规模化多元电化学储能度电成本及其经济性分析_刘阳.pdf

第 12 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.12 No.1Jan.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology规模化多元电化学储能度电成本及其经济性分析刘阳1，滕卫军1，谷青发1，孙鑫1，谭宇良2，方知进2，李建林2（1国网河南省电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450052；2北方工业大学储能技术工程研究中心，北京 100144）摘要：多元储能技术作为优化能源结构、促进新能源开发和保护生态环境的重要手段是构建新型电力系统的关键环节。本工作根据储能规模化发展需求，聚焦规模化多元电化学储能的度电成本与经济性。文章从多元电化学储能技术的应用现状出发，考虑到电化学储能的成本构成和特性，建立了多元储能优化全寿命周期LCOE模型，对电化学储能技术的经济性进行了测算。分析表明，提高电化学储能经济性的关键在于降低储能的初始投资成本或单位容量成本。最后，结合我国国情对规模化电化学储能的经济发展进行了总结与展望。关键词：多元电化学储能；应用现状；优化全寿命LCOE模型；经济性doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0348 中图分类号：TM 912 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）01-312-07Scaled-up diversified electrochemical energy storage LCOE and its economic analysisLIU Yang1,TENG Weijun1,GU Qingfa1,SUN Xin1,TAN Yuliang2,FANG Zhijin2,LI Jianlin2(1Electric Power Research Institute of Henan Electric Power Company of State Grid,Zhengzhou 450052,Henan,China;2Energy Storage Technology Engineering Research Center,North China University of Technology,Beijing 100144,China)Abstract:Multiple energy storage technology that optimizes the energy structure,promotes new energy development,and protects the ecological environment is the key to realizing new power systems utilizing new energy sources.This paper investigates the cost and economics of large-scale multiple electrochemical energy storage that meets the requirements of energy storage scale development.We first introduce the current application situation of domestic multi-electrochemical energy storage technology.To this end,we establish and measure the levelized cost of energy model for optimizing multi-electrochemical energy storage.We found that the power cost of electrochemical energy storage gradually decreases with increasing scale of the energy storage.In a comparison study,we then reveal that to improve the economics of electrochemical energy storage,we must reduce either the initial investment cost or the unit capacity cost of energy storage.Finally,we propose the economic development of future large-scale energy storage under Chinas national conditions.Keywords:multiple electrochemical energy storage;application status;optimized full-life LCOE model;economics储能技术经济性分析收稿日期：2022-06-23；修改稿日期：2022-09-06。基金项目：国网河南省电力公司电力科学研究院科技项目“促进河南高比例新能源高效利用的多元储能经济性优化配置技术研究”（52170220009V）。第一作者：刘阳（1986），男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统分析、新能源发电与并网运行，E-mail：；通讯作者：方知进，硕士，研究方向为大规模储能技术，E-mail：。第 1 期刘阳等：规模化多元电化学储能度电成本及其经济性分析随着储能的建设容量、规模扩大和集成技术的日益成熟，储能系统的成本将进一步降低。经过长期的安全性和可靠性测试，储能系统在提高电网可靠性、平抑新能源出力及紧急供电等方面发挥着重要作用1-2。在可再生能源并网、辅助服务、削峰填谷、容量支撑等不同应用场景下，多元电化学储能根据不同的技术特点起到关键性作用，其经济性研究对于降低储能成本、促进储能规模化发展具有重要意义。影响储能技术在电力领域规模化应用的因素主要包括储能系统规模、技术水平、安全性和经济性。当电化学储能系统容量达到100 MW/200 MWh规模、循环寿命达到5000次及以上、充放电效率80%以上，满足安全可靠性时，储能系统的高成本成为限制其更大规模应用的关键因素。故亟需深入研究储能项目投资面临的经济性问题，促进储能的商业模式向规模化发展转变3-4。低成本长寿命是电化学储能一直以来追求的目标。储能系统的成本和效益，是决定其是否能够规模化的重要因素5。为衡量储能技术的经济性，通常采用度电成本作为关键指标，文献6针对容量型、功率型储能，计算了储能度电成本和里程成本，但没有采用现值计算，未考虑储能的时间价值；文献7计算了不同容量下储能的全生命周期度电成本，未考虑储能的资金成本；文献8在计算时只考虑了初始与运维成本，对不同发电小时数进行对比分析。随着储能技术的发展，储能系统的顶层规划设计显得尤为重要，本工作总结了规模化储能系统的应用现状，列举了国内储能相关的示范工程，进而对多元储能技术的关键特性进行了分析。本工作通过优化全寿命周期LCOE模型方法，更新了储能度电成本数据，对多元储能技术经济性进行了测算，总结得出相关结论并对储能系统的规模化建设给出建议，具有一定的实际意义和参考价值。1 多元电化学储能应用现状我国储能技术已进入大规模应用及推广阶段，主要涉及储能技术在电力系统调频、削峰填谷、提高可再生能源并网能力等方面的应用9。目前，在我国湖南、江苏等多地已建立百兆瓦级电池储能系统应用示范电站，并已开始在福建宁德建设吉瓦级储能电站工程。不止锂离子电池储能电站跨入百兆瓦级的规模，全钒液流电池与钠硫电池储能电站相继有百兆瓦级工程落地，多种储能技术由商业化初期向规模化发展转变。相较于其他储能技术，电化学储能目前经济性较高，未来成本优势还会继续扩大。国内电化学电池储能技术应用的典型案例见表1。2 多元电化学储能度电成本分析多元储能技术可划分为机械储能、电磁储能、电化学储能、相变储能、化学储能五类。其中电化学储能是新型储能技术中最重要的一部分，特点在于功率和能量可根据不同应用需求灵活配置，响应速度快，不受地理资源等外部条件的限制，适合大规模应用和批量化生产，但目前仍因使用寿命、造价等因素受到限制。2.1储能技术成本构成随着多元电化学储能技术的单位容量成本不断下降，储能系统的经济性不断提升。储能成本和收益作为投资的关键因素，无疑会对储能大规模推广和应用造成影响。本工作以电化学储能为例，从建设成本、运营成本、资金成本等角度重点研究成本的影响因素以及降低成本的措施，以对新型储能电站的建设投资提供决策依据。在电化学储能电站的成本构成中，电池成本占据总成本60%以上。电池选型对储能成本影响较大，应结合储能需求、应用场景、安全性、系统参数等因素综合考虑。电池成本和电池技术的不足也将限制表1百兆瓦级多元储能技术应用Table 1Domestic energy storage technology application cases项目名称福建晋江100 MWh储能电站国网时代福建吉瓦级宁德霞浦储能工程三峡乌兰察布新一代电网友好绿色电站示范项目江苏镇江百兆瓦级示范工程安徽金寨百兆瓦级共享储能示范项目国电投湖北襄阳百兆瓦全钒液流电池储能项目应用功能辅助电网调频、调峰辅助电网调频、调峰平滑功率输出、跟踪计划出力、调频、调峰需求响应、辅助调频、调压辅助电网调频、调峰增强电网消纳能力、辅助调峰、调频储能方式说明30 MW/100 MWh锂离子电池储能系统200 MW/400 MWh锂离子电池储能系统550 MW/1100 MWh锂离子电池储能系统100 MW/200 MWh锂离子电池储能系统100 MW/200 MWh锂离子电池储能系统100 MW/500 MWh全钒液流电池储能系统3132023 年第 12 卷储能科学与技术电化学储能在新型电力系统中进一步大规模应用。储能电站的成本构成包含初始投资成本、运维成本、换电成本、附加成本、电站残值等，如图1所示。目前，电化学储能技术处于规模化发展初期，面临投资回收机制、成本疏导机制不完善、服务价值体现不充分等问题。如果能将电网替代性储能设施成本收益纳入输配电价，无疑能加快有关储能项目的成本回收。将储能纳入辅助服务范围，通过市场化方式回收储能成本，对储能投资具有积极作用。2.2多元储能优化度电成本模型本工作的优化全寿命周期LCOE模型根据平准化度电成本方法改进，在度电成本计算中进行了优化，均采用现值计算，充分考虑了储能介质的充放电深度、充放电效率、容量衰减等参数的影响，增加了储能电站的资金成本和换电成本，在不考虑收益情况下，直观地体现新型储能的技术经济性。根据当前已公布的最新电池数据，较为全面地测算不同储能技术现阶段的度电成本。该模型从技术经济角度出发，不考虑电网侧的输电成本，计算公式表示为：LCOE=CtotalEtotal=Cinv+COM+CR+Ccharge+Ccapital-Crecn=1NEn()1+rn(1)式中，Ctotal为储能技术全寿命周期总成本现值，元；Etotal为储能技术全寿命周期发电量现值，kWh；Cinv为初始投资成本，元；COM表示运营维护总成本现值，元；CR表示换电成本现值，元；Crec为电站固定资产残值现值，元；Ccharge表示充电成本现值，元；Ccapital表示投资资金成本，元；En表示储能电站年发电量，kWh；r为折现率，%；n为储能系统运行年份(1，2，3，N)，包含换电后年份。（1）储能电站初始投资成本。储能电站建设的初始一次性投资成本可分为储能容量成本和功率成本，容量成本是储能电站提供能量时产生的成本，主要由电池本体、集成装置以及BMS构成；功率成本是储能电站提供功率的成本，一般为PCS、辅助设施等。Cinv=PP+EE(2)式中，P为单位功率成本，元/kW；E表示单位容量成本，元/kWh；P表示储能电站的额定充放电功