研究背景與范圍
儲能被認為是實現(xiàn)低碳電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。但是，現(xiàn)有研究集中在投資成本上。不同儲能技術(shù)的未來全生命周期成本（即平準化儲能成本，levelized cost of storage，LCOS）尚待探討。本文預(yù)測了9種儲能技術(shù)在特定12種應(yīng)用場景的全生命周期成本。研究發(fā)現(xiàn)，除了長時間放電應(yīng)用場景外，其他特定的儲能技術(shù)不太可能競爭過鋰離子電池。它們的性能優(yōu)勢不會超過鋰離子電池成本下降的速度。本文結(jié)果可能影響儲能的商業(yè)和研究策略，引導(dǎo)投資轉(zhuǎn)移到替代技術(shù)的性能改善上，或者將重點放在鋰離子電池上。
文章亮點
評估了2015年至2050年間9種儲能技術(shù)在12種應(yīng)用場景下的全生命周期成本。
12種應(yīng)用場景中，最低的全生命周期成本在2030年和2050年分別降低了36%和53%。
從2030年開始，鋰離子電池在大多數(shù)應(yīng)用中最具競爭力。
抽水蓄能、壓縮空氣和儲氫最適用于長時間放電的應(yīng)用場景。
平準化儲能成本（LCOS）量化了特定儲能技術(shù)和應(yīng)用場景下單位放電量的折現(xiàn)成本。因此，該度量標準考慮了影響放電壽命成本的所有技術(shù)和經(jīng)濟參數(shù)，可以直接與發(fā)電技術(shù)的平準化度電成本（LCOE）相類比，是進行儲能技術(shù)成本比較的合適工具。
LCOS可以描述為一項儲能技術(shù)的全生命周期成本除以其累計傳輸?shù)碾娔芰炕螂姽β?，它反映了凈現(xiàn)值為零時的內(nèi)部平均電價，即該項投資的盈利點。其定義為
公式包含決定儲能技術(shù)的全生命周期成本所需的所有要素：投資成本、運營維護（O&M）成本、充電成本和報廢成本之和除以投資期間的總放電量。假定所有投資成本都是在第1年產(chǎn)生的，其他持續(xù)成本每年（n）累加直到壽命結(jié)束（N），以折現(xiàn)率r進行折現(xiàn)。如果是需要儲能系統(tǒng)提供有功功率的應(yīng)用場景，則改為計算其年化容量成本。本文未考慮需要提供無功功率的場景。
本文研究2015至2050年期間在12種固定式應(yīng)用場景中的9種儲能技術(shù)，計算特定場景下某項技術(shù)的LCOS。全部的輸入?yún)?shù)和輸出結(jié)果都可在線下載，交互版LCOS計算模型也可從www.EnergyStorage.ninja獲得。
文中給出了不同儲能技術(shù)在不同應(yīng)用下適用性的定性描述，具體見原文表1。
各技術(shù)的成本、性能數(shù)據(jù)以及應(yīng)用需求來源可見原文表S4、圖S1。LCOS計算的蒙特卡洛模擬考慮了各技術(shù)參數(shù)的變化和不確定性，根據(jù)結(jié)果確定每種技術(shù)在各年份中不同應(yīng)用場景下表現(xiàn)出最低LCOS的可能性。以二次響應(yīng)應(yīng)用場景為例，考慮4種最具競爭力的儲能技術(shù)，下圖左上角是該場景的技術(shù)條件，右上角是各年份某項技術(shù)具有最低LCOS的概率（柱狀）以及該技術(shù)的平均LCOS（折線），下方是基于蒙特卡洛模擬預(yù)測的LCOS及其不確定度范圍。
二次響應(yīng)的特點是放電時間短、充放循環(huán)頻繁。它可以大規(guī)模運行并且不需要快速響應(yīng)，這使地理條件優(yōu)越的抽水蓄能非常適用。抽水蓄能在2015年的LCOS最低（150~400 US$/MWh），原因是其使用壽命超過30年，年循環(huán)多達1000次，盡管其投資成本較高。飛輪儲能的平均LCOS遠高于抽水蓄能，投資成本的不確定性使得其LCOS最低的可能性很小。預(yù)計電池技術(shù)的投資成本將大大降低，這意味著到2030年，全釩液流電池和鋰離子電池可能是最具成本效益的技術(shù)，盡管其壽命可能分別只有8年和13年。
本文所研究的所有9種技術(shù)具有最低LCOS的概率，以及12種應(yīng)用場景下最具成本效益的技術(shù)及其平均LCOS見下圖。
預(yù)計電池技術(shù)成本的降低會限制抽水蓄能和壓縮空氣的競爭力。電池技術(shù)在2025年以后的大多數(shù)應(yīng)用場景中展現(xiàn)出最低LCOS的可能性最高。到2030年，鋰離子電池在大多數(shù)應(yīng)用中似乎最具成本效益，尤其是放電時間小于4 h且年循環(huán)小于300次的場景，例如電能質(zhì)量和黑啟動。對于要求更大放電持續(xù)時間和循環(huán)的應(yīng)用場景，全釩液流電池仍然具有競爭力，盡管它從來不是最有可能提供最低LCOS的技術(shù)。這些應(yīng)用場景包括供電可靠性（> 4 h）或二次響應(yīng)和電費優(yōu)化（> 300次循環(huán)/年）。對于放電時間超過700 h的季節(jié)性儲能，儲氫可能會最具成本效益。
平均而言，相較2015年，最有可能實現(xiàn)最高成本效益的技術(shù)的平均LCOS到2030年和2050年將分別減少36%和53%。對于年循環(huán)≥300次的應(yīng)用場景，LCOS從150~600 US$/MWh（2015年）降低至130~200 US$/MWh（2050年），在年循環(huán)50~100次的應(yīng)用場景中從1000~3500 US$/MWh（2015年）降低至500~900 US$/MWh（2050年），年循環(huán)≤10次的應(yīng)用場景中，成本永遠不會低于1500 US$/MWh。年循環(huán)次數(shù)條件非常重要，因為它影響了單位裝機容量的能量吞吐量。每年吞吐一定能量的儲能裝機容量越低，LCOS就越低，造成該結(jié)果的原因是LCOS計算公式中投資成本所占比例較高。
另一個LCOS影響因素是放電持續(xù)時間。在年循環(huán)次數(shù)相近的應(yīng)用場景下，更長放電時間的應(yīng)用場景具有更低的LCOS。一項儲能技術(shù)放電持續(xù)時間的增長將導(dǎo)致放電量的增加，但是總投資成本的增加相對較少，因為這僅影響能量成本，而功率成本卻未受到影響。
以下2個視頻研究了最具成本效益的技術(shù)相對于放電持續(xù)時間和年循環(huán)次數(shù)的敏感度。第1個視頻演示了所有的9項儲能技術(shù)，第2個視頻未包含抽水蓄能和壓縮空氣儲能，因為它們的地理適應(yīng)性有限。視頻中圈碼所在位置代表上述12種應(yīng)用場景的技術(shù)要求。不同顏色代表具有最低LCOS的技術(shù)。陰影表示第二高效益技術(shù)的LCOS有多少，較亮的區(qū)域表示兩種技術(shù)之間存在競爭，LCOS差距小，而較暗的區(qū)域表示最高效益技術(shù)的強大成本優(yōu)勢，LCOS遠大于第二高效益技術(shù)，空白表示前兩種技術(shù)的LCOS相差不到5％。年循環(huán)超過1000次位置的鋸齒形反映出在更高頻充放電時壽命顯著減少，影響了單項技術(shù)的競爭力。計算電價為50 US$/MWh，所有輸入技術(shù)參數(shù)均列在原文附表S4-S8中。
抽水蓄能、壓縮空氣和飛輪儲能在2015年的放電持續(xù)時間和年循環(huán)次數(shù)組合的整個頻譜中是最有競爭力的技術(shù)。抽水蓄能的優(yōu)勢在于其良好的循環(huán)壽命以及較低的能量投資成本和中等的功率投資成本。壓縮空氣在超過45 h的放電應(yīng)用中更具競爭力，原因是能量投資成本大大降低。飛輪在年循環(huán)5000次以上和0.5 h以下的放電應(yīng)用中更具競爭力，原因是其循環(huán)壽命更長，功率成本更低。
根據(jù)投資成本的下降來預(yù)測未來的LCOS，表明到2020年鋰離子電池將在低放電持續(xù)時間應(yīng)用場景下具有成本優(yōu)勢，因為它們具有更好的循環(huán)壽命，因此在高頻充放場景中可以與全釩液流電池和飛輪競爭。但是，就以功率為重點的年化容量成本而言，由于在100%深度放電以下工作時循環(huán)壽命顯著提高，鋰離子電池在與一次響應(yīng)相關(guān)的高頻應(yīng)用組合中具有強大的成本優(yōu)勢。
隨著投資成本的不斷降低，鋰離子電池可以在高頻充放場景下勝過全釩液流電池，并在長放電持續(xù)時間下取代抽水蓄能，到2030年成為大多數(shù)應(yīng)用模型中最具成本效益的技術(shù)。與此同時，儲氫在長放電持續(xù)時間場景比壓縮空氣更具成本效益。
不考慮抽水蓄能和壓縮空氣儲能時，儲氫在2015年已經(jīng)是當放電時間超過1天時最具成本效益的技術(shù)。鈉硫電池和鉛酸電池在每年循環(huán)300次以下應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，鋰離子電池、全釩液流電池和飛輪儲能在每年循環(huán)300次以上應(yīng)用中占主導(dǎo)。未來的LCOS預(yù)測表明，對于放電時間低于8 h大多數(shù)應(yīng)用場景，鋰離子電池具有成本競爭力，在年循環(huán)低于300次和高于1000次的應(yīng)用場景中，鋰離子電池具有極強的成本優(yōu)勢。在300~1000次循環(huán)之間，全釩液流電池的成本效益最初增加并在之后下降，展現(xiàn)了其與鋰離子電池相比成本降低的動態(tài)過程。作為相對不成熟的技術(shù)，液流電池可能會在短期內(nèi)實現(xiàn)較大的成本下降。經(jīng)驗曲線分析顯示，長期看來鋰離子電池有更強的成本下降潛力，很可能在2030年之前取代所有其他電池技術(shù)，并與飛輪和儲氫一起主導(dǎo)所有放電時間和循環(huán)次數(shù)的應(yīng)用場景組合。
下圖顯示了針對所有放電時間和循環(huán)次數(shù)應(yīng)用場景組合的最具成本效益儲能技術(shù)的LCOS，計算電價為50 US$/MWh。最低的LCOS是通過抽水蓄能在中等放電時間（約4 h）和頻率（約1000次/年）組合下實現(xiàn)的。2015年，LCOS的范圍為100~150 US$/MWh，相當于新建抽水蓄能設(shè)施的成本。LCOS的增加與年循環(huán)次數(shù)和放電持續(xù)時間的減少成比例，因為它們決定了全壽命周期內(nèi)所釋放的總能量，即LCOS公式的分母。當電價從50提高10倍，到500 US$/MWh，充放電效率將變得更重要。因此，高效的鋰離子電池將在高循環(huán)次數(shù)應(yīng)用中取代抽水蓄能，還會在長放電時間應(yīng)用中比壓縮空氣和儲氫更具競爭力。
工業(yè)項目將對不同儲能技術(shù)使用不同的折現(xiàn)率，以反映技術(shù)和商業(yè)的成熟度。如果對全釩液流電池采用4%的折現(xiàn)率，對超級電容采用0%的折現(xiàn)率，那么它們的LCOS將分別平均降低15%和36%。到2030年，超級電容將取代飛輪，成為超過5000次循環(huán)應(yīng)用場景最具成本效益的技術(shù)，在500~1000次循環(huán)之間的應(yīng)用中全釩液流電池將取代的鋰離子電池。但是，抽水蓄能和壓縮空氣的成熟度以及鋰離子電池儲能系統(tǒng)的最新部署水平表明，這些技術(shù)更有可能受益于較低的折現(xiàn)率，從而進一步提高其成本優(yōu)勢。
不確定性的另一個來源是未來的技術(shù)進步，可能使LCOS低于上圖所示。本文發(fā)現(xiàn)LCOS對充放效率、循環(huán)和日歷壽命最為敏感。例如，如果全釩液流電池的充放效率每年提高1%，其效率會從2015年的73%提高到2030年的85%，將使該技術(shù)在高頻應(yīng)用下比鋰離子電池更具成本效益。如果循環(huán)和日歷壽命每年增加2.5%，也將具有相同的效果。
本文研究結(jié)果探索了最廣泛使用的固定式儲能技術(shù)未來的LCOS潛力，并為討論儲能技術(shù)的競爭力及其影響因素奠定了量化基礎(chǔ)。這些結(jié)果可以幫助指導(dǎo)研究、政策和投資活動，以確保以經(jīng)濟高效的方式部署儲能技術(shù)，實現(xiàn)向安全且可負擔的低碳能源系統(tǒng)的成功轉(zhuǎn)型。
