上海市新型储能装备产业发展路径分析

邓 双 梅

(上海市节能中心, 上海 200083)

0 引 言

随着我国“碳达峰、碳中和”目标实施的不断深入,构建以新能源为主体的新型电力系统逐步成为现阶段实践“双碳”目标的重要途径[1]。以锂离子电池为代表的新型储能具有选址灵活、建设期短、响应快速等优点,与新型电力系统需求相匹配,因此近年来得到了快速的发展[2]。

新型储能作为“源网荷储”一体化的关键环节,在提升新能源消纳能力、提升电网的容量与可靠性、平抑发电/用电的随机性等多项任务中发挥重要作用[3],是电力系统全面实现低碳零碳的重要方向,对新型储能发展态势研究预测已成为行业关注的热点。文献[4]对2030年、2050年、2060年中国新型储能需求进行预测研究,给出前景分析。文献[5]对比国内外新型储能发展特点,给出顶层设计、技术研发、产业转化与配套设施建设建议。文献[6]认为新型储能发展方向包括提升技术经济性、扩大适用场景、加深产业基础、完善标准体系等方面。文献[7]分析了分布式储能在优化城市能源系统形态结构,优化运行效率中的作用。

根据国家能源局及有关研究机构发布的数据,截至2022年底,全国已投运新型储能项目装机规模达870万kW(平均时长2.1 h),年增速达到110%以上[8-9]。但对比2022年我国风电、光伏7.58亿kW的总装机量,新型储能同期装机量仅有870万kW,占比仅1.1%,对支撑新能源大规模接入等需求尚存在较大缺口。因此,预计行业近期将持续保持较快增速,全国各地也正在积极开展面向新型储能的产业研究与政策支持[10]。

本文将围绕现阶段上海新型储能的发展情况,对相关企业的指标进行收集提取与量化分析,在此基础上得出本市头部企业的发展特点,并对下阶段发展方向进行预测。最终,对本市新型储能产业发展提供合理建议。

1 上海新型储能装备产业发展概述

上海市能源装备产业起步较早,经过数十年的发展,在发电设备、输配电设备、新能源及储能设备等领域的研制和产业化方面取得了一系列成果,为我国电力及能源产业的高速发展提供了重要的保障与支撑。在发展过程中,逐步培育了一批重点制造企业、科研院所,吸引了优质外企在沪成立研发制造中心,具备相对完整的产、学、研、用协同互补产业体系。近年来,上海在部分新能源细分领域取得了先发优势,且在集成电路、人工智能、工业互联网等本市前沿产业的带动下,在能源装备产业又得到了新一轮的发展[11],2022年上海市能源装备产业约在千亿规模,保持较快的发展增速。

在新型储能领域,上海依托长期以来的科研积累,构建了较为齐全的储能产业链,在多类型储能技术赛道的上下游均已完成布局。从核心部件到系统集成,如锂离子、钠离子、锌铁液流、钒液流等各种类型电池、变流器、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)、系统集成、消防系统、标准及测试认证,各环节均有企业布局[12]。上海已布局的新型储能产业链环节如表1所示。

从产业规模看,2022年,本市新型储能产值规模约为150亿元,产业增速超300%。核心企业出货量已达7 GWh。与全国储能电池约130 GWh、储能系统约50 GWh的总出货量对比测算,上海在新型储能产业规模方面处于中游地位。同时,上海正在引进特斯拉等产业龙头企业,预计未来几年仍将保持较快的发展增速,产业规模有望迅速提升。

科技创新方面,借助上海具备的中国科学院有关院所、重点高校等具备新型储能领域较强实力的科研机构,上海在表1中的锂离子电池(BMS、EMS、PCS、热管理)、钠离子电池、液流电池多项技术环节处于领跑地位。科技创新与人才已成为当前上海产业的核心竞争力,是吸引龙头企业落沪的重要因素。

行业组织方面,上海新能源行业协会和储能领跑者联盟在新型储能行业内有较大影响力,定期开展较高水平、较大规模的行业展会、技术论坛等活动,并定期发布获得行业认可的研究报告等成果。

政策支持方面,上海已于2022年出台了《上海打造未来产业创新高地发展壮大未来产业集群行动方案》,将新型储能作为重点布局打造方向。战略性新兴产业、首台突破、科技支撑双碳等相关政策也普遍对新型储能方向开展支持。在此基础上,上海市发展和改革委员会、经济和信息化委员会等部门正加紧制定新型储能产业培育的工作方案。

但与此同时,经前期调研了解,受到国内外竞争环境、地缘特性、人力成本等因素影响,上海新型储能产业发展也存在一系列问题,主要包括以下方面:

(1) 主流装备同质化:当前市场主流的锂电池技术门槛不高,同质化严重,其他类型储能尚处于起步阶段,优势并不明显;

(2) 产业化能力不足:上海生产综合成本较高,难以投入大规模生产,随着行业正逐步进入价格战阶段,上海竞争力逐步下降;

(3) 产业化地缘局限:上海远离“三北地区”等新能源中心,面向新能源配储等主流需求的本地应用受限。

基于上述问题,在当前新型储能产业爆发式增长的大背景下,有必要对上海市企业开展系统性的分析,确定适合上海的新型储能装备产业发展路径,为后续政策出台并引导产业高质量发展提供建议。

2 上海新型储能装备产业指标分析

2.1 模型建立与数据获取

基于2023年上半年开展的两次上海新型储能装备产业座谈会,在参会企业中选取了15家上海本土重点企业,其中涵盖了储能逆变器制造商、储能系统集成商、消防安全供应商等产业链代表性企业。

基于座谈交流材料、相关调查问卷、上市企业财报等途径,提取各重点企业各个关键指标。其中,选取其中8项关键指标对企业运行数据进行分析,分别为年产值、知识产权、市场份额、市场增长率、年营收增长率、净利润率、社会责任投资、累计减碳数据。鉴于新型储能行业近年来变化迅猛,且个别重点企业开展相关业务较晚,过早的数据参考价值不大,本文选择各重点企业2022年度数据进行相关性分析,并依据分析结果预测行业未来发展趋势。上海新型储能装备代表企业数据表(2022)如表2所示。

表2 上海新型储能装备代表企业数据表(2022)

2.2 数据分析

2.2.1 特征向量相关性分析

为了避免特征变量冗余,减小模型训练复杂度,在进行数据分析之前,需要对上述特征向量进行相关性分析。相关系数以数值的方式来精确地反映两个变量间线性相关的强弱程度。在进行相关性分析前,需要根据散点图来判断不同特征向量之间的线性或非线性关系。特征向量相关性散点图矩阵如图1所示。从图1中可以看出,公司产值与其余特征向量都存在一种近似线性关系,所以本文采用Pearson相关系数来表征特征向量之间的相关性。

图1 特征向量相关性散点图矩阵

Pearson相关系数模型评估上述特征向量间的相关性,其公式如下:

(1)

其中,r表示相关系数,该值越趋近于1,则表示两者呈现正相关趋势;值越趋近于-1,则表示两者呈现负相关趋势;值越趋近于0,则表示两者不相关。

特性向量相关性热力图如图2所示。通过观察得出,市场增长率Mgrowth与年营收增长率Rgrowth之间存在着较强的相关性,并且从直观意义上来看,两者之间的确存在着较强的影响关系。因此为了简化模型,决定进一步将年营收增长率Rgrowth项移除。

图2 特性向量相关性热力图

2.2.2 回归模型建立与分析

为了使建立的模型能够快速收敛,需要对数据进行归一化处理,本文采用Z-Score标准化方法来处理上述数据,处理后的数据就可以转换成为均值为0,方差为1的标准化数据。

(2)

式中:xij——原始数据;μj——第j列数据的平均值;δj——第j列数据的标准差。

鉴于特征向量与目标值之间存在近似线性关系且数据样本较小,所以本文采用线性回归方法来建立产能预测模型。为了提升迭代效率,减少训练时长,本文采用梯度下降法来解决多元线性回归问题。

多元线性回归方程一般形式如下:

y=β0+β1x1+β2x2+…βnxn

(3)

也可将上式简化为矩阵形式:y=xβ。其中,x=[1,x1,x2…xn],β=[β0,β1,β2…βn]T。

假设采用残差平方和作为模型损失函数,代入多元线性方程后如下式所示:

(4)

对变量β求偏导后,可得到如下公式:

(5)

梯度下降法是一种用于最小化函数的优化方法。梯度下降法原理如图3所示。通过计算目标函数当前位置的梯度,找到函数下降最快的方向,然后沿着该方向更新参数,最终使得目标函数值逐渐趋于最小。

图3 梯度下降法原理

用数学公式来描述梯度下降的步骤,可以表达为下式:

wk+1=wk-ηg

(6)

式中:wk+1——下一刻移动到的位置;wk——k时刻的位置;η——学习率;g——函数梯度。

将梯度公式代入梯度下降公式可得如下:

wk+1=wk-η·2xT(xβ-y)

(7)

其中,η为人为设定参数,可以认为除β之外的全部参数均已知,即每一步的梯度wk仅由β来决定。当梯度下降到停止条件时,计算得到的β即为最终所求参数向量。产值实际值与预测值结果对比图如图4所示。

图4 产值实际值与预测值结果对比图

从图4可以明显看出,预测值曲线实现了对实际值的良好跟踪,说明通过该方法得出的模型参数值已达到最优。

本文采用随机梯度下降来计算。回归模型归一化参数表如表3所示。

表3 回归模型归一化参数表

按照表中参数,可将回归模型转化为如下公式:

(8)

2.3 定量分析结论

由式(7)中能够得出,x1、x3、x63项参数所占比例较大,即知识产权、市场增长率以及累计减碳对于新型储能产业企业的年产值有着较强的影响,具体分析如下。

(1) 知识产权相关性最高,与上海市新型储能装备企业主要为技术创新导向的情况基本一致。经进一步检索,全国近5年新型储能发明专利申请量约34 500件,上海企业、院所、高校相关专利申请约5 000件,专利占比显著高于产业规模占比,且在电网负载均衡、钠离子电池、车辆储能等前沿领域具备一定优势。由于上海制造企业在市场、成本等领域不具备明显优势,科技引领的高端化路线仍将成为大部分企业后续采用的路线。

(2) 国内外新型储能增量市场构成当前现阶段相关企业主要增长点,与近3年全球新型储能装机37%、69%、64%的高速增长密切相关。与此同时,现阶段“产能过剩”“价格战”等问题也已逐步显现,因此有必要评估市场增长的可持续性、新市场潜力等因素,规避行业热度衰退后引发的一系列风险。

(3) 当前新型储能在新能源配储、独立电站等发电侧与电网侧的应用较多,且上海大力推进低碳金融等产业,牵头承担了全国碳市场交易系统建设,出台了碳普惠相关政策,因此在直接降碳效益上体现显著。但行业对于体现用户侧分布式应用也需进一步重视。

3 结 语

当前,新型储能获得了前所未有的发展机遇,市场总体保持乐观。本文通过座谈交流的定性分析、与数据建模的定量分析,研究了上海新型储能产业发展的主要特点,给出以下结论与建议。

(1) 通过创新生态建设解决主流装备同质化问题:上海市新型储能装备产业在前沿技术、科技创新等方面优势显著,重点体现在液流电池、钠离子电池等新型储能前沿领域布局较快较广、大型示范应用建设走在全国前列等方面。依托相关创新资源,在产、学、研结合带动等方面已具备较好的基础,可推动建设新型储能专业化工程中心、产业联盟等组织,开展共性关键技术研究攻关(包括控制策略、系统安全、数字化等主要方向)、标准体系研究、检测认证能力建设等行业支撑性工作,打造新型储能技术创新高地,从而在当前行业以锂离子电池为主导的同质化竞争环境中取得突破。

(2) 通过新市场开拓与换道竞争解决产业化能力不足问题:上海由于较高的土地、人员等成本限制,在产业降本增效等方面存在一定劣势,在当前锂离子电池储能产业快速成熟并趋向内卷的大环境下,产业下阶段发展仍存在较强的不确定性,部分低端同质化产业已有向邻近省份转移的趋势。但与此同时,上海相关企业在工商业、户用等用户侧储能具备一定优势,海外市场经营发展良好,可作为下阶段关注的重点,以开拓海外高端市场、新兴用户侧市场等蓝海市场的方式在一定程度上解决成本竞争力问题。

(3) 通过丰富的市场应用场景带动解决产业化地缘局限问题:上海由于地区特点,光伏、风电等新能源建设比例不高,当前市场主流的新能源配套储能市场较小。因此,有必要结合上海超大城市定位特点,探索符合上海需求的应用方向,建议重点考虑的方向包括:将分布式储能与各类可控负荷充分结合,建设用户侧虚拟电厂,支撑电网稳定运行;与电动汽车深度融合,率先试点大规模车网互动(V2G)应用,发挥百万辆电动汽车储能潜力;通过多类型储能支撑能源精细化管理,在碳市场交易系统中发挥重要作用等。最终实现各类应用场景中的低碳、零碳转型升级,破解上海产业化地缘短板。

新型储能产业既是解决新能源并网、节能减排的有效技术途径,也是打造绿色低碳能源体系、确保能源安全的重要组成部分。建议上海有关部门及时出台相关政策,充分发挥在前沿科技创新、多元化应用市场等领域的优势,以此进一步推动新型储能产业高质量发展,支撑我国“双碳”目标实现。