好文 |国际储能关键技术竞争态势

2018/4/6 18:12:33

导读: 

储能技术是新能源产业发展的关键技术,本文利用德温特创新索引数据库(DII)、ThomsonDataAnalyer工具分析了储能关键技术领域全球专利申请的时序分布、领域技术主题、重点国家/地区及其重点申请人等,以期了解全球储能竞争态势,为我国储能技术领域中的研发和产业化提供支撑。

一直以来,储能技术的研究和发展备受各国能源、交通、电力、电讯等部门的高度关注,尤其对发展新能源产业具有重大意义。受环境约束,各国纷纷大力提倡发展新能源,然而由于新能源发电具有不稳定性和间歇性,大规模开发和利用将使供需矛盾更加突出,全球弃风、弃光问题普遍存在,严重制约了新能源的发展,因此,储能技术的突破和创新就成为新能源能否顺利发展的关键。从某种意义上说,储能技术应用的程度将决定新能源的发展水平。

本文主要基于专利分析,旨在通过对储能关键技术相关专利的分析,揭示该技术领域技术研发和专利申请活动的特点,全面、客观地展现全球储能关键技术领域的技术研发态势和专利竞争态势,为我国在这一优势储能技术领域中的研发决策、产业化布局提供参考。

一、全球储能发展现状

储能是解决新能源电力存储的关键,智能电网、可再生能源接入、电动汽车发展的主要支撑技术之一也是储能,越来越多的储能示范项目投入运营,但整个储能产业仍处在技术研发和市场推广期。

1.从储能市场年度变化来看,储能产业市场空间巨大,未来随着电网需求增加、新能源并网比重提高,储能产业快速增长。

据CNESA项目库不完全统计(如图1所示),截至2016年底,全球投运储能项目累计装机规模168.7GW,同比增长2.4%。其中电化学储能项目的累计装机规模达1769.9MW,同比增长56%。全球电化学储能项目的累计装机规模保持稳步增长,2012-2016年复合增长率达32%。截至2016年底,中国投运储能项目累计装机规模24.3GW,同比增长4.7%。其中电化学储能项目的累计装机规模达243.0MW,同比增长72%。2016年中国首个配套有熔融盐储热的光热电站在青海投运,中国大规模储热市场正式启动。

2.从区域和国家分布来看,美国和日本在国际储能产业中扮演主要角色,产业发展及研发投入均居世界前列

中国、日本、美国储能装机容量排名全球前三位,装机项目数来看,美国项目数量大幅领先(图2)。从IEA成员国的储能领域经费投入来看(图3),2006-2015年,储能领域经费投入,日本、美国排名前两位。美国于2002年开始关注储能领域,随后推进了一系列的储能研究项目,目前全球近半的储能示范项目分布在美国。美国能源部(DOE)发布《储能安全性战略规划》,提出了安全可靠部署电网储能技术的高层次路线图。日本新能源与产业技术综合开发机构(NEDO)2014财年预算在在储能电池和能源系统领域投入83亿日元。技术开发重大任务包括:储能电池,包括创新电池基础研究、下一代电池材料评估、安全低成本大规模电力储能技术开发、锂离子电池应用与商业化先进技术等。

3.从技术分类上看,除抽水蓄能、压缩空气以及储热技术之外,主流储能技术主要为钠硫电池、锂离子电池、铅蓄电池和液流电池。

钠硫电池是目前累计装机量最大的电化学储能技术,占有47%的份额(截至2016年8月,如图4所示),锂离子电池则是应用领域最广的储能技术,项目数量占到42%,未来锂离子电池储能将继续快速增长。

据中关村储能产业技术联盟(CNESA)《储能产业研究白皮书2017》数据,2016年全球新增投运的电化学储能项目装机规模达638.5MW,同比增长87%。从应用分布来看,辅助服务是2016年全球新增投运电化学储能项目应用规模最大的领域,达282.7MW,占比44%。从技术分布来看,锂离子电池是2016年全球新增投运的电化学储能项目应用最主要的技术,达541.6MW,占比85%。德国、美国、中国、韩国、日本、英国、澳大利亚是2016年全球储能市场最活跃的国家,7个国家2016年新增投运电化学储能项目规模占全球市场97%的份额。

2016年中国新增投运电化学储能项目的装机规模为101.4MW,同比增长299%。从应用分布来看,可再生能源并网仍然是2016年中国新增投运电化学储能项目应用规模最大的领域,占比55%。从技术分布来看,2016年中国新增投运的电化学储能项目几乎全部使用锂离子电池和铅蓄电池,两类技术的新增装机占比分别为62%和37%。

4.在科技项目与计划方面,美国、欧盟、日本纷纷在储能领域加大项目和计划投入,研究重点为电化学储能技术

美国在储能领域的研发重点主要在:电网的分布式储能、先进储能技术、动力电池、新型固态离子导体集成优化、大规模电力储能示范项目。日本主要集中在电化学储能技术领域,包括创新电池基础研究、下一代电池材料评估、安全低成本大规模电力储能技术开发、锂离子电池应用与商业化先进技术等,日本曾经支持过的电池技术包括铅酸电池、液流电池、钠硫电池以及锂离子电池。欧盟在第六框架计划(FP6)和第七框架计划(FP7)中部署有多个储能领域联合研究项目,重点领域包括发展分布式能源、可再生能源并网、储氢、储热、锂离子电池和超级电容器。

由于受到地域和资源限制,日本的电力储能研究集中在电化学储能领域,自20世纪70年代以来,投入大量资金进行电池技术的研究与开发。独立行政法人新能源产业技术综合开发机构NEDO2014财年在储能电池和能源系统领域投入83亿日元。NEDO在能源领域部署的技术开发重大任务包括:储能电池,包括创新电池基础研究、下一代电池材料评估、安全低成本大规模电力储能技术开发、锂离子电池应用与商业化先进技术等。日本曾经支持过的电池技术包括铅酸电池、液流电池、钠硫电池以及锂离子电池等,目前在钠硫电池、液流电池等多个电池技术领域都处于世界领先的地位。

二、储能关键技术专利竞争态势分析

为了了解全球储能关键技术的竞争态势,本部分内容分析了全球储能关键技术领域专利分布情况,数据来源为德温特创新索引数据库(DII),分析工具为ThomsonDataAnalyzer和EXCEl,专利地图使用ThomsonInnovation数据库。数据检索时间为2017年,由于2016和2017年专利数据未完全公开,因此本部门仅利用2015年数据。

1.整体发展趋势

图5为1993-2017年主要储能关键技术专利申请数量年度变化图,如图所示,进入21世纪之前,铅酸电池技术的专利产出明显高于其他三种储能技术,直到2003年被锂离子电池超越。从年度专利变化来看,锂离子电池的专利产出在2008年后开始大幅增长,专利数量遥遥领先其他电池技术,成为最热储能技术。

2.专利技术热点

利用ThomsonInnovation平台的专利地图功能,结合专利分类号的分析,我们对锂离子电池、钠硫电池、液流电池及铅酸电池专利技术热点进行了分析。图6为锂离子电池的专利热点技术地图,可以看出,锂离子电池专利的热点技术主题包括:(1)聚合物电解质;(2)正极、负极氧化物材料研究;(3)储能、电动汽车及图像处理技术应用;(4)充放电研究;

基于同样的聚类方法,钠硫电池热点技术主题包括:(1)粉末烧结制氧化铝陶瓷管电介质材料;(2)绝热保温技术;(3)电池的密封;(4)充放电研究;(5)电极材料改进。

液流电池热点技术主题包括:(1)电力储能系统应用;(2)阴极电解液、阳极电解液、隔膜;(3)电解液的制备,硫酸氧钒溶液;(4)碳素电极材料,如石墨毡;(5)全氟磺酸型离子交换膜;(6)荷电状态检测。

铅酸电池热点技术主题包括:(1)电极活性材料及电极制备方法;(2)铅酸电池载体或集电器;(3)铅酸电池箱、套或罩等的制备(4)铅酸电池隔板、隔膜等间隔元件;(5)铅酸电池电解质;(6)电池检测及监测技术。

3.国家/地区分布

在锂离子电池领域,中国、日本、美国、韩国、德国为主要专利产出国,其中中国专利申请量大幅领先(如图7所示)。在钠硫电池领域,日本专利数量处于绝对领先地位(如图8所示);液流电池领域,中国、日本和美国三国专利占到全球申请总量的80%以上,中国排名首位(如图9所示);铅酸电池领域,日本、中国、美国三国的专利申请数量占全球申请总量的90%,日本排名首位(如图10所示)。

4.专利申请人分析

储能关键技术领域,日本企业具有较大领先优势。锂离子电池领域,松下、索尼、丰田和三洋排名前四位(图11所示);钠硫电池领域,碍子(NGK)、日立、汤浅、东京电力排名前4位,中国上海电气钠硫储能技术公司排名第5位(图12所示);液流电池领域,日本住友、中国科学院、日本明电舍、日本关西电力、中国大连融科排名前5位(图13所示);铅酸电池领域,日本汤浅、松下、新神户和古河电池专利申请量排名前4位,中国超威、天能、理士国际排名5-7位(图14所示)。

三、结论

1.截至2016年底,全球投运储能项目累计装机规模168.7GW,同比增长2.4%,中国投运储能项目累计装机规模24.3GW,同比增长4.7%。其中电化学储能项目的累计装机规模达243.0MW,同比增长72%。从储能市场年度变化来看,储能产业市场空间巨大,未来随着电网需求增加、新能源并网比重提高,储能产业快速增长

2.从技术分类上看,除抽水蓄能、压缩空气以及储热技术之外,主流储能技术主要为钠硫电池、锂离子电池、铅蓄电池和液流电池。

3.我国在锂离子电池、液流电池领域的专利申请量排名全球首位,且锂离子电池专利数量大幅度领先,但在钠硫电池、铅酸电池领域与世界技术强国仍有差距,特别是在钠硫电池领域,较日本存在差距巨大。

4.我国研发机构对于海外专利布局重视不够,PCT申请量与国外研发机构相比明显较少,不利于我国企业开拓海外市场。

5.在储能我国专利申请机构多,专利分布较为分散,相比日本、韩国等大型跨国集团,我国专利申请中小企业多,集中度低,在市场上相对处于弱势。


本文来源

国际储能关键技术竞争态势

赵晏强,周伯柱,仇华炳

(中国科学院武汉文献情报中心,武汉)