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光热发电技术突破(光热电站储能容量配置)

(报告出品方/作者:西部证券,李华丰、谭鹭)

一、光热行业发展提速

1.1 国内市场:承储能之风,光热迎来新一波发展热潮

1.1.1 新疆、青海发布第二批大基地项目清单,光热储能占比大幅提升

新疆于 7 月 4 日公布了 2022 年第二批市场化并网新能源项目清单,总计 66 个项目,储 能总规模 6922.5MW,其中需电网消纳项目储能规模 5820MW。需电网消纳项目中,电 化学储能规模 4470MW,占比 76.8%,储能时长均为 4 小时;光热项目共 13 个,规模 合计 1350MW(已按照项目进展记入下列项目统计表,其中 6 个项目已经开工),占比 23.2%,储能时长为 8~12 小时。 同时,新疆发改委在《服务推进自治区大型风电光伏基地建设操作指引(1.0 版)》中特别 指出,对建设 4 小时以上时长储能项目的企业,允许配建储能规模 4 倍的风电光伏发电 项目;鼓励光伏与储热型光热发电以 9∶1 规模配建。

青海第二批大基地项目清单含光热 400MW,在储能中占比约 29%。青海于 6 月 17 日公 布青海省第二批大型风电光伏基地建设项目清单(预备清单),共计 7 个项目,包含 5400MW 光伏、1200MW 风电、400MW 光热以及 1000MW /3600MWh 储能,储能类型 包括:电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能等。这些项目均采取就地消纳,建设工期 均为 2 年,预计 2022 年 9 月开工,2024 年投产。

1.1.2 国内光热发展提速,在建规模为已投运规模的4倍

据我们不完全统计,截至 2022 年 10 月 15 日,我国正处于前期准备/可研/备案阶段的光 热项目合计装机规模达到 2300MW,招投标项目规模 1005MW,在建项目规模 2695MW,在建规模为已投运规模 589MW 的 4.6 倍,光热发展大大提速。新增的在建 项目基本为风光热储多能互补项目,总装机规模更大,涉及的资金规模、企业范围更广, 在国家政策鼓励、多方合力推动下,落地可能性大大提高。在建项目中,根据目前的项 目进度及平均建设周期进行估计,我们预计 2023/2024 年将分别有 1110/1585MW 光热 项目建成投运。

1.1.3 预计2030年国内新增光热装机13GW

2030 年国内新增光热装机规模达到 13GW。受到光照资源、地理条件等因素的限制,我 国适合发展光热的地区主要为内蒙古、新疆、青海、甘肃四省,我们以这四省到 2030 年 的新增新能源装机规模来测算光热未来的发展空间,计算得到 2030 年国内新增光热装机 规模将达到 13GW。核心假设如下: 1)2030 年我国新能源总装机规模达到 1200GW; 2)假设这四省新能源装机规模占全国的比重不变; 3)风电/光伏与光热按照 9:1 的比例配建。

1.2国际市场:国内企业项目经验丰富,光热出口大有可为

全球光热市场中,西班牙和美国占比最高,新兴市场近五年快速发展。据 CSPPLAZA 统计,2021 年全球光热发电总装机规模约 6692MW(并网口径),其中西班牙 2364MW, 美国 1921MW,中国 589MW,摩洛哥 533MW,南非 501MW。

从全球整体的光热发展来看,2005-2015 年是光热的第一波发展热潮,其增量主要来自 于美国和西班牙,这两个国家的政策(美国的 ITC、西班牙的 FIT)推动其光热装机规模 出现快速增长,但随着西班牙债务危机停止补贴(2013)、美国 ITC 补贴政策终止 (2016),这两个国家的光热市场随之停滞,但它们目前仍是全球光热装机规模最大的两 个国家。2015 年之后光热的增长主要来自于一些新兴市场,包括南非、摩洛哥、迪拜等 国家,它们具有丰富的光照资源,在国际金融机构的投资支持下,通过竞争性招标,实 现了光热的快速发展。

全球各国的光热支持政策大致可分为两个方面:1)投资方面:光热发展的制约因素主要 是其高昂的初始投资成本,各国对于投资都有不同的补贴方式,主要有资助和软贷款、 部分风险保证、免税和税收抵扣等等。2012 年以前,光热项目的投资补贴主要依赖于地 方或者国家财政;但在 MENA 地区的光热发展实践中,由国际金融机构为其提供软贷款 等帮助,减轻了当地的财政压力,大大促进了新兴光热市场的发展。2)建设及发电方面: 建设方面主要有竞争性招标和拍卖等机制, *** 对项目的开发商/承包商进行公开招投标; 发电方面有补贴上网电价(FIT)、绿色证书等。历史经验表明,在光热发展的早期阶段, 采用补贴上网电价机制更有效,而在技术基本成熟、建立了较完善的产业链后,就需要 过渡到竞争性的招投标,来推动产业链的进一步发展。我国首批光热示范项目的鼓励政 策主要是上网电价补贴,新一批光热项目则是取消了补贴,通过竞争性招标促进产业发 展。

国内企业参与的国际光热项目合计达到 1.2GW,占比达到 1/6。虽然西班牙和美国的公 司在 2015 年之前一直引领光热市场,但中国公司光热技术已经较为成熟,有丰富的出海 经验,据我们不完全统计,2018 年至今中国公司作为 EPC 方参与的国际光热项目规模 合计达到 1200MW,占全球光热装机规模(6692MW)的比例达到 1/6。

全球光热市场前景广阔。据国际能源署测算,2025/2030/2040 年全球光热规模在 STEPS 情 景 下 分 别 达 到 11.16/20.73/55.07GW , 在 SDS 情 景 下 分 别 达 到 17.35/51.69/251.51GW,导致两种情景差额的内在逻辑是光热项目的全生命周期碳排放 极低,是光伏的 1/6,因此是一种更为清洁的发电方式。

二、“光伏+光热储能”经济性优于“光伏+锂电池”

2.1 单独光热电站成本较高,需依赖补贴

单独光热的度电成本目前在 0.55 元/度左右,自有资金 IRR 高达 17%~21%。我们按照 首批示范项目披露的建造成本和设计年发电量,以 6%的折现率计算了光热的度电成本, 50MW 的项目大约为 0.58 元/度,100MW 的项目大约为 0.52 元/度;由于首批示范项目 能够享受 1.15 元/度的补贴电价,若能够按照设计年发电量运行,项目的自有资金 IRR 高达 17%~21%。

2.2 光热行业潜在的降本增效路径

2.2.1 降低总投资和运维成本

首先,选取设计优化、加工成熟度高的设备可以降低电站造价。在太阳能热发电站总投 资中,聚光、吸热和储热系统成本所占比例较高,设备价格仍有下降空间。在聚光场中, 若定日镜用钢量降低、生产效率提高、采用新的传动结构以及镜场控制系统的软硬件成 本下降,电站造价可降低 10.7%~15.4%;在吸热器系统中,材料国产化、加工优化及产 业规模化可以使得电站造价降低 1.03%~1.49%;在储换热系统中,通过储罐设计优化等 可以使得电站造价降低 3.59%~5.66%;在热力发电系统中,通过设计优化、集中采购可 以使得电站造价降低 1.4%~2.1%。

国际经验证明技术进步、规模化与批量生产均对光热电站降本有显著效果。据 2021 中 国太阳能热发电行业蓝皮书,国际经验中技术进步对太阳能热发电成本降低的贡献率约 42%,规模化的贡献率约 37%,批量生产的贡献率约 21%。据光热发电蓝皮书,规模化 发展带来的电站总投资下降幅度可达 18.42~27.56%。

其次,运维成本的下降也能降低电站全生命周期的成本。据 IRENA 的报告,光热发电站的运维成本主要包括保险和维护两大类,国外光热电站降低运维费用的方式侧重在维护, 一种降低维护费用的方法是采用预测分析工具,另一种方法是以最小化清洁成本的方式 设计电站。国际上槽式太阳能光热电站平均运维成本约合人民币 0.15~0.211 元 /kWh, 塔式光热电站约合人民币 0.211~0.282 元 /kWh。

2.2.2 提高效率

光热发电需要经过多个能量转换和传输过程,减少各环节的能量损耗是增效的关键。从 光—热—功转化过程来看,光热发电主要包括光的聚集与转换过程、热量的吸收、蓄存 与传递过程和热功转换过程。聚光、吸热及热功转换过程是构成系统能量和效率损失的 主要部分,约占总损失的 97%,因此提高光热发电效率关键在于提高聚光、吸热及热功 转换过程的效率。

在现有熔盐塔式技术路线体系下,进行优化后光电转换效率可提升 12~27%。其中,提 高定日镜清洁技术的清洁度可使得转换率提升 2-6%;提高截断效率可提升转化率 1-2%; 提升汽轮机效率可提升转化率 1-1.5%;优化吸热器涂层可提高吸热器表面吸收率,从而 使得转换效率提升 1-2%。

2.2.3 光热与光伏、风电配建,缩小镜场投资可提高投资回报率

风光热一体化项目中,光热凭借其储热系统起到调峰作用,同时可以将弃风弃光的能量 通过电加热储存起来;光热通过与光伏、风电配建,可以缩小镜场投资,从而提高项目 整体的经济性。 1)调峰作用:在电力系统中光伏发电出力较高时,光热发电机组可将太阳能资源以热能 的形式储存在储罐中,机组降低出力运行,为光伏发电让出发电空间;晚高峰时段,光 热通过储热系统发电,满足电网晚高峰负荷需求;电网夜间进入低谷负荷期间,光热发 电机组可以停机,给风电让出发电空间。 在多能互补项目中,光热与风电、光伏配合,即白天由光伏作为发电主力,光热主要在 晚高峰期间发电,发电量有所减少,因此其聚光镜场可以适当缩小,减少项目投资额。 过往单独的 100MW 光热电站需要接近 30 亿元投资额,而目前多能互补中的 100MW 光 热电站通过缩小镜场,仅需要 16~20 亿元左右的投资额。 2)通过电加热储存弃风、弃光的能量:风光热(储)相互调节的大基地项目中的储热, 首先是用光热发电的镜场聚热实现储能和发电,其次是用光伏、风电在弃风弃光时段所 产生的电力加热熔盐储热,该环节是用弃掉的电力储热。如果电网无弃风弃光,所产生 的电力将直接并网销售。电力规划设计总院以目前新疆电网为例进行过模拟计算,假定 建设 100 万千瓦~500 万千瓦不同规模的太阳能热发电机组,可减少弃风弃光电量 10.2%~37.6%。

2.3 测算“光伏+光热储能”项目整体度电成本低于“光伏+锂电池”

与目前应用最为普遍的电化学储能对比来看,光热储能的成本低于电化学储能。以新疆 为例,新建的新能源项目需要配置装机规模 25%*4h 的电化学储能,或配置装机规模 1/9 的光热储能,若新建 900MW 的光伏项目,则需要 225MW/900MWh 的锂电池储能系统 或 100MW/900MWh 的光热系统。

1) 初始投资来看,光热高于锂电池:按当前锂电池储能系统 1800 元/千瓦时的成本计 算,则需要 16.2 亿元的储能系统投资。而建设一个 100MW*9 小时储能的光热发电 项目,投资预估为 16~20 亿元。 2) 项目整体度电成本来看,光热低于锂电池:第一,考虑到锂电池充放次数的限制, 在电站 25 年的生命周期内大约需要更换 1~2 次电芯,更换成本大约为 900 元/kWh; 而光热电站的生命周期一般可达 25~30 年,后期基本无需进行设备、材料的更换, 只需要少量的运营维护成本;第二,光热集发电与储能于一身,其发电能够带来一 部分收入。 在上网电价 0.262 元/度(不考虑调峰电价),折现率 6%,自有资金比例 20%,贷款利率 4.9%,还款周期 15 年的假设下,计算得到“900MW 光伏+100MW*9h 光热”的项目整 体度电成本为 0.2861 元/度,“900MW 光伏+225MW*4h 锂电池”的项目整体度电成本 为 0.2967 元/度,光热储能比锂电池储能更具有经济性。

三、光热产业链梳理:熔盐、玻璃、保温材料

光热发展提速,产业链众多企业有望受益。按照光热电站的建设过程,可分为研发设计、系 统集成、聚光、发电、吸热、储换热五大环节。其中,系统集成环节可再细分为集热、储热、 发电系统集成,聚光环节可再细分为超白玻璃(原片)、反射镜、定日镜、槽式聚光器、支架、 跟踪装置等,发电环节需要蒸汽发生器、汽轮机、发电机、冷却系统等,吸热及储换热环节 需用到吸热器(塔式)/吸热管(槽式)、熔盐、熔盐储罐、电热伴/加热器、换热器和保温材 料等。据太阳能光热产业技术创新战略联盟统计,光热发电行业特有的聚光、吸热、传储热 系统相关从业企业数量约 320 家,约占目前太阳能热发电行业相关企业总数的 60%,以聚光 领域从业企业数量最多,约 170 家。

在对光热全产业链进行梳理之后,我们认为值得关注的细分行业有:熔盐、玻璃、保温 材料。我们对细分行业的需求进行了测算,在建的 2.7GW 项目将为熔盐/玻璃/保温材料 市场带来 36.87/12.15/21.56 亿元增量金额需求。

3.1 熔盐:价值量高但行业分散,供应商以非上市公司为主

目前主流的熔盐为 60%硝酸钠+40%硝酸钾的混合物,熔盐级硝酸盐对纯度要求高。目 前在光热电站中应用较多的为二元熔盐,通常是 60%的硝酸钠和 40%的硝酸钾的混合物。 熔盐通过选取不同类别的单体原材料(单晶盐),严格按照一定比例复配形成性能稳定的 混合共晶盐。在熔盐所选用的单晶盐中,若杂质离子(如氯离子、硫酸根离子、铵根离 子、碳酸根离子等)含量不能严格把关,将会导致产品性能大打折扣,从而影响储换热 效率,严重时可能腐蚀设备管道造成熔盐泄露事故,或者堵塞管道导致电站瘫痪。因此 熔盐级的硝酸钠、硝酸钾对纯度要求比农业级和以及常见的工业级都更高。

熔盐的用量与项目技术路线、储热容量相关,供应商以非上市公司为主。槽式项目熔盐 需求更大,大约为塔式的 2.5 倍,根据历史项目的平均数据计算可得,塔式项目对熔盐 的需求大约为 30 吨/MWh,线性菲涅尔项目对熔盐的需求大约为 32 吨/ MWh,槽式项目 对熔盐的需求大约为 77 吨/ MWh。历史项目中熔盐的供应商以非上市公司为主,主要有 新疆硝石、联大化工、文通钾盐、上海盐湖文通化工(盐湖股份控股子公司)等等。

在建的 2.7GW 项目将为熔盐市场带来 65 万吨增量需求、37 亿元增量金额。目前 2.7GW 的在建项目中,按平均储能时长 8 小时计算,预计需要使用 64.68 万吨熔盐。按 照 6:4 的比例混合,截至 2022 年 10 月 14 日,熔盐级硝酸钠、硝酸钾的价格分别为 4300 元/吨、7800 元/吨,对应硝酸钠、硝酸钾的采购金额分别为 20.18、16.69 亿元, 合计 36.87 亿元。

在上市公司中,具备硝酸钾/硝酸钠产能的主要有盐湖股份、云图控股(硝酸钠)和山东 海化(硝酸钠),但由于过去光热规模较小,上市公司基本没有实际项目供货经验。在非 上市公司中,主要有联大化工、并盛化工、新疆硝石(硝酸钠)、爱能森(复配)几个厂 商。

3.2 玻璃:行业高度集中,从独占逐步走向双寡头

光热玻璃属于浮法玻璃中的超白玻璃,比建筑超白玻璃的铁含量更低。超白玻璃是一种 超透明的低铁玻璃,也称低铁玻璃、高透明玻璃,超白浮法玻璃的低含铁量是高透光率 的关键,由于玻璃中的氧化铁等物质对光有显著的吸收作用,为提升玻璃的透光率,超 白玻在生产中需将氧化铁含量降低至 0.015%以下,铬、镍、钴、锰等其它物质含量也相 对较少,导致超白玻的太阳光直接吸收比仅有 0.01,为普白玻太阳光直接吸收比的 1/10 左右。超白玻璃按照含铁量的不同又可以进一步细分为建筑超白玻璃(铁含量 150ppm) 和光热超白玻璃(铁含量 120ppm)。

光热超白玻璃对透光率、耐候性和自爆率要求高。1)透光率:可达 91.5%(以 5mm 为例), 透光率每提高 1%,反射率可以提高 1.5%;2)耐候性:超白玻璃需经受 UV 辐照、湿热等恶 劣气候,耐候性差的超白玻璃透光率会随使用发生衰减从而使反射率降低,影响集热效率;3) 自爆率:普通玻璃的自爆率一般在 0.3-0.4%,光热玻璃自爆可能会造成集热管损坏、人员伤 害等,带来高额的维修、更换成本,因此光热玻璃要求更低的自爆率,安彩的光热玻璃钢化 后自爆率可以降到 0.01%以下。

超白光热玻璃技术壁垒高,生产过程中质量控制难。在混合料配方及原材料储运方案设 计上,由于超白玻璃生产需要精确控制产品的含铁率并保障透光率,所以需要在混合料 配方设计环节便考虑矿石品质的稳定性、各类化学元素的含量以及原材料的储运问题; 在混合料制备及传输过程中的含铁率控制上,必须一方面精确控制每一种原材料的用量, 另一方面防范铁元素的引入和原材料的损失,才能够确保熔化的玻璃液的化学成分构成、 含铁率等指标处于合理范围;在熔化与澄清环节的优化上,必须根据设计要求严格控制 熔融温度、加料速度等工艺参数,确保玻璃液均化效果。

国内在建的 2.7GW 光热项目将为光热玻璃市场带来 27 万吨增量需求、12.15 亿增量金 额。目前 2.7GW 的在建项目中,按 110MW 对应 11000 吨需求测算,预计需要使用 27 万吨光热玻璃。假设光热玻璃单价为 4500 元/吨,则大约需要 12.15 亿元。

截至目前,国内仅有艾杰旭(大连)与安彩具备光热超白玻璃批量生产能力。目前艾杰 旭的太阳能超白玻璃年产能最大,为 700t/d,已经为国内太阳能光热发电以及太阳能热 利用项目供应 556MW 的太阳能超白玻璃,国外供货数量达到 473MW,总计约 1.03GW。 安彩紧随其后,攻破技术瓶颈,填补了国内光热玻璃空白,目前的光热玻璃产能设计为 600t/d,产品已批量化应用于青海、迪拜等大型光热电站项目。

艾 杰 旭 和 安 彩 均 可 生 产 多 种 厚 度 的 超 白 光 热 玻 璃 。 艾杰旭 可 提 供 厚 度 为

1.8/2.0/2.5/3.0/3.2/4.0/5.0mm 的太阳能超白玻璃,此外,还可根据客户要求提供非标准 厚度、定制尺寸及透光率更高的产品。安彩光热既能够生产厚度为 2-4mm 太阳能光热玻 璃,同时还能够生产 18 米的超长板和 15mm 的超厚板等高附加值的超白浮法玻璃产品, 满足客户差异化需求。

3.3 保温材料:行业高度集中,鲁阳节能独占鳌头

光热电站保温范围广,对保温材料质量要求高。一方面,光热电站系统运行温度普遍较 高,并且需要大量的介质输送管道和相关换热设备。尤其是目前光热电站普遍配置有熔盐储热系统,但最常用的二元盐凝固点在 220 摄氏度左右,因此保温的要求十分严格, 否则一旦熔盐凝固,对电站将造成破坏性损失。为尽量减少热量损失和熔盐等介质凝固 引发运行事故,选用质量可靠的保温材料和保温方案对电站的经济性、运行安全性和稳 定性极为重要。另一方面,目前光热电站最高运行温度可达近 600℃,与周围环境温差 巨大,并且首批光热示范项目多集中于气候条件恶劣、高寒且昼夜温差较大的西北地区, 这些因素对保温材料和方案也提出了更高要求。 在当下主流的塔式和槽式光热项目中,保温材料主要应用于其聚光集热系统、换热系统、 储热装置和汽轮发电装置四部分。目前光热发电系统中使用的保温材料主要包括陶瓷纤 维制品、岩棉保温毡、硅酸镁板、气凝胶等。以一个装机 50MW 配置 7 小时储热系统的 槽式光热项目为例,其所需保温材料的用量约为 2 万立方,投资成本约为 4000 万元(包 括安装和施工费用),约占光热电站总投资成本的 2%左右。

过往项目中,保温材料的供应商高度集中,鲁阳节能供货业绩合计 7 个项目 410MW。 在披露了保温材料供应商的 10 个项目中,供应商主要有鲁阳节能(7 个项目,合计 410MW),ROCKWOOL(3 个项目,合计 200MW)、浙江阿斯克(3 个项目,合计 200MW),竞争格局高度集中。除了国内项目以外,鲁阳节能的大股东奇耐为全球陶瓷 纤维龙头,拥有 Ivanpah 塔式光热项目、美国 110MW 新月沙丘熔盐塔式项目等多个项 目的供货经验,借助奇耐在光热发电行业和全球保温节能领域的成熟经验,鲁阳节能的 技术优势和业绩优势更为突出。

除了项目经验丰富以外,鲁阳节能在产能、运输半径和产品上也有优势。1)产能:公司 目前陶瓷纤维年产能 50 万吨,是国内陶瓷纤维绝对龙头,高端市场有技术优势,低端市 场有成本优势;2)运输半径:公司在新疆、内蒙古有生产基地,受到光照条件、占地面 积等限制,光热电站基本建设在我国西北地区,新疆、内蒙的生产基地到项目地运输半径短,能够节约运输成本;3)产品:公司针对光热行业推出了“赛阳”系列专用产品, 对于光热电站吸热器、管道、罐体及设备等各个环节不同的保温需求,推出了相应的产 品,能够为光热电站提供一站式的系统保温解决方案。“赛阳”的产品涵盖防护板、可溶 纤维、氧化铝纤维、轻质莫来石耐火砖、纳米材料、耐热涂料等系列;产品形态有毯、 模块组件、毡、板、纸、纺织品、纤维异型件等等。

按照目前的在建规模 2.7GW,50MW 对应 4000 万元保温材料需求测算,2023-2025 年 将带来 21.56 亿元的新增保温材料需求。我们对公司在光热项目中的市占率做了敏感性 分析,若 鲁 阳 在 这 批 光 热 项 目 中 的 市 占 率 达 到 40%/60%/80% ,则会带来 8.62/12.94/17.25 亿元的收入增量,平均每年收入增加 2.87/4.31/5.75 亿元,为目前收入 规模的 10%/14%/19%。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

*** 报告来源:【未来智库】。

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