中國儲能網(wǎng)訊：美國國家可再生能源實驗室（NREL）日前發(fā)布了一份名為《公用事業(yè)規(guī)模電池儲能系統(tǒng)成本預測:2023年更新》報告。該報告由該實驗室研究人員撰寫，其資金由美國能源部能源效率和可再生能源戰(zhàn)略項目辦公室提供。
報告概要
本文對公用事業(yè)規(guī)模鋰離子電池儲能系統(tǒng)的成本變化和性能發(fā)展進行了預測，其重點研究的是持續(xù)時間為4小時的電池儲能系統(tǒng)。這些預測是NREL最近進行的研究得出的，其中包括公用事業(yè)規(guī)模儲能系統(tǒng)的部署成本。
NREL的這份研究報告指出，隨著時間的推移，預計電池儲能系統(tǒng)成本下降幅度很大。圖1顯示了NREL所參考的一些研究報告(灰線顯示)中收集的一系列成本下降的預測，以及NREL的研究工作中開發(fā)的低、中、高成本預測(黑線顯示)。圖2顯示了基于這些預測的4小時電池儲能系統(tǒng)的總體投資成本。在三種不同的預測情景中，到2030年的電池儲能系統(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營和維護成本、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預測的2020年～2050年鋰離子電池的成本下降趨勢，在這項工作中開發(fā)的高、中、低成本預測顯示為粗線。
圖2 持續(xù)時間為4小時鋰離子電池儲能系統(tǒng)的電池成本預測
1、對于電池儲能系統(tǒng)預測的背景
研究表明，電池儲能系統(tǒng)成本在過去十年中發(fā)生了快速變化。NREL在2016年發(fā)布了一份公用事業(yè)規(guī)模鋰離子電池儲能的成本預測報告(Coleetal.2016)，該報告的成本預測在很大程度上是對電動汽車電池成本的預測，因為當時的公用事業(yè)規(guī)模電池儲能系統(tǒng)的持續(xù)時間通常不超過30分鐘。而到2019年，基于公用事業(yè)規(guī)模電池系統(tǒng)成本預測的研究報告進行了更新（Cole和Frazier 2019），并分別在2020年（Cole and Frazier 2020）和2021年（Col、Frazier和Augustine 2021）發(fā)布了更新報告。2022年沒有發(fā)布更新報告。NREL在2023年發(fā)布的研究報告使用2021年、2022年和2023年初發(fā)布的研究報告的數(shù)據(jù)更新了成本預測。
該報告的預測重點是公用事業(yè)規(guī)模鋰離子電池儲能系統(tǒng)的成本，然后將這些成本預測用于NREL的容量擴展模型。
2、對于電池儲能系統(tǒng)的成本和性能的預測方法
NREL的這份報告對于電池儲能系統(tǒng)的成本和性能預測使用基于一些研究報告的方法，其中預測通常基于這些研究報告中的低值、中值和最高值。表1列出了在這項研究中提到的報告。由于電池儲能系統(tǒng)成本的快速變化和部署預期，NREL僅使用2022年和2023年發(fā)布的研究報告來進行成本預測。除了參與表1中列出的報告之外，還參考了美國電力研究院(EPRI 2020)關(guān)于電池儲能系統(tǒng)運營和維護和性能假設(shè)的2020年報告，但NREL沒有使用他們的成本預測，因為其報告是在2022年之前發(fā)布的。
NREL在根據(jù)公布的報告數(shù)據(jù)進行成本和業(yè)績預測時，存在許多固有的挑戰(zhàn)。首先，有些報告的數(shù)據(jù)定義并不清晰。例如，對于給定的一些數(shù)值，例如投資成本、工作時間、持續(xù)時間、放電深度、工作壽命和運營并不總是以相同的方式定義(甚至根本沒有進行定義)。因此，這里提供的一些的數(shù)據(jù)需要從指定的來源進行解釋。其次，NREL數(shù)據(jù)測與其他報告的預測數(shù)據(jù)進行比較，并且不清楚這些報告在多大程度上彼此依賴。因此，這樣的預測可能會人為地使研究結(jié)果出現(xiàn)偏差。第三，由于調(diào)查的電池儲能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相對有限，成本變化迅速，因此不能確定不同的電池成本的預測應該如何加權(quán)。例如，2022年下半年發(fā)布的預測是否應該比之前發(fā)布的預測獲得更高的權(quán)重?或者一些研究機構(gòu)或組織更善于做出預測或捕捉供應鏈中斷，因此應該給予更高的權(quán)重?
為了進行客觀中立的調(diào)查，該報告中包括的所有成本預測都是平等加權(quán)的。當NREL對公布的預測報告進行審查時，發(fā)現(xiàn)一些研究報告或者引用了該實驗室先前發(fā)布的研究報告，這也依賴于NREL報告的結(jié)果。因此，包括所有的最新公布的預測報告將造成冗余和重復，因此一些報告被排除在外。在某些情況下，NREL之前的工作是作為預測的起始點，然后進行調(diào)整，以更好地捕捉分析師對電池儲能系統(tǒng)成本的看法。
表1 NREL 2023研究報告參考的預測電池成本和性能的報告列表
NREL表示，行業(yè)顧問在一些情況下參與了電池儲能系統(tǒng)的成本預測。在這些情況下，首先列出咨詢機構(gòu)的報告數(shù)據(jù)，然后是他們支持的企業(yè)用戶。
NREL使用消費者價格指數(shù)將所有的成本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2022年電池儲能系統(tǒng)的成本（以此為基準）。如果沒有指定，則采用每年發(fā)布的預測報告的成本。當表示電池儲能系統(tǒng)未來的成本時，使用報告中規(guī)定的通貨膨脹率將其轉(zhuǎn)換為實際的成本。
NREL只對持續(xù)時間4小時鋰離子儲能系統(tǒng)的成本進行了預測。將4小時定義為電池儲能系統(tǒng)的輸出持續(xù)時間，這樣儲能系統(tǒng)將能夠以額定功率容量放電4小時。而在實踐中，這意味著電池儲能系統(tǒng)充電時間超過4小時，并在名義上保持超過其額定儲能容量，以補償充電和放電期間的損失。
NREL將成本預測報告為以美元/kW為單位表示電池儲能系統(tǒng)的成本。然而，并不是所有電池儲能系統(tǒng)組件的成本都采用儲能系統(tǒng)的儲能容量(即kWh)進行計算。例如，逆變器成本根據(jù)儲能系統(tǒng)的裝機容量(即kW)進行計算，而某些成本(如開發(fā)人員成本)可以同時根據(jù)裝機容量和儲能容量進行計算。投資成本通常以美元/kWh表示，使用這種單位，是因為這是迄今為止各種研究報告常用的表示電池儲能系統(tǒng)成本的方式。NREL這份報告的美元/kWh成本可以簡單地通過除以持續(xù)時間轉(zhuǎn)換為美元/kW (例如，4小時電池儲能系統(tǒng)的儲能容量成本為1200美元/kW，其裝機容量成本為300美元/kW)。
為了進行成本預測，將電池儲能系統(tǒng)的成本以2022年的成本為標準進行衡量。NREL選擇使用標準化成本而不是絕對成本，因為一些研究報告對于電池儲能系統(tǒng)的成本并不總是明確定義。例如，不清楚電池儲能系統(tǒng)成本更高是因為其效率更高，工作壽命更長，還是只是預計儲能系統(tǒng)成本會更高。而使用標準化方法，許多差異的影響程度較低。
NREL將低、中、高預測分別定義為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，因為最小值和中位數(shù)預測一直延續(xù)到2050年。一項預測表明，從2030年到2050年，電池儲能系統(tǒng)的成本僅下降5.8%，因此以此為基礎(chǔ)，將2030年最高成本預測延長至2050年。換句話說，在2030年的最高成本基礎(chǔ)上預計到2050年將會下降5.8%。
2025年、2030年和2050年之間的點是根據(jù)給定值的年份之間的線性值設(shè)置的。為了將這些標準化的低、中、高預測轉(zhuǎn)換為成本值，將電池儲能系統(tǒng)的標準化成本值乘以4小時，得出4小時電池儲能系統(tǒng)的儲能容量成本。
為了估算其他持續(xù)時間(即4小時以外的持續(xù)時間)儲能系統(tǒng)的成本，NREL對于單獨的儲能容量成本和裝機容量成本進行區(qū)別，如下所示
儲能系統(tǒng)總成本(美元/kWh)=儲能系統(tǒng)儲能容量成本(美元/kWh)+儲能系統(tǒng)裝機容量成本(美元/kW)×持續(xù)時間(h)
為了將儲能系統(tǒng)的總成本分為儲能容量和裝機容量兩部分成本，該報告使用了Augustine和Blair(2021)發(fā)布的研究報告的儲能系統(tǒng)的儲能容量成本和裝機容量成本。這些相對份額預計將持續(xù)到2050年，從而使計算任何年份的儲能系統(tǒng)成本成為可能。由于主要關(guān)注的是4小時電池儲能系統(tǒng)，因此不要使用這種方法來計算持續(xù)時間少于一小時的電池儲能系統(tǒng)的成本。
在這項工作中采用的方法完全依賴于研究報告的預測。它沒有考慮其他可能隨著時間影響成本的因素，例如電池材料的可用性、市場規(guī)模和政策因素。除非這些和其他因素在調(diào)查工作中沒有被采用，否則它們將不會在報告中反映出來。
3、結(jié)果與討論
具有低、中、高預測的標準化成本軌跡如圖1所示。高成本預測遵循的是到2030年的最高成本發(fā)展趨勢，這包括到2025年的電池儲能系統(tǒng)成本發(fā)展趨勢。在2030年之后，高預測情景下降了5.8%。中低預測情景的初始斜率比后期斜率更陡，這表明在大多數(shù)研究報告中看到成本在短期內(nèi)快速下降，然后隨著時間的推移而緩慢下降。到2030年，低、中、高預測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 4小時鋰離子系統(tǒng)的電池成本預測，在這項研究中開發(fā)的高、中、低成本預測顯示為粗線。已公布的預測報告以灰線表示。
圖2 4小時電池存儲能系統(tǒng)的總成本
4小時電池儲能系統(tǒng)的總成本如圖2所示。2022年引用了Ramasamy等人(2022年)的研究報告的482美元/kWh的起始點。為了方便起見，使用2022年的成本為基準，因為將這些成本應用于長期規(guī)劃模型(在2022年應用相同的成本意味著2022年的解決方案不會隨著從“高”到“中”再到“低”的電池儲能系統(tǒng)的成本預測而改變)。根據(jù)定義，預測遵循與標準化的成本值相同的軌跡。電池儲能系統(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)代表了電池儲能系統(tǒng)的資本成本，圖值包含在附錄中。
NREL預測的一個關(guān)鍵假設(shè)是成本起始點的選擇。一個較高或較低的起始點會使成本數(shù)據(jù)而上下移動。為了更好地評估起始點，NREL將Ramasamy等人(2022)報告中的成本估計值與其他最近公布報告的成本估計值進行了比較(如圖3所示)。比較表明，NREL報告中的起始點處于高端，但通常在估計的當前成本范圍內(nèi)。較高的起始點是2023年成本預測高于此前公布報告的最主要的一個驅(qū)動因素。
圖3.目前的電池儲能系統(tǒng)成本來自最近的研究報告，選擇NREL報告中的成本作為這項工作的2022年起始成本。
使用標準化的成本進行預測的另一個挑戰(zhàn)是，以比NREL起始點更高的成本進行的預測可能會有更大的下降潛力，因此下降幅度很大。與其相反，如果起點低于NREL的始點，那么成本下降的潛力可能會更小。然而，仍然傾向于使用標準化的成本，因為已發(fā)表的預測報告中，起始成本有很大的差異，并且因為它有助于避免在不同的報告中不同的成本和系統(tǒng)定義的挑戰(zhàn)。
圖4顯示了電池儲能系統(tǒng)裝機容量和儲能容量的成本預測。這些組成部分結(jié)合起來就得到了一個總系統(tǒng)成本，其中儲能系統(tǒng)成本(單位為美元/kWh)是裝機容量部分成本乘以持續(xù)時間再加上儲能容量部分的成本。
圖4.4小時鋰離子儲能系統(tǒng)的儲能容量(左)和裝機容量(右)的成本預測，注意兩個圖中的不同單位。
儲能容量和裝機容量的成本可以用來指定其他持續(xù)時間的投資成本。圖5顯示了持續(xù)時間為2小時、4小時和6小時的電池儲能系統(tǒng)的成本預測。如果以儲能容量衡量，持續(xù)時間長的電池儲能系統(tǒng)的投資成本較低，而如果以裝機容量衡量，持續(xù)時間較短的電池儲能系統(tǒng)的投資成本較低。圖5(左)還說明了在電池儲能系統(tǒng)投資中引用持續(xù)時間是至關(guān)重要的原因。
圖5使用中間成本預測的2小時、4小時和6小時電池的成本預測。左圖以美元/kWh為單位，右圖以美元/kW為單位。
為了充分說明容量擴展建模工具的電池儲能系統(tǒng)的成本和性能，除了投資之外，還需要評估其他參數(shù)。圖6顯示了來自調(diào)查報告的可變運營和維護(VOM)、固定運營和維護(FOM)、生命周期和充放電效率假設(shè)的范圍。圖中最右邊的點是NREL選擇的數(shù)據(jù)，用來表示4小時電池儲能系統(tǒng)?？勺冞\營和維護(VOM)通常被認為是零或接近零，NREL采用的VOM為零。
NREL的報告已將所有運營成本(按每天一次充放電的水平)分配給FOM。通過將運營和維護成本放在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，因此運行電池儲能系統(tǒng)不會給運營人員帶來任何成本。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。較低的FOM通常只包括簡單的維護，而較高的FOM包括一些容量的增加或更換工作，以解決電池退化問題。NREL的報告采用了更高的FOM值，并假設(shè)FOM成本將會抵消退化。
如果電池以更高的充放電速率運行，那么這個FOM值可能不足以抵消退化。
圖6.來自各個研究報告中的VOM (右上)、FOM (左上)、生命周期(右下)和充放電效率(左下)。NREL的研究報告選擇的成本是所示的最右邊的值。
NREL選擇的電池儲能系統(tǒng)的工作壽命為15年，這與其他研究報告中的中位數(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
在過去幾年中，電池儲能系統(tǒng)成本迅速變化，需要對長期規(guī)劃模型和其他活動中使用的儲能系統(tǒng)成本預測進行更新。這項工作記錄了這些成本預測的發(fā)展，而這些預測是根據(jù)最近發(fā)布的電池儲能系統(tǒng)研究報告作出的。從當前成本和未來成本的角度來看，這些預測顯示了電池儲能系統(tǒng)的成本發(fā)展趨勢。一些預測表明成本在短期內(nèi)會增加，而另一些預測則表明成本在短期內(nèi)會大幅下降，到2025年成本將下降3%至36%。
NREL報告中的成本預測引用了各個研究報告中的標準化成本，到2030年將降低16%～49%的投資成本，到2050年將會降低25%～67%的投資成本。這一成本預測還包括假設(shè)的運營和維護成本、生命周期和充放電效率，并且這些性能指標是根據(jù)其他公布的成本為基準進行測試的。
許多因素可能會影響未來成本的演變，包括市場需求、供應鏈擴張或限制、與其他行業(yè)(如電動汽車)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顯示了在這項工作中的預測與NREL上次更新的報告的成本預測的比較。該報告中，2022年的4小時電池儲能系統(tǒng)成本預測要高得多，并且由于采用更高的起始點，更高的成本將會持續(xù)到2050年。在2023年的報告中，更高的標準化成本預測也導致整個預測范圍內(nèi)的成本更高。
圖7.報告中的成本預測（實線）與2021年成本預測報告（Cole、Frazier和Augustine 2021）中成本的比較（虛線）。
圖8. NREL報告中制定的成本預測的比較（實線）與2021年成本預測報告（Cole、Frazier和Augustine 2021）中的成本（虛線），所有值均標準化為2020年的中期成本預測。
