電動(dòng)汽車儲(chǔ)能投資成本及價(jià)值分析

近期，國家發(fā)改委能源研究所、自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)、中關(guān)村儲(chǔ)能聯(lián)盟合作撰寫的《電動(dòng)汽車儲(chǔ)能應(yīng)用潛力及成本分析》報(bào)告對未來中國電動(dòng)汽車儲(chǔ)能潛力進(jìn)行了展望,并評(píng)估了各類電動(dòng)汽車儲(chǔ)能方式經(jīng)濟(jì)性。該報(bào)告指出，電動(dòng)汽車儲(chǔ)能可顯著提升電力系統(tǒng)可再生能源消納能力，且各類電動(dòng)汽車儲(chǔ)能方式都有望在2030年前實(shí)現(xiàn)峰谷差平價(jià)，其中有序充電和電池更換平價(jià)時(shí)間更能出現(xiàn)在2025年前。

以下為報(bào)告摘要：

一、電動(dòng)汽車儲(chǔ)能應(yīng)用潛力

電動(dòng)汽車可通過有序充電、車電互聯(lián)、退役電池儲(chǔ)能等方式直接或間接參與電力系統(tǒng)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)與儲(chǔ)能相同或相似的系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值?？紤]到未來電動(dòng)汽車的高市場滲透率,其2030年理論儲(chǔ)能規(guī)?？蓾M足高比例可再生能源系統(tǒng)中小時(shí)級(jí)電力平衡,有效解決當(dāng)前困擾可再生能源發(fā)展的電力系統(tǒng)短期調(diào)峰能力不足的問題。

以下2017-2030年四類電動(dòng)汽車儲(chǔ)能方式理論儲(chǔ)能規(guī)模預(yù)測結(jié)果,其中有序充電(SC)規(guī)模相對偏低,日均可調(diào)節(jié)量為947GWh;車電互聯(lián)(V2G)規(guī)模最高,理論儲(chǔ)能容量達(dá)到5075GWh。

二、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

(1) 投資成本

在各類電動(dòng)汽車儲(chǔ)能方式中,有序充電相對成本最低,但其儲(chǔ)能應(yīng)用潛力受限于出行強(qiáng)度;車電互聯(lián)儲(chǔ)能應(yīng)用潛力最高,但其市場化推廣取決于電池技術(shù)進(jìn)步與成本下降速度;電池更換儲(chǔ)能平準(zhǔn)化成本(全生命周期成本)與峰谷價(jià)差的平價(jià)時(shí)間最早,但其應(yīng)用存在一定車型種類和出行規(guī)律要求。綜合LCOS分析結(jié)果,各類電動(dòng)汽車儲(chǔ)能方式都有望在2030年前實(shí)現(xiàn)峰谷差平價(jià),其中有序充電和電池更換平價(jià)時(shí)間更能出現(xiàn)在2025年前。

1)有序充電

與電力需求響應(yīng)類似,電動(dòng)汽車有序充電的成本很大程度上受用戶參與意愿度的影響。用戶參與有序充電存在行為成本,不同種類電動(dòng)汽車用戶存在較大成本差異。與傳統(tǒng)用電負(fù)荷不同,電動(dòng)汽車充電與用車行為并不同步,在車輛停駛時(shí)段調(diào)節(jié)充電時(shí)間不會(huì)對用戶出行帶來顯著影響,其參與需求響應(yīng)的行為成本相對較低?？傮w而言,出租車、共享車等運(yùn)營車隊(duì)參與有序充電的行為成本較高,私家車參與有序充電的行為成本較低;公交、物流車輛在運(yùn)營高峰時(shí)段有序充電的行為成本偏高,在運(yùn)營低谷及夜間參與有序充電的行為成本較低。

2)車電互聯(lián)

除車輛行駛所需電能外,V2G可將動(dòng)力電池剩余電能反送電網(wǎng),從而實(shí)現(xiàn)與固定電池相似的儲(chǔ)能作用。但與有序充電不同,電動(dòng)汽車V2G涉及車載充放電機(jī)或新型電機(jī)控制器的硬件升級(jí),因而會(huì)帶來較為明顯的新增投資。與固定電池儲(chǔ)能系統(tǒng)類似,儲(chǔ)能單元(動(dòng)力電池)成本是V2G經(jīng)濟(jì)性的重要影響因素。

從2013到2017年,成本下降了約三分之二。隨著電芯能量密度提升和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化,動(dòng)力電池制造成本還將不斷下降,2020年純電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)單價(jià)有望降至1元/Wh15。2016年共有196家BMS配套企業(yè),國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品裝機(jī)量達(dá)49.5萬輛,占比95.8%。隨著BMS出貨量擴(kuò)大,BMS價(jià)格也在持續(xù)下降,以乘用車為例,2016年BMS出貨價(jià)格在1萬元/套左右,比2012年下降50%。2020年BMS價(jià)格有望控制在3000-5000元/套。

3)電池更換

電池更換的投資包括換電與充放電設(shè)施投資,以及額外備用電池投資等。由于換電設(shè)備和電池充電設(shè)備屬于交通部門的已投入成本,因此本研究主要聚焦因電池參與儲(chǔ)能所新增的電池老化及放電設(shè)備的投入,其中電池參與儲(chǔ)能服務(wù)的老化成本可納入可變運(yùn)維成本,放電設(shè)備成本主要考慮功率轉(zhuǎn)換裝置中新增的逆變器成本。這與V2G情況相似,不同點(diǎn)在于V2G車輛屬于分散接入,而電池更換所需的充電和放電設(shè)備可以集中安裝和集中運(yùn)行,因此就單位千瓦投資而言,電池更換模式中的新增功率元器件投資相對更低。

4)退役電池

動(dòng)力電池的利用應(yīng)遵循先梯級(jí)利用后再生利用的原則。電動(dòng)汽車對車載動(dòng)力電池的容量、比能量等性能參數(shù)有較高要求,當(dāng)動(dòng)力電池性能難以滿足車用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)必須對電池進(jìn)行更換。從電動(dòng)汽車上退役的動(dòng)力電池通常還保有相當(dāng)容量保持率,可應(yīng)用在對能量密度要求不高的固定儲(chǔ)能應(yīng)用場景。對退役動(dòng)力電池進(jìn)行梯次利用將有助于降低電動(dòng)汽車用戶及電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能成本,讓較高的儲(chǔ)能成本能夠在較長的使用壽命中在一次、二次用戶中進(jìn)行分?jǐn)偂Ｈ欢?dāng)前退役電池梯次利用存在一定成本問題。梯次利用所涉及的回收、拆解、檢測、集成都會(huì)對退役電池梯次利用經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響。同時(shí),隨著動(dòng)力電池市場規(guī)模不斷擴(kuò)大,新電池成本及價(jià)格將快速下降,繼而對電池梯次利用市場競爭力產(chǎn)生威脅。

(2)全生命周期成本

對于實(shí)際的儲(chǔ)能項(xiàng)目投資,全生命周期成本更加具有現(xiàn)實(shí)意義。全生命周期包含所有固定及可變運(yùn)維、退役部件更換、拆除回收及初始投資成本(Ccap)。全生命周期成本可通過平準(zhǔn)化方式表示,如元/年或元/千瓦時(shí)等。

對比四類電動(dòng)汽車儲(chǔ)能LCOS可見,固定電池儲(chǔ)能雖然初期成本較低,且可能較早進(jìn)入峰谷差平價(jià)(低電池成本情景),但后期成本下降速度較慢,若單純依賴儲(chǔ)能行業(yè)市場需求,其成本下降速度不足以使其平均平準(zhǔn)化成本在2030年前實(shí)現(xiàn)峰谷價(jià)差平價(jià)。

對于V2G,除常規(guī)成本因素外,電動(dòng)汽車用戶的參與意愿同樣影響到其實(shí)際應(yīng)用。不同于固定電池儲(chǔ)能,V2G車型動(dòng)力電池涵蓋交通運(yùn)輸和電力系統(tǒng)儲(chǔ)能兩層應(yīng)用,其綜合經(jīng)濟(jì)性和市場接受度受兩方面因素共同影響。本研究假設(shè)動(dòng)力電池優(yōu)先服務(wù)于交通出行,當(dāng)其單次充電續(xù)航里程和全生命周期續(xù)航里程同時(shí)能夠滿足交通出行需要時(shí),其電力系統(tǒng)儲(chǔ)能應(yīng)用價(jià)值開始體現(xiàn)。2017年國內(nèi)新售電動(dòng)汽車單次充電續(xù)航里程普遍達(dá)到300公里以上,基本可滿足用戶日均出行需求;以電池容量30千瓦時(shí)、充放電循環(huán)壽命1000次、車輛能效0.15千瓦時(shí)/公里計(jì)算,可累計(jì)支持電動(dòng)乘用車?yán)m(xù)航約20萬公里?？紤]到技術(shù)進(jìn)步驅(qū)動(dòng)電池容量及循環(huán)壽命等參數(shù)提升的效果,預(yù)計(jì)到2025年新售電動(dòng)汽車動(dòng)力電池可普遍達(dá)到30萬公里的累計(jì)續(xù)航能力,屆時(shí)V2G將開始得到實(shí)際應(yīng)用,其LCOS在0.33-1.09元之間,平均成本降速下LCOS為0.57元,低于典型地區(qū)峰谷價(jià)差水平。

電池更換成本下降軌跡與V2G十分相似,主要差異在于因集中安裝功率轉(zhuǎn)換裝置而降低的投資成本,該儲(chǔ)能模式的峰谷差平價(jià)時(shí)間也因此在四種模式中出現(xiàn)最早(約2022年)。

退役電池儲(chǔ)能成本需要基于動(dòng)力電池初始購置成本測算。因缺乏歷史數(shù)據(jù),本文退役電池儲(chǔ)能平準(zhǔn)化成本預(yù)測的起始時(shí)間為2021年,其成本下降軌跡呈現(xiàn)先快速下降,后明顯趨緩的態(tài)勢,反映出其初期購置退役電池成本低的優(yōu)勢和后期梯次利用成本降速偏慢的特點(diǎn)。從LCOS看,退役電池儲(chǔ)能的峰谷差平價(jià)時(shí)間為2025年,此后成本下降速度相當(dāng)有限。

三、電動(dòng)汽車儲(chǔ)能價(jià)值

在電力市場中,電動(dòng)汽車用戶、充電運(yùn)營商或充電負(fù)荷集成商是電動(dòng)汽車儲(chǔ)能服務(wù)的提供方,其產(chǎn)生的成本可通過降低容量電費(fèi)、電量電費(fèi)等方式獲得補(bǔ)償。各類發(fā)電商、電網(wǎng)公司分別通過降低燃料/減少棄風(fēng)和減少輸配電設(shè)施投資獲得價(jià)值。

充電價(jià)格是分配儲(chǔ)能價(jià)值在各利益相關(guān)方分布最為直接的方式,固定不變的充電價(jià)格顯然難以吸引電動(dòng)汽車用戶通過響應(yīng)電價(jià)參與儲(chǔ)能服務(wù),不但抑制了儲(chǔ)能價(jià)值的生成,更阻礙了價(jià)值在不同利益相關(guān)方間的流動(dòng)。為充分發(fā)掘電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能價(jià)值,國外部分地區(qū)已開始探索充電價(jià)格政策創(chuàng)新。

四、政策建議

電動(dòng)汽車具有可觀儲(chǔ)能潛力和經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)盡早通過政策布局予以合理引導(dǎo)。本報(bào)告因此提出以下政策及商業(yè)模式建議。

1.降低電動(dòng)汽車充電服務(wù)市場門檻

雖然電動(dòng)汽車具有極大儲(chǔ)能應(yīng)用潛力,但其儲(chǔ)能應(yīng)用價(jià)值需要通過合理的市場機(jī)制予以挖掘。電動(dòng)汽車儲(chǔ)能具有單位規(guī)模小、用戶分散、接入點(diǎn)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn),大量電動(dòng)汽車用戶分散納入系統(tǒng)運(yùn)行難度大。特別對于私家電動(dòng)汽車用戶,目前仍面臨住宅、辦公地點(diǎn)停車場地有限、充電設(shè)施安裝難的問題,需要通過機(jī)制與模式創(chuàng)新予以解決。因此,建議放開住宅及辦公地點(diǎn)充電市場,允許公共充電服務(wù)公司通過集中建設(shè)、集中運(yùn)行的方式為私家電動(dòng)汽車用戶提供充電服務(wù),從而為未來電動(dòng)汽車充電行為集中引導(dǎo)奠定基礎(chǔ)。

2.創(chuàng)新電動(dòng)汽車充電價(jià)格機(jī)制

現(xiàn)行電動(dòng)汽車價(jià)格由充電電價(jià)與充電服務(wù)費(fèi)構(gòu)成,分別反映充電電量及充電基礎(chǔ)設(shè)施投資成本。然而,與傳統(tǒng)的用電負(fù)荷不同,電動(dòng)汽車具有較強(qiáng)的靈活調(diào)度能力,當(dāng)前電動(dòng)汽車充電電價(jià)往往直接采用固定電價(jià),無法形成對充電行為的有效引導(dǎo)。適度擴(kuò)大電價(jià)峰谷差及提升電價(jià)波動(dòng)頻次有助于激勵(lì)電動(dòng)汽車用戶參與充電負(fù)荷調(diào)節(jié)。因此,應(yīng)鼓勵(lì)對私人充電樁執(zhí)行峰谷分時(shí)電價(jià),逐步放開公共充電樁目錄電價(jià)管理,鼓勵(lì)有條件的地方基于當(dāng)?shù)刎?fù)荷及新能源發(fā)電特性,引入靈活的分時(shí)充電價(jià)格機(jī)制。對于V2G及退役電池儲(chǔ)能等具有放電能力的并網(wǎng)方式,建議參考用戶側(cè)峰谷電價(jià)制定放電價(jià)格,或?qū)㈦妱?dòng)汽車V2G及退役電池儲(chǔ)能納入分布式發(fā)電資源管理,鼓勵(lì)電動(dòng)汽車放電參與電力就近交易。除提高電力系統(tǒng)靈活性外,充電服務(wù)還包含一系列商業(yè)推廣及大數(shù)據(jù)價(jià)值,現(xiàn)行基于充電設(shè)施建設(shè)成本的價(jià)格機(jī)制難以充分激勵(lì)社會(huì)資本投入充電設(shè)施投資運(yùn)營。因此應(yīng)首先理順電動(dòng)汽車充電價(jià)格機(jī)制,有序放開電價(jià)與服務(wù)費(fèi)政府管制,允許充電服務(wù)商與分散電動(dòng)汽車用戶簽訂靈活的充電服務(wù)價(jià)格套餐。此外,應(yīng)鼓勵(lì)充電服務(wù)商參與直購電和現(xiàn)貨市場交易,消除上游波動(dòng)性可再生能源電力與下游電動(dòng)汽車靈活負(fù)荷之間互動(dòng)的價(jià)格障礙。

3.以綠證/碳積分激勵(lì)有序充放電

單純追求車輛數(shù)規(guī)模無法真正促進(jìn)電動(dòng)汽車對可再生能源的有效消納,為激勵(lì)電動(dòng)汽車用戶參與電力系統(tǒng)調(diào)峰服務(wù),充分體現(xiàn)電動(dòng)汽車?yán)每稍偕茉吹娜芷诃h(huán)境價(jià)值,同時(shí)在電動(dòng)汽車補(bǔ)貼退坡后保障電動(dòng)汽車綜合經(jīng)濟(jì)性,建議將綠色證書/碳積分獎(jiǎng)勵(lì)納入電動(dòng)汽車電力消費(fèi)環(huán)節(jié),對參與電力需求響應(yīng)及儲(chǔ)能服務(wù)的充放電行為,按照單位千瓦時(shí)“轉(zhuǎn)移”電量,給予綠色證書或碳積分。對于未參加綠色證書或碳積分交易的有序充放電量,建議減免征收可再生能源電價(jià)附加。

4.開展電動(dòng)汽車儲(chǔ)能運(yùn)營綜合試點(diǎn)

電動(dòng)汽車儲(chǔ)能需要交通、能源、建筑等多部門技術(shù)與機(jī)制創(chuàng)新,應(yīng)首先通過開展綜合試點(diǎn)予以驗(yàn)證。因此建議結(jié)合新能源示范城市、電動(dòng)汽車示范運(yùn)營區(qū)、電力現(xiàn)貨市場交易、分布式能源市場交易等項(xiàng)目,協(xié)調(diào)發(fā)改、能源、工信、住建等政府職能部門,引入集中充電設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行模式,放開充電政府定價(jià),探索適應(yīng)我國國情的電動(dòng)汽車儲(chǔ)能商業(yè)運(yùn)營模式。