中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）日前發(fā)布了一份名為《公用事業(yè)規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本預(yù)測(cè):2023年更新》報(bào)告。該報(bào)告由該實(shí)驗(yàn)室研究人員撰寫(xiě)，其資金由美國(guó)能源部能源效率和可再生能源戰(zhàn)略項(xiàng)目辦公室提供。
報(bào)告概要
本文對(duì)公用事業(yè)規(guī)模鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本變化和性能發(fā)展進(jìn)行了預(yù)測(cè)，其重點(diǎn)研究的是持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。這些預(yù)測(cè)是NREL最近進(jìn)行的研究得出的，其中包括公用事業(yè)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署成本。
NREL的這份研究報(bào)告指出，隨著時(shí)間的推移，預(yù)計(jì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本下降幅度很大。圖1顯示了NREL所參考的一些研究報(bào)告(灰線顯示)中收集的一系列成本下降的預(yù)測(cè)，以及NREL的研究工作中開(kāi)發(fā)的低、中、高成本預(yù)測(cè)(黑線顯示)。圖2顯示了基于這些預(yù)測(cè)的4小時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的總體投資成本。在三種不同的預(yù)測(cè)情景中，到2030年的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本分別為245美元/kWh、326美元/kWh和403美元/kWh；到2050年分別為159美元/kWh、226美元/kWh和348美元/kWh。此外還討論了電池可變運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本、工作壽命和效率，并根據(jù)調(diào)查選擇了推薦的數(shù)據(jù)。
圖1 NREL預(yù)測(cè)的2020年～2050年鋰離子電池的成本下降趨勢(shì)，在這項(xiàng)工作中開(kāi)發(fā)的高、中、低成本預(yù)測(cè)顯示為粗線。
圖2 持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池成本預(yù)測(cè)
1、對(duì)于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)預(yù)測(cè)的背景
研究表明，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本在過(guò)去十年中發(fā)生了快速變化。NREL在2016年發(fā)布了一份公用事業(yè)規(guī)模鋰離子電池儲(chǔ)能的成本預(yù)測(cè)報(bào)告(Coleetal.2016)，該報(bào)告的成本預(yù)測(cè)在很大程度上是對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池成本的預(yù)測(cè)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的公用事業(yè)規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間通常不超過(guò)30分鐘。而到2019年，基于公用事業(yè)規(guī)模電池系統(tǒng)成本預(yù)測(cè)的研究報(bào)告進(jìn)行了更新（Cole和Frazier 2019），并分別在2020年（Cole and Frazier 2020）和2021年（Col、Frazier和Augustine 2021）發(fā)布了更新報(bào)告。2022年沒(méi)有發(fā)布更新報(bào)告。NREL在2023年發(fā)布的研究報(bào)告使用2021年、2022年和2023年初發(fā)布的研究報(bào)告的數(shù)據(jù)更新了成本預(yù)測(cè)。
該報(bào)告的預(yù)測(cè)重點(diǎn)是公用事業(yè)規(guī)模鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本，然后將這些成本預(yù)測(cè)用于NREL的容量擴(kuò)展模型。
2、對(duì)于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本和性能的預(yù)測(cè)方法
NREL的這份報(bào)告對(duì)于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本和性能預(yù)測(cè)使用基于一些研究報(bào)告的方法，其中預(yù)測(cè)通?；谶@些研究報(bào)告中的低值、中值和最高值。表1列出了在這項(xiàng)研究中提到的報(bào)告。由于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的快速變化和部署預(yù)期，NREL僅使用2022年和2023年發(fā)布的研究報(bào)告來(lái)進(jìn)行成本預(yù)測(cè)。除了參與表1中列出的報(bào)告之外，還參考了美國(guó)電力研究院(EPRI 2020)關(guān)于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)和性能假設(shè)的2020年報(bào)告，但NREL沒(méi)有使用他們的成本預(yù)測(cè)，因?yàn)槠鋱?bào)告是在2022年之前發(fā)布的。
NREL在根據(jù)公布的報(bào)告數(shù)據(jù)進(jìn)行成本和業(yè)績(jī)預(yù)測(cè)時(shí)，存在許多固有的挑戰(zhàn)。首先，有些報(bào)告的數(shù)據(jù)定義并不清晰。例如，對(duì)于給定的一些數(shù)值，例如投資成本、工作時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、放電深度、工作壽命和運(yùn)營(yíng)并不總是以相同的方式定義(甚至根本沒(méi)有進(jìn)行定義)。因此，這里提供的一些的數(shù)據(jù)需要從指定的來(lái)源進(jìn)行解釋。其次，NREL數(shù)據(jù)測(cè)與其他報(bào)告的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并且不清楚這些報(bào)告在多大程度上彼此依賴(lài)。因此，這樣的預(yù)測(cè)可能會(huì)人為地使研究結(jié)果出現(xiàn)偏差。第三，由于調(diào)查的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相對(duì)有限，成本變化迅速，因此不能確定不同的電池成本的預(yù)測(cè)應(yīng)該如何加權(quán)。例如，2022年下半年發(fā)布的預(yù)測(cè)是否應(yīng)該比之前發(fā)布的預(yù)測(cè)獲得更高的權(quán)重?或者一些研究機(jī)構(gòu)或組織更善于做出預(yù)測(cè)或捕捉供應(yīng)鏈中斷，因此應(yīng)該給予更高的權(quán)重?
為了進(jìn)行客觀中立的調(diào)查，該報(bào)告中包括的所有成本預(yù)測(cè)都是平等加權(quán)的。當(dāng)NREL對(duì)公布的預(yù)測(cè)報(bào)告進(jìn)行審查時(shí)，發(fā)現(xiàn)一些研究報(bào)告或者引用了該實(shí)驗(yàn)室先前發(fā)布的研究報(bào)告，這也依賴(lài)于NREL報(bào)告的結(jié)果。因此，包括所有的最新公布的預(yù)測(cè)報(bào)告將造成冗余和重復(fù)，因此一些報(bào)告被排除在外。在某些情況下，NREL之前的工作是作為預(yù)測(cè)的起始點(diǎn)，然后進(jìn)行調(diào)整，以更好地捕捉分析師對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的看法。
表1 NREL 2023研究報(bào)告參考的預(yù)測(cè)電池成本和性能的報(bào)告列表
NREL表示，行業(yè)顧問(wèn)在一些情況下參與了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本預(yù)測(cè)。在這些情況下，首先列出咨詢(xún)機(jī)構(gòu)的報(bào)告數(shù)據(jù)，然后是他們支持的企業(yè)用戶(hù)。
NREL使用消費(fèi)者價(jià)格指數(shù)將所有的成本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2022年電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本（以此為基準(zhǔn)）。如果沒(méi)有指定，則采用每年發(fā)布的預(yù)測(cè)報(bào)告的成本。當(dāng)表示電池儲(chǔ)能系統(tǒng)未來(lái)的成本時(shí)，使用報(bào)告中規(guī)定的通貨膨脹率將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際的成本。
NREL只對(duì)持續(xù)時(shí)間4小時(shí)鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本進(jìn)行了預(yù)測(cè)。將4小時(shí)定義為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出持續(xù)時(shí)間，這樣儲(chǔ)能系統(tǒng)將能夠以額定功率容量放電4小時(shí)。而在實(shí)踐中，這意味著電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)間超過(guò)4小時(shí)，并在名義上保持超過(guò)其額定儲(chǔ)能容量，以補(bǔ)償充電和放電期間的損失。
NREL將成本預(yù)測(cè)報(bào)告為以美元/kW為單位表示電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本。然而，并不是所有電池儲(chǔ)能系統(tǒng)組件的成本都采用儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量(即kWh)進(jìn)行計(jì)算。例如，逆變器成本根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的裝機(jī)容量(即kW)進(jìn)行計(jì)算，而某些成本(如開(kāi)發(fā)人員成本)可以同時(shí)根據(jù)裝機(jī)容量和儲(chǔ)能容量進(jìn)行計(jì)算。投資成本通常以美元/kWh表示，使用這種單位，是因?yàn)檫@是迄今為止各種研究報(bào)告常用的表示電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的方式。NREL這份報(bào)告的美元/kWh成本可以簡(jiǎn)單地通過(guò)除以持續(xù)時(shí)間轉(zhuǎn)換為美元/kW (例如，4小時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量成本為1200美元/kW，其裝機(jī)容量成本為300美元/kW)。
為了進(jìn)行成本預(yù)測(cè)，將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本以2022年的成本為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行衡量。NREL選擇使用標(biāo)準(zhǔn)化成本而不是絕對(duì)成本，因?yàn)橐恍┭芯繄?bào)告對(duì)于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本并不總是明確定義。例如，不清楚電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本更高是因?yàn)槠湫矢?，工作壽命更長(zhǎng)，還是只是預(yù)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本會(huì)更高。而使用標(biāo)準(zhǔn)化方法，許多差異的影響程度較低。
NREL將低、中、高預(yù)測(cè)分別定義為2023年、2024年、2025年、2030年的最小值、中值和最大值。最小值和中位數(shù)的定義方式也相同，因?yàn)樽钚≈岛椭形粩?shù)預(yù)測(cè)一直延續(xù)到2050年。一項(xiàng)預(yù)測(cè)表明，從2030年到2050年，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本僅下降5.8%，因此以此為基礎(chǔ)，將2030年最高成本預(yù)測(cè)延長(zhǎng)至2050年。換句話說(shuō)，在2030年的最高成本基礎(chǔ)上預(yù)計(jì)到2050年將會(huì)下降5.8%。
2025年、2030年和2050年之間的點(diǎn)是根據(jù)給定值的年份之間的線性值設(shè)置的。為了將這些標(biāo)準(zhǔn)化的低、中、高預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)換為成本值，將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化成本值乘以4小時(shí)，得出4小時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量成本。
為了估算其他持續(xù)時(shí)間(即4小時(shí)以外的持續(xù)時(shí)間)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本，NREL對(duì)于單獨(dú)的儲(chǔ)能容量成本和裝機(jī)容量成本進(jìn)行區(qū)別，如下所示
儲(chǔ)能系統(tǒng)總成本(美元/kWh)=儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能容量成本(美元/kWh)+儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量成本(美元/kW)×持續(xù)時(shí)間(h)
為了將儲(chǔ)能系統(tǒng)的總成本分為儲(chǔ)能容量和裝機(jī)容量?jī)刹糠殖杀?，該?bào)告使用了Augustine和Blair(2021)發(fā)布的研究報(bào)告的儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量成本和裝機(jī)容量成本。這些相對(duì)份額預(yù)計(jì)將持續(xù)到2050年，從而使計(jì)算任何年份的儲(chǔ)能系統(tǒng)成本成為可能。由于主要關(guān)注的是4小時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，因此不要使用這種方法來(lái)計(jì)算持續(xù)時(shí)間少于一小時(shí)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本。
在這項(xiàng)工作中采用的方法完全依賴(lài)于研究報(bào)告的預(yù)測(cè)。它沒(méi)有考慮其他可能隨著時(shí)間影響成本的因素，例如電池材料的可用性、市場(chǎng)規(guī)模和政策因素。除非這些和其他因素在調(diào)查工作中沒(méi)有被采用，否則它們將不會(huì)在報(bào)告中反映出來(lái)。
3、結(jié)果與討論
具有低、中、高預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化成本軌跡如圖1所示。高成本預(yù)測(cè)遵循的是到2030年的最高成本發(fā)展趨勢(shì)，這包括到2025年的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本發(fā)展趨勢(shì)。在2030年之后，高預(yù)測(cè)情景下降了5.8%。中低預(yù)測(cè)情景的初始斜率比后期斜率更陡，這表明在大多數(shù)研究報(bào)告中看到成本在短期內(nèi)快速下降，然后隨著時(shí)間的推移而緩慢下降。到2030年，低、中、高預(yù)測(cè)情景的成本分別下降47%、32%和16%，到2050年，成本分別下降67%、51%和21%。
圖1是對(duì) 4小時(shí)鋰離子系統(tǒng)的電池成本預(yù)測(cè)，在這項(xiàng)研究中開(kāi)發(fā)的高、中、低成本預(yù)測(cè)顯示為粗線。已公布的預(yù)測(cè)報(bào)告以灰線表示。
圖2 4小時(shí)電池存儲(chǔ)能系統(tǒng)的總成本
4小時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的總成本如圖2所示。2022年引用了Ramasamy等人(2022年)的研究報(bào)告的482美元/kWh的起始點(diǎn)。為了方便起見(jiàn)，使用2022年的成本為基準(zhǔn)，因?yàn)閷⑦@些成本應(yīng)用于長(zhǎng)期規(guī)劃模型(在2022年應(yīng)用相同的成本意味著2022年的解決方案不會(huì)隨著從“高”到“中”再到“低”的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本預(yù)測(cè)而改變)。根據(jù)定義，預(yù)測(cè)遵循與標(biāo)準(zhǔn)化的成本值相同的軌跡。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本在2030年分別為255美元/kWh、326美元/kWh和403美元/kWh，2050年分別為159美元/kWh、237美元/kWh和380美元/kWh。每年的成本和每條發(fā)展軌跡都包含在附錄中。
這些數(shù)據(jù)代表了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的資本成本，圖值包含在附錄中。
NREL預(yù)測(cè)的一個(gè)關(guān)鍵假設(shè)是成本起始點(diǎn)的選擇。一個(gè)較高或較低的起始點(diǎn)會(huì)使成本數(shù)據(jù)而上下移動(dòng)。為了更好地評(píng)估起始點(diǎn)，NREL將Ramasamy等人(2022)報(bào)告中的成本估計(jì)值與其他最近公布報(bào)告的成本估計(jì)值進(jìn)行了比較(如圖3所示)。比較表明，NREL報(bào)告中的起始點(diǎn)處于高端，但通常在估計(jì)的當(dāng)前成本范圍內(nèi)。較高的起始點(diǎn)是2023年成本預(yù)測(cè)高于此前公布報(bào)告的最主要的一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素。
圖3.目前的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本來(lái)自最近的研究報(bào)告，選擇NREL報(bào)告中的成本作為這項(xiàng)工作的2022年起始成本。
使用標(biāo)準(zhǔn)化的成本進(jìn)行預(yù)測(cè)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，以比NREL起始點(diǎn)更高的成本進(jìn)行的預(yù)測(cè)可能會(huì)有更大的下降潛力，因此下降幅度很大。與其相反，如果起點(diǎn)低于NREL的始點(diǎn)，那么成本下降的潛力可能會(huì)更小。然而，仍然傾向于使用標(biāo)準(zhǔn)化的成本，因?yàn)橐寻l(fā)表的預(yù)測(cè)報(bào)告中，起始成本有很大的差異，并且因?yàn)樗兄诒苊庠诓煌膱?bào)告中不同的成本和系統(tǒng)定義的挑戰(zhàn)。
圖4顯示了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量和儲(chǔ)能容量的成本預(yù)測(cè)。這些組成部分結(jié)合起來(lái)就得到了一個(gè)總系統(tǒng)成本，其中儲(chǔ)能系統(tǒng)成本(單位為美元/kWh)是裝機(jī)容量部分成本乘以持續(xù)時(shí)間再加上儲(chǔ)能容量部分的成本。
圖4.4小時(shí)鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量(左)和裝機(jī)容量(右)的成本預(yù)測(cè)，注意兩個(gè)圖中的不同單位。
儲(chǔ)能容量和裝機(jī)容量的成本可以用來(lái)指定其他持續(xù)時(shí)間的投資成本。圖5顯示了持續(xù)時(shí)間為2小時(shí)、4小時(shí)和6小時(shí)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本預(yù)測(cè)。如果以?xún)?chǔ)能容量衡量，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本較低，而如果以裝機(jī)容量衡量，持續(xù)時(shí)間較短的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本較低。圖5(左)還說(shuō)明了在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)投資中引用持續(xù)時(shí)間是至關(guān)重要的原因。
圖5使用中間成本預(yù)測(cè)的2小時(shí)、4小時(shí)和6小時(shí)電池的成本預(yù)測(cè)。左圖以美元/kWh為單位，右圖以美元/kW為單位。
為了充分說(shuō)明容量擴(kuò)展建模工具的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本和性能，除了投資之外，還需要評(píng)估其他參數(shù)。圖6顯示了來(lái)自調(diào)查報(bào)告的可變運(yùn)營(yíng)和維護(hù)(VOM)、固定運(yùn)營(yíng)和維護(hù)(FOM)、生命周期和充放電效率假設(shè)的范圍。圖中最右邊的點(diǎn)是NREL選擇的數(shù)據(jù)，用來(lái)表示4小時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)?？勺冞\(yùn)營(yíng)和維護(hù)(VOM)通常被認(rèn)為是零或接近零，NREL采用的VOM為零。
NREL的報(bào)告已將所有運(yùn)營(yíng)成本(按每天一次充放電的水平)分配給FOM。通過(guò)將運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本放在FOM而不是VOM中，其本質(zhì)上假設(shè)電池的性能在工作壽命期間得到保證，因此運(yùn)行電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不會(huì)給運(yùn)營(yíng)人員帶來(lái)任何成本。FOM的取值范圍要廣泛得多。FOM水平的主要差異之一是其成本是否包括性能維護(hù)。較低的FOM通常只包括簡(jiǎn)單的維護(hù)，而較高的FOM包括一些容量的增加或更換工作，以解決電池退化問(wèn)題。NREL的報(bào)告采用了更高的FOM值，并假設(shè)FOM成本將會(huì)抵消退化。
如果電池以更高的充放電速率運(yùn)行，那么這個(gè)FOM值可能不足以抵消退化。
圖6.來(lái)自各個(gè)研究報(bào)告中的VOM (右上)、FOM (左上)、生命周期(右下)和充放電效率(左下)。NREL的研究報(bào)告選擇的成本是所示的最右邊的值。
NREL選擇的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作壽命為15年，這與其他研究報(bào)告中的中位數(shù)一致。充放電效率為85%，這與公布的數(shù)據(jù)非常一致。
4、結(jié)語(yǔ)
在過(guò)去幾年中，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本迅速變化，需要對(duì)長(zhǎng)期規(guī)劃模型和其他活動(dòng)中使用的儲(chǔ)能系統(tǒng)成本預(yù)測(cè)進(jìn)行更新。這項(xiàng)工作記錄了這些成本預(yù)測(cè)的發(fā)展，而這些預(yù)測(cè)是根據(jù)最近發(fā)布的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)研究報(bào)告作出的。從當(dāng)前成本和未來(lái)成本的角度來(lái)看，這些預(yù)測(cè)顯示了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本發(fā)展趨勢(shì)。一些預(yù)測(cè)表明成本在短期內(nèi)會(huì)增加，而另一些預(yù)測(cè)則表明成本在短期內(nèi)會(huì)大幅下降，到2025年成本將下降3%至36%。
NREL報(bào)告中的成本預(yù)測(cè)引用了各個(gè)研究報(bào)告中的標(biāo)準(zhǔn)化成本，到2030年將降低16%～49%的投資成本，到2050年將會(huì)降低25%～67%的投資成本。這一成本預(yù)測(cè)還包括假設(shè)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本、生命周期和充放電效率，并且這些性能指標(biāo)是根據(jù)其他公布的成本為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試的。
許多因素可能會(huì)影響未來(lái)成本的演變，包括市場(chǎng)需求、供應(yīng)鏈擴(kuò)張或限制、與其他行業(yè)(如電動(dòng)汽車(chē))的相互作用、材料成本和可用性等。
附錄
表2 在圖1和圖2中繪制的值。
圖7和圖8顯示了在這項(xiàng)工作中的預(yù)測(cè)與NREL上次更新的報(bào)告的成本預(yù)測(cè)的比較。該報(bào)告中，2022年的4小時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本預(yù)測(cè)要高得多，并且由于采用更高的起始點(diǎn)，更高的成本將會(huì)持續(xù)到2050年。在2023年的報(bào)告中，更高的標(biāo)準(zhǔn)化成本預(yù)測(cè)也導(dǎo)致整個(gè)預(yù)測(cè)范圍內(nèi)的成本更高。
圖7.報(bào)告中的成本預(yù)測(cè)（實(shí)線）與2021年成本預(yù)測(cè)報(bào)告（Cole、Frazier和Augustine 2021）中成本的比較（虛線）。
圖8. NREL報(bào)告中制定的成本預(yù)測(cè)的比較（實(shí)線）與2021年成本預(yù)測(cè)報(bào)告（Cole、Frazier和Augustine 2021）中的成本（虛線），所有值均標(biāo)準(zhǔn)化為2020年的中期成本預(yù)測(cè)。
