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欧洲2030电池路线图雄心勃勃 锂电战略不容小觑

北极星储能网  来源:高工锂电  作者:刘洪  2021/1/29 9:39:02  我要投稿  

北极星储能网讯:日前,EUROBAT(欧洲汽车和工业电池制造商协会)发布《2030电池创新路线图》,对整个电池市场及细分领域做出了预期,包括对相关技术的分析和评价。

特殊年份的中欧建交45周年,历经7年、35轮谈判,中欧投资协定终于达成共识,更显意义非凡。

(来源:微信公众号高工锂电;ID:weixin-gg-lb;作者:刘洪)

电子产品、机电设备、元器件皆为中欧贸易的大宗商品,更有以锂电池为代表的中国头部电池企业已搭车出海。中国作为动力电池,特别是锂电池制造第一大国,隐忧与挑战皆存,“盛世”表象之下,资源开发利用能力落后、技术水平不高、回收再利用体系不完善等限制了产业的国际竞争力。欧美发达国家新一代动力电池的研发一刻未停,中国面对不小的挑战。

日前,EUROBAT(欧洲汽车和工业电池制造商协会)发布《2030电池创新路线图》,对整个动力电池市场及细分领域做出了预期,包括对相关技术的分析和评价。该组织是一个有50多个成员国,代表欧洲汽车和工业电池行业90%以上的行业组织。其成员包括所有四种现有电池技术(铅、锂、镍和钠基电池)制造商,构成了整个欧盟电池制造价值链。

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EUROBAT的涵盖

动力电池应用广泛

>>汽车:电池有助于欧洲交通部门脱碳,通过启/停电池和xEV创新解决方案减少二氧化碳排放;

>>储能在并网和离网解决方案中,电池对于储存太阳能和风力发电场的可再生固定能源必不可少,还有助于建立更稳定、更可靠的电网;

>>动力物料搬运:电池非常适合为叉车和起重机等工业车辆提供动力,同时还能降低噪音和排放;

>>动力越野运输:电池广泛应用于铁路、海运和空运,而广泛部署的大能量容量的道路车辆智能充电,也有助于支持越野运输能源系统。

三大电池技术与锂共存

EUROBAT代表四种现有电池技术制造商:传统的铅、新贵的锂、特需的镍和小众的钠。每种电池化学都有适合于特定应用的优点,没有一种电池或技术能满足全部应用要求。

EUROBAT指出,市场分析表明,电池在支持2019年12月提出的欧洲绿色协议和到2050年向脱碳社会和气候中性经济过渡方面将发挥关键作用。电池是公认的运输、能源、物流、生产和电信领域脱碳的关键推动因素,有助于实现能源转型,并改善多种应用。

多年来,欧洲电池行业在电池创新和标准化方面一直处于领先地位,并产生了为多种应用量身定制的可靠产品和各种质量标准。欧洲电池行业采取市场导向的做法,未来汽车、动力和固定存储应用领域的持续创新将带来需求的转变。欧洲拥有满足多种应用未来需求的经验和专知,借以不断调整和显著改进其产品,保持灵活性以满足当前和未来市场需求。

>>锂电池增长率将最高

2019年,汽车和工业铅蓄电池占全球B2B电池市场的75%。CBI/Avicenne研究报告预测,到2030年,这一市场将超过2000亿欧元,达到1800GWh,是2019年的三倍。锂电池将继续保持最高增长率,而铅基电池也将有所增长。到2030年,锂和铅仍将是主流技术,占有相当大的市场份额。目前欧洲已成功部署了大量生产的锂基标准电池,以服务于不同的应用。

>>每种技术都有创新潜力

锂、铅及镍、钠基电池都有创新发展潜力,欧洲准备加大创新投资。所有这些电池化学和技术都将是实现低碳未来必不可少的。没有一种单体电池化学或技术能够满足终端用户多种应用的所有需求,包括高功率和能量密度、长寿命、低成本、优异的安全性和最小的环境影响。

EUROBAT认为,通过在电化学系统中使用创新材料和电池组件以及应用先进的电池管理系统,可以提高使用寿命性能和安全性。这一过程的改进将针对特定应用进行调整。

路线图关注锂电创新

《2030电池创新路线图》是对EUROBAT“2019-2024年竞选宣言”的补充,为关键电池技术的创新潜力提供了技术背景,以支持和指导决策。

路线图强调了在针对电池研发进行产品创新时,独立考虑每个应用的重要性。例如,欧盟战略能源技术计划(SET计划)中选定的电池特性和目标主要集中在插电式HEV/EV推进用锂电池和二次EV锂电池的使用,研发针对这些应用的最合适技术。

路线图将重点放在各种关键应用,确定需要改进的关键电池性能,以满足未来应用的需求。

研发创新的四大领域

除了监管之外,欧洲电池创新在历史上主要是由应用发展推动的,形成了市场上各种特定电池产品、尺寸、技术和化学成分的共存。几十年来,该行业通过领先的国家和国际标准服务大众和利基市场,并在众多应用的开发中贡献创新产品。

路线图选择了四个关键应用领域:汽车出行、材料处理和物流、越野运输和固定存储。当然还有其他由创新驱动的关键市场,如军事和医疗应用。

领域之一

汽车出行,锂电池抢占市场

道路运输部门的二氧化碳排放量占欧盟总排放量的20%,具有很强的脱碳潜力,电池是提高车辆(所有传动系统)和道路运输基础设施能效的关键。

如今,电动汽车受到广泛关注,而电池还有很大发展潜力。全球统一的轻型车辆试验程序(WLTC)带来了使用真实驾驶数据来评估燃油消耗和排放的变化,汽车电池的主要挑战是实现不同混合和电气化程度的汽车动能,包括从启/停到轻混、插电式混动汽车(PHEV)和纯电动汽车(BEV)。

取决于应用,不同类型的电池会继续共存。PHEV/EV可以减少本地排放和缩小内燃机(ICE)尺寸。低压和高压电气化策略对能源系统提出了以下不同要求。

1.辅助12V电池铅还在

辅助12V电池用于汽车、ICE和各种PHEV。从微混(Micro HEV)、轻混(Medium HEV)到BEV和PHEV,电池的主要功能都是支持12V负载,保证车载网络的质量,并在紧急情况下确保安全操控。此外,启/停功能、循环稳定性和启动是根据特定车辆结构定制的,尽管启动特性在将来可能会消失。

虽然铅蓄电池用量很大,但为满足未来要求,锂电池可以在这一类别中占有一席之地。两者在性能、回收和成本方面是互补的。锂离子电池的优势在于其能量和功率密度以及在环境温度下的循环寿命。为了与铅蓄电池竞争,锂电池应在高成本、安全性、可回收性及极端温度性能方面加以改进。

2.重型商用深循环锂电有望

不空转商用车带来锂电机遇

今天,许多城市卡车夜间充电或卸货时不能空转,欧盟一些成员国正在制定进一步立法,不允许汽车空转超过数分钟。立法的变化导致了新的电池要求,并开启了一个全新的市场,特别是重型商用车(HCV)备用电池。

这些电池可以在发动机不运转且电能需求高的情况下确保高能量供应。这需要深循环(放电深度(DOD)高于80%)性能,而现有的传统启动或两用铅蓄电池无法实现这一点。如今,这个新市场上只有铅,未来锂可能会进入。然而,锂的温窗和总拥有成本将是一个挑战,需要加以解决。

3.EV电池挑战多

IEA 2019年全球电动汽车报告显示,目前全球电动汽车市场为330万辆,到2030年将增至2700万辆。市场驱动因素包括政府政策补贴、日益增长的排放问题和充电基础设施的进一步发展,如支持电网功能的双向车辆到电网(V2G)系统。

整个EV电池价值链的重要性越来越得到欧盟委员会的认可,欧洲电池联盟(EBA)的许多举措及电池特性和目标被直接引入欧盟针对该应用的既定计划中。

选择的技术是镍锰钴氧化物(NMC)和磷酸铁锂(LFP)锂离子电池。铅技术不适用于PHEV/EV推进,但仍有助于保持车载网络质量和确保主电池的安全功能。

相比ICE动力,锂动力电池的挑战仍然是高成本和有限的里程。此外,更快的充电速度和安全性,仍然是创新的关键性能指标。为了应对这些挑战,业界正在寻找提高体积和重量密度及保持电池安全性的材料。NMC和固态技术是这方面的目标。锂电池回收率目前为50%,预计到2030年将取得进展,使其在经济上更具可行性。

领域之二

物料处理和物流应用,锂电更显灵活

1.物料搬运锂电刚刚开始

锂电池优势在于多班作业

物流是供应链管理的重要组成部分。不同车辆和各种叉车类型有不同的应用特点。其中既包括订单分拣机、前伸式电动叉车、载人托盘车、窄通道叉车、大容量叉车和侧向装卸机,也包括自动引导车辆(AGV)和先进机器人叉车。

EUROBAT估计,用于物料搬运的牵引和半牵引电池是一个较老的市场,其中铅蓄电池约占90%市场份额,锂刚刚进入。全球电池叉车市场的额定功率为32GWh,年增长率约为8%。在噪音和排放法规推动下,电池叉车正在稳步取代ICE叉车,预计到2030年市场将达73GWh。

CBI/Avicenne研究报告称,2030年,锂电池的份额将增长到15-30%。铅的优点是在一班制或现场使用换电基础设施时,有足够的充电时间。而在小型叉车市场,锂在多班作业中具有优势,这些作业对能源的要求更高,且电池充电时间有限。这是因为锂受充电时机的影响较小,因此为24/7使用的机器提供了额外优势。镍基电池在市场中所占份额较小,但在极端温度条件下(如冷库)也可发挥重要作用。

2.自动导向车需要高负载

承受高负载是关键

自动导向车辆(AGV)被称为“工业货车”,是现代生产线和装配线与传统运输工具之间的一个平滑连接。坚固的镍基技术镍镉(NiCd)具有广泛的工作温度范围(-40℃至60℃),传统上一直是极端环境下AGV应用的选择,尽管铅基电池在当今AGV市场上占有最大份额。

具有高能量和功率密度的锂电池已进入该市场,为AGV提供动力,因为电池室受限,且重载会产生较高的电流,因此锂电池需要增加体积能量密度和循环能力,这是创新的关键。

领域之三

越野运输

由于现有和/或新兴市场在众多应用中的增长,出行电气化也对越野电池市场产生了积极影响。越野市场非常多样化,除铁路、海运和空运外,还包括农业、清洁机械、休闲车和高尔夫球车等。

1.铁路电池锂电增长最快

镍基电池是主流技术

就二氧化碳排放和安全而言,铁路基础设施是欧洲最有效的运输方式。这有赖于更高性能电池的开发,以支持车辆和基础设施的创新,从而进一步提高系统的性能和能效。

EUROBAT估计,铁路电池市场有很高增长潜力,预计到2025年,锂离子、镍镉和铅蓄电池的年增长率分别为25%、5%和4%。

电池系统的新应用是铁路电力牵引的混合化和电气化,主要用于通勤列车和地铁列车。锂电池尤其能满足此类应用所需的高能量、功率密度和循环特性,由于免维护和寿命更长等优点,锂电池有望成为增长最快的市场。

对于辅助功能电池及高速列车和地铁列车中的灯和风扇,镍基化学是首选技术。在这一领域,对电池的需求不断增长,特别是亚洲市场的推动。由于车载单元的趋势是更小占地面积、重量限制和恒定的可靠性,未来对储能系统的要求主要包括体积能量密度、寿命和工作温度范围的改进。

2.船只电气化推高锂电用量

船用锂电池机会多

海洋部门是欧洲和全球二氧化碳排放和污染的主要贡献者。电池是推动海洋和内陆水域船队转型的助推器。

目前迫切需要对所有形式的船只进行电气化,这对锂电池来说是一个机会。由于具有较高的能量密度和循环寿命,锂电池非常适合推进需求,而铅蓄电池则更适合船载辅助服务,以保证安全保障功能和柴油机启动。

对于大型船舶和渡轮,动力系统有不同程度的混合。一些长途游轮搭载热机,通过发电机给电池充电,为电力推进发动机提供动力,并在长时间满功率运行时减少油耗和排放,同时也可以在短时间内以纯电动模式运行,例如进入海港时。电池也可以用来回馈过大的负载(调峰)。

对于小型船舶推进,其他混合电力系统正在发展,包括太阳能和风能的集成。此外,还开发了全电动插入式结构,并在港口建立了充电基础设施,船上电池系统一旦充满电,就可以让船舶在使用过程中不产生任何燃油消耗或排放。标准化是降低成本和满足船载系统高安全性要求的挑战。

对于使用48V推进电池的小型船只,为了增加推进功率和航程,创新的潜力在于重量/体积能量密度。


领域之四

固定储能锂电一争高下

欧洲电力系统正在经历重大变革,需要更大的灵活性和互联性,以优化能源资源。应用的成熟程度各不相同,从早期的示范到非常成熟的部署电池储能,都有可能对欧洲的脱碳目标、能源安全和自主做出有效贡献。电池的优点是可以根据特定功能进行定制,并且可以快速安装到现场。创新将侧重于长寿命、总拥有成本、可靠性、安全性和转换效率。

由于多样性,所有电池技术在电网的各个层面都有着重要作用:从发电和输电到配电和家庭,电池将提供重要的服务,如可再生能源的整合和稳定电网。电池可以为气候友好、安全可靠的能源供应系统提供灵活性,实现系统的分散和高比例可再生能源的集成,并支持大量电动汽车充电基础设施。储能系统也是领域耦合(Sector coupling)路径的核心元素,并提供必要的灵活性以支持关键功能,例如:

•稳定中低压电网的电压

•确保全球能源平衡和频率

•防止电网过载

•平衡发电和可再生能源需求

•剩余能源管理

固定式蓄电池业务不仅限于电网功能,还服务于糟糕的和离网的能源系统。欧洲电池行业在这些市场中占据很强地位,这些市场是全球性的,并在逐年增长。主要固定电池应用是不间断电源(UPS)、电信,以及电表后端住宅/商业储能和发电机组层面、输电(TSO)和配电(DSO)系统运营商层面的公用电网规模储能系统。

固定储能细分:储能系统(ESS)服务的20个细分市场

1.UPS电池锂电开启

UPS是一个较老的市场,全球市场总量将从15GWh增长到24GWh,年增长率为4%。这一增长是由于大数据使用的增加以及对新数据存储中心的相关需求。同期,锂的市场渗透率将达到7-18%。另一个推动因素将是新兴经济体的增长,它们需要大量的UPS容量,而欧洲是领先的电池供应商。

UPS电池是连接在一起形成不间断电源的备用电池单元或电池组。如果主电源发生故障,UPS电池可为系统提供瞬时电源。电池电压取决于UPS的大小,UPS保护涵盖单台计算机到数据中心或建筑物。

此应用的关键性能指标是能量和功率密度、系统成本、充电可接受性、能量吞吐量、工作温度范围和减少冷却。由于临界负荷的进一步带电,需要电池提供更多的输出,因此需要提高功率密度。这对铅和锂技术都有影响。UPS备用应用预计将其使用范围扩展到UPS之外,以产生更多的价值,例如UPS和调峰以及UPS作为备用电源(UPSaaR)。多功能UPS的另一个关键性能指标是能量吞吐能力。

另一个发展是在网络中连接较小的UPS电池,以形成较大的UPS系统,甚至形成虚拟发电厂(VPP)。5G和人工智能的发展将实现分布式能源生产、储存和消费。VPP可以包括来自数据中心和基站收发台的传统商业和工业UPS电池,也可以包括来自电动汽车、叉车、公用电网规模和电表后端电池。

由于这些创新,需要研究UPS电池的充电接受能力及其对快速充电产生的更高温度的鲁棒性。延长使用时间还需要大幅提升能量吞吐能力;成本也是一个关键因素。

2.电信电池锂电增速

目前,全球电信电池市场总容量为17GWh,到2030年可能增至25GWh。锂市场份额将达9-23%,也可能更高,取决于电池的原材料成本。这意味着未来十年铅市场将保持稳定,锂将吸收市场份额。

电信电池是指当主电源不可用或不足时,以48V直流(DC)储能系统的电池或电池组为信息和通信技术或电信站点供电。此应用的关键性能指标是能量和功率密度、系统成本、能量吞吐量、充电接受能力、工作温度范围和回收。与UPS不同的是,电信电池仅用于电信应用。一个重要驱动因素是对提高能量吞吐能力的需求,特别是5G网络的推出。

3.电表后端储能锂电主导

住宅和商业领域的二氧化碳排放量占欧盟总排放量的12%。预计到2022年,年电池新增容量将超过4GWh,这不仅是由于售出设备数量增加,还由于对更大存储系统的需求增加,包括自耗增加。使用不同电化学方法可以为住宅脱碳提供整体效益,而电池是实现这一目标的关键。

在住宅和商业建筑中,用于储存电表后端可再生能源的固定电池还可以发挥其他作用,如调峰或UPS。其首要任务是在电力成本高或可再生能源产量低的情况下提供负载。另一个功能是,电池可作为EV家庭(快速)充电站的双电池。

锂和铅都可以在这个市场上竞争。目前锂占主导地位,在空间方面具有优势,但室内储存要求的安全性有待进一步提高,这就需要转向固态技术。要使锂到2030年在经济上更加可行,还有待回收方面的进展。

4.电网规模储能灵活性优先

公用电网规模储能是电池与其他储能技术(如水力发电和燃料电池)竞争的市场,电池有相当大的优势,因为它很容易在现场安装,并可根据电源和容量需求进行扩展。电池市场前景看好,预计到2025年,该领域全球电池市场将达到60GWh,销售额将超过100亿欧元。

电池可以通过多种方式实现电网稳定性,快速存储能量或以毫秒为单位输入电网进行补偿,以避免频率不稳定,并补偿发电量和负荷波动引起的偏差。电池还为电网提供备用容量,承担传统发电厂的运转备用功能。在完全断电(黑启动)后重启还需要电池储能,或向集成了可再生能源的岛屿电网供电。由于其响应时间短(毫秒范围),电池存储系统适合提供低至分钟的能量控制。如今,通过集中分散的电池存储提供控制电源已经相当经济。而创建和使用本地灵活性来支持网络是优化配电网容量使用的关键。

公平竞争最重要

EUROBAT强调,欧洲必须为所有电池技术保持一个公平的竞争环境,因为到2050年,每一项互补技术都将是将欧盟转变为一个公平和繁荣社会所必需的,这个社会将成为一个现代、资源高效和有竞争力的经济体,实现净零排放。欧洲不能逐步淘汰一种电池技术,转而采用另一种电池技术,因为所有技术都有助于实现欧盟的脱碳目标。


原标题:欧洲2030电池路线图雄心勃勃 锂电战略不容小觑

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