中國儲能網訊：作者：李雄(圖片), 李培強(圖片)
單位：湖南大學電氣與信息工程學院
引用：李雄,李培強.梯次利用動力電池規(guī)模化應用經濟性及經濟邊界分析[J].儲能科學與技術,2022,11(02):717-725.
Doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0487
摘 要 電動汽車動力電池的退役潮來臨，大量退役動力電池的處理成為當前的一大難題，將其規(guī)模化應用于儲能系統(tǒng)是解決該問題的有效途徑，研究梯次儲能的經濟性對促進規(guī)?；瘧镁哂兄卮蟋F(xiàn)實意義。首先分析了梯次儲能系統(tǒng)的成本構成，并采用平準化成本模型分析了梯次儲能的成本參數(shù)敏感性。其次，分析了退役電池梯次利用現(xiàn)狀，探討了梯次利用關鍵技術發(fā)展趨勢；最后分析了梯次儲能規(guī)?；瘧脮r在實現(xiàn)盈利和優(yōu)于新電池情況下的邊界值，為梯次利用提供參考。
關鍵詞 梯次利用；經濟性；平準化成本；敏感性；經濟邊界
2020年，我國新能源汽車產量達136.6萬輛，新能源汽車保有量達492萬輛，動力電池裝車量累計63.6 GW·h，然而動力電池容量衰減至70%～80%時，將從電動汽車中退役。2020年國內累計退役的動力電池超過25 GW·h，2021年被認為是動力電池退役潮的元年。為了應對大規(guī)模退役動力電池的處理問題，8月19日，工業(yè)和信息化部聯(lián)合科技部、生態(tài)環(huán)境部、商務部、市場監(jiān)管總局印發(fā)《新能源汽車動力蓄電池梯次利用管理辦法》，辦法中提出鼓勵梯次利用企業(yè)與新能源汽車生產、動力蓄電池生產及報廢機動車回收拆解等企業(yè)協(xié)議合作，加強信息共享，利用已有回收渠道，高效回收廢舊動力蓄電池用于梯次利用；鼓勵動力蓄電池生產企業(yè)參與廢舊動力蓄電池回收及梯次利用；提高梯次利用效率，提升梯次產品的使用性能、可靠性及經濟性。
針對電池退役后的處理方式，目前主要存在報廢回收和梯次利用兩種途徑。針對報廢回收的途徑，文獻認為三元材料電池的拆解回收具有較高的經濟性，磷酸鐵鋰電池的拆解回收不具有經濟性，建議進行梯次利用。而退役動力電池梯次利用也與經濟性有著密不可分的聯(lián)系。
目前儲能主要存在兩種應用模式：分布式和集中式。分布式儲能具有功率等級低、應用規(guī)模小的特點，梯次儲能分布式應用時電池的容量、內阻等一致性易于滿足，價格相對較低，安全風險低。2020年鐵塔公司在通信基站備用場景中采用梯次鋰電池，其最低價格為0.664元/(W·h)；煦達新能源也建設了總規(guī)模接近60 MW·h的中小型用戶側梯次儲能項目，規(guī)模為幾百千瓦時至兩三兆瓦時之間。集中式儲能為兆瓦時級別，甚至達到百兆瓦時，一般包含電池、電池管理系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、PCS系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、就地監(jiān)控系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、照明、集裝箱，但是在規(guī)模化應用中由于一致性、安全性等要求，應用經濟性差，億緯鋰能曾在2019年中標梯次利用磷酸鐵鋰動力電池儲能系統(tǒng)，其投標報價為1.73元/(W·h)，2020年中天科技以1.68元/(W·h)的價格中標2 MW/4 MW·h梯次利用磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)，價格為備用場景退役電池價格的2～3倍。文獻[5]分析了梯次儲能應用于住宅儲能和削峰填谷場景下的經濟性，在無政府補貼時，梯次儲能的經濟性較差；文獻分析了不同地方使用梯次鋰離子電池的經濟成本，發(fā)現(xiàn)梯次電池比新電池具有更好的環(huán)境效益，但在經濟方面投資回收期較長；文獻[7]分析了梯次利用電池儲能系統(tǒng)參與用戶側削峰填谷的經濟性，并與新電池儲能系統(tǒng)進行對比，在梯次電池價格為0.6元/(W·h)、成組及BMS成本為0.4元/(W·h)、PCS成本為1元/(W·h)、單位運維成本為0.05元/(kW·h)、能量轉換效率為85%、容量衰減為5%/(A·h)、循環(huán)次數(shù)為2000次的邊界條件下，投資收益始終為負值，但該文獻僅從不同的電池價格分析了經濟性，并未考慮到梯次電池儲能其他參數(shù)條件的變化對經濟性的影響。目前梯次儲能正在向規(guī)?；l(fā)展，南方電網承擔梯次利用國家重點研發(fā)項目，已建成百兆瓦時梯次利用示范工程，電池類型包含退役磷酸鐵鋰、鈦酸鋰、三元鋰和B品鈦酸鋰，以退役磷酸鐵鋰為主，主要通過包級和模塊級形式利用；南京江北在建的電網側130 MW/260 MW·h梯次儲能項目，雄安新區(qū)正在規(guī)劃2 GW·h的梯次電池調峰調頻儲能項目等。
本文對退役電池梯次利用全生命周期進行分析，主要考慮了動力電池車上退役、梯次利用、再退役階段。首先分析了梯次儲能系統(tǒng)的成本類型，并采用平準化成本模型分析了梯次儲能的成本參數(shù)敏感性；其次，闡述了退役電池梯次利用的經濟現(xiàn)狀，并對未來的發(fā)展趨勢進行展望；最后在不同設定條件下分別探討了規(guī)?；荽蝺δ軐崿F(xiàn)盈利和優(yōu)于新電池時的邊界值。本文旨在對梯次利用過程中技術發(fā)展進行展望，探討梯次儲能規(guī)?；瘧玫慕洕厔?，為梯次利用提供參考。
1 梯次儲能平準化成本
1.1 成本模型
梯次儲能系統(tǒng)的成本通常包含電池成本、功率變換器成本(power conversion system，PCS)、電池管理系統(tǒng)成本(battery management system，BMS)、集成成本、置換成本、運行維護成本、冷卻系統(tǒng)成本以及電熱安全成本、殘值。
電池成本：電池成本包含前期分選與檢測費用，按照容量計算，其成本模型為
式中，CE為電池容量單價，元/(W·h)；ER為儲能的額定容量，W·h。
PCS成本：PCS控制儲能系統(tǒng)的功率，其成本模型為
式中，CW為電池單位容量的年運行維護價格，元/(W·h·年)。
電熱安全系統(tǒng)成本：儲能在運行過程中由于SEI膜分解、正負極材料與電解液反應會產生熱，導致內部溫度升高，進而會影響儲能系統(tǒng)的能量釋放效率及循環(huán)壽命，電熱安全系統(tǒng)可以監(jiān)控儲能系統(tǒng)的產熱情況并控制散熱系統(tǒng)運行，使儲能系統(tǒng)運行在適宜溫度范圍，提高儲能系統(tǒng)的利用效率。儲能系統(tǒng)的電熱安全管理系統(tǒng)成本模型為
式中，Cn為第n年的總投資成本；En為儲能系統(tǒng)第n年的總放電量；r為折現(xiàn)率；η為儲能系統(tǒng)能量轉換效率；n為退役電池的置換周期；N為儲能系統(tǒng)的運行年限。
目前已投運的梯次儲能工程運行時間短，尚未有數(shù)據表明梯次電池在工程應用中的實際循環(huán)壽命，這里以實驗室測試數(shù)據為例，容量衰減速率按照2%/100次計算，循環(huán)壽命以1500次為例。以深圳某10 MW/25 MW·h梯次磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)為例，具體參數(shù)見表1，該儲能系統(tǒng)平準化成本約為0.86元/(kW·h)。
表 1 儲能系統(tǒng)參數(shù)
1.3 成本敏感性
在表1所列的參數(shù)下，梯次儲能平準化成本參數(shù)的敏感性如圖1所示，容量衰減為2.5%的平準化成本以右軸數(shù)據為準，其余以左軸數(shù)據為準。平準化成本受退役電池單價、容量衰減率影響較大。
圖1 平準化成本敏感性
2 儲能梯次利用現(xiàn)狀
為了使退役電池能夠安全可靠經濟地梯次利用于儲能系統(tǒng)，動力電池退役后需經過如圖2所示流程再進行梯次利用[10]。
圖2 退役電池梯次利用流程
2.1 電池實際可用量少
2015年以來，我國新能源汽車動力電池產量與裝機量呈現(xiàn)出高速增長的態(tài)勢，截至2018年底，我國動力電池累計量超過130 GW·h，2019年底累計超過了190 GW·h。據推算，到2025年累計退役量約為116 GW·h。然而當前退役的電池受前期生產制造水平低影響，約有50%～60%可達到規(guī)?；荽卫靡?，出現(xiàn)退役量大實際可用量少的現(xiàn)象。據資源強制回收產業(yè)技術創(chuàng)新聯(lián)盟不完全統(tǒng)計，2017年，我國共回收處理廢舊動力電池約1.1萬噸，其中來源于研發(fā)實驗和生產制造產生的廢舊動力蓄電池約0.8萬噸，產生于新能源汽車報廢動力電池約0.3萬噸。
2.2 分選重組費時費力
退役電池分選重組流程如圖3所示。分選困難的原因如下。
圖3 分選重組流程
（1） 電池結構類型復雜多樣
我國動力電池企業(yè)曾有230多家，直至2020年仍有70多家動力電池企業(yè)實現(xiàn)了動力電池配套，而每家企業(yè)具有不同的設計，電芯類型、模組成組方式及連接方式、內外部結構設計、工藝技術各不相同，導致拆解分選困難，產線自動化程度低，人工費用高。
（2） 電池歷史運行數(shù)據缺失
依據退役動力電池歷史運行數(shù)據的完整程度可分為兩大類：白箱電池和黑箱電池。
目前投運的梯次儲能工程使用的梯次電池多為早期投運的電池，數(shù)據管理并未形成規(guī)范的記錄，多為缺失歷史運行數(shù)據的黑箱電池，導致動力電池無法采用快速高精度的檢測方法，動力電池安全性能評估和價值判斷準確性低，增加了價值評估的復雜度和評估成本。
2.3 安全性尚未解決
對于退役動力電池，由于其在車內運行3～8年，受到運行過程中的振動和擠壓等外力，發(fā)生內部枝晶生長、電解液消耗、晶體結構變化、界面阻抗增加等問題，導致發(fā)生安全事故的風險增加；且不同電動汽車的使用環(huán)境、工況不同，電池的容量保持率也不一致，大容量集成時，其安全性問題更為突出。
2021年9月，國家能源局印發(fā)《新型儲能項目管理規(guī)范(暫行)》?！兑?guī)范》中要求電網企業(yè)應公平無歧視為新型儲能項目提供電網接入服務，針對新建動力電池梯次利用儲能項目，必須取得相應資質機構出具的安全評估報告，已建和新建的動力電池梯次利用儲能項目須在線監(jiān)控電池性能參數(shù)，定期進行維護和安全評估。
2.4 系統(tǒng)設備特殊化
梯次電池應用技術難點如圖4所示。
圖4 梯次儲能規(guī)?；瘧眉夹g難點
常規(guī)PCS和BMS被動均衡無法解決退役動力電池運行過程一致性發(fā)散的問題，導致模塊利用率低。需要采用退役電池的專用拓撲結構和BMS均衡策略，例如單雙級混合式拓撲、直流多分支兩級拓撲、BMS主動均衡等，防范和抑制退役動力電池安全問題，PCS與BMS設備類型對比，見表2。
表2 PCS與BMS設備
退役動力電池規(guī)?；瘧眠^程中分選出指定容量的退役電池，需要雙倍容量甚至更多的退役電池；同時動力電池循環(huán)利用成為“十四五”循環(huán)經濟發(fā)展重點工程與行動，各大企業(yè)提前布局爭奪資源；且梯次儲能的安全性尚未得以保障，需要增加安全管控設施保障安全等，導致現(xiàn)階段梯次儲能成本偏高。
3 梯次儲能系統(tǒng)經濟趨勢
在第2部分中分析了梯次儲能系統(tǒng)應用現(xiàn)狀，這一部分將分析梯次儲能經濟性的發(fā)展趨勢，便于探究梯次儲能參數(shù)的經濟邊界值。
3.1 標準體系與政策保障梯次利用安全經濟
退役電池梯次利用標準體系逐步健全，覆蓋了退役電池從電動汽車中拆卸、包裝運輸、拆解、余能檢測、梯次利用于儲能場景到再退役的各個環(huán)節(jié)，促使梯次利用更加規(guī)范，提升梯次利用安全保障能力。關于退役電池梯次利用的相關標準見表3。
表3 梯次利用相關標準
在政策方面，近年來工信部針對動力電池梯次利用頒布了多項政策，加強退役動力電池梯次利用管理水平，保證梯次利用電池的安全性。
3.2 分選重組自動化技術降低成本
目前分選重組主要為人工操作，表現(xiàn)為效率低、費用高等特點。動力電池退役量增加，退役動力電池歷史運行數(shù)據的存在可省去測試獲取數(shù)據環(huán)節(jié)，進而縮短分選時間，提高快速分選精度及分選量，節(jié)省大量測試成本，并且能夠有效保證梯次電池后期應用的可靠性，減少電池性能不確定帶來的不確定成本。眾多企業(yè)也競相布局梯次利用，退役動力電池梯次利用技術將逐步完善，拆解分選重組工序向著自動化、柔性化、高效化、安全化的方向發(fā)展，能夠減少人工拆解的安全隱患及費用投入，全自動化產線的投入可降低成本，改善梯次儲能的經濟性。
3.3 峰谷價差擴大提升收益
2021年7月29日，國家發(fā)改委發(fā)布《國家發(fā)展改革委關于進一步完善分時電價機制的通知》，提出進一步完善峰谷分時電價機制，對峰谷時段劃分、峰谷價差空間、分時電價與電力市場化交易銜接等問題，提出了相應政策措施?！锻ㄖ访鞔_了峰谷價差空間，峰谷電價價差達到4∶1；同時建立了尖峰電價機制，尖峰電價在峰段電價基礎上上浮比例不低于20%，鼓勵工商業(yè)用戶通過配置儲能、開展綜合能源利用等方式降低高峰時段用電負荷、增加低谷用電量。廣東省發(fā)展改革委率先調整了峰平谷電價，在8月底下發(fā)了完善峰谷分時電價政策有關問題的通知，其中峰平谷比價從現(xiàn)行的1.65∶1∶0.5調整為1.7∶1∶0.38，峰谷電價價差提高到4.47∶1，差價達到0.8元/(kW·h)[18]，每度電收益增加0.1～0.2元；尖峰電價在峰段電價基礎上上浮25%，尖峰低谷電價差達到1.0元/(kW·h)以上，可進一步縮短梯次儲能的投資回收年限。
4 梯次電池經濟邊界值分析
退役電池在儲能場景梯次利用時，其規(guī)?；瘧玫慕洕灾饕P注以下兩點：(1)能否通過峰谷套利實現(xiàn)盈利？(2)是否優(yōu)于新電池儲能？
4.1 梯次電池儲能盈利邊界
目前深圳市現(xiàn)行電價峰谷價差為0.688元/(kW·h)，而梯次電池的平準化成本為0.86元/(kW·h)，在當前情況下梯次儲能不具備盈利能力。在1.3節(jié)中提到梯次儲能經濟性受電池價格、循環(huán)次數(shù)和PCS價格影響較大，接下來分析實現(xiàn)盈利時電池價格、循環(huán)次數(shù)和PCS價格的邊界。在不同循環(huán)次數(shù)時，不同電池價格和PCS價格下系統(tǒng)的平準化成本結果如圖5～圖7所示。
圖5 1500次循環(huán)壽命下平準化成本
圖6 2000次循環(huán)壽命下平準化成本
圖7 2500次循環(huán)壽命下平準化成本
退役電池循環(huán)壽命為1500次時，平準化成本低于峰谷價差時電池價格邊界約為0.33元/(W·h)；當循環(huán)壽命超過2000次時，電池價格邊界約為0.45元/(W·h)；當循環(huán)壽命超過2500次時，電池價格邊界約為0.465元/(W·h)，與循環(huán)壽命為2000次時邊界值接近，原因是這兩種情況下電池都只需要置換兩次，只是放電量不同。
目前部分省份已經調整了峰谷電價，峰谷價差達到了0.8元/(kW·h)，在此邊界下當電池循環(huán)次數(shù)達到2000次以上，就能夠實現(xiàn)盈利。
4.2 梯次電池儲能優(yōu)于新電池儲能邊界
近年來新磷酸鐵鋰電池價格以每年約10%的比例不斷下降，目前新電池平準化成本約為0.7元/(kW·h)。磷酸鐵鋰儲能裝機量迅速攀升，導致電池原材料緊缺，近年來新能源汽車銷量快速增長帶動了動力電池裝車量的增加，導致電池原材料價格上漲。鋰電池的正極原材料，包括碳酸鋰、氫氧化鋰等，自2020年以來，電池級碳酸鋰的出廠價從最低4.2萬元/t增至9.5萬元/t，氫氧化鋰的出廠價則從最低4.3萬元/t增至9.0萬元/t。
這里假設新電池可循環(huán)5000次，圖8和圖9分別為梯次電池循環(huán)1500次和2500次時新舊電池不同價格下的平準化成本比較。
圖8 退役電池1500次循環(huán)次數(shù)，電池價格不同時新舊電池平準化比較
圖9 退役電池2500次循環(huán)次數(shù)，電池價格不同時新舊電池平準化比較
梯次電池循環(huán)次數(shù)為1500次時，其成本高于新電池；但是當梯次電池循環(huán)次數(shù)達到2500次時，成本會低于新電池，再加之梯次電池初始投資額低的優(yōu)勢，可促進梯次電池的規(guī)?；瘧?。
5 結論
本文分析了規(guī)?；荽蝺δ艿慕洕裕诋斍扒闆r下梯次儲能系統(tǒng)經濟性較差，隨著退役電池性能的提升，梯次儲能的經濟性將出現(xiàn)轉折。當峰谷價差達到0.8元/(kW·h)時，梯次電池循環(huán)次數(shù)達到2000次以上，可實現(xiàn)盈利；梯次電池循環(huán)次數(shù)達到2500次以上時會優(yōu)于新電池。
在雙碳目標下，梯次利用動力電池規(guī)?；且豁楇p贏技術，既能滿足市場對儲能的需求，又能解決退役電池的處理問題，因此梯次利用關鍵技術問題需加大研究力度，提高經濟性。
引用本文： 李雄,李培強.梯次利用動力電池規(guī)?；瘧媒洕约敖洕吔绶治鯷J].儲能科學與技術,2022,11(02):717-725.
LI Xiong,LI Peiqiang.Analysis of economics and economic boundaries of large-scale application of power batteries in cascade utilization[J].Energy Storage Science and Technology,2022,11(02):717-725.
第一作者：李雄（1996—），男，碩士研究生，研究方向為儲能應用， E-mail：xiao_xiong@88.com。
通訊作者：李培強，教授，主要研究方向為大規(guī)模儲能及其在電網中的應用等，E-mail：lpqcs@hnu.edu.cn。
