效等。溫度小于-30℃時,電池的容量和功率急劇降低,特別是充電容量和充電功率下降更加明顯,導致儲能系統經濟性銳減。
自然通風散熱下儲能集裝箱工作溫度遠超最佳溫度區間,溫控作用必要性凸顯。由于儲能系統對電池循環壽命、一致性等要求 更高,磷酸鐵鋰電池更適宜鋰電池儲能系統。在國際標準的 40 英尺儲能集裝箱,以磷酸鐵鋰電池為電池組,實驗發現,在單 側自然通風下,整個儲能系統內部溫度高達150-170℃,遠超鋰電池組最佳工作區間10-35℃,且電池組內部溫度一致性極差, 最高溫差近 20 ℃。由于工作溫度超最佳溫度100℃以上,儲能系統通過溫控系統對鋰電池進行熱管理十分必要,且儲能溫控難 度高。
1.3 鋰電池放電倍率越大、工作時長越長,產熱量越多
電池產熱由焦耳熱和反應熱兩部分組成,均受到環境溫度、工作時長、充放電倍率影響。電池產熱最主要的熱量來源是焦耳 熱,焦耳熱主要是由于電流經過電池的極柱、電解液、隔膜等存在電阻的地方,因焦耳效應發出的熱量,其在充、放電過程 當中均為放熱反應;反應熱主要系鋰離子在正負極間嵌入/脫嵌的過程會伴隨著熱量的變化。
二、儲能溫控中液冷技術滲透率預計持續提升
2.1 儲能溫控技術以風冷、液冷為主,熱管、相變在研
目前以風冷、液冷為主,熱管冷卻、相變冷卻處在研階段。
風冷:以空氣為冷卻介質,利用對流換熱降低電池溫度的一種冷卻方式。但由于空氣的比熱容低,導熱系數也偏低,更適用于 功率相對較小的通信基站、小型儲能系統等。
液冷:利用液體對流換熱轉移電池工作產生的熱量。由于液體比熱容及導熱系數都高于空氣,更適用于高功率的儲能系統、數 據中心、新能源汽車等。
熱管冷卻:熱管冷卻是依靠封閉管殼內工質相變實現換熱,分為冷端空冷和冷端液冷。目前處于在研階段,本文暫不展開討論。
相變冷切:相變冷卻是利用變相材料發生相變吸收能量的一種冷卻方式。目前處于在研階段,本文暫不展開討論。
2.2 技術現狀:風冷現階段市場滲透率高,液冷產品推廣力度加大
風冷現階段市場滲透率高。受益于目前儲能發展仍處于初期階段,項目多為容量、功率較小的小型儲能系統,風冷制冷效率 可滿足需求,經濟性占優支撐其市場較高滲透率。
風冷單GWh價值量0.3億,相對液冷系統經濟性占優。 液冷系統相對復雜,主要包括水冷板、水冷管、水冷系統、換熱風機等。根據華經產業研究院數據顯示,目前整套液冷系統方 案價值量約0.8-1億元/GWh,其中液冷板合計總價值量占比最高,一般約0.5億元/GWh;風冷系統方案結果較為簡單,價值量相對較低約0.3億元/GWh。
風冷相對液冷可靠性高:①風冷系統結構簡單,更易于安裝、維護;②部分液冷系統仍存在冷卻液泄露、故障點多等風險, 風冷系統可靠性相對更高。
風冷制冷效率仍可提高,市場空間仍有一席之地。風冷可通過優化風道設計等,控制氣流方向、流速及途徑,以此提高制冷 制熱效率。
2.3 技術趨勢:液冷滲透率提升,風冷仍具一席之地
風冷、液冷如何選擇? 儲能溫控技術選擇是綜合考慮安全性、經濟性、電池PACK設計、所處環境等因素的結果,并非單純考慮冷卻性能。
制冷功率需求高低: ①若儲能項目產熱功率低,則對制冷需求小,風冷效果可滿足、適配度更高; ②若儲能項目產熱功率高,則對制冷需求大,部分場景需要液冷技術才可滿足;
儲能項目成本敏感度:據華經產業研究院統計,風冷單GWh0.3億元、液冷單GWh0.9億元,其中液冷主機系統約0.5億 元/GWh 。 ①目前儲能處商業化發展初期,成本敏感度高,有利于較高風冷滲透率,按照成本敏感高低排序:大型儲能>工商業儲能 >家儲。 ②隨著儲能盈利模式改善,成本敏感度下降,液冷滲透率有望提升,為滿足安全需求,大型儲能項目有望大規模引入液 冷。
儲能電池PACK設計:不同溫控技術的儲能電池PACK設計存在差異,風冷、液冷受電池PACK被動選擇。 ①風冷的儲能系統結構簡單、可靠性高、易于維護,但系統體積密度低。 ②液冷的儲能系統體積密度高、系統緊湊,但安裝維護難度大、可靠性低。
儲能項目所處環境:室外溫度會影響風冷、液冷的制冷效率 。①風冷不適應于極端高溫、風沙大的地方:風冷靠與外界空氣進行對流換熱,外界溫度高換熱效率低;風沙大的地方易 入侵腐蝕電池系統。 ②液冷不適應于極端低溫、遠離水源的地方:低溫下,冷卻劑易凍結無法進行熱管理;液冷靠液體對流換熱,所以需要 消耗大量水。
三、多成長賽道共促溫控行業持續增長
3.1 溫控技術同源,儲能溫控企業普遍從其他賽道切入
儲能仍處于早期階段,儲能溫控企業均從其他賽道切入,主要以精密 溫控企業、新能源車溫控企業、工業溫控企業行業為主。
精密溫控節能設備又稱精密空調,其主要服務對象為電子設備,以數據中心(IDC)溫控、5G基站溫控設備為主。集裝箱 數據中心和集裝箱儲能較為類似,對集裝箱內溫度和適度控制要求高;5G基站溫控與儲能溫控同為箱柜模式,且應用場景 皆為戶外,使得技術具有遷移性,但同時5G基站制冷量小,難以滿足容量不斷增大的儲能系統制冷需求。
新能源車溫控和儲能系統溫控的對象同為電池,兩者具有較高同源性,但前者的制冷量與集裝箱式儲能系統存在較大差距。
工業溫控和儲能溫控都需應對空氣雜質、液體雜質等戶外環境影響,且同樣具有工業級可靠性要求,但前者制冷系統相對 簡單,且控溫要求低于儲能系統。(報告來源:未來智庫)
儲能溫控市場格局未定,發展前景高。據BNEF預測,未來十年將全球投資2620億美元部署345GW/999GWh的儲能系統, 下游需求旺盛,帶動溫控需求高增長。各企業布局溫控儲能,以期把握新的增長極。
3.2 儲能溫控:大型儲能是儲能發展關鍵,也是儲能溫控主賽道
大型儲能是儲能更大規模發展關鍵,預計將維持高占比。以全球兩大主要市場美國和中國為例,
美國新增投運規模以表前大型儲能為主,大型化趨勢明顯。據Wood Mackenzie數據,2021年美國新增儲能容量10.5GWh, 其中表前占比高達87.6%。據該機構預測,美國2021-2026年累計儲能容量202.5GWh,其中表前占比始終高達79.8%。
中國儲能增長點在于電源側和電網側,以調峰調頻為主。當前中國電化學儲能增長主要依靠發電側強制配儲政策驅動,且政 策逐步傾向于大容量的共享儲能項目,近兩年大容量項目備案量快速提升。據北極星儲能網不完全統計,2021年備案的共享 儲能項目達85個,總建設規模超12GW/24GWh。
大型儲能具有容量大、運行環境復雜等特點,對溫控系統要求更高,有望提升液冷比重。大型儲能的電池容量以MWh計,是 電動車儲能電池容量的數十倍到百倍。大型儲能將大量電池密集排布在集裝箱等密閉環境,在電網調度下直面復雜的運行環 境,散熱要求高。同時大型儲能初始投資大,對可靠運行、利用率、循環壽命等要求高,對于保障電池最佳工作狀態的溫控 要求高。調峰大容量長時長、調頻高倍率趨勢,有望帶動大型儲能液冷滲透率提高,并驅動整體溫控需求規模高增。
3.3 IDC溫控:“東數西算”更添行業動力,低PUE助推液冷滲透率提升
互聯網和云計算推動IDC大規模發展,“東數西算”更添強大動力。2014年我國IDC市場規模僅為372億元,2020年增至2238 億元,年復合增長率為31.8%,據工信網預計,2021年我國數據中心市場規模將達到2486億元。2022年2月,國家發展改 革委、國家能源局等聯合印發文件,同意在京津冀、長三角、粵港澳大灣區等8地啟動建設國家算力樞紐節點,并規劃了10 個國家數據中心集群,“東數西算”工程將推動數據中心進一步加速發展。
數據中心溫控能耗高,溫控節能是降低PUE的關鍵。隨著高性能芯片的發展,數據中心的熱流密度不斷升高,數據中心對 于溫控系統的需求不斷增加。由于電力成本占整個數據中心日常運維支出成本的50%-60%,其中溫控系統的功耗約占數據 中心總功耗的40%,降低溫控能耗是降低數據中心PUE(數據中心總設備能耗/IT設備能耗)的關鍵。政府部門對高能耗問 題提出更嚴格的管理要求,《關于加強綠色數據中心建設的指導意見》要求到2022年數據中心PUE達到1.4以下,將進一步 提升溫控市場需求。
四、溫控市場空間測算
4.1 電力儲能溫控市場空間測算
對全球電力儲能溫控市場空間測算的核心假設:
大型儲能: 2022年-2025年裝機量分別為31/54/81/148GWh;
液冷占比:33%/45%/50%/55%;
工商業儲能: 2022年-2025年裝機量分別為7/11/17/33GWh;
液冷占比:30%/35%/40%/45%;
溫控系統價值量: 2021年風冷價值量為0.3億元/GWh; 液冷價值量0.9億元/GWh; 2022-2025年每年分別降幅5%。
測算結果: 預計2022年全球電力儲能溫控市場規模達17.62億元; 其中風冷、液冷占比分別為67.56%、32.44%; 預計2025年全球電力儲能溫控市場規模達91.00億元; 其中風冷、液冷占比分別為46.83%、53.17%; 2021-2025年全球電力儲能溫控市場規模CAGR達103.65%。
4.2 其他賽道溫控市場空間測算
對全球IDC溫控市場空間測算的核心假設:
2021-2025年IDC(除服務器)總投資為: 13627/14263/14931/15630/16569億元;
溫控系統價值量: 2020年溫控系統成本占比為9%;往后每年保持不變。
對全球市場5G基站溫控空間測算的核心假設:
2021-2025年5G基站新增裝機量為: 13/16/19/22/27GWh;
溫控系統價值量: 2021年溫控系統價值量為0.3億元/GWh,往后每年降幅 5% 。
全球新能源車溫控市場空間測算的核心假設:
2021-2025年新能源車市場規模為: 21263/25988/45675/75915/94815億元;
溫控系統價值量: 2020年溫控系統成本占比為1%,往后每年保持不變。
測算結果: 2025年上述其他賽道溫控市場總計達到2446億元; 2021-2025年CAGR達15.19%。
五、儲能溫控行業投資思路分析
5.1 儲能溫控行業投資邏輯:存量小,增速快,為重要增長極
從存量看:根據我們測算,相較于精密溫控、新能源車溫控、工業溫控行業,目前儲能行業屬于發展初期,因此儲能 溫控存量小, 2021年市場規模約為7.88億元,占比僅為0.54%;
從增速看:儲能溫控在2021-2025年內其CAGR最大,達103.65%,發展速度快,遠超其他行業溫控發展速度,未來市 場規模占比也在不斷提高,到2025年達91.00億元,占比達3.59%,為溫控行業新的增長極。
5.2 儲能溫控選股方向
短期看先發優勢:短期內主流企業受益于先發優勢,技術相似性和可遷移性決定儲能溫控切入速度
先發優勢取決于技術相似性和可遷移性,主要看技術類型、制冷量規模等要素。風冷技術方面,儲能業務布局早、 業務范圍廣的企業具有較為顯著的先發優勢,以精密空調企業為主。液冷技術方面,機柜類和集裝箱儲能類制冷量 差別大,不同類型企業的先發優勢不同。新能源車熱管理企業的先發優勢在于機柜類儲能,制冷量較大的集裝箱類 儲能仍存供應鏈等多方面短板。集裝箱類儲能門檻相對較高,主要在于企業先期布局。
初期技術壁壘有限、市場格局未定,切入速度是競爭關鍵。從現有市場格局看,在儲能領域已有布局的企業為:① 精密溫控:英維克、申菱股份;②新能源車溫控:松芝股份、奧特佳;③工業冷卻:高瀾股份、同飛股份。英維克 早在2013年開始涉足儲能領域,且以精密溫控為主營業務,是IDC數據溫控龍頭企業,目前已實現儲能項目營業收 入,先發優勢最足。
中期看定制化能力:當前儲能系統標準化程度低,應用環境復雜,相應溫控定制化程度高
下游儲能電池PACK設計差別大:①對于不同應用場景,儲能系統容量、倍率等性能參數不同,相應產熱率不同,相應對溫度控制的需求不同。②電池企業PACK設計各異,溫控企業需和下游客戶緊密協作,進行適配設計。
儲能系統所處環境差異大 :①IP防護等級、極端氣溫環境、日照輻射、沙塵柳絮等環境因素對溫控技術選擇影響較大。風冷更適用于平均氣溫低、 空氣潔凈度高、臨近水源的環境;液冷更適用于平均氣溫高、空氣潔凈度低、較為干燥的環境。 ②儲能系統安裝場地也會限制儲能系統的設計,溫控系統需相應定制溫控設備布局、管道設計等。
儲能系統應用場景商業成熟度不一:①不同地區和應用場景的儲能項目對經濟性要求存在不同,成本敏感性項目可能會相應降低溫控要求。 ②項目設計壽命也會影響溫控要求,體現為不同技術方案在全生命周期經濟性的差別。
長期有望走向標準化
調峰調頻等表前儲能有望維持高占比,且成本敏感度高,對規?;当驹V求更為迫切: 以調峰調頻為代表的表前儲能是實現向含高比例新能源的電力系統轉型的關鍵,有望在新增儲能份額維持較高比重。 表前儲能均服務于公用電力事業,具有大規模、低成本的顯著特征,因此對儲能價格較為敏感,對規?;当驹V求 更為迫切。
儲能按應用場景分類類別多,但按物理特性分類類別少,有利于標準化: 儲能按應用場景可分為調頻、調峰、電網替代、用戶節能、需求響應等多種類別。 儲能系統主要物理參數有充放電倍率、備電時長、功率和容量,由于表前儲能通常采用集裝箱式模塊化設計,因此 儲能物理特性主要差別在于充放電倍率和備電時長。
表前儲能有望通過標準化實現規?;当荆瑢⒋龠M儲能溫控環節的標準化: 以標準化實現規模化是表前儲能未來實現降本的一條重要路徑,有望推動儲能溫控環節的標準化。
5.3 英維克:國內領先精密溫控龍頭,布局儲能構筑溫控大平臺
以IDC、通信溫控起步,后逐步布局儲能領域。公司主營業務可分為四大類:機房溫控節能產品、機柜溫控節能產品、 新能源車用空調、軌道交通空調。 2006年首次推出IDC機房空調(機房溫控節能產品)、通信基站專業空調、通信 戶外柜專用空調(機柜溫控節能產品); 2015年成立深圳科泰,主營新能源車用空調,2018年收購上海科泰,主營 軌道交通空調;公司儲能產品主要依托機柜溫控節能產品進行衍生應用,早在2013年開始涉及儲能溫控,2020年推 出儲能液冷系統,已在中國、歐美多個國家得到應用。開拓電子散熱、冷鏈溫控、空氣環境控制新業務。電子散熱是 公司填補熱源散熱的空白,目前進展較慢,一旦技術突破,或帶來累積增。(報告來源:未來智庫)
5.4 同飛股份:工業溫控深耕二十年,布局儲能提升發展空間
圍繞工業制冷設備,擁有液體恒溫設備、電氣箱恒溫裝置、純水冷卻單元和特種換熱器四大類產品。主要涉及數控裝 備、電力電子裝置制冷領域;其中LCU系列純水冷卻單元、MCW系列水冷卻機、MCA系列電氣箱溫濕度調節機等產 品,為國家電網、南方電網等眾多重大項目穩定運行提供了可靠保障。
技術可遷移性強,儲能業務有望高增帶來業績彈性。公司已有產品可有效遷移至儲能行業、新能源發電變流器等多個 領域。其中,公司液體恒溫設備技術可遷移生產液冷溫控產品,電氣箱恒溫裝置技術可遷移生產風冷溫控產品。目前 公司儲能業務量相對較小,但隨著儲能系統需求高增,公司液體恒溫設備、電氣箱恒溫裝置有望相應實現營收快速增 長。當前公司體量相對較小,有望實現較高業績彈性。