Rapport sur la feuille de route concernant les technologies de stockage de l'énergie - quelle batterie s'imposera ?
Économie du stockage de l'énergie
Tirer les leçons de l'histoire du développement de l'énergie photovoltaïque et de l'économie nationale technologie de stockage de l'énergie.
La technologie du stockage électrochimique de l'énergie ouvre de nouvelles perspectives
Avec l'accès à grande échelle aux nouvelles sources d'énergie, afin de surmonter l'intermittence et la volatilité de l'énergie éolienne et photovoltaïque, l'ensemble du système électrique se transforme de "source-réseau-charge" en "source-réseau-charge-stockage", et la technologie de stockage de l'énergie deviendra un nouveau type de système électrique. le quatrième élément essentiel.
La technologie du stockage de l'énergie se concentre actuellement sur deux formes de stockage, à savoir centrale de pompage-turbinage et le stockage de l'énergie dans des batteries au lithium-ion, comme la batterie au lithium-ion 51.2v 200ah powerwall, qui a été récemment plébiscitée：
Évolution de la technologie photovoltaïque et de stockage de l'énergie dans les ménages en Allemagne
Les pays ayant la plus forte proportion de production d'énergie éolienne et solaire en 2020 sont la Suède (19%), l'Allemagne (18%), le Portugal (18%), le Royaume-Uni (17%) et la Finlande (17%), etc. La part moyenne en Europe est de 12-13% (les données nationales sont inférieures à 5%).
Étant donné que la capacité installée du Portugal, de la Suède et de la Finlande est trop faible pour avoir une importance de référence, nous nous concentrons principalement sur l'Allemagne et le Royaume-Uni, l'Allemagne étant utilisée comme référence pour la capacité de stockage d'énergie installée derrière le tableau, et le Royaume-Uni étant utilisé comme référence pour la capacité de stockage d'énergie installée avant le tableau.
Le développement des technologies photovoltaïques et de stockage de l'énergie en Allemagne dépend de l'économie
La prospérité de la production d'électricité photovoltaïque suit la même fréquence que l'orientation politique et dépend fortement des subventions. En 1990, l'Allemagne a formulé le "Plan 1000 toits", qui a ouvert la voie au développement de son industrie photovoltaïque ;
En 1998, le gouvernement a proposé le "Plan 100 000 toits", qui a fortement stimulé l'industrie photovoltaïque allemande et mondiale.
En 2000, l'Allemagne a adopté la "loi sur les énergies renouvelables", qu'elle a révisée à trois reprises en 2004, 2008 et 2012, afin de clarifier le tarif obligatoire sur le réseau pour la production d'électricité photovoltaïque, ce qui a entraîné une croissance rapide de la capacité photovoltaïque installée en Allemagne et a fait de ce pays le leader mondial de l'industrie photovoltaïque d'un seul coup. pays de référence.
De 2010 à 2012, la capacité nouvellement installée de production d'énergie photovoltaïque en Allemagne a dépassé les 7 GW pendant trois années consécutives. Parallèlement, avec la baisse du coût d'installation des centrales photovoltaïques, le gouvernement allemand réduit progressivement les subventions au titre du tarif de rachat, et le taux de croissance de la capacité installée s'est progressivement stabilisé.
En 2018, le gouvernement a fixé l'objectif de porter la part des énergies renouvelables dans la demande totale d'électricité à 80% d'ici 2040, et en 2021, cet objectif a été avancé à 2030.
Avec l'introduction d'objectifs politiques de plus en plus ambitieux, l'ampleur de la capacité photovoltaïque nouvellement installée a augmenté d'année en année. À la fin de 2021, la capacité photovoltaïque installée en Allemagne atteindra 59,9 GW, et 5,3GW seront nouvellement installés en 2021.
Structure :
La capacité photovoltaïque nouvellement installée en Allemagne est principalement distribuée, et la proportion de la capacité photovoltaïque installée par les ménages est en augmentation.
Capacité de stockage d'énergie en Allemagne :
La part des technologies de stockage de l'énergie dans la consommation d'électricité continue d'augmenter, avec des caractéristiques structurelles significatives. Les progrès de la technologie de stockage de l'énergie et la réduction des coûts d'investissement due à l'échelle, combinés aux factures d'électricité élevées qui ont augmenté d'année en année, ont favorisé le développement vigoureux du marché allemand de la technologie de stockage de l'énergie derrière le compteur.
Selon les statistiques, d'ici à la fin de 2020, près de 70% de projets de production d'énergie photovoltaïque domestique en Allemagne sont équipés de systèmes de stockage d'énergie par batterie, et la capacité de stockage d'énergie domestique installée a dépassé 300 000, avec une échelle individuelle d'environ 8,5kWh.
Configuration du système de stockage d'énergie :
Avec l'augmentation de la proportion de stockage d'énergie du côté de l'électricité, le rapport entre la puissance installée et la capacité de stockage d'énergie électrochimique en Allemagne tend à être de 1kW/2kWh.
D'après les données relatives aux systèmes photovoltaïques et de stockage de l'énergie nouvellement installés ces dernières années, les installations photovoltaïques domestiques allemandes tendent à être équipées de la technologie de stockage de l'énergie 10%, 2h, ce qui est similaire à la politique chinoise actuelle pour les projets de production d'énergie photovoltaïque centralisée.
Calculée sur la base d'une surface de toit de 200 watts/mètre carré pour les systèmes photovoltaïques domestiques et de 100 mètres carrés/ménage, la capacité installée d'un système photovoltaïque domestique unique est d'environ 20 kW.
La technologie moyenne de stockage de l'énergie des ménages est de 8,5 kWh, ce qui correspond essentiellement à la consommation d'électricité d'un seul ménage pendant la période de production d'électricité non photovoltaïque.
Le système de stockage d'énergie domestique occupe un espace réduit et est très bien accepté par les utilisateurs. Les installations de stockage d'énergie domestique et les installations photovoltaïques ne sont pas nécessairement liées.
Le Royaume-Uni en tête du marché européen des technologies de stockage de l'énergie
Principalement basée sur la croissance rapide de la capacité photovoltaïque installée
Production d'électricité photovoltaïque au Royaume-Uni :
En 2014, le Royaume-Uni a publié la "Stratégie de production d'énergie photovoltaïque", qui met l'accent sur le soutien aux systèmes photovoltaïques distribués (sur les toits).
En avril 2016, le Renewable Energy Obligation Act (RO) a mis fin aux subventions accordées à tous les projets photovoltaïques ; en 2018, le Royaume-Uni a cessé de soutenir les projets d'énergie solaire sur les toits.
Technologie de stockage de l'énergie au Royaume-Uni :
Après la croissance rapide de la capacité photovoltaïque installée entre 2014 et 2016, la proportion de la production d'électricité photovoltaïque dans l'ensemble de la société a augmenté de manière significative, et la capacité de stockage d'énergie électrochimique installée au Royaume-Uni a augmenté de manière significative entre 2016 et 2019.
À la fin de l'année 2020, la capacité installée de la technologie de stockage électrochimique de l'énergie au Royaume-Uni s'élevait à près de 570 MW, soit 47% de la capacité installée de stockage de l'énergie en Europe.
Le temps de configuration moyen des compteurs de stockage d'énergie montés en façade au Royaume-Uni est de près d'une heure, ce qui joue principalement un rôle dans l'amélioration de la flexibilité de la connexion au réseau (décalage temporel de l'énergie) et de la stabilité du réseau (services auxiliaires).
En 2020, la capacité nouvellement installée de stockage de l'énergie en fonction du temps et des services auxiliaires était respectivement de 175 MW et de 62 MW, ce qui représentait ensemble 80,6% de la capacité nouvellement installée la même année.
L'économie chinoise entraîne une augmentation de la proportion de stockage d'énergie dans les systèmes photovoltaïques distribués
Avant 2017, le TRI du photovoltaïque centralisé était plus élevé que celui du photovoltaïque distribué, principalement en raison du facteur de subvention ; après 2018, le TRI du photovoltaïque distribué a pris le dessus.
D'après l'historique du développement de la technologie de stockage de l'énergie photovoltaïque en Allemagne, la capacité installée de stockage de l'énergie distribuée est principalement basée sur la consommation d'électricité des entreprises industrielles et sur la différence entre les prix de l'électricité aux heures de pointe et aux heures creuses, ce qui reflète l'économie.
Au début, plus de 90% de la puissance des installations distribuées étaient fournies aux industries environnantes à forte consommation d'énergie. Par la suite, le coût des composants ayant continué à baisser, l'irr des installations photovoltaïques distribuées s'est encore amélioré. Pour les industries et les commerces à faible consommation d'énergie, l'utilisation d'installations distribuées et d'un système de stockage à grande échelle Le modèle énergétique reflétera également l'économie.
Les politiques catalysent le développement de l'industrie :
Le soutien des politiques nationales joue un rôle important dans le développement de l'industrie. Le prix de l'électricité photovoltaïque centralisé guidé par le réseau et la subvention des kWh photovoltaïques distribués ont tous deux joué un rôle important dans la promotion du développement de l'industrie photovoltaïque chinoise à un stade précoce. En 2018, la subvention a diminué et la capacité installée a également diminué en conséquence.
En 2020, la production d'énergie éolienne et solaire en Chine représentera 7,5% de la consommation totale d'électricité de l'ensemble de la société, et l'impact sur le réseau électrique ne sera pas très important. On estime que la proportion de la production d'énergie éolienne et photovoltaïque atteindra la limite zéro de 25-30% en 2025. La politique encourage l'augmentation de la proportion de technologies de stockage de l'énergie du côté du réseau et du côté de la production d'électricité.
L'économie chinoise du stockage de l'énergie côté électricité :
Si l'on prend l'exemple d'un système de stockage d'énergie de 10 MW/40 MWH, le TRI du stockage d'énergie atteint 8,60% sans tenir compte des incitations fiscales, et le TRI atteint 10,46% lorsque les incitations fiscales sont prises en compte.
Degré élevé de chevauchement de la chaîne industrielle
La voie vers l'industrialisation de l'énergie au sodium est toute tracée
Le principe de fonctionnement des batteries sodium-ion est le même que celui de la "chaise berçante" des batteries lithium-ion, et la désintercalation réversible des ions sodium (Na+) entre les matériaux positifs et négatifs est utilisée pour réaliser la charge et la décharge.
La batterie sodium-ion est principalement composée d'une électrode positive, d'une anode, d'un séparateur et d'un électrolyte. Elle est fondamentalement compatible avec l'équipement de production des batteries lithium-ion, ce qui réduit la difficulté de l'industrialisation.
La meilleure application des ions sodium dans la technologie du stockage de l'énergie
Les prix des matières premières du lithium ont continué à augmenter. En mars 2022, le prix du carbonate de lithium de qualité batterie, la principale matière première, a dépassé 500 000 RMB par tonne, un record.
L'abondance du lithium est faible, avec une abondance crustale de seulement 0,006%, et la plupart d'entre eux sont concentrés en Amérique du Sud, causant des problèmes d'approvisionnement pour les principaux fabricants de batteries.
Selon les calculs de Zhongke Haina, le leader de l'électricité au sodium, le matériau des batteries sodium-ion présente un avantage significatif en termes de coût, qui est inférieur d'environ 1/3 à celui des batteries lithium-fer-phosphate.
Le coût des matières premières des batteries sodium-ion à base de cuivre est de 0,29RMB/Wh, celui des batteries lithium-phosphate de fer est de 0,43RMB/Wh et celui des batteries plomb-acide est de 0,40RMB/Wh.
1) Les ressources en sodium sont abondantes, le prix est bas et stable, et le prix se maintiendra à 1000-4000 RMB/tonne dans 10 ans.
2) La sélection des éléments est moins coûteuse ;
3) Le carbone dur et le carbone mou utilisés dans l'anode ont des exigences de processus plus faibles, une consommation d'énergie plus faible et un potentiel de faible coût ;
4) Feuille d'aluminium bon marché pour le collecteur de courant de l'anode.
La densité énergétique du sodium est fondamentalement la même que celle du phosphate de fer lithié.
La densité énergétique des ions sodium est fondamentalement la même que celle du phosphate de fer lithié, mais la large gamme de températures et les performances en matière de sécurité sont meilleures.
La densité énergétique des batteries sodium-ion est meilleure que celle des batteries plomb-acide et est pratiquement la même que celle des batteries lithium-phosphate de fer.
Actuellement, la densité énergétique des batteries sodium-ion commerciales est de 100-160 Wh/kg, ce qui est nettement supérieur aux 30-50 Wh/kg des batteries plomb-acide.
Elle est inférieure de 10%~20% à la batterie lithium-phosphate de fer mature, mais elle peut atteindre 200Wh/kg dans les conditions expérimentales de la batterie sodium-ion. Large plage de températures pour élargir les scénarios d'application en milieu alpin. La température applicable s'étend de -40 à 80°C. Pour une comparaison détaillée des deux batteries, veuillez vous référer à Batterie au lithium ou au sodium.
La chaîne de l'industrie électrique du sodium prend forme
La structure de la chaîne industrielle des batteries au sodium hérite de la batterie au lithium, ce qui favorise l'introduction rapide de l'industrialisation. La chaîne industrielle chinoise des batteries sodium-ion n'en est qu'à ses débuts et la structure industrielle n'est pas encore mûre.
La structure de la chaîne industrielle des batteries sodium-ion est similaire à celle des batteries au lithium, avec des entreprises de ressources en amont, des entreprises de matériaux de batteries en aval et des entreprises de cellules.
Les entreprises de batteries ont été créées les unes après les autres, et l'ère de Ningde a favorisé la formation de la chaîne industrielle. À l'heure actuelle, de nombreuses entreprises, dont CATL, Zhongke Haina, Nai Innovation Energy, Penghui Energy et Sunwoda, ont déployé des batteries sodium-ion.
La différence entre l'anode
Les matériaux à base de carbone dur sont considérés comme les matériaux d'anode ayant le plus grand potentiel commercial pour les batteries sodium-ion en raison de leur capacité spécifique élevée (environ 300 mAh/g), de leur faible tension de stockage du sodium (la tension de plateau est d'environ 0,1 V), de leur longue durée de vie et d'une large gamme de sources. .
À l'heure actuelle, les anodes utilisées dans les batteries sodium-ion commerciales sont presque toutes des carbones durs. Le carbone dur est plus facile à synthétiser que le graphite. Dans le processus d'application commerciale, le carbone dur est confronté au problème de la faible efficacité coulombienne au cours de la première semaine, et son efficacité coulombienne au cours de la première semaine dans les électrolytes à base d'ester est généralement de l'ordre de 50-80%.
Il est donc nécessaire de réduire ses défauts internes en améliorant les précurseurs, les conditions de synthèse, etc., afin de préparer des carbones durs présentant une faible porosité et moins de défauts.
Parmi les Top 5 des entreprises de matériaux d'anode pour batteries lithium-ion En Chine, c'est Bettray qui a réalisé les progrès les plus rapides en produisant en masse des anodes en carbone dur et en carbone mou. Des entreprises d'anodes telles que Shanshan Co, Ltd, Putailai et Xiangfenghua ont successivement développé des matériaux d'anodes à base de sodium, qui sont entrés successivement sur le marché chinois au stade de l'essai.
La capacité spécifique des matériaux d'anode en carbone dur et en carbone mou de Bertray a atteint 400mAh/g, dépassant la limite théorique de l'anode en graphite, avec d'excellentes performances en matière de basse température, de taux, de cycle et de sécurité, mais l'efficacité de la première semaine peut encore être améliorée, et la faible densité de vibration n'est pas propice à l'amélioration de la densité énergétique de la batterie.
En raison de l'industrialisation précoce des anodes en carbone dur et en carbone mou, les choix de matières premières des fabricants nationaux et étrangers ont encore tendance à être diversifiés.
À l'exception de Zhongke Hai Na qui utilise l'anthracite de Huayang Co. pour préparer le carbone mou, les anodes de carbone mou qui ont été fournies en lots utilisent principalement des matières premières de coke, et les fabricants d'anodes de batteries au lithium peuvent s'appuyer sur les fournisseurs de coke existants pour réaliser l'agencement des anodes de batteries au sodium.
Facteurs déterminants du coût de production après l'échelle : prix des matières premières, taux de carbone résiduel (consommation unitaire), coût de l'électricité (température et durée). En général, le coût du carbone dur devrait être inférieur à celui du graphite artificiel, et le coût du carbone mou devrait être inférieur lorsque de l'anthracite est utilisé.
Prix des matières premières : Dans le passé, les matériaux anodiques de haute qualité utilisaient principalement des matières premières importées (principalement du coke d'aiguille importé). Depuis 2021, les prix des principales matières premières pour les matériaux d'anode en Chine ont affiché une tendance à la hausse.
La demande en aval continue de croître, et la hausse des prix des matières premières dans le cadre du jeu de l'offre et de la demande est inévitable. Les coûts des fabricants de matériaux d'anode sont sous pression.
La question de savoir si la pression peut être transmise aux fabricants de piles en aval dépend du pouvoir de négociation des entreprises en fonction des obstacles techniques et des ressources des clients.
Matériau de l'anode en graphite :
La consommation unitaire de graphite naturel est relativement certaine, tandis que la consommation unitaire de graphite artificiel fluctue fortement. Selon les données divulguées par le fabricant de matériaux d'anode, la consommation unitaire est comprise entre 1,21 et 2,28.
La consommation unitaire peut varier en fonction de la proportion de coke de pétrole et de coke d'aiguille. À l'exception du graphite artificiel haut de gamme, qui utilise principalement du coke d'aiguille, le rapport spécifique de la consommation de matières premières d'autres matériaux négatifs de différentes qualités n'est pas connu.
Anode en carbone dur et en carbone mou :
Les molécules de résine phénolique contiennent un grand nombre de cycles aromatiques et le taux de carbone résiduel est plus élevé que celui des autres macromolécules.
Le taux de carbone résiduel des matières premières de la biomasse peut n'être que de 20% ; le taux de carbone résiduel de l'anthracite est d'environ 50-80%, mais la performance du carbone mou est plus faible que celle du carbone dur.
Frais de dossier :
Qu'il s'agisse de carbone mou ou de carbone dur, étant donné que ses exigences en matière de température et de durée sont bien inférieures à celles du graphite artificiel, la structure des coûts peut se référer au graphite naturel, et le coût de fabrication (y compris la consommation d'électricité et d'énergie, etc.) après une industrialisation à grande échelle peut être légèrement supérieur à celui du graphite naturel (le coût de fabrication est de 0,22RMB/tonne).
Le vanadium et l'hydrogène cherchent un terrain d'entente
Batterie à flux pour le stockage de l'énergie
Principaux avantages : la déflagration est fondamentalement évitée - sécurité ; la durée de vie est extrêmement longue - durabilité.
Outre les avantages généraux des batteries d'écoulement, il existe trois autres avantages :
(1) Respectueuse de l'environnement La batterie à flux redox tout vanadium est entièrement fermée et fonctionne avec des émissions quasi nulles.
(2) Valeur résiduelle élevée L'élément vanadium dans l'électrolyte ne se perd pas et la valeur résiduelle est d'environ 70%.
(3) Récupération aisée L'électrolyte ne contient qu'un seul métal de transition, facile à extraire. Batterie miniaturisée au vanadium à flux continu destinée à être utilisée avec les systèmes photovoltaïques domestiques. Le volume est de 3 à 7 fois supérieur à celui des piles au lithium.
Isosystème hydrogène du vanadium
La pile est le cœur de la structure modulaire
La structure et le principe de la batterie à flux redox au vanadium sont similaires à ceux de la pile à combustible à hydrogène. La pile est le composant central du système, où se produit la réaction électrochimique et où l'électricité est générée. L'électrolyte ou l'hydrogène est stocké dans un réservoir externe.
Compte tenu de la faible puissance de sortie d'un seul élément de batterie, dans la pratique, la puissance de sortie globale est généralement améliorée en empilant plusieurs éléments en série pour former une pile.
Taking the hydrogen fuel cell as an example, the stack is a composite assembly composed of bipolar plates and membrane electrodes alternately stacked, with seals embedded between the monomers, and the front and rear plates are pressed and fastened with screws.
Les piles à hydrogène constituent la valeur essentielle des systèmes de piles à combustible, et les piles électriques chinoises présentent des lacunes en termes d'absence de matériaux de base et de technologies clés.
Among the vanadium-hydrogen shared materials, the graphite bipolar plate has basically been produced in China, and the proton exchange membrane and the gas diffusion layer are still mainly imported.
Solution d'hydrogène au vanadium
Couche de diffusion des gaz (GDL) :
Située entre la couche de champ d'écoulement des gaz et la couche catalytique, elle est principalement constituée de papier/coton de carbone après traitement hydrophobe et revêtement d'une couche microporeuse.
La qualité de la couche de diffusion des gaz dépend principalement du substrat en papier carbone, et la qualité du substrat dépend de la fibre de carbone en amont.
Dans la préparation du papier carbone, la difficulté technique réside principalement dans le lien raffinage/battage. Dans cette liaison, le degré de battage doit être contrôlé pour s'assurer que la longueur de coupe des fibres de carbone est modérée. La sélection des matériaux et le rapport des solutions telles que les liants et les dispersants affecteront les propriétés du papier carbone.
Paysage concurrentiel :
Les principales entreprises sont Toray au Japon, SGL en Allemagne et AvCarb aux États-Unis, dont Toray et SGL font partie de la chaîne de l'industrie de la fibre de carbone.
Membrane d'échange de protons (PEM) :
La technologie la plus courante est la membrane échangeuse de protons à base d'acide perfluorosulfonique. Les PEM tendent à s'amincir progressivement, de quelques dizaines de microns à quelques dizaines de microns, ce qui réduit la polarisation ohmique du transfert de protons et permet d'obtenir de meilleures performances.
Paysage concurrentiel :
Chemours et Gore aux États-Unis, ce dernier possédant la série de produits la plus abondante et les cas d'application les plus pratiques, sont les leaders du marché des piles à combustible pour l'automobile. La Chine représente principalement l'avenir de Dongyue, qui se caractérise par une chaîne complète d'industries chimiques fines contenant du fluor.
Bipolar Plate (BP):
À l'heure actuelle, les piles à hydrogène utilisent principalement des plaques en graphite ou en métal, et les batteries à flux redox au vanadium ont tendance à utiliser des plaques composites.
Le degré de production chinoise :
Graphite bipolar plate>metal bipolar plate>composite bipolar plate.
Pile à hydrogène :
Les plaques ont tendance à être réparties de manière égale.
Data shows that in 2021, H1 metal bipolar plate shipments accounted for 45.0% of the total bipolar plate shipments (36.0% in the same period in 2020).
Batterie à flux de vanadium :
La plaque métallique est pratiquement ignorée, et même la plaque métallique revêtue a du mal à fonctionner de manière stable pendant une longue période dans un environnement liquide acide.
Les piles à flux redox au vanadium utilisent principalement des plaques composites carbone-plastique, car leurs processus thermoplastiques ou de moulage sont relativement simples à mettre en œuvre, mais l'augmentation de la résistivité causée par les résines polymères mixtes reste un problème qui doit être résolu.
Plaque de graphite :
En raison de sa grande résistance à la corrosion, de sa durabilité élevée et des obstacles techniques relativement faibles, il est le premier à être produit en Chine, et il fait ses preuves dans le domaine des véhicules spéciaux et des véhicules commerciaux qui sont moins sensibles au volume mais sensibles à la durabilité.
However, the disadvantages of long production cycle, poor mechanical properties, high processing difficulty and high production cost of graphite bipolar plates cannot be ignored.
More and more companies in the market have successfully developed ultra-thin and ultra-fine graphite bipolar plates, breaking through the national requirement of 1.5mm thickness for a single group of graphite bipolar plates before 2025, and the power density has begun to approach Toyota’s first-generation metal The level of the bipolar plate.
Plaque métallique :
Sa faible résistance à la corrosion et sa courte durée de vie sont des obstacles à son application. Toutefois, grâce aux progrès continus et aux avancées du processus de revêtement, il devrait atteindre la même durée de vie que la plaque de graphite.
With its excellent mechanical properties, high volume power density, low cost and easy mass production, metal bipolar plates will catch up in the process of large-scale application in passenger cars.
Le degré de densification, le rapport d'aspect du canal d'écoulement est plus élevé et la disposition est plus petite, ce qui peut permettre à la carte unique de supporter une densité de puissance plus élevée et de réduire le nombre de cartes nécessaires par kW, réduisant ainsi la difficulté et le coût de l'intégration de l'empilement.
At present, 100kW stacks generally require 350-400 single-core cells, while Ballard has realized that 140kW high-power stacks only need 309 cells, which greatly reduces the number of bipolar plates and improves stack power density.
Toyota Motor Corporation pioneered the use of metal bipolar plates and coatings on its Mirai fuel cell vehicle, addressing a range of issues including corrosion, cost and electrical conductivity.
