资源描述
1 Table_First Table_First|Table_ReportType 公司报告公司深度研究 Table_First|Table_Summary 中国天楹（000035）电力及公用事业 重力储能补位双碳，环保主业延伸助攻 投资要点： 中国天楹以垃圾焚烧和环保设备为始，通过不断并购和买断海内外先进技术，构建自身研究院团队，实现城市环境综合服务全产业链布局。2021年公司入局储能赛道，获得全球重力储能龙头公司Energy Vault国内独家技术授权，如东项目正在实施，技术性能验证后，储能业务有望实现高增长，打开公司第二成长曲线。 环保主业稳定，轻资产化入局新能源： 公司垃圾焚烧发电、环保设备与工程、城市环境服务三项主业稳定发展，2021年，公司出售海外资产Urbaser，资本结构明显改善，轻资产化后现金流充沛，陆续回购1.12亿股份用于股权激励，彰显公司发展信心。公司获得EV公司国内独家技术授权，入局新能源业务，形成环保+新能源双轮驱动。 固体重力储能有望填补低成本快装机储能技术空白： 随着风光装机规模持续提升，预计2025年国内储能装机量可达14.88GW，对应21-25年CAGR为50.12%。重力储能技术可行性高，转化效率在85%以上。通过比对抽蓄、电化学储能等，重力储能成本介于抽蓄与电化学之间，装机速度1年以内，可以追赶风光速度助力双碳目标，同时具有安全、可拓展、长时储能、选址灵活等优点，极具应用价值。 抢占先机，环保+央企+政府多重助力重储绽放： EV在重力储能项目研发超5年，项目已经迭代2代，重力块运动控制技术壁垒较高，EV1 CDU项目于瑞士已商用，技术水平行业领先。公司获独家技术许可，抢占国内先机，积极与如东政府、国网、电建、三峡等央企合作。公司原有环保全产业链可直接保障重力块原材料来源，完美适配重力储能业务，打造环保+储能全新闭环生态与低碳链条。 盈利预测、估值与评级： 考虑到公司形成环保+新能源双轮发展格局，我们预计22-24年公司营收分别为58.31/89.77/144.01亿元，归母净利润分别为7.57/11.31/15.77亿元，EPS分别为0.3/0.45/0.62元/股，3年CAGR为28.8%，对应PE分别为17.9x/12x/8.6x。综合相对估值法与DCF估值法，给予目标价8.1元，对应2023年PE为18倍，首次覆盖，给予“买入”评级。 风险提示：项目推进不及预期；环保政策变动风险；国际业务风险。 Table_First|Table_Summary|Table_Excel1 财务数据和估值 2020 2021 2022E 2023E 2024E 营业收入（百万元） 21867 20593 5831 8977 14401 增长率（%） 17.65% -5.83% -71.68% 53.95% 60.42% EBITDA（百万元） 4241 3895 1811 2302 2899 净利润（百万元） 654 729 757 1131 1577 增长率（%） -8.33% 11.54% 3.79% 49.54% 39.39% EPS（元/股） 0.26 0.29 0.30 0.45 0.62 市盈率（P/E） 20.7 18.6 17.9 12.0 8.6 市净率（P/B） 1.2 1.2 1.2 1.1 1.0 EV/EBITDA 6.9 4.9 8.8 6.5 4.8 数据来源：公司公告、iFinD，国联证券研究所预测；股价为 2022 年 7月 1日收盘价 证券研究报告 Table_First|Table_ReportDate 2022年07月04日 Table_First|Table_Rating 投资评级： 行 业： 环保及公用事业 投资建议： 买入/(首次评级) 当前价格： 5.37 元 目标价格： 8.1元 Table_First|Table_MarketInfo 基本数据 总股本/流通股本（百万股） 2,524/2,453 流通 A股市值（百万元） 13,174 每股净资产（元） 4.34 资产负债率（%） 53.57 一年内最高/最低（元） 6.08/3.82 Table_First|Table_Chart 股价相对走势 Table_First|Table_Author 分析师：贺朝晖 执业证书编号：S0590521100002 邮箱： Table_First|Table_Contacter 联系人 袁澎 邮箱： 相关报告 1、电新行业 2022 中期策略：新基建、新格局、新技术驱动行业新成长一 2022.05.09 2、 2022 年度策略：将成长进行到底一2021.12.27 3、锂电负极材料：一体化构筑新壁垒，先行者迎来收获期-2022.07.01 4、新型电力系统行业深度研究系列四：绿电储能进军电力市场-2022.06.27 5、新型电力系统行业深度研究系列三：能源网络筑强国，电力线缆再出发-2022.04.21 6、新型电力系统行业深度研究系列二：世纪轮回，直流装备千亿市场蓄势待发-2022.04.02 7、新型电力系统行业深度研究系列一：新型电力系统：能源革命的必选项-2022.02.21 8、宏发股份：全球继电器行业领先者，工匠精神引领高质量增长-2022.06.18 9、储能市场化机制日趋完善，国内市场大有可为-2022.06.07 请务必阅读报告末页的重要声明 - 120 -7 8 %-3 6 %6%2 0 2 1 -0 6 2 0 2 1 -1 0 2 0 2 2 -0 2 2 0 2 2 -0 6中国天楹 沪深300 2 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 投资聚焦 储能行业需求扩容明显，公司获得全球重力储能龙头公司 EV 在国内独家技术许可，联手国网、电建、三峡等优质央企，资源互补，有望在国内重力储能领域占据先发优势，公司传统环保业务完美适配重力储能业务，从项目经验技术装备材料供应均可提供有力保障，公司“环保+新能源”或将形成明显的协同效应，未来发展空间广阔。 不同于市场的观点/创新之处 当前储能技术路线众多，抽水蓄能、电化学储能、空气压缩储能、飞轮储能等百花齐放，我们认为重力储能技术可行性较高，能量转化效率大于 85%。对比各项储能技术核心指标，重力储能技术成本介于抽水蓄能与电化学之间，建设速度 1 年以内，可以追赶风光装机速度，同时具备安全、可拓展、长时储能、选址灵活等优点，并且重力块直接使用废弃材料制成，符合“双碳”与“环保”的战略理念，在如东项目顺利投产并商用验证后，公司重力储能业务或将打开公司第二成长曲线 。 核心假设 1） 垃圾焚烧发电，剥离URbaser 后，22-24年营收增速分别为-72%、25%、10%，毛利率参考收购前及行业水平分别为40%、38%、35% 。 2） 城市环境服务，剥离URbaser 后，22-24年营收增速分别为-90%、10%、5%，毛利率参考行业水平分别为 20%、20%、20%。 3） 环保设备，剥离 URbaser 后，22-24 年营收增速分别为-28%、15%、5%，毛利率参考收购前及行业水平分别为 33%、31%、29%。 4） 重力储能，我们假设 22 年-24 年重力储能项目收入为 EPC 收入，并投产1/10/30 个，除第一个项目营收 3亿元，其余项目营收为2.5亿元，则22-24 年重力储能项目营收分别为 3/25/75亿元，毛利率类比其他 EPC项目维持 20%。 盈利预测与估值 我们预计公司 2022-2024 年营业收入分别为 58.31/89.77/144.01 亿元，对应增速分别为-71.68%/53.95%/60.42%，归母净利润分别为 7.57/11.31/15.77 亿元，EPS分别为 0.3/0.45/0.62 元/股，对应增速分别为 3.79%/49.54%/39.39%,3 年 CAGR 为28.8%，现价对应 PE 分比为 17.9x/12x/8.6x。我们认为公司传统主业稳定增长，重力储能业务获得国内独家授权，将享受行业先发优势。我们结合相对估值和DCF估值结果，给予目标价8.1元，对应 2023年18倍PE，首次覆盖，给予“买入”评级。 3 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 正文目录 1. 环保主业稳定，轻资产化迈入新能源 . 5 1.1 城环全产业链服务商，先发入局重力储能 . 5 1.2 连续回购股份，股权激励彰显公司信心 . 6 1.3 主业稳定发展，剥离海外业务资本结构优化 . 6 2. 固体重力储能具备低成本快装机技术特征 . 9 2.1 简单的实现原理，极高的技术壁垒 . 10 2.2 重储技术百花齐放，EVx先声夺人 . 15 2.3 低成本快装机适应双碳需求 . 20 3. 抢占先机，环保+央企+政府多重助力重储绽放 . 23 3.1 公司获全球重储龙头独家技术授权 . 23 3.2 如东政府助推项目，携手央企资源互补 . 24 3.3 环保主业为重力储能保驾护航 . 25 4. 盈利预测与估值评级 . 28 4.1 盈利预测关键假设 . . 28 4.2 公司估值与评级 . 29 5. 风险提示 . 31 图表目录 图表 1：中国天楹发展历程 . 5 图表 2：中国天楹业务分类 . 5 图表 3：中国天楹股权结构 . 6 图表 4：2017-2021 营收及增速（亿元，%） . 7 图表 5：2017-2021 归母净利润及增速（亿元，%） . 7 图表 6：2019-2021 分业务收入情况（亿元） . 7 图表7：海外业务毛利率及净利率较低（%） . 8 图表 8：公司各主营业务毛利率（%） . 8 图表 9：2017-2021 年公司各项费用率管控良好 . 8 图表 10：出售 Urbaser业务后公司轻量化 . 9 图表 11：出售 Urbaser后现金流明显改善(亿元) . 9 图表 12：区域级源网荷储一体化项目 . 9 图表 13：EV公司重力储能技术经过多次迭代，如东项目为 EVX进阶版 . 10 图表 14：如东 EVx 项目概念图 . 10 图表 15：重力储能融合多学科技术 . 10 图表 16：抽水蓄能电站工作原理 . 11 图表 17：进入下水库时的层流与湍流 . 11 图表 18：重力储能能量转化路径 . 11 图表 19：不同时段储能系统运行状态 . 11 图表 20：充电过程能量转化分析 . 12 图表 21：放电过程能量转化分析 . 13 图表 22：刹车机制下不同运动参数的系统能量转化效率上限 . 13 图表 23：变速发电系统类似风力发电系统 . 14 4 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 图表 24：匀速发电系统类似水轮机发电系统 . 14 图表 25：重力储能总容量计算方法 . 14 图表 26：运动控制算法协调多个重力块出力 . 15 图表 27：发电侧、电网侧、用户侧储能需求测算 . 15 图表 28：构想阶段的新型重力储能产品 . 17 图表 29：Gravitricity 爱丁堡商用项目 . 17 图表 30：Gravitricity 商用新项目概念图 . 17 图表 31：EV1爱丁堡商用项目 . 18 图表 32：EVx商用项目概念图 . 18 图表 33：各类型重力储能项目技术指标对比 . 18 图表 34：电化学储能全生命周期度电成本 . 20 图表 35：南网双调 2021年在运电站全年度电成本 . 21 图表 36：重力储能全生命周期度电成本 . 22 图表 37：重力储能与其他储能技术方案的对比 . 22 图表 38：中国天楹与 EV公司展开深度合作 . 23 图表 39：中国天楹与如东政府在新能源领域开展深度合作 . 24 图表 40：中国天楹与大型央企开展合作 . 24 图表 41：2021年至今中国天楹中标的环保项目 . 25 图表 42：EV公司官方提供的重力块来源 . 26 图表 43：我们预测可用于重力块的材料来源 . . 26 图表 44：“全场景、全品类、全智能、全过程、全处置”业务布局 . 27 图表 45：环保产业链技术积淀可为重力储能业务保驾护航 . 28 图表 46：公司营收测算汇总 . 29 图表 47：DCF关键假设 . 29 图表 48：DCF敏感性测试 . 29 图表 49：DCF估值测算结果 . 30 图表 50：中国天楹可比公司估值 . 30 图表 51：中国天楹盈利预测 . 31 图表 52：财务预测摘要 . 32 5 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 1. 环保主业稳定，轻资产化迈入新能源 1.1 城环全产业链服务商，先发入局重力储能 并购+技术买断拓展业务，打造城市环境全产业链服务商。2006年公司成立，主营城市生活垃圾焚烧发电项目以及环保设备生产制造。2014 年，公司借壳中科建上市，更名为“中国天楹”，致力成为城市环境综合服务全产业链服务商。2015年至 2021年，公司依托并购、技术买断等方式扩宽业务规模，布局海外市场，公司以垃圾焚烧发电、城市环境服务、环保装备制造为压舱石，打通了从前端清扫、中转分选、末端处置的城市环境服务全产业链。2022年，公司通过获得Energy Vault独家技术授权，签订重力储能项目切入新能源领域，公司将凭借“环保+新能源”双轮驱动持续发展。 图表 1：中国天楹发展历程 来源：公司公告、公司官网，国联证券研究所 重力储能业务落地，入局新能源领域构建双轮驱动。2021 年成立子公司江苏能楹新能源科技发展有限公司，聚焦新能源业务。2022 年1月，公司控股子公司 Altas与重力储能技术开发商签署技术许可使用协议，获得中国区独家使用许可技术建造和运营重力储能项目（GESS），切入新能源领域。公司与如东县政府签署了新能源产业投资协议，建立 100MWh 重力储能项目。2022 年 4 月-5月，公司先后携手三峡、中建、国网等能源及建设领域的大型国企，通过资源优势互补，加速重力储能项目落地，公司“环保+新能源”双轮驱动战略蓝图初显。 图表 2：中国天楹业务分类 来源：公司公告、公司官网，国联证券研究所 6 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 1.2 连续回购股份，股权激励彰显公司信心 实控人为严圣军夫妇，合计持股 22.91%。截止2021年底，公司实控人为严圣军、茅洪菊夫妇，实控人通过持有南通乾创、南通坤德持有中国天楹 19.19%的股份，严圣军个人直接持有中国天楹 3.72%的股份，实控人及一致行动人直接或间接合计持有22.91%股份。 回购大额股份用于员工激励，绑定核心利益彰显公司信心。公司于 2021 年 11月通过了关于回购公司股份方案的议案，回购股份用于股权激励或员工持股计划。截至 2022年 6月 30日，公司本次通过回购专用证券账户以集中竞价交易方式累计回购公司股份数量为 112,750,413股，约占公司目前总股本的 4.47%，购买最高成交价为 6.09 元/股，购买最低成交价为 5.37元/股，成交总金额为 656,203,946.10元（不含交易费用），彰显公司对自身发展的信心。 图表 3：中国天楹股权结构 来源：公司公告，国联证券研究所 1.3 主业稳定发展，剥离海外业务资本结构优化 公司营收小幅波动，剥离Urbaser 盈利水平有望提高。2019年公司收购Urbaser全部股权后，基于 Urbaser大体量，当年公司营收显著提升，2019年实现营收185.9亿元，同比增长 906.3%，归母净利润 7.13亿元，同比增长229.3%。受到海外疫情及国际金融政策影响，2021 年公司营收 205.93 亿元，同比下降 5.8%，归母净利润为7.29亿元，同比增长11.5%。2021 年，公司出售Urbaser全部股权，Urbaser业务出表，剥离 Urbaser业务后，公司盈利能力有望进一步改善。 7 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 图表 4：2017-2021营收及增速（亿元，%） 图表 5：2017-2021归母净利润及增速（亿元，%） 来源：Wind，国联证券研究所 来源：Wind，国联证券研究所 环保业务提供稳定支撑。分业务来看，公司业务主要分为城市环境服务、垃圾处理服务、环保设备及其他、工业废弃物处理、水处理业务，2021 年营收占比分别为44.11%、27.75%、20.47%、6.01%、1.65%。Urbaser在城市环境管理服务营收及占比较高，剥离 Urbaser 业务后，公司营收回归到城市环境服务、垃圾焚烧、环保设备、工业废弃物利用业务上来。根据公司 2021年年报，截至2021年底，垃圾焚烧项目在运规模为1.15万吨，在建及筹建的项目日处理规模合计约2 万吨，海安、南通、保定等工业废弃物项目试运营结束将正式运营，随着未来项目陆续投产，公司未来产能将持续释放。 图表 6：2019-2021分业务收入情况（亿元） 来源：Wind，国联证券研究所 毛利率及净利率变动较为稳定。公司2019-2021 年的毛利率、净利率较为稳定，公司海外资产毛利率较低，收购 Urbaser 后公司毛利率由 2018 年的 36.38%降低至2019 年的 15.24%，净利率由 2018 年的 12.04%降低至 2019 年的 4.14%，海外较低毛利率项目剥离后，公司毛利率及净利率有望回升。 16.12 18.47 185.87 218.67 205.93 14.6% 906.3% 17.6% -5.8% -100%0%100%200%300%400%500%600%700%800%900%1000%0501001502002502017 2018 2019 2020 2021营业收入（亿元） YOY2.22 2.17 7.13 6.54 7.29 -2.6% 229.3% -8.3% 11.5% -20%30%80%130%180%230%02468102017 2018 2019 2020 2021归母净利润 YOY0501001502002502019 2020 2021城市环境服务 垃圾处理 环保设备及其他 工业废弃物处理 水处理业务 8 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 图表 7：海外业务毛利率及净利率较低（%） 图表 8：公司各主营业务毛利率（%） 来源：Wind，国联证券研究所 来源：Wind，国联证券研究所 各项费用率逐年降低。公司各项费用率逐年降低，管控良好，2021 年公司销售费用率、管理费用率、研发费用率、财务费用率分别为 0.16%、6.27%、0.27%、3.02%，2021年公司管理费用率升高1.86pct，主要系出售Urbaser一次性支出管理费用2.63亿元所致，公司整体费用管控良好。 图表 9：2017-2021年公司各项费用率管控良好 来源：Wind，国联证券研究所 海外业务剥离，资本结构显著优化，现金流投入储能业务。2019 年公司收购Urbaser，商誉金额大，资产负债率由2018 年62.6%提升至 2019 年75.25%，压缩了公司融资空间。2021年公司出售 Urbaser100%股权，对手方以现金支付 14.7亿欧元，公司资产负债率由 2020 年 75.2%降低至 2021 年 54.5%，商誉由 56 亿元下降至 0.66亿元，资本结构明显改善，提高了公司抗风险能力和偿债能力。本次交易获得 14.7亿欧元现金流入，在偿还银行贷款后投入到拟建/在建项目中，主要用于发展新能源板块。 38.41% 36.38% 15.24% 14.73% 14.13% 13.95% 12.04% 4.14% 3.79% 4.22% 0%10%20%30%40%50%2017 2018 2019 2020 2021毛利率 净利率 0%10%20%30%40%50%2017 2018 2019 2020 2021城市环境服务 垃圾处理 环保设备及其他 工业废弃物处理 水处理业务 0%2%4%6%8%10%12%2017 2018 2019 2020 2021销售费用率 管理费用率 研发费用率 财务费用率 9 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 图表 10：出售Urbaser业务后公司轻量化 图表 11：出售Urbaser后现金流明显改善(亿元) 来源：Wind，国联证券研究所 来源：Wind，国联证券研究所 2. 固体重力储能具备低成本快装机技术特征 “双碳”目标下，风电、光伏为代表的可再生能源快速发展，但新能源出力具有间接性、波动性、随机性的特点，消纳较为困难，储能系统可与风电场、光伏电站、电网、负荷形成混合系统，源网荷储一体化将建立动态新型电力系统，提升新能源消纳能力。当前各地政府已经要求配储比例，储能行业将迎来快速发展阶段。 图表 12：区域级源网荷储一体化项目 来源：基于重力储能的风光储系统多目标容量优化规划刘志刚等，国联证券研究所 EV 重力储能技术融合多学科领域，迭代后技术已获得多项认证。Energy Vault公司基于抽水蓄能（PHS）原理通过专有设计、先进算法技术融入材料科学、结构设计知识成功搭建了独特的固体重力储能解决方案（GES）。 EV 公司主要产品为基础多臂起重机储能产品 EV1、模块化重力储能组件 EVx、高度可拓展化的大规模储能装置EVRC，高度适配电网充放电需求。2020 年，EV1CUD 项目通过美国三大公用事业首次技术验证，EV1CUD连接瑞士国家电网，实现商用。2021年，EVx产品通过最大WWIPP进行的第二次技术验证。 62.51% 62.60% 75.25% 75.20% 54.48% 53.57% 40%50%60%70%80%90%100%2017 2018 2019 2020 2021 2022Q1资产负债率 -80-60-40-2002040602017 2018 2019 2020 2021经营活动产生的现金流量净额 投资活动产生的现金流量净额 筹资活动产生的现金流量净额 10 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 图表13：EV公司重力储能技术经过多次迭代，如东项目为 EVX进阶版 来源： Energy Vault 官网，国联证券研究所 首个规模 100MWh 可扩展 EVx 项目落户如东经济开发区。2021 年 11 月，中国天楹与如东县政府签订新能源产业投资协议，中国天楹重力储能及成套设备制造项目落户沿海经济开发区，该项目建设规模为 100MWh，功率为25MW，根据EV官网显示，重力块在建筑内根据轨道进行势能-动能转化，采用模块化设计，单个建筑物为单个模块，通过扩展模块数量进行存储容量扩容，该项目具有技术寿命长、转化效率高、存储介质零退化、无化学火灾风险等优点。 图表 14：如东EVx项目概念图 图表 15：重力储能融合多学科技术 来源：Energy Vault 官网，国联证券研究所 来源：Energy Vault 官网，国联证券研究所 2.1 简单的实现原理，极高的技术壁垒 抽水蓄能是最早被开发利用的“重力储能技术”，但存在水头损失，能量利用效率仅为 70%85%。抽水蓄能电站分为上、下两个水库，其工作原理为在电力负荷低谷时的将水抽至上水库，电能转化为势能，电力负荷高峰期时再放水至下水库的水电站，势能转变为电能。放水过程水仅受重力作用水流在出水口形成湍流，短时间内阻力增大，流速自动降低，所以抽水蓄能不需要调节水速；同时摩擦损耗、湍流、黏性阻力等造成的水头损失使抽水蓄能转化效率为 70%85%。 11 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 固体重力储能原理与抽水蓄能完全相同，仅介质不同。不同于抽蓄使用液体作为介质，固体重力储能（以下简称重力储能）顾名思义是使用固体（重力块）作为介质。它主要借助山体、地下竖井、人工构筑物等结构，通过电动机把电能转化为固体的势能，把重力块提至相应的高度摆正，电力系统需要电能时放下重力块，带动轴承系统将势能转化为转子动能，再通过转子切割磁力线发出电能。重物一般需要密度较高，确保构筑物体积适中。 拥有与抽水蓄能同样简单的原理，但实现起来却困难重重，导致这项技术的研发晚于抽水蓄能十几年。我们认为其难点主要体现在2个方面，即：1）如何升降单个重力块充放电；2）如何升降数千个重力块充放电。 技术难点1：如何升降单个重力块充放电 抽水蓄能利用水推动水轮机，在某个固定的位置将水的动能转化为水轮机的动能，并且水的剩余动能通过自然湍流耗散为热能，整个过程无需控制水的流速，仅控制水的流量。 重力储能无法在一个固定的位置转化能量，而是在升降的过程中实现的，因此，图表 16：抽水蓄能电站工作原理 图表 17：进入下水库时的层流与湍流 来源：抽水蓄能电站建设的地理要素分析及 GIS 选址宋云丽等，国联证券研究所 来源：侧式进/出水口数值模拟湍流模型比较研究高学平等，国联证券研究所 图表 18：重力储能能量转化路径 图表 19：不同时段储能系统运行状态 来源：国联证券研究所 来源：基于重力储能的风光储系统多目标容量优化规划刘志刚等，国联证券研究所 12 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 重力储能必须能够控制自己的速度，并且为了最大化能量转化效率，还不能通过刹车等动作浪费为热能，必须通过电动力与重力对抗，从而转化为电能。 因此，整个重力储能的能量转化过程可大致分为以下几个阶段： 充电状态运动过程：加速上升、匀速上升、减速上升三个阶段，电能转化为势能。 1）加速上升阶段：电动机工作，牵引力拉动重力块体加速运动，速度由 0 上升至恒定，这部分消耗电能为 E1，重力块积累的势能为 MgH1，积累的动能为 E1- Mg H1； 2）匀速上升阶段：速度恒定，消耗电能 E2克服重力做工，由于重力块速度不变，因此电能全部转化为重力块势能 MgH2，即 E2= MgH2； 3）减速上升阶段：渐弱电动力，在自身重力作用下，重力块速度由恒定降低为0，进入顶部平台横移放置，消耗电能为 E3，重力块积累的势能为 MgH3，减少的动能为 Mg H3- E3= E1- Mg H1。 综上，如果暂时忽略其他损耗，储存的能量为 Mg(H1+H2+H3)=E1+E2+E3，即重力势能全部由电能转化而来，且转化效率为 100%。本质上是由于全部通过电动力对抗重力来控制重力块的速度，因此电能全部进入势能得到存储。 图表 20：充电过程能量转化分析 来源：基于重力储能的风光储系统多目标容量优化规划刘志刚等，国联证券研究所 放电状态运动过程：加速下降，匀速下降，减速下降三个阶段，电能转化为势能。 1）加速下降阶段：发电机工作，在自身重力作用下，重力克服发电机阻力使重力块加速运动，速度由0上升至恒定，这部分发出的电能为 E1，重力块减少的势能为MgH1，重力块动能=MgH1-E1； 2）匀速下降阶段：速度恒定，重力克服发电机阻力做工，发出电能 E2，由于重力块速度不变，因此重力块势能 MgH2全部转化为电能，即E2=MgH2； 13 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 3）减速下降阶段：加强发电机阻力，使其大于重力并控制重力块速度由恒定降低为 0，进入底部平台横移放置，发出电能为E3，重力块减少的势能为 MgH3，减少的动能为 E3-MgH3=MgH1-E1 同样的，如果暂时忽略其他损耗，发出的电能为 E1+E2+E3=Mg(H1+H2+H3)，即重力势能全部转化为电能，且转化效率为 100%。本质上是由于全部通过重力对抗发电机阻力来控制重力块的速度，因此势能全部转化为电能发出。 图表 21：放电过程能量转化分析 来源：基于重力储能的风光储系统多目标容量优化规划刘志刚等，国联证券研究所 下降过程中，如果没有通过电动力与重力对抗，而是采用刹车机制，则在不同的运动参数下，其能量转化效率存在上限。在起落速度2m/s 情况下，转化效率上限在 75%-96.7%之间，为保证转化效率在 90%以上，最低高度差为 120m条件下，重力块加速度需 0.4m/s，最低高差为 80m 及以上时，重力块加速度需达到 0.6m/s。1 m/s情境下，转化效率上限在 85%99%之间, 为保证转化效率在 90%以上，重力块相对高差 80m 及以上时，加速度最少为 0.2m/s。因此，通过发电机阻力完整回收能量为电能是该套系统的核心。 图表 22：刹车机制下不同运动参数的系统能量转化效率上限 相对高度差（m） 80 90 100 120 情景: 2 m/s 加速度 （m/s） 0.2 75.00% 77.78% 80.00% 83.33% 0.4 87.50% 88.89% 90.00% 91.67% 0.6 91.67% 92.59% 93.33% 94.44% 0.8 93.75% 94.44% 95.00% 95.83% 1 95.00% 95.56% 96.00% 96.67% 情景: 1 m/s 0.1 87.50% 88.89% 90.00% 91.67% 0.2 93.75% 94.44% 95.00% 95.83% 0.3 95.83% 96.30% 96.67% 97.22% 0.4 96.88% 97.22% 97.50% 97.92% 0.5 97.50% 97.78% 98.00% 98.33% 来源：国联证券研究所 这两个过程中，加速和减速阶段的动力机械系统设计成为先决条件，如何应对变 14 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 速阶段的电能转化、设计好电动力、控制好速度、调整好位置，这些都是抽水蓄能技术所没有面对过的，需要一些全新的思路，也是整套重力储能系统的技术壁垒之一。 我们参考 Morstyn 的Gravitational Energy Storage With Weights和刘志刚等基于重力储能的风光储系统多目标容量优化规划等文，得出重力储能主要取决于重力块体的运动，我们预计该装置存在变速系统、匀速系统两套系统，变速阶段的动力机械系统类似风力发电设备，匀速阶段的动力机械系统类似水轮机设备，从而可以实现在变速和匀速阶段下均能高效地转化动能与电能。 理论上，该系统能量转化效率较高。从上述分析可以看出，不考虑系统固有损耗的情况下，实际转化效率是 100%，但毕竟也存在一些摩擦损耗、发电机损耗、变流器损耗等，综合转化效率可达 85%-90%。 图表 25：重力储能总容量计算方法 (储能能量)= 介质密度重力加速度(恒定)上升高度重力块体积储能效率 来源：Storage Gravitational Energy for Small Scale Industrial and Residential Applications刘志刚等，国联证券研究所 技术难点2：如何升降数千个重力块充放电 升降单个重力块的问题得到解决后，接下来，面临的是个更难的问题，即如何协调控制数千个重力块升降。不同于抽水蓄能开闸即可放水，重力储能需要针对每个重力块给出明确的指令，才会开始正确的运动。 因此，重力块运动控制算法至关重要。类似于电化学系统的 EMS 能量管理系统，重力储能也需要即时调整自己的出力来响应电力系统的需求，因此同时升降的数量、图表 23：变速发电系统类似风力发电系统 图表 24：匀速发电系统类似水轮机发电系统 来源：新型风电机组传动原理研究苏睿等，国联证券研究所 来源：Gravitational Energy Storage With WeightsMorstyn等，国联证券研究所 15 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 速度每个时刻都不一样，只有均匀出力的情况下才可以做到有规则的上升下降。那么在响应系统需求时，调用哪个重力块，或者对哪些正在运动的重力块的运动状态进行调整，都需要运动控制算法的配合。 图表 26：运动控制算法协调多个重力块出力 来源：EV公司官网，国联证券研究所 2.2 重储技术百花齐放，EVx 先声夺人 风电光伏装机高增情境下，储能成为必要条件。发电侧，风光出力具有波动性、不稳定性需要储能进行负荷调节。电网侧，煤电机组自我调节无法满足日益增长的风光新增并网需求，需要更加迅速的储能参与调峰和调频。用户侧，电力供需长期存在错配问题，需要储能系统平滑用户需求。 我们对不同场景储能装机需求进行量化测算，发电侧在政策推动下，将成为驱动储能规模扩大的最快增长极。我们预计 2023/2024/2025 年发电侧储能装机分为可达4/6.9/10.9GW，储能总需求规模分为别 6.38/10.02/14.88GW，对应 2021-2025年CAGR为 50.12%，储能提升为独立主体后有望进一步提振发电侧分光配储、用户侧分布式光伏配储、负荷终端配储等需求。 图表 27：发电侧、电网侧、用户侧储能需求测算 类型 参数 2020 2021 2022E 2023E 2024E 2025E 发电侧 光伏新增装机-储能功率需求（GW） 0.2 0.8 0. 7 2 3.8 6. 3 光伏新增装机-储能容量需求（GWh） 0.5 1.6 1.4 4 7.5 12.6 风电新增装机-储能功率需求（GW） 0. 2 0.9 1.2 2 3.2 4.6 风电新增装机-储能容量需求（GWh） 0.9 3.8 4.8 8.2 12.6 18.2 发电侧合计-储能功率需求（GW） 0.5 1.7 1.9 4 6.9 10.9 发电侧合计-储能容量需求（GWh） 1.4 5.3 6.2 12.2 20.1 30.8 电网侧 新增装机-储能功率需求（GW） 0.2 0.3 0.3 0.3 0.4 0.5 新增装机-储能容量需求（GWh） 0.1 0.2 0.2 0.2 0.3 0.3 累计装机-储能功率需求（GW） 0.4 0.6 0.7 0.9 1.2 1.4 累计装机-储能容量需求（GWh） 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 0.9 16 请务必阅读报告末页的重要声明 公司报告公司深度研究 电网侧合计-储能功率需求（GW） 0.6 0.8 1 1.3 1.6 1.9 电网侧合计-储能容量需求（GWh） 0.4 0.6 0.7 0.9 1.1 1.3 用户侧 新增装机-储能功率需求（GW） 0.1 0.2 0.4 0.7 1 1.4 新增装机-储能容量需求（GWh） 0.4 0.9 1.7 2.7 4 5.4 累计装机-储能功率需求（GW） 0.1 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 累计装机-储能容量需求（GWh） 0.3 0.6 0.9 1.5 2.2 3.2 用户侧合计-储能功率需求（GW） 0.2 0.4 0.7 1.1 1.5 2.1 用户侧合计-储能容量需求（GWh） 0.7 1.4 2.6 4.2 6.2 8.6 合计 新增一储能功率需求（GW） 1.2 2.93 3.54 6. 38 10. 02 14.88 新增-储能容量需求（GWh） 2.42 7.34 9.47 17. 24 27. 33 40.69 来源：国联证券研究所 储能需求催生重力储能发展，当前重力储能可分为构想阶段、商用阶段。近年来随着新能源装机规模快速提升，为了解决新能源间歇性和消纳的问题催生储能行业迅速发展，但抽水蓄能需要落差较大的地形和充沛的水资源，电化学储能上游材料逐年走高，当前资源不能满足需求情况下，海内外根据抽水蓄能的原理，开始设计建造许多新型重力储能系统。 构想阶段（2014-2020）： 国内外各设计院和公司均对新型重力储能提出构建和设想，主要分为四类产品： 新型抽水蓄能。主要分为海下储能和活塞水泵，水介质型重力储能相对抽水蓄能相应时间更短、选址更灵活，海下储能系统可以合理利用海洋空间，活塞水泵系统可以为城市提供储能服务，储能成本和效率与抽水蓄能相当，但系统建设在海底或水低，海缆和管道铺设较为困难。 山体落差系统。利用山体落差和固体重物的提升来进行重力储能，相比人工构筑物结构更加稳定，承重能力更强。目前的研究主要有 ARES轨
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