机械储能行业ESG白皮书

第一章

机械储能行业概览

机械储能是利用物理方法将能量储存起来，并在需要时释放的技术。主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能和重力储能等形式。这些储能方式通过电能和机械能的相互转换，实现能量的存储和释放，以满足电力系统在不同时段的需求，起到调峰填谷、提高能源利用效率、增强电力系统稳定性等作用。

第一节 储能技术及机械储能

由于全球气候问题的影响，碳中和目标正加速推进，加之我国双碳政策的加持，能源转型势在必行，可再生能源电力正在逐渐代替传统能源发电。然而可再生能源电力如风电、光伏发电等，会受到地理位置、天气环境等影响，导致发电不稳定，无法持续供电，供需不平衡等问题，因此需要储能系统来解决。根据储能的工作原理不同，储能系统分为机械储能、电化学储能、电磁储能、化学储能、热储能等。

一、储能技术

各种储能技术中，抽水蓄能属于传统储能技术，其他储能技术都属于新型储能技术。其中抽水蓄能是目前全世界装机容量最大的储能方式。

在全球，已建成的抽水蓄能装机规模约占所有储能方式的69%，而新增的抽水蓄能装机规模约占所有新增量 12%。

二、机械储能

机械储能是利用物理原理将能量以机械能的形式储存起来，并在需要的时候将其转化为电能或其他形式的能量释放出来的一种储能方式。机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、重力储能。除了抽水蓄能已得到极其广泛的运用，压缩空气储能在商用领域占据了一定的比例，而飞轮储能尚处于测试阶段，重力储能的运用则更早期。不同的机械储能方式，从技术表现来看各有特点，下表列出了主要技术指标。

第二节 机械储能的价值链

机械储能行业的价值链，包括上游的设备供应、中游的电站建设和电站运营，以及下游的电网系统。

一、价值链拆解

1. 上游:设备供应

机械储能价值链的上游集中于关键设备的制造:

-抽水蓄能的上游主要包括水泵、水轮机、发电机、进水阀、压缩空气系统等。压缩空气储能的上游包括压缩机、透平膨胀机、储气罐、换热器等。

-飞轮储能的上游包括飞轮本体、轴承、电机等。

2. 中游:电站建设、电站运营

(1)项目规划与设计

对于抽水蓄能电站，需要综合考虑地形地貌、水资源条件、电网需求等多方面因素，确定抽水蓄能电站的选址、装机容量、上下水库的规模和布局等。专业的设计团队会进行详细的工程设计，包括水库的结构设计、水道系统设计、厂房布局设计等，制定出科学合理的建设方案。对于压缩空气储能电站，选址同样至关重要，需要考虑地质条件、地下空间可用性(如废弃矿井、岩洞等)、与电网的连接条件等因素。对于飞轮储能电站，与前两者不同，技术方案的设计则是起步的重点，包括飞轮的类型(如高速飞轮、低速飞轮)、容量、转速、储能时间等参数的确定，以及电力电子转换系统、控制系统等的设计。

(2)电站施工

抽水蓄能电站的施工包括上下水库的建设、大坝的修筑、水道的挖掘和衬砌、厂房的建设等。这是一个复杂且耗时的过程，建设周期一般需要6-8年。压缩空气储能电站的关键是储气设施的建设。如果利用废弃矿井等天然地下空间，需要对其进行改造和加固，确保其密封性和安全性。如果建设人造储气罐，则需要进行罐体的设计、制造和安装。压缩空气储能电站建设周期相对较短，一般为12-18个月。

(3)设备组装与集成

这一环节将零部件组装起来，并将核心储能设备与其他相关设备(如电气设备、控制设备、监测设备等)进行集成，构建完整的机械储能系统。

系统集成是将机械储能技术有效应用于实际场景的关键步骤。它将储能系统与电力系统、发电设备和用电设备进行无缝对接，确保储能系统的稳定运行和高效能量管理。系统集成不仅涉及硬件的组装和配置，还包括软件的优化与协调，确保不同组件能够无缝协作，从而达到预期的性能和可靠性。在机械储能系统中，系统集成的质量直接影响到整个储能装置的效率、稳定性和经济性。

硬件集成：将储能设备、控制系统、传感器、电力变换设备(如逆变器)、散热系统等硬件组件组装成一个完整的储能系统。硬件集成要求各组件之间具有高度的兼容性，并且能够在运行过程中保持稳定和高效。

抽水蓄能系统:水轮机、发电机、调速系统等零部件;

-压缩空气储能系统：压缩机、储气罐、燃烧器、燃气轮机等零部件;

一飞轮储能系统：飞轮、电机、控制系统等零部件。

软件集成：储能系统的控制和管理需要依赖先进的软件系统，包括能量管理系统(EMS)、监控系统、自动化控制系统等。软件集成的关键在于确保系统的各个部分能够通过软件进行实时通信和协调操作，特别是在复杂的运行环境下，需要确保软件系统能够快速响应并进行自我调节。数据通信与网络集成:现代储能系统通常配备了大量的传感器和控制设备，这些设备之间需要通过可靠的通信网络进行数据交换。网络集成包括建立稳定的通信网络，确保数据传输的实时性和准确性，以及设计有效的数据处理和存储策略，以支持系统的决策和控制。

功率管理与电力变换:功率管理系统通过调节电力的流动，确保储能系统在充放电过程中保持稳定。电力变换设备(如逆变器)将储能系统产生的直流电转换为电网所需的交流电，或反之。功率管理系统需要与电网密切配合，确保储能系统能够根据电网的需求灵活调节输出功率。安全与保护系统集成:为了确保储能系统的安全运行，系统集成中必须包含各种保护机制，如过压保护、过流保护、过热保护等。安全系统需要实时监控储能设备的运行状态，及时发现并处理异常情况，防止事故发生。

(4)安装与调试

设备的安装精度和调试质量对电站的运行性能至关重要。通过调试和测试，发现并解决系统中存在的问题，确保电站能够满足设计要求。

-空气压缩机需要高效地将空气压缩并储存到储气设施中，膨胀机需要在释能过程中充分利用高压空气的能量驱动发电机发电。

-飞轮的转速测试、储能和释能测试、电力电子转换系统的测试、控制系统的测试等是验证飞轮储能系统性能的和功能的必要环节。

(5)电站运营

储能和释能的调度管理是电站运营的核心。

-抽水蓄能电站:根据电网的负荷需求和电能供应情况，储能电站合理安排抽水蓄能电站的抽水和发电过程。在用电低谷期，将下水库的水抽到上水库，储存电能;在用电高峰期，将上水库的水放下来，通过水轮机带动发电机发电，向电网输送电能。

压缩空气储能电站:在电价低谷期，启动空气压缩机将空气压缩储存到储气设施中;在电价高峰期或电网需求高峰期，释放高压空气驱动膨胀机发电。

-飞轮储能电站:在电网负荷低谷期，将电能转化为飞轮的动能储存起来;在电网负荷高峰期，将飞轮的动能转化为电能释放到电网中。

调度人员需要实时监测电网的运行状态，观测电价变化，根据调度指令进行操作，确保电站的运行与电网的需求相匹配，通过优化储能和释能策略，提高电站的经济效益。此外，电站运营还包括设备监控和维护、安全管理、性能评估优化等环节。

3. 下游:电网系统

下游电网系统的应用是将储存的能量转化为实际用途的过程。应用场景可分为发电侧储能、输配电侧储能和用户侧储能三大场景。

发电侧的应用主要涉及传统电站和新能源电站。新能源发电具有间歇性和不稳定性，新能源电站如光伏电厂、风电厂配套储能系统可以有效平滑新能源场站的出力波动，减少弃风弃光1现象，提高新能源的消纳能力，使新能源发电能够更稳定地并入电网。

电网侧的应用主要涉及电网公司。电网的负荷存在峰谷差异，储能系统可以在用电低谷时储存电能，在用电高峰时释放电能，实现削峰填谷，缓解电网的供需矛盾，提高电网的运行效率。同时，储能系统能够快速响应电网的频率变化，参与调频服务，维持电网的频率稳定。用户侧主要包括工业，商业，家庭和交通储能等应用场景。工商业用户可通过储能进行峰谷价差套利和作为备用电源，应对突发的停电情况，而居民用户可以安装小型储能系统与分布式光伏结合实现自给自足，减少对电网的依赖。在停电时，储能系统可以为家庭提供应急电源，保障基本的生活用电。

二、ESG 理念对价值链的影响

纵观机械储能价值链，中游“电站建设、电站运营”是实现储能技术应用的核心环节，涵盖从前期规划设计到最终系统调试与运行的全过程，每一个环节都决定了项目的成败。项目建设的质量和效率直接影响到储能系统的技术性能、经济效益以及长期运行的稳定性。也因此，中游“电站建设、电站运营”和ESG的关系最为密切。

1. 项目规划设计

项目的规划设计是机械储能项目建设的首要步骤，决定了项目的整体布局、技术路线、经济性和环境影响等多个关键因素。

2. 设备采购与集成

设备采购与集成决定了储能系统的技术水平和长期运行的可靠性。

第三节 机械储能行业的规模

近年来，随着全球对可再生能源的重视和能源转型的推进，机械储能行业的市场规模呈现出增长的趋势。在电力系统中，为了有效解决可再生能源的间歇性和波动性问题，对储能的需求日益增加，推动了机械储能市场的发展。

2023 年全球储能累计装机功率约289GW，其中抽水蓄能累计装机量198GW，占比69%;新型储能，包括电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能等，累计装机量91GW，占比31%。

2023年全球储能新增装机量约52GW，其中新型储能新增装机量约46GW，占比88%;抽水蓄能新增装机量约6GW，占比约12%。

2023 年全球新型储能的新增装机中，各技术路径占比情况为:锂离子电池占比为92.7%，铅蓄电池占比为 2.0%，液流电池占比为1.7%，钠离子电池占比为1.7%。压缩空气储能占比为1.4%，飞轮储能占比为0.4%。

国内市场，2023年中国储能累计装机功率约为86.5GW。抽水蓄能累计装机功率约为52GW，占储能装机总量的60%。

2023年新增装机量26.6GW。其中新型储能新增装机量约21.5GW，占比80%。

新增装机中，锂离子电池占比为97.5%，飞轮储能占比为0.7%，铅蓄电池占比为0.4%，液流电池占比为0.2%。可见，目前国内国外市场，抽水蓄能依托其成熟的技术拥有可观的市场空间，而压缩空气储能、飞轮储能作为新型储能技术也正稳步发展。

预计到2025年，中国储能累计装机功率约为142GW，其中新型储能累计装机约为70GW，抽水蓄能累计装机约为70GW，抽水蓄能和新型储能的累计装机量持平。

预计到2030年，中国储能累计装机功率约为315GW，其中新型储能累计装机约为170GW，抽水蓄能的累计装机约为140GW，新型储能的累计装机量将超越抽水蓄能的累计装机量。

第四节 机械储能行业的发展趋势

机械储能行业发展趋势明显，前景广阔。

1. 技术创新持续推进

-抽水蓄能方面，不断优化水轮机设计以提升效率，改进水泵性能等;

-压缩空气储能，研究采用如多级离心压缩机等先进的压缩机技术，提高压缩效率，优化膨胀机叶片设计和流道形状以提高能量回收效率，积极探索新型储气技术，探究新型的储能介质，提高系统储能效率;

-飞轮储能则致力于研发高性能材料，改进磁悬浮技术来增加储能容量和充放电次数。

2. 规模呈扩大态势

进入21世纪，随着材料科学、电子技术、控制技术等的不断进步，机械储能技术得到了进一步的提升。例如，新型材料的应用提高了飞轮储能的储能密度和效率;先进的控制技术使得抽水蓄能电站和压缩空气储能电站的运行更加稳定和高效。

2. 规模呈扩大态势

进入 21世纪，随着材料科学、电子技术、控制技术等的不断进步，机械储能技术得到了进一步的提升。例如，新型材料的应用提高了飞轮储能的储能密度和效率;先进的控制技术使得抽水蓄能电站和压缩空气储能电站的运行更加稳定和高效。

机械储能在电力系统、分布式能源、轨道交通、工业生产等领域的应用不断扩大。在电力系统中，机械储能可以用于调峰、调频、备用电源等;在分布式能源系统中，机械储能可以与太阳能、风能等可再生能源结合，提高能源的利用效率和稳定性。

随着储能市场的拓展，机械储能项目的规模也日益增长。大型抽水蓄能电站持续建设，压缩空气储能和飞轮储能也朝着大容量、高功率方向迈进，以满足大规模储能需求。

3. 机械储能与其他储能技术融合

机械储能与电化学储能在储能特性上具有互补性，电化学储能响应速度快，能够在短时间内实现高功率的充放电，但其能量密度相对有限，且循环寿命会受到充放电深度、温度等因素的影响。机械储能中，抽水蓄能和压缩空气储能能量存储容量大，适合大规模、长时间的能量存储，但响应速度相对较慢;飞轮储能功率密度高、响应速度极快，但能量存储时间较短。将它们相结合，形成混合储能系统，可以充分发挥各自优势，提升储能系统整体性能与灵活性，适应不同应用场景需求。如可以通过直流母线将机械储能系统和电化学储能系统连接在一起。

第五节 机械储能的ESG核心议题

在全球能源转型的大背景下，储能系统与太阳能、风能等新能源发电项目的结合，在提高新能源的发电效率和电网接入的稳定性方面起到举足轻重的作用。因此作为构建新型电力系统的重要支撑，实现可持续能源价值最大化的关键纽带，储能行业如何持续创新、提高自身可持续发展能力至关重要。