研究背景與范圍
儲(chǔ)能被認(rèn)為是實(shí)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(chǔ)能技術(shù)的未來(lái)全生命周期成本（即平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本，levelized cost of storage，LCOS）尚待探討。本文預(yù)測(cè)了9種儲(chǔ)能技術(shù)在特定12種應(yīng)用場(chǎng)景的全生命周期成本。研究發(fā)現(xiàn)，除了長(zhǎng)時(shí)間放電應(yīng)用場(chǎng)景外，其他特定的儲(chǔ)能技術(shù)不太可能競(jìng)爭(zhēng)過(guò)鋰離子電池。它們的性能優(yōu)勢(shì)不會(huì)超過(guò)鋰離子電池成本下降的速度。本文結(jié)果可能影響儲(chǔ)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(diǎn)放在鋰離子電池上。
文章亮點(diǎn)
評(píng)估了2015年至2050年間9種儲(chǔ)能技術(shù)在12種應(yīng)用場(chǎng)景下的全生命周期成本。
12種應(yīng)用場(chǎng)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(kāi)始，鋰離子電池在大多數(shù)應(yīng)用中最具競(jìng)爭(zhēng)力。
抽水蓄能、壓縮空氣和儲(chǔ)氫最適用于長(zhǎng)時(shí)間放電的應(yīng)用場(chǎng)景。
平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本（LCOS）量化了特定儲(chǔ)能技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景下單位放電量的折現(xiàn)成本。因此，該度量標(biāo)準(zhǔn)考慮了影響放電壽命成本的所有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)，可以直接與發(fā)電技術(shù)的平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）相類(lèi)比，是進(jìn)行儲(chǔ)能技術(shù)成本比較的合適工具。
LCOS可以描述為一項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)的全生命周期成本除以其累計(jì)傳輸?shù)碾娔芰炕螂姽β?，它反映了凈現(xiàn)值為零時(shí)的內(nèi)部平均電價(jià)，即該項(xiàng)投資的盈利點(diǎn)。其定義為
公式包含決定儲(chǔ)能技術(shù)的全生命周期成本所需的所有要素：投資成本、運(yùn)營(yíng)維護(hù)（O&M）成本、充電成本和報(bào)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(jìn)行折現(xiàn)。如果是需要儲(chǔ)能系統(tǒng)提供有功功率的應(yīng)用場(chǎng)景，則改為計(jì)算其年化容量成本。本文未考慮需要提供無(wú)功功率的場(chǎng)景。
本文研究2015至2050年期間在12種固定式應(yīng)用場(chǎng)景中的9種儲(chǔ)能技術(shù)，計(jì)算特定場(chǎng)景下某項(xiàng)技術(shù)的LCOS。全部的輸入?yún)?shù)和輸出結(jié)果都可在線(xiàn)下載，交互版LCOS計(jì)算模型也可從www.EnergyStorage.ninja獲得。
文中給出了不同儲(chǔ)能技術(shù)在不同應(yīng)用下適用性的定性描述，具體見(jiàn)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(lái)源可見(jiàn)原文表S4、圖S1。LCOS計(jì)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(chǎng)景下表現(xiàn)出最低LCOS的可能性。以二次響應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)景為例，考慮4種最具競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)能技術(shù)，下圖左上角是該場(chǎng)景的技術(shù)條件，右上角是各年份某項(xiàng)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(xiàn)），下方是基于蒙特卡洛模擬預(yù)測(cè)的LCOS及其不確定度范圍。
二次響應(yīng)的特點(diǎn)是放電時(shí)間短、充放循環(huán)頻繁。它可以大規(guī)模運(yùn)行并且不需要快速響應(yīng)，這使地理?xiàng)l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$/MWh），原因是其使用壽命超過(guò)30年，年循環(huán)多達(dá)1000次，盡管其投資成本較高。飛輪儲(chǔ)能的平均LCOS遠(yuǎn)高于抽水蓄能，投資成本的不確定性使得其LCOS最低的可能性很小。預(yù)計(jì)電池技術(shù)的投資成本將大大降低，這意味著到2030年，全釩液流電池和鋰離子電池可能是最具成本效益的技術(shù)，盡管其壽命可能分別只有8年和13年。
本文所研究的所有9種技術(shù)具有最低LCOS的概率，以及12種應(yīng)用場(chǎng)景下最具成本效益的技術(shù)及其平均LCOS見(jiàn)下圖。
預(yù)計(jì)電池技術(shù)成本的降低會(huì)限制抽水蓄能和壓縮空氣的競(jìng)爭(zhēng)力。電池技術(shù)在2025年以后的大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出最低LCOS的可能性最高。到2030年，鋰離子電池在大多數(shù)應(yīng)用中似乎最具成本效益，尤其是放電時(shí)間小于4 h且年循環(huán)小于300次的場(chǎng)景，例如電能質(zhì)量和黑啟動(dòng)。對(duì)于要求更大放電持續(xù)時(shí)間和循環(huán)的應(yīng)用場(chǎng)景，全釩液流電池仍然具有競(jìng)爭(zhēng)力，盡管它從來(lái)不是最有可能提供最低LCOS的技術(shù)。這些應(yīng)用場(chǎng)景包括供電可靠性（> 4 h）或二次響應(yīng)和電費(fèi)優(yōu)化（> 300次循環(huán)/年）。對(duì)于放電時(shí)間超過(guò)700 h的季節(jié)性?xún)?chǔ)能，儲(chǔ)氫可能會(huì)最具成本效益。
平均而言，相較2015年，最有可能實(shí)現(xiàn)最高成本效益的技術(shù)的平均LCOS到2030年和2050年將分別減少36%和53%。對(duì)于年循環(huán)≥300次的應(yīng)用場(chǎng)景，LCOS從150~600 US$/MWh（2015年）降低至130~200 US$/MWh（2050年），在年循環(huán)50~100次的應(yīng)用場(chǎng)景中從1000~3500 US$/MWh（2015年）降低至500~900 US$/MWh（2050年），年循環(huán)≤10次的應(yīng)用場(chǎng)景中，成本永遠(yuǎn)不會(huì)低于1500 US$/MWh。年循環(huán)次數(shù)條件非常重要，因?yàn)樗绊懥藛挝谎b機(jī)容量的能量吞吐量。每年吞吐一定能量的儲(chǔ)能裝機(jī)容量越低，LCOS就越低，造成該結(jié)果的原因是LCOS計(jì)算公式中投資成本所占比例較高。
另一個(gè)LCOS影響因素是放電持續(xù)時(shí)間。在年循環(huán)次數(shù)相近的應(yīng)用場(chǎng)景下，更長(zhǎng)放電時(shí)間的應(yīng)用場(chǎng)景具有更低的LCOS。一項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)放電持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)將導(dǎo)致放電量的增加，但是總投資成本的增加相對(duì)較少，因?yàn)檫@僅影響能量成本，而功率成本卻未受到影響。
以下2個(gè)視頻研究了最具成本效益的技術(shù)相對(duì)于放電持續(xù)時(shí)間和年循環(huán)次數(shù)的敏感度。第1個(gè)視頻演示了所有的9項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)，第2個(gè)視頻未包含抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能，因?yàn)樗鼈兊牡乩磉m應(yīng)性有限。視頻中圈碼所在位置代表上述12種應(yīng)用場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)，LCOS差距小，而較暗的區(qū)域表示最高效益技術(shù)的強(qiáng)大成本優(yōu)勢(shì)，LCOS遠(yuǎn)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(guò)1000次位置的鋸齒形反映出在更高頻充放電時(shí)壽命顯著減少，影響了單項(xiàng)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力。計(jì)算電價(jià)為50 US$/MWh，所有輸入技術(shù)參數(shù)均列在原文附表S4-S8中。
抽水蓄能、壓縮空氣和飛輪儲(chǔ)能在2015年的放電持續(xù)時(shí)間和年循環(huán)次數(shù)組合的整個(gè)頻譜中是最有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)。抽水蓄能的優(yōu)勢(shì)在于其良好的循環(huán)壽命以及較低的能量投資成本和中等的功率投資成本。壓縮空氣在超過(guò)45 h的放電應(yīng)用中更具競(jìng)爭(zhēng)力，原因是能量投資成本大大降低。飛輪在年循環(huán)5000次以上和0.5 h以下的放電應(yīng)用中更具競(jìng)爭(zhēng)力，原因是其循環(huán)壽命更長(zhǎng)，功率成本更低。
根據(jù)投資成本的下降來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的LCOS，表明到2020年鋰離子電池將在低放電持續(xù)時(shí)間應(yīng)用場(chǎng)景下具有成本優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兙哂懈玫难h(huán)壽命，因此在高頻充放場(chǎng)景中可以與全釩液流電池和飛輪競(jìng)爭(zhēng)。但是，就以功率為重點(diǎn)的年化容量成本而言，由于在100%深度放電以下工作時(shí)循環(huán)壽命顯著提高，鋰離子電池在與一次響應(yīng)相關(guān)的高頻應(yīng)用組合中具有強(qiáng)大的成本優(yōu)勢(shì)。
隨著投資成本的不斷降低，鋰離子電池可以在高頻充放場(chǎng)景下勝過(guò)全釩液流電池，并在長(zhǎng)放電持續(xù)時(shí)間下取代抽水蓄能，到2030年成為大多數(shù)應(yīng)用模型中最具成本效益的技術(shù)。與此同時(shí)，儲(chǔ)氫在長(zhǎng)放電持續(xù)時(shí)間場(chǎng)景比壓縮空氣更具成本效益。
不考慮抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能時(shí)，儲(chǔ)氫在2015年已經(jīng)是當(dāng)放電時(shí)間超過(guò)1天時(shí)最具成本效益的技術(shù)。鈉硫電池和鉛酸電池在每年循環(huán)300次以下應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，鋰離子電池、全釩液流電池和飛輪儲(chǔ)能在每年循環(huán)300次以上應(yīng)用中占主導(dǎo)。未來(lái)的LCOS預(yù)測(cè)表明，對(duì)于放電時(shí)間低于8 h大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，鋰離子電池具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，在年循環(huán)低于300次和高于1000次的應(yīng)用場(chǎng)景中，鋰離子電池具有極強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)。在300~1000次循環(huán)之間，全釩液流電池的成本效益最初增加并在之后下降，展現(xiàn)了其與鋰離子電池相比成本降低的動(dòng)態(tài)過(guò)程。作為相對(duì)不成熟的技術(shù)，液流電池可能會(huì)在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的成本下降。經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)分析顯示，長(zhǎng)期看來(lái)鋰離子電池有更強(qiáng)的成本下降潛力，很可能在2030年之前取代所有其他電池技術(shù)，并與飛輪和儲(chǔ)氫一起主導(dǎo)所有放電時(shí)間和循環(huán)次數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景組合。
下圖顯示了針對(duì)所有放電時(shí)間和循環(huán)次數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景組合的最具成本效益儲(chǔ)能技術(shù)的LCOS，計(jì)算電價(jià)為50 US$/MWh。最低的LCOS是通過(guò)抽水蓄能在中等放電時(shí)間（約4 h）和頻率（約1000次/年）組合下實(shí)現(xiàn)的。2015年，LCOS的范圍為100~150 US$/MWh，相當(dāng)于新建抽水蓄能設(shè)施的成本。LCOS的增加與年循環(huán)次數(shù)和放電持續(xù)時(shí)間的減少成比例，因?yàn)樗鼈儧Q定了全壽命周期內(nèi)所釋放的總能量，即LCOS公式的分母。當(dāng)電價(jià)從50提高10倍，到500 US$/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(huì)在長(zhǎng)放電時(shí)間應(yīng)用中比壓縮空氣和儲(chǔ)氫更具競(jìng)爭(zhēng)力。
工業(yè)項(xiàng)目將對(duì)不同儲(chǔ)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(duì)全釩液流電池采用4%的折現(xiàn)率，對(duì)超級(jí)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(jí)電容將取代飛輪，成為超過(guò)5000次循環(huán)應(yīng)用場(chǎng)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(chǔ)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(jìn)一步提高其成本優(yōu)勢(shì)。
不確定性的另一個(gè)來(lái)源是未來(lái)的技術(shù)進(jìn)步，可能使LCOS低于上圖所示。本文發(fā)現(xiàn)LCOS對(duì)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(huì)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(chǔ)能技術(shù)未來(lái)的LCOS潛力，并為討論儲(chǔ)能技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)，以確保以經(jīng)濟(jì)高效的方式部署儲(chǔ)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)向安全且可負(fù)擔(dān)的低碳能源系統(tǒng)的成功轉(zhuǎn)型。
