規(guī)?；嘣娀瘜W儲能度電成本及其經(jīng)濟性分析

劉 陽，滕衛(wèi)軍，谷青發(fā)，孫 鑫，譚宇良，方知進，李建林

（1國網(wǎng)河南省電力公司電力科學研究院，河南 鄭州 450052；2北方工業(yè)大學儲能技術(shù)工程研究中心，北京 100144）

隨著儲能的建設容量、規(guī)模擴大和集成技術(shù)的日益成熟，儲能系統(tǒng)的成本將進一步降低。經(jīng)過長期的安全性和可靠性測試，儲能系統(tǒng)在提高電網(wǎng)可靠性、平抑新能源出力及緊急供電等方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。在可再生能源并網(wǎng)、輔助服務、削峰填谷、容量支撐等不同應用場景下，多元電化學儲能根據(jù)不同的技術(shù)特點起到關(guān)鍵性作用，其經(jīng)濟性研究對于降低儲能成本、促進儲能規(guī)?；l(fā)展具有重要意義。

影響儲能技術(shù)在電力領域規(guī)?；瘧玫囊蛩刂饕▋δ芟到y(tǒng)規(guī)模、技術(shù)水平、安全性和經(jīng)濟性。當電化學儲能系統(tǒng)容量達到100 MW/200 MWh 規(guī)模、循環(huán)壽命達到5000次及以上、充放電效率80%以上，滿足安全可靠性時，儲能系統(tǒng)的高成本成為限制其更大規(guī)模應用的關(guān)鍵因素。故亟需深入研究儲能項目投資面臨的經(jīng)濟性問題，促進儲能的商業(yè)模式向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變[3-4]。

低成本長壽命是電化學儲能一直以來追求的目標。儲能系統(tǒng)的成本和效益，是決定其是否能夠規(guī)模化的重要因素[5]。為衡量儲能技術(shù)的經(jīng)濟性，通常采用度電成本作為關(guān)鍵指標，文獻[6]針對容量型、功率型儲能，計算了儲能度電成本和里程成本，但沒有采用現(xiàn)值計算，未考慮儲能的時間價值；文獻[7]計算了不同容量下儲能的全生命周期度電成本，未考慮儲能的資金成本；文獻[8]在計算時只考慮了初始與運維成本，對不同發(fā)電小時數(shù)進行對比分析。

隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，儲能系統(tǒng)的頂層規(guī)劃設計顯得尤為重要，本工作總結(jié)了規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)的應用現(xiàn)狀，列舉了國內(nèi)儲能相關(guān)的示范工程，進而對多元儲能技術(shù)的關(guān)鍵特性進行了分析。本工作通過優(yōu)化全壽命周期LCOE模型方法，更新了儲能度電成本數(shù)據(jù)，對多元儲能技術(shù)經(jīng)濟性進行了測算，總結(jié)得出相關(guān)結(jié)論并對儲能系統(tǒng)的規(guī)?；ㄔO給出建議，具有一定的實際意義和參考價值。

1 多元電化學儲能應用現(xiàn)狀

我國儲能技術(shù)已進入大規(guī)模應用及推廣階段，主要涉及儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)調(diào)頻、削峰填谷、提高可再生能源并網(wǎng)能力等方面的應用[9]。目前，在我國湖南、江蘇等多地已建立百兆瓦級電池儲能系統(tǒng)應用示范電站，并已開始在福建寧德建設吉瓦級儲能電站工程。不止鋰離子電池儲能電站跨入百兆瓦級的規(guī)模，全釩液流電池與鈉硫電池儲能電站相繼有百兆瓦級工程落地，多種儲能技術(shù)由商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變。相較于其他儲能技術(shù)，電化學儲能目前經(jīng)濟性較高，未來成本優(yōu)勢還會繼續(xù)擴大。國內(nèi)電化學電池儲能技術(shù)應用的典型案例見表1。

表1 百兆瓦級多元儲能技術(shù)應用Table 1 Domestic energy storage technology application cases

2 多元電化學儲能度電成本分析

多元儲能技術(shù)可劃分為機械儲能、電磁儲能、電化學儲能、相變儲能、化學儲能五類。其中電化學儲能是新型儲能技術(shù)中最重要的一部分，特點在于功率和能量可根據(jù)不同應用需求靈活配置，響應速度快，不受地理資源等外部條件的限制，適合大規(guī)模應用和批量化生產(chǎn)，但目前仍因使用壽命、造價等因素受到限制。

2.1 儲能技術(shù)成本構(gòu)成

隨著多元電化學儲能技術(shù)的單位容量成本不斷下降，儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性不斷提升。儲能成本和收益作為投資的關(guān)鍵因素，無疑會對儲能大規(guī)模推廣和應用造成影響。本工作以電化學儲能為例，從建設成本、運營成本、資金成本等角度重點研究成本的影響因素以及降低成本的措施，以對新型儲能電站的建設投資提供決策依據(jù)。

在電化學儲能電站的成本構(gòu)成中，電池成本占據(jù)總成本60%以上。電池選型對儲能成本影響較大，應結(jié)合儲能需求、應用場景、安全性、系統(tǒng)參數(shù)等因素綜合考慮。電池成本和電池技術(shù)的不足也將限制電化學儲能在新型電力系統(tǒng)中進一步大規(guī)模應用。

儲能電站的成本構(gòu)成包含初始投資成本、運維成本、換電成本、附加成本、電站殘值等，如圖1所示。目前，電化學儲能技術(shù)處于規(guī)?；l(fā)展初期，面臨投資回收機制、成本疏導機制不完善、服務價值體現(xiàn)不充分等問題。如果能將電網(wǎng)替代性儲能設施成本收益納入輸配電價，無疑能加快有關(guān)儲能項目的成本回收。將儲能納入輔助服務范圍，通過市場化方式回收儲能成本，對儲能投資具有積極作用。

圖1 儲能電站的成本構(gòu)成Fig. 1 Cost components of energy storage plants

2.2 多元儲能優(yōu)化度電成本模型

本工作的優(yōu)化全壽命周期LCOE模型根據(jù)平準化度電成本方法改進，在度電成本計算中進行了優(yōu)化，均采用現(xiàn)值計算，充分考慮了儲能介質(zhì)的充放電深度、充放電效率、容量衰減等參數(shù)的影響，增加了儲能電站的資金成本和換電成本，在不考慮收益情況下，直觀地體現(xiàn)新型儲能的技術(shù)經(jīng)濟性。根據(jù)當前已公布的最新電池數(shù)據(jù)，較為全面地測算不同儲能技術(shù)現(xiàn)階段的度電成本。該模型從技術(shù)經(jīng)濟角度出發(fā)，不考慮電網(wǎng)側(cè)的輸電成本，計算公式表示為：

式中，Ctotal為儲能技術(shù)全壽命周期總成本現(xiàn)值，元；Etotal為儲能技術(shù)全壽命周期發(fā)電量現(xiàn)值，kWh；Cinv為初始投資成本，元；COM表示運營維護總成本現(xiàn)值，元；CR表示換電成本現(xiàn)值，元；Crec為電站固定資產(chǎn)殘值現(xiàn)值，元；Ccharge表示充電成本現(xiàn)值，元；Ccapital表示投資資金成本，元；En表示儲能電站年發(fā)電量，kWh；r為折現(xiàn)率，%；n為儲能系統(tǒng)運行年份(1，2，3，…，N)，包含換電后年份。

（1）儲能電站初始投資成本。儲能電站建設的初始一次性投資成本可分為儲能容量成本和功率成本，容量成本是儲能電站提供能量時產(chǎn)生的成本，主要由電池本體、集成裝置以及BMS 構(gòu)成；功率成本是儲能電站提供功率的成本，一般為PCS、輔助設施等。

式中，δP為單位功率成本，元/kW；δE表示單位容量成本，元/kWh；P表示儲能電站的額定充放電功率，kW；E表示儲能電站的額定容量，kWh。

（2）儲能電站運營維護總成本現(xiàn)值。儲能電站運維總成本主要包括容量運維成本、功率運維成本和人工成本。功率和容量的年運維成本現(xiàn)值之和表示如下：

式中，δP,OM為單位功率年運維成本，元/kW；δE,OM為單位容量年運維成本，元/kWh。

若上述的單位功率和容量年運維成本難以確定，則儲能電站運維總成本可按照初始投資成本的一定比例估算。儲能電站的運維總成本現(xiàn)值可表示為：

式中，μ表示儲能的運維成本系數(shù)。

（3）儲能電站換電成本現(xiàn)值?？紤]到儲能電池性能隨使用次數(shù)增加逐漸下降，當儲能電池性能難以達到儲能電站的要求時，在儲能電站中更換電池可以提高儲能電站使用期限，提高儲能電站投資利用效率，縮短投資回收期。而儲能PCS 和輔助設備壽命較長，可使用20 年以上，不考慮更換。儲能電站換電成本現(xiàn)值表示如下：

式中，τ為儲能成本年均下降比例；t為換電年份；δR為單位容量換電成本，元/kWh。

（4）資金成本現(xiàn)值。資金成本包括稅金支出、貸款利息等。稅金支出含增值稅、所得稅和銷售稅金附加等。儲能電站投資建設一次性投入較大，自有資金比例在20%～30%，其余為貸款。貸款占總投資的比例以及貸款利息對于儲能電站的成本也有一定影響。

式中，Taxn表示儲能電站的年度稅收，元；In表示貸款利息，元。

（5）充電成本現(xiàn)值。為對比不同儲能技術(shù)的度電成本，本工作采用統(tǒng)一的電價進行測算。根據(jù)目前的政策，國內(nèi)儲能電站通常采用兩部制電價策略。儲能電站的充電成本現(xiàn)值表示為：

式中，Pc為充電電價，元；θDOD為儲能電池充放電深度，%；Tn為儲能電站年循環(huán)次數(shù)。

（6）儲能電站固定資產(chǎn)殘值現(xiàn)值。儲能電站會隨著運營過程產(chǎn)生損耗，固定資產(chǎn)價值降低。儲能電站壽命周期結(jié)束后，回收儲能電站獲取殘值可抵消一部分成本，儲能電站的殘值與初始投資安裝成本和回收系統(tǒng)有關(guān)，可表示為：

式中，γ為儲能電站殘值回收率，%。

（7）儲能電站年發(fā)電量

式中，φ表示系統(tǒng)能量效率，%；η表示電池平均容量衰減率，%。

2.3 多元儲能技術(shù)度電成本分析

考慮鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池、全釩液流電池等目前主流電化學儲能技術(shù)，各儲能技術(shù)的經(jīng)濟性參數(shù)見表2，測算其優(yōu)化后的全壽命周期度電成本，對比各類儲能技術(shù)的經(jīng)濟性。

表2 儲能系統(tǒng)關(guān)鍵經(jīng)濟性指標Table 2 Key economic indicators of energy storage systems

按照100 MW/200 MWh規(guī)模的儲能電站測算，儲能時長按2 h，折現(xiàn)率為8%，每天滿充滿放一次，年運行360 d，電站評估期為20 a，電站殘值為5%，充電電價按現(xiàn)行兩部制電價執(zhí)行約為0.25元/kWh。

按照以上參數(shù)進行測算，若不計充電成本，由于鈉硫電池技術(shù)成熟度不夠，導致全壽命周期度電成本最高，達到1.1985元/kWh，遠遠超過鋰離子電池，鉛酸電池達0.9552 元/kWh 次之，全釩液流電池0.8762元/kWh。百兆瓦鋰離子電池全壽命周期度電成本最低，大約在0.6634元/kWh，距離規(guī)?；瘍δ軕媚繕?.3～0.4元/kWh還有一定差距。目前儲能中以抽水蓄能的經(jīng)濟性最優(yōu)，度電成本約為0.21～0.25元/kWh[6]。

若按固定的充電電價計及充電成本，全壽命周期LCOE見表3。從表3中可以看出，各儲能技術(shù)的度電成本均有0.3～0.4 元/kWh 的提升，充電電價對度電成本和儲能的經(jīng)濟性影響很大。

表 3 優(yōu)化全壽命周期LCOE測算結(jié)果Table 3 Optimized whole life cycle LCOE measurement results

儲能全壽命周期LCOE受容量成本、電站年循環(huán)次數(shù)(年運行小時數(shù))的影響較大。不同規(guī)模的儲能電站全壽命周期LCOE如圖2所示。圖2中，相同功率的情況下，隨著儲能電站的容量不斷增大，全壽命度電成本將逐漸降低，且下降規(guī)律類似，故規(guī)?；ㄔO儲能電站能有效降低儲能的度電成本，規(guī)模化建設儲能電站將是未來的大勢所趨。

圖2 不同規(guī)模儲能全壽命周期LCOEFig. 2 Life-cycle LCOE for different sizes of energy storage

根據(jù)目前的研發(fā)速度，鋰電池成本以每年約10%的速度下降，2025 年鋰電池成本有望降低到0.5元/Wh。依據(jù)國家發(fā)改委、能源局印發(fā)的《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》，至2025年儲能進入規(guī)?；l(fā)展階段，電化學儲能系統(tǒng)成本降低30%測算，鋰離子儲能技術(shù)的度電成本將達到0.42元/kWh，基本實現(xiàn)規(guī)?；瘍δ軕玫哪繕?。當下多元的儲能技術(shù)亟須探索、完善其商業(yè)運營模式，積極通過市場化的手段合理疏導儲能成本。

3 多元電化學儲能經(jīng)濟性分析

3.1 多元電化學儲能技術(shù)對比

多元電化學儲能中的儲能介質(zhì)從早期的鉛酸電池發(fā)展到現(xiàn)在的鉛碳電池、液流電池、鈉硫電池、鋰電池等不同類型，其性能特性和適用的場景各不相同[16]。不同電池技術(shù)也表現(xiàn)出不同的化學反應原理、能量特性、安全特性和壽命特性。表4列出了目前最新的多元電化學儲能電池技術(shù)特性和性能指標。

表4 多元電化學儲能技術(shù)特性Table 4 Multiple electrochemical energy storage technology features

圖3 對比了多元電化學儲能的技術(shù)特征。圖3中，鋰離子電池綜合性能較好，能量、功率密度大、能量效率高，且度電成本較低，適合大規(guī)模應用在各種場景。隨著鋰離子電池制造技術(shù)的完善和成本的不斷降低，鋰離子電池儲能具有良好的應用前景。目前標準要求新建的鋰電池儲能電站的交流側(cè)效率不低于85%，放電深度不低于90%，電站利用率不低于90%，充放電次數(shù)不低于6000次。

圖3 多元電化學儲能技術(shù)對比Fig. 3 Comparison of multiple electrochemical energy storage technologies

鉛酸電池成本低、產(chǎn)業(yè)制造成熟。但鉛酸電池目前存在充電速度慢、能量密度較低、壽命短、回收困難等缺點。以上缺點使其不適用于新能源發(fā)電、大規(guī)模儲能電站等領域。目前鉛碳電池在用戶側(cè)具有較大優(yōu)勢，在儲能應用上已初具經(jīng)濟性。鉛碳電池的安全性高、價格較低、循環(huán)壽命達3500以上。相對于其他電化學儲能技術(shù)，投資回收期較短，隨著儲能規(guī)模的進一步增加，鉛碳電池的成本還會進一步降低。

鈉硫電池儲能能量密度、功率密度高，體積小、無自放電現(xiàn)象、充放電效率接近100%，環(huán)境適應性強。鈉硫電池便于模塊化制造、安裝，建設周期短，可根據(jù)用途和建設規(guī)模分期安裝，可作為極端環(huán)境下可靠、長時的儲能系統(tǒng)電池，適用于6個小時以上的長時電化學儲能[17]，但同時存在占地面積較大的問題。

全釩液流電池的產(chǎn)業(yè)化成熟，但其經(jīng)濟性受到電解液成本的影響很大，未來還需走開發(fā)新材料、降低電池成本的路線，發(fā)揮其大容量、長時的儲能特性以及高安全性、長壽命、功率與容量獨立等特點。

3.2 多元電化學儲能成本對比

目前，單一儲能技術(shù)難以滿足新型電力系統(tǒng)對多時間尺度功率以及能量規(guī)?；男枨?。隨著電源結(jié)構(gòu)的變化，新型電力系統(tǒng)面臨著電力、電量或者功率、能量不平衡問題[18]。

多元電化學儲能的功率成本、容量成本、運行維護成本對比如圖4所示。圖4中，鈉硫電池與全釩液流電池的單位容量成本較高，鉛酸電池的單位容量成本最低。成本對比中，單位容量成本的數(shù)值最大，影響儲能總成本幅度最大。

圖4 多元電化學儲能成本對比Fig. 4 Cost comparison of multiple electrochemical energy storage

100 MW/200 MWh規(guī)模的多元電化學儲能成本占比如圖5所示，可以看出電站初始投資成本的比重最大，全釩液流電池的初始投資成本占比可達到70%，這說明降低儲能電站的初始投資成本(功率成本、容量成本)，可有效降低儲能電站的總成本，提高電化學儲能電站的經(jīng)濟性。鉛酸電池和鈉硫電池與鋰離子電池和全釩液流電池相比增加了換電成本，且度電成本也較高，表明電化學儲能電站追求長壽命的儲能電池，電池的壽命對儲能電站的經(jīng)濟性有很大影響。

圖5 多元電化學儲能電站成本占比Fig. 5 Cost share of diversified electrochemical energy storage plants

綜上，在現(xiàn)有技術(shù)和投資成本的情況下，以降低成本的方式提高多元電化學儲能經(jīng)濟性的關(guān)鍵在于降低儲能的初始投資成本和單位容量成本。隨著儲能電站的容量不斷增大，全壽命周期度電成本將逐漸降低。在規(guī)?；瘍δ芙ㄔO的過程中盡可能提高壽命周期和效率，降低儲能項目壽命周期內(nèi)的成本。儲能的大規(guī)模應用還需依靠儲能技術(shù)的進步、經(jīng)濟性的提高和市場商業(yè)模式的完善。未來儲能技術(shù)的發(fā)展趨勢將朝向多元化、多種技術(shù)并行發(fā)展。儲能應用將重視規(guī)模化、多元化的應用。儲能技術(shù)、電池技術(shù)和配套設備將結(jié)合新型電力系統(tǒng)的多元需求、多元場景共同發(fā)展。

4 儲能規(guī)?；?jīng)濟發(fā)展建議

近年來大容量電化學儲能技術(shù)得到了快速發(fā)展和應用。儲能系統(tǒng)聯(lián)合運行的經(jīng)濟性是新型電力系統(tǒng)可持續(xù)健康發(fā)展的重要基礎[19-20]。未來鋰離子電池的經(jīng)濟優(yōu)勢依舊，鈉硫電池、液流電池隨著技術(shù)發(fā)展也將嶄露頭角。到2025年，鋰離子儲能的度電成本有望下降到0.42元/kWh。本工作對規(guī)?；嘣娀瘜W儲能的經(jīng)濟發(fā)展做出以下總結(jié)與建議。

（1）電化學儲能技術(shù)性能不斷提升、成本持續(xù)下降，其規(guī)?；瘧靡堰_到商業(yè)化運營的經(jīng)濟拐點。隨著電化學儲能電站的規(guī)模不斷增加，未來電化學儲能的度電成本有很大的下降空間，但距規(guī)?；瘧?.3～0.4元/kWh仍有差距。

（2）通過對比分析，提升多元電化學儲能經(jīng)濟性的關(guān)鍵在于提高電池的循環(huán)次數(shù)和降低儲能的成本，其中最重要的是降低儲能的初始投資成本和單位容量成本，初始投資成本占總成本的50%以上。

（3）積極開展儲能經(jīng)濟性研究工作，通過多種方式降低儲能投資成本，通過市場化的手段可以合理疏導儲能投資成本，激發(fā)儲能的發(fā)展動力。