退役磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于儲(chǔ)能場(chǎng)景的投資回報(bào)期分析

退役動(dòng)力蓄電池梯次利用于電力儲(chǔ)能領(lǐng)域是行業(yè)內(nèi)正在示范的重要應(yīng)用方向之一,在技術(shù)可行性可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)的基礎(chǔ)上,經(jīng)濟(jì)性成為支撐該場(chǎng)景可持續(xù)發(fā)展的重要因素。本此研究,通過(guò)結(jié)合實(shí)際工程案例和有關(guān)研究結(jié)論,建立儲(chǔ)能場(chǎng)景的投資回報(bào)周期測(cè)算方式,并得出0.8-8MW級(jí)別儲(chǔ)能系統(tǒng)在削峰填谷運(yùn)營(yíng)下的投資回報(bào)周期約為2-7.5年。

一般情況下,當(dāng)動(dòng)力電池放電容量低于初始容量的80%時(shí),將導(dǎo)致出現(xiàn)續(xù)航里程下降性能問(wèn)題,降低車(chē)輛使用體驗(yàn),此時(shí)動(dòng)力電池將從車(chē)上退役進(jìn)入綜合利用階段。按照“先梯級(jí)利用,后資源化利用”的資源最大化使用原則,退役動(dòng)力電池的梯級(jí)利用被認(rèn)為具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,已在各種場(chǎng)景有應(yīng)用示范實(shí)例。

在電力儲(chǔ)能場(chǎng)景,電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)成熟,2019年,其累計(jì)裝機(jī)規(guī)模約為1072.7MW,突破GW大關(guān)。隨著儲(chǔ)能電池使用規(guī)模不斷增加,以退役動(dòng)力電池來(lái)替代傳統(tǒng)的鉛酸電池和儲(chǔ)能鋰電池,對(duì)解決循環(huán)壽命低、電池購(gòu)置成本高等問(wèn)題將起到積極作用。本次研究,通過(guò)構(gòu)建投資回報(bào)周期測(cè)算模型,充分使用調(diào)研數(shù)據(jù)、已有案例和研究結(jié)論,分別選取大小兩種規(guī)模的MW級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng),以削峰填谷作為收益來(lái)源,得出其投資回報(bào)周期為2-7.5年,顯示出應(yīng)用于用戶側(cè)的削峰填谷儲(chǔ)能系統(tǒng)容量越小則越具有顯著的投資回報(bào)優(yōu)勢(shì)。

一、投資回報(bào)周期測(cè)算模型

(一)投資回報(bào)周期測(cè)算基礎(chǔ)模型。以投入成本和收益達(dá)到平衡的時(shí)間,作為投資回報(bào)周期,即:初始投資建設(shè)成本+系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本*時(shí)間=收益*時(shí)間,測(cè)得的時(shí)間值為投資回報(bào)周期。

(二)本次研究投資回報(bào)周期測(cè)算基礎(chǔ)模型。初始投資建設(shè)成本(設(shè)為C)有以下3方面構(gòu)成:電池成本(設(shè)為C電池)、運(yùn)輸成本(設(shè)為C運(yùn)輸)、系統(tǒng)構(gòu)架成本(設(shè)為C構(gòu)架)。系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本有以下2方面構(gòu)成:充電電費(fèi)支出(設(shè)為C充電)和系統(tǒng)運(yùn)維成本(設(shè)為C運(yùn)維)。收益來(lái)源可包含2方面:削峰填谷下的電價(jià)差收益(設(shè)為P電價(jià)差)和需量電費(fèi)收益(設(shè)為P需量)。綜上,投資回報(bào)周期(設(shè)為T(mén))測(cè)算模型為C電池+C運(yùn)輸+C構(gòu)架+C運(yùn)維×T=(P電價(jià)差+P需量)×T。本次研究在投資回報(bào)周期內(nèi),對(duì)系統(tǒng)設(shè)備折舊不作考慮,儲(chǔ)能用電池更換費(fèi)用計(jì)入運(yùn)維成本支出中,詳細(xì)成本和收益項(xiàng)目構(gòu)成如圖1所示。

二、測(cè)算分析

以退役磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能介質(zhì),分8MWh和0.8MWh兩種大小規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng),用戶側(cè)移峰填谷獲取電價(jià)差收益的儲(chǔ)能應(yīng)用方式為例,進(jìn)行投資回報(bào)周期測(cè)算。

(一)8MWh(1MW×8h)電力儲(chǔ)能系統(tǒng)投資回報(bào)周期測(cè)算

1.成本支出測(cè)算

(1)初始投資建設(shè)成本

電池成本。由購(gòu)置成本和篩選重組成本兩部分組成。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研,市場(chǎng)上每Wh廢舊磷酸鐵鋰電池購(gòu)買(mǎi)價(jià)格約為0.1元。按退役動(dòng)力電池篩選合格率90%,支持8MWh系統(tǒng)有效電量,則需購(gòu)買(mǎi)約9MWh退役動(dòng)力電池,其中篩選后淘汰的廢舊動(dòng)力電池按購(gòu)進(jìn)賣(mài)出處理,不產(chǎn)生收支考慮。計(jì)算得電池購(gòu)置成本(C電池購(gòu)置)約為90萬(wàn)元。電池篩選重組成本主要包括人工、測(cè)試設(shè)備折舊、電費(fèi)成本支出費(fèi)用等,本此研究視為一類(lèi)費(fèi)用支出,按已有研究結(jié)果數(shù)據(jù),每MWh約需22.2萬(wàn)元,則9MWh廢舊電池的該項(xiàng)支出約為199.8萬(wàn)元。綜上,電池成本(C電池)合計(jì)為289.8萬(wàn)元。

運(yùn)輸成本。按已有研究結(jié)果數(shù)據(jù),每MWh約支出需2.2萬(wàn)元,則9MWh廢舊電池的該項(xiàng)支出(C運(yùn)輸)約為19.8萬(wàn)元。

系統(tǒng)構(gòu)架成本。按已有研究結(jié)果數(shù)據(jù),8MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)的配電設(shè)備支出約需544萬(wàn)元、監(jiān)控系統(tǒng)支出約需80萬(wàn)元、電池箱支出約需192萬(wàn)元、電池柜支出約需104萬(wàn)元、建筑工程費(fèi)用(房屋建設(shè)和土地使用成本)支出約需816萬(wàn)元。綜上,系統(tǒng)構(gòu)架成本(C構(gòu)架)約需1736萬(wàn)元。

由此三項(xiàng)成本加和,可得使用退役磷酸鐵鋰電池構(gòu)成的8MWh儲(chǔ)能電站系統(tǒng)初始投資建設(shè)成本需要2045.6萬(wàn)元。考慮到充放電成本收入與工況的關(guān)聯(lián)性,將系統(tǒng)充電成本(C充電)置于收益中進(jìn)行測(cè)算。

(2)系統(tǒng)運(yùn)維成本。系統(tǒng)的運(yùn)維成本包括檢修費(fèi)用、備品備件購(gòu)置費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)以及管理費(fèi)用,本次研究視為一類(lèi)費(fèi)用支出,按已有研究結(jié)果數(shù)據(jù),每MWh年需約4.4萬(wàn)元,則8MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)的該項(xiàng)支出年約35.2萬(wàn)元。

2.削峰填谷收益

我國(guó)對(duì)大工業(yè)用電執(zhí)行的兩部制電價(jià)制度,因此,收益來(lái)源于電價(jià)差的電度電費(fèi)收益和基本電費(fèi)收益2部分。其中電度電費(fèi)收益,以北京市地區(qū)執(zhí)行的郊區(qū)非居民大工業(yè)35千伏用電電度電價(jià)作為基礎(chǔ),即谷值充電電價(jià)為0.3446元/KWh,峰值時(shí)段放電電價(jià)為0.9484元/KWh。每年按320個(gè)工作日,每天24h工作循環(huán)作為系統(tǒng)工況,測(cè)得每個(gè)工作日充電電費(fèi)約為2.2萬(wàn)元,放電收益電費(fèi)約為3萬(wàn)元,則每個(gè)工作日電價(jià)差收益約為0.8萬(wàn)元。每個(gè)工作日儲(chǔ)能系統(tǒng)工況和充放電收益情況如表1所示。

其中需量電費(fèi)收益,以北京市地區(qū)執(zhí)行的郊區(qū)非居民大工業(yè)用電35千伏基本電價(jià)作為基礎(chǔ),即最大需量電價(jià)48元/KW·月,即基本電價(jià)×計(jì)費(fèi)容量(計(jì)費(fèi)容量是用電用戶契約合同最大需量申報(bào)值,申報(bào)值可在原合同基礎(chǔ)上遞減到儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)的功率值)。則本次研究的1000KW系統(tǒng)可降低計(jì)費(fèi)容量幅度為1000KW,基本電價(jià)收益則為申報(bào)遞減幅度×基本電價(jià),即1600元/天。綜上,8MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)每個(gè)工作日收益為0.96萬(wàn)元,即年收益為307萬(wàn)元。

3.投資回報(bào)周期

將以上測(cè)得成本和收益情況,代入C電池+C運(yùn)輸+C構(gòu)架+C運(yùn)維×T=(P電價(jià)差+P需量)×T,即289.8+19.8+1736+35.2×T=307×T,得T為7.5。由此可知,使用退役磷酸鐵鋰電池構(gòu)成的8MWh儲(chǔ)能電站系統(tǒng)投資回報(bào)周期約為7.5年。

(二)0.8MWh(0.2MW×4h)儲(chǔ)能系統(tǒng)投資回報(bào)周期測(cè)算

主要差異為由于系統(tǒng)容量下降導(dǎo)致初始投資建設(shè)成本對(duì)應(yīng)下降,按照儲(chǔ)能系統(tǒng)功率類(lèi)別,將電價(jià)測(cè)算基礎(chǔ)由北京市地區(qū)執(zhí)行的郊區(qū)非居民大工業(yè)用電調(diào)整為一般工商業(yè)用電類(lèi)別,測(cè)算充電電費(fèi)和放電收益。

1.成本支出測(cè)算

(1)初始投資建設(shè)成本。參照8MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)所需電池成本進(jìn)行測(cè)算,對(duì)應(yīng)電池購(gòu)置和篩選重組成本下降(C電池)26.5萬(wàn)元,運(yùn)輸成本對(duì)應(yīng)支出(C運(yùn)輸)約為1.6萬(wàn)元,系統(tǒng)構(gòu)架成本對(duì)應(yīng)支出(C構(gòu)架)約為173.6萬(wàn)元。由此三項(xiàng)成本加和,可得使用退役磷酸鐵鋰電池構(gòu)成的0.8MWh儲(chǔ)能電站系統(tǒng)初始投資建設(shè)成本需要201.7萬(wàn)元。系統(tǒng)充電成本(C充電)在收益中進(jìn)行測(cè)算。

(2)系統(tǒng)運(yùn)維成本。參照8MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)所需電池成本進(jìn)行測(cè)算,對(duì)應(yīng)支出年約3.5萬(wàn)元。

2.削峰填谷收益

我國(guó)對(duì)一般工商業(yè)用戶只收取電度電費(fèi),收益來(lái)源只來(lái)自于電價(jià)差的電度電費(fèi)收益。以北京市地區(qū)執(zhí)行的郊區(qū)非居民一般工商業(yè)20千伏用電電度電價(jià)作為基礎(chǔ),即谷值充電電價(jià)為0.3488元/KWh,峰值時(shí)段放電電價(jià)為1.3612元/KWh。每年按320個(gè)工作日,每天24h工作循環(huán)作為系統(tǒng)工況,測(cè)得每個(gè)工作日充電電費(fèi)約為0.11萬(wàn)元,放電收益電費(fèi)約為0.44萬(wàn)元,則每個(gè)工作日電價(jià)差收益約為0.32萬(wàn)元,則系統(tǒng)年收益為102.4萬(wàn)元。每個(gè)工作日儲(chǔ)能系統(tǒng)工況和充放電收益情況如表2所示。

3.投資回報(bào)周期

將以上測(cè)得成本和收益情況,代入C電池+C運(yùn)輸+C構(gòu)架+C運(yùn)維×T=P電價(jià)差×T,即26.5+1.6+173.6+3.5×T=102.4×T,得T為2。由此可知,使用退役磷酸鐵鋰電池構(gòu)成的0.8MWh儲(chǔ)能電站系統(tǒng)投資回報(bào)周期約為2年。

三、總結(jié)

本次研究以實(shí)際工程案例和有關(guān)研究結(jié)論為基礎(chǔ),對(duì)儲(chǔ)能電站系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程的投入和產(chǎn)出情況進(jìn)行縱向分析,得出MW級(jí)別兩類(lèi)不同容量規(guī)模的系統(tǒng)投資回報(bào)周期情況,顯示出小儲(chǔ)能電站系統(tǒng)具有明顯的投資回報(bào)優(yōu)勢(shì)。