儲能的度電成本和里程成本分析

摘要

儲能是促進可再生能源消納和提升電網(wǎng)韌性的重要手段，而儲能成本是決定儲能技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模的重要參數(shù)。2019年第9期《電工電能新技術(shù)》(儲能應(yīng)用?？?發(fā)表文章《儲能的度電成本和里程成本分析》，結(jié)合產(chǎn)業(yè)調(diào)研對容量型儲能的度電成本和功率型儲能的里程成本進行了詳細(xì)測算。結(jié)果表明，電化學(xué)儲能目前的度電成本大致在0.6~0.9元/(kW·h)，距離規(guī)模應(yīng)用的目標(biāo)成本0.3~0.4元/(kW·h)還有差距。儲能技術(shù)的發(fā)展需要圍繞“低成本、長壽命、高安全和易回收”的目標(biāo)，在綜合考慮系統(tǒng)制造、系統(tǒng)壽命、系統(tǒng)安全和回收再生的基礎(chǔ)上，開發(fā)變革性的儲能技術(shù)和產(chǎn)品。論文工作為建設(shè)市場應(yīng)用導(dǎo)向的綠色儲能技術(shù)創(chuàng)新體系提供了重要參考。

1、研究背景

根據(jù)時長要求的不同，儲能的應(yīng)用場景大致可以分為容量型(≥4小時)、能量型(約1~2小時)、功率型(≤30分鐘)和備用型(≥15分鐘)四類。不同應(yīng)用場景對儲能技術(shù)的性能要求有所不同，而儲能成本則是決定儲能技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模最重要的參數(shù)?；趦δ苋芷诮５膬δ芷綔?zhǔn)化(度電)成本是目前國際上通用的儲能成本評價指標(biāo)。

度電成本的評價適合容量型儲能場景(如削峰填谷)，因為可以將其直接與峰谷電價差進行比較，從而判斷儲能投資是否具有經(jīng)濟效益。但是，在功率型調(diào)頻儲能場景下，采用里程成本作為功率型儲能經(jīng)濟性的評判標(biāo)準(zhǔn)更為合理。

2017-2019年，中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會前后組織了六次全國范圍的儲能產(chǎn)業(yè)調(diào)研活動，共走訪100多家儲能相關(guān)企事業(yè)單位和30余個儲能電站項目，掌握了豐富的實際儲能數(shù)據(jù)。因此，本文結(jié)合實地項目調(diào)研和其它資料數(shù)據(jù)，對各類儲能技術(shù)進行分析，給出儲能技術(shù)度電成本和里程成本的詳細(xì)計算方法，拋磚引玉，為不同應(yīng)用場景儲能技術(shù)的經(jīng)濟性分析和比較提供量化評價依據(jù)。

2、儲能電站全生命周期成本

儲能電站全生命周期成本可以分為安裝成本和運行成本，其中儲能電站的安裝成本主要包括儲能系統(tǒng)成本、功率轉(zhuǎn)換成本和土建成本，運行成本則包括運維成本、回收殘值和其他附加成本(如檢測費、入網(wǎng)費等)。儲能電站全生命周期的成本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 儲能電站全生命周期成本構(gòu)成

3、系統(tǒng)成本

儲能系統(tǒng)成本包括儲能系統(tǒng)的材料成本和制造成本。由于任何儲能系統(tǒng)都具有一定的能量特性和功率特性，因此可以分別采用儲能系統(tǒng)能量成本Csys-e(萬元/(MW·h))和儲能系統(tǒng)功率成本Csys-p(萬元/MW)來評價同一儲能技術(shù)分別應(yīng)用在容量型和功率型場景的系統(tǒng)成本。

目前已商業(yè)化應(yīng)用的儲能技術(shù)有抽水蓄能、鉛蓄電池和磷酸鐵鋰電池。綜合調(diào)研數(shù)據(jù)獲知，目前抽水蓄能電站的投資成本為60~64億元/GW，抽水蓄能的系統(tǒng)能量成本為120~170萬元/(MW·h)，未來隨著選址經(jīng)濟性的降低，系統(tǒng)成本會有一定程度上升。鉛蓄電池的系統(tǒng)能量成本在95~125萬元/(MW·h)，受上游鉛價及環(huán)保回收管控壓力的影響，未來系統(tǒng)成本降低的空間很小。磷酸鐵鋰電池作為目前商業(yè)化應(yīng)用的綜合性能較高的典型儲能技術(shù)，系統(tǒng)能量成本為150~230萬元/MWh，未來隨著低成本創(chuàng)新電池結(jié)構(gòu)和工藝的開發(fā)，其成本還有繼續(xù)下降的空間。

作為功率型儲能技術(shù)，飛輪和超級電容器屬于秒級至分鐘級時長儲能系統(tǒng)，如果要滿足不低于15min時長的電力儲能時間，系統(tǒng)功率成本大約在1000~1500萬元/MW。鈦酸鋰電池也是典型的功率型儲能技術(shù)，目前系統(tǒng)功率成本為200~300萬元/MW，未來還有進一步下降空間。

4、度電成本

度電成本，也稱平準(zhǔn)化成本(Levelized Cost of Electricity，LCOE)，是對儲能電站全生命周期內(nèi)的成本和發(fā)電量進行平準(zhǔn)化后計算得到的儲能成本，即儲能電站總投資/儲能電站總處理電量。度電成本的計算對于在容量型場景應(yīng)用的儲能技術(shù)經(jīng)濟性評估具有重要指導(dǎo)意義。針對度電成本，除考慮儲能技術(shù)的使用壽命外，還應(yīng)該考慮電站能量效率以及電化學(xué)儲能技術(shù)的放電深度和容量衰減等。根據(jù)調(diào)研及文獻數(shù)據(jù)，圖2給出了不同儲能技術(shù)的度電成本范圍。其中，容量型磷酸鐵鋰儲能電站的度電成本目前為0.62~0.82元/(kW·h)。

圖2 幾類典型儲能技術(shù)的度電成本

對于鋰離子電池儲能技術(shù)，從全生命周期的成本構(gòu)成看，其功率轉(zhuǎn)換和土建的成本下降空間十分有限。過去8年里，鋰離子電池單體(不是系統(tǒng))的能量成本從450~600萬元/(MW·h)降至100~150萬元/(MW·h)，下降幅度近80%。但其成本的年均下降比例并非線性，近兩年的成本降低幅度不到2013年的一半，沿用現(xiàn)有工藝技術(shù)成本下降空間有限，必須開發(fā)變革性的電池技術(shù)，從產(chǎn)品全生命周期成本的角度考慮電池結(jié)構(gòu)和工藝創(chuàng)新設(shè)計，降低制造、運維和回收處置成本，提高系統(tǒng)殘值。以磷酸鐵鋰儲能電池為例，未來若能做到以下幾點：1、進一步改進電池結(jié)構(gòu)和工藝，提高材料利用率，降低10%的材料成本和30%的制造成本;2、設(shè)計方便拆解回收的電極及殼體結(jié)構(gòu)，增加電站殘值至20%;3、通過在線維護系統(tǒng)補充活性鋰離子，將系統(tǒng)終止(70%容量保持率)時的循環(huán)壽命提高到7000次，則電站的度電成本可降至約0.3元/(kW·h)，可滿足容量型儲能大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的目標(biāo)要求。

5、里程成本

里程成本指在功率型調(diào)頻儲能電站的生命周期內(nèi)，平均到單位調(diào)頻里程的電站投資成本，即儲能電站總投資/儲能電站總調(diào)頻里程。里程成本是評價儲能電站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻或二次調(diào)頻經(jīng)濟性的重要指標(biāo)。電網(wǎng)的一次調(diào)頻指機組調(diào)速器及負(fù)荷特性自發(fā)吸收電網(wǎng)高頻低幅負(fù)荷波動以減少頻率變化，時間尺度在秒級至分鐘級，火電機組通常的響應(yīng)時間在10~30s之間;二次調(diào)頻即AGC調(diào)頻，由機組跟隨AGC指令以平抑區(qū)域控制偏差，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。由于受能量轉(zhuǎn)換機械過程的限制，火電機組提供二次調(diào)頻的響應(yīng)速度比一次調(diào)頻要慢，響應(yīng)時間一般需要1～2min。儲能設(shè)備與火電機組相結(jié)合共同提供調(diào)頻服務(wù)，可以提高火電機組運行效率，減少機組磨損，提高機組對于電網(wǎng)AGC調(diào)頻指令的調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)速度和響應(yīng)精度。根據(jù)調(diào)研及文獻數(shù)據(jù)，給出不同儲能技術(shù)用于AGC輔助調(diào)頻時的里程成本范圍，如圖3所示。

圖3 幾類典型儲能技術(shù)的里程成本

從調(diào)研情況和數(shù)據(jù)分析來看，三元鋰電池應(yīng)用于調(diào)頻儲能的安全問題尚有待解決。超級電容器和飛輪瞬態(tài)輸出的功率成本雖然很低，但為達到AGC調(diào)頻應(yīng)用的規(guī)定出力時間，需要增加配置容量，因此實際的系統(tǒng)功率成本非常高，尚不能被市場接受。目前功率型磷酸鐵鋰電池已能夠在局部地區(qū)的電力輔助服務(wù)市場獲得較好收益，但每天頻繁的充放電次數(shù)對于電池壽命沖擊影響較大， SOC的估算也較困難，另外，在系統(tǒng)生命后期，電池不一致性問題突出。這些都是未來功率型儲能技術(shù)有待解決的瓶頸問題。

6、結(jié)論

(1)儲能電站的全生命周期成本包括系統(tǒng)成本、功率轉(zhuǎn)換成本、土建成本、運維成本、回收殘值和其它成本。根據(jù)容量型和功率型應(yīng)用場景的不同，應(yīng)分別用度電成本和里程成本評估儲能電站的經(jīng)濟性;

(2)當(dāng)前抽水蓄能電站投資功率成本約5500~7000元/kW，度電成本0.21~0.25元/kWh，未來隨選址經(jīng)濟性降低，度電成本會有小幅上升;電化學(xué)儲能目前的度電成本大致在0.6~0.9元/kWh，距離規(guī)模應(yīng)用的目標(biāo)成本0.3~0.4元/kWh還有相當(dāng)?shù)牟罹啵萘啃碗娀瘜W(xué)儲能技術(shù)中經(jīng)濟性較好的是磷酸鐵鋰電池，但與抽水蓄能相比仍然偏高，度電成本為0.6~0.8元/kWh，尚不能完全依賴峰谷價差實現(xiàn)盈利;磷酸鐵鋰電池儲能電站在功率型場景應(yīng)用的里程成本6~9元/MW，能夠在局部地區(qū)的輔助調(diào)頻服務(wù)市場獲得收益;

(3)圍繞“低成本、長壽命、高安全和易回收”的目標(biāo)，未來電化學(xué)儲能技術(shù)的研究需要明確攻關(guān)方向，重點突破以下內(nèi)容：①開發(fā)顛覆性的儲能本體內(nèi)部安全可控技術(shù)，提升儲能系統(tǒng)安全至完全可控等級;②開發(fā)顛覆性的修復(fù)延壽技術(shù)，延長儲能系統(tǒng)壽命至10~20年;③開發(fā)易回收的電池結(jié)構(gòu)技術(shù)和低成本的回收再生技術(shù)，實現(xiàn)貴金屬元素資源再生率大于90%;④開發(fā)低成本系統(tǒng)制造技術(shù)，降低系統(tǒng)成本40%以上，實現(xiàn)高性能儲能裝備的國產(chǎn)化，服務(wù)于全球儲能市場。

全文參考：

何穎源，陳永翀，劉勇，劉昊，劉丹丹，孫晨宇. 儲能的度電成本和里程成本分析[J]. 電工電能新技術(shù)，2019，38(9)：1-10.