摘要

儲(chǔ)能是促進(jìn)可再生能源消納和提升電網(wǎng)韌性的重要手段，而儲(chǔ)能成本是決定儲(chǔ)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(chǔ)能應(yīng)用專刊)發(fā)表文章《儲(chǔ)能的度電成本和里程成本分析》，結(jié)合產(chǎn)業(yè)調(diào)研對(duì)容量型儲(chǔ)能的度電成本和功率型儲(chǔ)能的里程成本進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)算。結(jié)果表明，電化學(xué)儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展需要圍繞低成本、長(zhǎng)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(kāi)發(fā)變革性的儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)品。論文工作為建設(shè)市場(chǎng)應(yīng)用導(dǎo)向的綠色儲(chǔ)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(shí)長(zhǎng)要求的不同，儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景大致可以分為容量型(≥4小時(shí))、能量型(約1~2小時(shí))、功率型(≤30分鐘)和備用型(≥15分鐘)四類。不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的性能要求有所不同，而儲(chǔ)能成本則是決定儲(chǔ)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)。基于儲(chǔ)能全生命周期建模的儲(chǔ)能平準(zhǔn)化(度電)成本是目前國(guó)際上通用的儲(chǔ)能成本評(píng)價(jià)指標(biāo)。

度電成本的評(píng)價(jià)適合容量型儲(chǔ)能場(chǎng)景(如削峰填谷)，因?yàn)榭梢詫⑵渲苯优c峰谷電價(jià)差進(jìn)行比較，從而判斷儲(chǔ)能投資是否具有經(jīng)濟(jì)效益。但是，在功率型調(diào)頻儲(chǔ)能場(chǎng)景下，采用里程成本作為功率型儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)更為合理。

2017-2019年，中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)前后組織了六次全國(guó)范圍的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)調(diào)研活動(dòng)，共走訪100多家儲(chǔ)能相關(guān)企事業(yè)單位和30余個(gè)儲(chǔ)能電站項(xiàng)目，掌握了豐富的實(shí)際儲(chǔ)能數(shù)據(jù)。因此，本文結(jié)合實(shí)地項(xiàng)目調(diào)研和其它資料數(shù)據(jù)，對(duì)各類儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行分析，給出儲(chǔ)能技術(shù)度電成本和里程成本的詳細(xì)計(jì)算方法，拋磚引玉，為不同應(yīng)用場(chǎng)景儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析和比較提供量化評(píng)價(jià)依據(jù)。

2、儲(chǔ)能電站全生命周期成本

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

圖1 儲(chǔ)能電站全生命周期成本構(gòu)成

3、系統(tǒng)成本

儲(chǔ)能系統(tǒng)成本包括儲(chǔ)能系統(tǒng)的材料成本和制造成本。由于任何儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)能量成本Csys-e(萬(wàn)元/(MW·h))和儲(chǔ)能系統(tǒng)功率成本Csys-p(萬(wàn)元/MW)來(lái)評(píng)價(jià)同一儲(chǔ)能技術(shù)分別應(yīng)用在容量型和功率型場(chǎng)景的系統(tǒng)成本。

目前已商業(yè)化應(yīng)用的儲(chǔ)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(wàn)元/(MW·h)，未來(lái)隨著選址經(jīng)濟(jì)性的降低，系統(tǒng)成本會(huì)有一定程度上升。鉛蓄電池的系統(tǒng)能量成本在95~125萬(wàn)元/(MW·h)，受上游鉛價(jià)及環(huán)保回收管控壓力的影響，未來(lái)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(chǔ)能技術(shù)，系統(tǒng)能量成本為150~230萬(wàn)元/MWh，未來(lái)隨著低成本創(chuàng)新電池結(jié)構(gòu)和工藝的開(kāi)發(fā)，其成本還有繼續(xù)下降的空間。

作為功率型儲(chǔ)能技術(shù)，飛輪和超級(jí)電容器屬于秒級(jí)至分鐘級(jí)時(shí)長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，如果要滿足不低于15min時(shí)長(zhǎng)的電力儲(chǔ)能時(shí)間，系統(tǒng)功率成本大約在1000~1500萬(wàn)元/MW。鈦酸鋰電池也是典型的功率型儲(chǔ)能技術(shù)，目前系統(tǒng)功率成本為200~300萬(wàn)元/MW，未來(lái)還有進(jìn)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(duì)儲(chǔ)能電站全生命周期內(nèi)的成本和發(fā)電量進(jìn)行平準(zhǔn)化后計(jì)算得到的儲(chǔ)能成本，即儲(chǔ)能電站總投資/儲(chǔ)能電站總處理電量。度電成本的計(jì)算對(duì)于在容量型場(chǎng)景應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估具有重要指導(dǎo)意義。針對(duì)度電成本，除考慮儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)的放電深度和容量衰減等。根據(jù)調(diào)研及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，圖2給出了不同儲(chǔ)能技術(shù)的度電成本范圍。其中，容量型磷酸鐵鋰儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)的度電成本

對(duì)于鋰離子電池儲(chǔ)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(guò)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(wàn)元/(MW·h)降至100~150萬(wàn)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(kāi)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(jì)，降低制造、運(yùn)維和回收處置成本，提高系統(tǒng)殘值。以磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池為例，未來(lái)若能做到以下幾點(diǎn)：1、進(jìn)一步改進(jìn)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(jì)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(guò)在線維護(hù)系統(tǒng)補(bǔ)充活性鋰離子，將系統(tǒng)終止(70%容量保持率)時(shí)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能電站總投資/儲(chǔ)能電站總調(diào)頻里程。里程成本是評(píng)價(jià)儲(chǔ)能電站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻或二次調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。電網(wǎng)的一次調(diào)頻指機(jī)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(dòng)以減少頻率變化，時(shí)間尺度在秒級(jí)至分鐘級(jí)，火電機(jī)組通常的響應(yīng)時(shí)間在10~30s之間;二次調(diào)頻即AGC調(diào)頻，由機(jī)組跟隨AGC指令以平抑區(qū)域控制偏差，實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)。由于受能量轉(zhuǎn)換機(jī)械過(guò)程的限制，火電機(jī)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(shí)間一般需要1～2min。儲(chǔ)能設(shè)備與火電機(jī)組相結(jié)合共同提供調(diào)頻服務(wù)，可以提高火電機(jī)組運(yùn)行效率，減少機(jī)組磨損，提高機(jī)組對(duì)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(xiàn)數(shù)據(jù)，給出不同儲(chǔ)能技術(shù)用于AGC輔助調(diào)頻時(shí)的里程成本范圍，如圖3所示。

圖3 幾類典型儲(chǔ)能技術(shù)的里程成本

從調(diào)研情況和數(shù)據(jù)分析來(lái)看，三元鋰電池應(yīng)用于調(diào)頻儲(chǔ)能的安全問(wèn)題尚有待解決。超級(jí)電容器和飛輪瞬態(tài)輸出的功率成本雖然很低，但為達(dá)到AGC調(diào)頻應(yīng)用的規(guī)定出力時(shí)間，需要增加配置容量，因此實(shí)際的系統(tǒng)功率成本非常高，尚不能被市場(chǎng)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(chǎng)獲得較好收益，但每天頻繁的充放電次數(shù)對(duì)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(wèn)題突出。這些都是未來(lái)功率型儲(chǔ)能技術(shù)有待解決的瓶頸問(wèn)題。

6、結(jié)論

(1)儲(chǔ)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(yùn)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(chǎng)景的不同，應(yīng)分別用度電成本和里程成本評(píng)估儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)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(lái)隨選址經(jīng)濟(jì)性降低，度電成本會(huì)有小幅上升;電化學(xué)儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)中經(jīng)濟(jì)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(jià)差實(shí)現(xiàn)盈利;磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站在功率型場(chǎng)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(chǎng)獲得收益;

(3)圍繞低成本、長(zhǎng)壽命、高安全和易回收的目標(biāo)，未來(lái)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的研究需要明確攻關(guān)方向，重點(diǎn)突破以下內(nèi)容：①開(kāi)發(fā)顛覆性的儲(chǔ)能本體內(nèi)部安全可控技術(shù)，提升儲(chǔ)能系統(tǒng)安全至完全可控等級(jí);②開(kāi)發(fā)顛覆性的修復(fù)延壽技術(shù)，延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命至10~20年;③開(kāi)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(shí)現(xiàn)貴金屬元素資源再生率大于90%;④開(kāi)發(fā)低成本系統(tǒng)制造技術(shù)，降低系統(tǒng)成本40%以上，實(shí)現(xiàn)高性能儲(chǔ)能裝備的國(guó)產(chǎn)化，服務(wù)于全球儲(chǔ)能市場(chǎng)。

全文參考：

何穎源，陳永翀，劉勇，劉昊，劉丹丹，孫晨宇. 儲(chǔ)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.