當前儲能市場和儲能經濟性分析

金 虹，衣 進

（1北京低碳清潔能源研究所儲能中心，北京 102209；2凱旋創(chuàng)投，北京 100005）

電力儲能技術與我們的日常生活息息相關?。小到用于心臟起搏器等高科技生物醫(yī)學裝置的0.1～2 W·h的微型電池，大到照相機、筆記本電腦等電子產品中的2～100 W·h的鋰離子電池，再到用于汽車等交通工具中的100～1000 W·h的SLI（starting，lighting，ignition）電池，可以說每個人時時刻刻都在使用著這些儲能技術。另一方面，工業(yè)中使用著無論從尺寸還是容量來講都更為龐大的儲能系統(tǒng)，如1～1000 kW·h的港口起重機電池，0.25～5 MW·h的不間斷電源系統(tǒng)（UPS），以及應用于電網(wǎng)的5～100 MW·h的大型儲能系統(tǒng)，如圖1所示。正是因為有這些儲能系統(tǒng)的支持，我們的日常生活與工作才得以保障。

圖1 儲能類型及應用Fig.1 Energy storage type and application

儲能在整個電力價值鏈上起到至關重要的作用。它的作用涉及發(fā)電（generation）、傳輸（transmission）、分配（distribution）乃至終端用戶（end user）——這里包括居民用電以及工業(yè)和商業(yè)用電。圖2綜合、細致地闡述了儲能在上述4個電能傳輸環(huán)節(jié)中的具體作用，按照持續(xù)時間的長短分為短期、中期與長期[1]。例如，在發(fā)電端，儲能系統(tǒng)可以用于快速響應的調頻服務及可再生能源如風能、太陽能對于終端用戶的持續(xù)供電，這樣揚長避短地利用了可再生能源清潔發(fā)電的特點，并且有效地規(guī)避了其間斷性、不確定性等缺點；在傳輸端，儲能系統(tǒng)可以有效地提高傳輸系統(tǒng)的可靠性；在分配端，儲能系統(tǒng)可以提高電能的質量；在終端用戶端，儲能系統(tǒng)可以優(yōu)化使用電價，并且保持電能的高質量。隨著智能電網(wǎng)理念的提出，儲能系統(tǒng)在上述方面的作用將會更加重要。

圖2 儲能在整個電力價值鏈中的作用Fig.2 Operational use of energy storage in the power value chain

相比于其它國家，儲能產業(yè)對于中國的影響更為重大。眾所周知，隨著中國的高速發(fā)展與國民經濟的快步提高，國家對經濟增長的要求正在從單純的注重經濟增長逐步向可持續(xù)發(fā)展進行轉變，對節(jié)能減排工作的要求和重視程度越來越高。為此，國家不僅從立法的高度專門頒布了《節(jié)約能源法》，并且還重新調整了國務院各部委在節(jié)能減排工作中的職責與范圍，以加強對節(jié)能減排工作的執(zhí)行力。此外，國務院還增設了專門的跨部委的國家能源委員會，這些都充分表明了國家對能源工作的重視?！豆?jié)能減排“十二五”規(guī)劃》提出，到 2015年單位國內生產總值能耗比 2010年下降16%，主要污染物排放總量下降8%～10%。儲能正在或者將會為節(jié)能減排做出不容忽視的貢獻。就可再生能源而言，風能和太陽能在過去 10年中得到了政府的連續(xù)支持。為了更加清潔、可持續(xù)的未來，中國政府正在加大在清潔能源技術領域上的政策傾斜力度。但是，風能和太陽能等可再生能源的波動性和不確定性阻礙其在電網(wǎng)上的大規(guī)模應用。比如，高“棄風率”是風電行業(yè)必須面對的一項難題。隨著風電裝機量的增長，電網(wǎng)對風電的吸納能力必然減弱，因而“高棄風”現(xiàn)象有增無減。2011年，全國棄風率最高的省份——甘肅、內蒙古、吉林，其棄風比例分別高達25.2%、23.2%和21.3%。這極大限制了可再生能源的發(fā)展，也限制了可再生能源在節(jié)能減排中的應用。儲能系統(tǒng)在可再生能源上的應用可以減少其波動性與不確定性，是未來清潔能源中勢在必行的技術[2]。

1 儲能市場的現(xiàn)狀及預期

據(jù)儲能專業(yè)委員會（CNESA）的統(tǒng)計結果[3]，2000年至今，全球范圍內除壓縮空氣、抽水蓄能和儲熱之外，總儲能安裝量為615 MW，粗略估算，儲能裝置總投資在數(shù)十億美元規(guī)模。其中，鈉硫電池占到53%，仍然占據(jù)首位，而鋰離子電池則是幾年來快速成長的儲能技術，如圖3所示。

美國政府的政策對儲能市場的歷史發(fā)展起到了重要作用。KEMA在2012年的報告中指出[4]，美國在儲能方面的經濟刺激政策已經對其儲能市場起到重要的影響，并且這一影響將持續(xù)一段時間。過去幾年，美國能源部（Department of Energy，DOE）在《美國復興及投資法案》（American Recovery and Reinvestment Act）的框架下，大力度支持儲能項目。據(jù)美國電力咨詢委員會（Electricity Advisory Committee）2011年的報告，美國的儲能項目受到政府近1.85億美元的支持。這些儲能項目市值7.72億美元，總容量573 MW，其中包括儲能配套輔助服務項目20 MW，壓縮空氣項目450 MW，用于可再生能源的儲能項目57 MW等，如圖4所示。

圖3 全球范圍儲能安裝量統(tǒng)計Fig.3 Global installed energy storage capacity

圖4 美國能源部在《美國復興及投資法案》框架下對儲能技術的資助Fig.4 Department of Energy funded energy storage projects in the scope of American Recovery and Reinvestment Act

就全球儲能市場而言，Woori I&S Research Center與J.P.Morgan做出了對于未來近10年的市場預期。據(jù)Woori推測，未來全球儲能市場（去除小型電子對用于電網(wǎng)的電池市場收入做出了類似的推測。預產品電池及電動車電池）的價值將以26%的復合年均增長率增長，從2012年的20億美元增長到 2020年的 160億美元[5]，如圖 5所示。J.P.Morgan則針計用于電網(wǎng)的電池市場收入將從 2012年的38億美元增長到2020年的231億美元[6]，如圖6所示。

圖5 來自Woori的儲能市場歷史規(guī)模及預期Fig.5 Global energy storage market projection by Woori

圖6 來自J.P.Morgan的儲能市場歷史規(guī)模及預期Fig.6 Global energy storage market projection by J.P.Morgan

2 儲能發(fā)展的主要瓶頸：成本

制約儲能發(fā)展有諸多因素，成本依然是主要瓶頸。毋庸置疑，由于成本低廉，以煤、石油、天然氣為代表的化石燃料在全球的能源使用量中仍然占主導地位。在光伏產業(yè)中奮力追求的“平價上網(wǎng)”（grid parity）正是期望達到與這些化石燃料價格同等的成本目標。對比于以麻省理工學院“病毒發(fā)電理念”為代表的全球各大知名研究院所對于各種新能源的各種探索[7]，電力與電網(wǎng)公司等“用戶”對新技術的適應顯得格外保守與緩慢。除成本之外，目前，尤其在中國，大規(guī)模儲能應用相關的運行數(shù)據(jù)、可靠性和持久性數(shù)據(jù)及銀行可貼現(xiàn)性（bankability）數(shù)據(jù)的缺乏也極大地制約了儲能技術的推廣。此外，單一、垂直的傳統(tǒng)銷售模式也在阻礙著儲能的大規(guī)模應用。

美國EPRI的分析列出了目前各種儲能技術的成本[8]。比較目前各種儲能技術的全系統(tǒng)成本，其中，壓縮空氣的成本最低，只有 60～125美元/(kW·h)（960～1250美元/kW），但這個技術目前還只是停留在示范工程。其它的儲能技術的成本都遠遠高于壓縮空氣。例如，擁有近200年歷史的技術相對比較成熟的鉛酸電池和先進鉛酸電池，目前價格在505～760美元/(kW·h)（2020～3040美元/kW）；再如，還處于示范階段的液流電池，價格在470～1125美元/(kW·h)（2350～4500美元/kW）；鋰離子電池目前價格在 1050～6000美元/(kW·h)（1200～4650美元/kW），見表1。

美國 EPRI也分析了主要儲能應用的目標市場規(guī)模以及目標價值[8]，如圖7所示。目前市場對這些主要儲能應用的目標價值平均在 200美元/(kW·h)上下。目前市場上所能提供的儲能技術成本與此有很大的差距。

表1 各種儲能技術的成本比較（EPRI）Tablel 1 Cost comparisons on different energy storage technologies by EPRI

圖7 儲能應用的目標價值Fig.7 Cost target of energy storage application

另外一種分析儲能產品市場期望成本的方法是利用均化能源成本（levelized cost of energy，LCOE），定義為儲能系統(tǒng)的年成本與儲能系統(tǒng)年能源輸出量的比值，單位是美元每千瓦時[美元/(kW·h)]。如果均化能源成本與當?shù)仉娋W(wǎng)電價相比有競爭力，儲能產品在經濟性上可以取代傳統(tǒng)發(fā)電，相當于儲能的平價上網(wǎng)（grid parity）。

假設每年系統(tǒng)工作300天，每天充放電1次，每年約有附加的 5%左右的操作、利率成本，系統(tǒng)折舊按直線 20年計，不計充電電價成本，當?shù)仉妰r按0.10美元計，從圖8中可以看到，當儲能安裝成本小于200～300美元/(kW·h)時，LCOE小于當前電價，也即，在這個條件下儲能系統(tǒng)的經濟性才能勝出。在這些非常簡單理想化的假設條件下，這一成本目標是儲能平價上網(wǎng)的成本目標。

圖8 儲能系統(tǒng)均化能源成本分析與儲能平價上網(wǎng)Fig.8 Levelized cost of energy and energy storage grid parity

當然，這種均化能源成本分析存在很多不足，是個非常概念化的分析方法。但這種方法可以作為分析儲能經濟性的一種工具，來分析儲能產品的成本目標。這個分析的結果也和上文 EPRI的分析結果近似。

3 儲能成本降低的主要途徑

3.1 降低材料成本

材料成本在儲能系統(tǒng)成本中占很大比重，在鋰離子電池單體中，材料通常占到總成本的 50%～60%。降低材料成本不僅是降低總體成本的重要途徑，同時，在保持成本水平的前提下，通過提高材料性能來提升儲能系統(tǒng)的性能從而達到降低成本的目的，也是降低總體成本的重要途徑。

以鋰離子電池儲能為例，如圖9所示，正負極材料在電池單體材料成本中約占50%，且正極材料是在材料成本中占比最高的材料。如果能夠研發(fā)出成本更低、性能更優(yōu)越的新型正負極材料，鋰離子電池將可能有顯著的成本下降。這正是近年研究機構研發(fā)的主要方向。

圖9 鋰離子電池芯材料的成本[9]Fig.9 Material cost breakdown of Li-ion battery [9]

歸根結底，科技的進步是降低成本的源動力。早在1801年，當Alessandro Volta把世界上第一個真正意義上的電池呈獻給Napoleon Bonaparte的時候，估計他萬萬沒有料到那個從青蛙腿實驗演變而來的鋅電池給人類的進步帶來了深遠的影響，并在之后200多年中產生了巨大的蛻變。從1839年的燃料電池，1859年的鉛酸電池，到1899年的鎳鎘電池，再到1973年的金屬鋰電池，還有1990年的鋰離子電池，似乎再也找不到最初的青蛙腿實驗的影子。日新月異的儲能電池技術不斷改進著電池本身的特性。如圖 10所示，傳統(tǒng)的鉛酸電池與鎳鎘電池從 1900—1960年在能量密度上有小幅度的提高。從 1970年至今，隨著各種新興電池技術的出現(xiàn)，電池的能量密度大幅度提高。目前，能量密度上領先的技術還是索尼公司于 1991年商業(yè)化的鋰離子電池技術，鈉硫電池緊隨其后[10]?？梢酝茢啵谖磥淼氖曛?，還會有更多新興技術出現(xiàn)，這些新興技術將會不斷改寫電池性能的記錄。這些技術的進步和創(chuàng)新也必將使儲能產品的成本不斷降低，達到行業(yè)能接受的水平。

圖10 二次電池能量密度的歷史進展[10]Fig.10 Historical development of secondary batteries in view of energy density[10]

3.2 規(guī)模效益可以帶來的儲能成本降低

除了科技的進步所帶來的儲能成本降低，儲能產品生產規(guī)模的擴大也會帶來全行業(yè)的成本降低。這主要來源于規(guī)模效應所帶來的原材料采購成本的下降，供應鏈專門化所帶來的采購成本下降和效率提升，以及開發(fā)專用生產工藝設備和生產經驗的積累所帶來的良率提高和效率提升等。反映在歷史價格與產量的關系上，被稱為行業(yè)學習曲線（learning curve）或經驗曲線（experience curve）。圖11是太陽能光伏行業(yè)的經驗曲線。在1976—2003年，光伏產品的產量的每次翻番大約帶來光伏產品價格下降22%[11]。

在分析規(guī)模效應所帶來的產品成本降低上，光伏可以給儲能產品一個很好的參照。光伏產品與儲能產品在產品性質上有所不同，但也有非常多的相似性?？梢杂霉夥臍v史發(fā)展作為參照來看儲能產品今天所處的階段和未來可能的發(fā)展時間和路徑。這樣的觀察可以給今天的儲能行業(yè)一個相對客觀的評估。

今天儲能的安裝總量（除去抽水蓄能，壓縮空氣及儲熱）在600 MW以上。對比光伏電池的歷史發(fā)展[11]，按功率計，大約在光伏 1997年前后的水平，見圖12。1997年規(guī)模推廣光伏的1976年后二十余年，也是光伏產品爆發(fā)性成長的前夜。距離光伏得以最終大規(guī)模推廣的德國上網(wǎng)電價補貼政策（FiT）出臺還有五年左右的時間。如果按今天儲能產品平均 1000美元/(kW·h)成本計，到行業(yè)今天期望的200美元/(kW·h)的目標價值（也按成本計），儲能產品需要降低80%的成本。如果全部靠規(guī)模效應，參照光伏產品的經驗曲線，儲能產品的安裝總量大約要達到今天規(guī)模的90倍，約54 GW。顯然，這是一個很高的目標。光伏的總安裝量到 2011年年底為67.4 GW。

上述的觀察提醒人們，儲能行業(yè)仍然處在一個初期的階段，實現(xiàn)成本降低來達到行業(yè)的期望是一條非常艱巨而坎坷的路。必須提到，對比光伏產品，儲能有更多種可以應用的技術，在應用上也足夠多樣，可實現(xiàn)的價值也有明顯的高低區(qū)別。因此，儲能產品在成本降低上應該會有更有效的、足夠多的路徑來實現(xiàn)規(guī)模效應。同時，政府政策的必要支持也是儲能盡快實現(xiàn)規(guī)模效應降低成本的關鍵，這一點在光伏歷史上有明顯的體現(xiàn)（圖13）。在儲能市場培育上，關鍵政策的及時出臺也是使儲能真正發(fā)揮其提高能源系統(tǒng)效率、提升可再生能源比例作用的基石。

圖11 太陽能光伏電池的歷史價格-產量曲線[11]Fig.11 Historical price-capacity curve for PV [11]

圖12 太陽能光伏電池的歷史價格-產量曲線（由參考文獻[11]修改得到）Fig.12 Historical price-capacity curve for PV (adapted from Ref[11])

圖13 太陽能光伏電池的歷史發(fā)貨量（由參考文獻[11]修改得到）Fig.13 Historical annual shipments for PV (adapted from Ref[11])

4 結 論

綜上所述，儲能應用市場將是百億級的大市場，將給今天的傳統(tǒng)能源結構帶來根本性的變化，給社會經濟帶來巨大的福利，它的應用勢在必行。但是，其發(fā)展還有諸多艱巨的任務與挑戰(zhàn)，其中最重要的是儲能系統(tǒng)的成本，在很大程度上制約著儲能的大規(guī)模應用。如果要把儲能真正規(guī)?；冶皇袌鼋邮埽粌H需要科研工作者圍繞著儲能系統(tǒng)的化學、物理、工程等領域取得突破，國家政策制定者量身定做出適合中國國情的儲能支持政策，還需要行業(yè)多方對于中國儲能市場做出更加細致縝密的分析與計算，找到早期適合的應用。

[1] Moving energy storage from concept to reality: Southern California edison’s approach to evaluating energy storage [R/OL]//http://www.edison.com/files/WhitePaper_SCEsApproachtoEvaluatingEnergy Storage.pdf.

[2] 國家自然科學基金委員會，中國科學院.2011—2020年我國能源科學學科發(fā)展戰(zhàn)略報告[R/OL]// http://wenku.baidu.com/view/d33c655-fbe23482fb4da4cec.html.

[3] CNESA.儲能產業(yè)趨勢[J/OL]//[2012-10-10] http://www.cnesa.org/.

[4] KEMA.Market evaluation for energy storage in the United States[R/OL]// http://www.copper.org/about/pressreleases/pdfs/kema_report.pdf.

[5] Woori Investment and Securities.Industry analysis：Rechargeable battery industry[R].[S.l.]，2011.

[6] J P Morgan Securities.Rechargeable batteries—Charging the future[R].[S.l.]，2010.

[7] Dang Xiangnan，Yi Hyunjung，Ham Moon-Ho，et al.Virus-templated self-assembled single-walled carbon nanotubes for highly efficient electron collection in photovoltaic devices[J].Nature Nanotechnology，2011，6（6）：377-384.

[8] EPRI.Electricity energy storage technology options—A white paper primer on applications, costs, and benefits[R/OL]// http://www.doc88.com/p-86915917253.html.

[9] Daiwa Capital Markets.Energy storage toolkit—Making the right connections[R].[S.l.]，2012.

[10] Zu Chenxi，Li Hong.Thermodynamic analysis on energy densities of batteries[J].Energy & Environmental Science，2011（8）：2614-2624.

[11] Melbourne Energy Institute Technical Paper Series.Renewable energy technology cost review[R].[S.l.]，2011.