NREL大規(guī)模電池儲能成本預(yù)測

NREL大規(guī)模電池儲能成本預(yù)測過去十年里，鋰電池生產(chǎn)大發(fā)展的同時(shí)，其價(jià)格降低了接近90%，最終使得電動(dòng)汽車和電化學(xué)儲能等相關(guān)產(chǎn)業(yè)在歷史上第一次具備了商業(yè)可行性。但動(dòng)力電池應(yīng)用場景相對單一，而儲能電池的應(yīng)用場景更為豐富和復(fù)雜。理論上說應(yīng)用場景不同，就需要不同的儲能產(chǎn)品。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）根據(jù)20家研究機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用區(qū)域能源部署系統(tǒng)和資源規(guī)劃模型進(jìn)行建模，對公用事業(yè)儲能電池成本進(jìn)行了最新的預(yù)測。NREL的研究顯示，根據(jù)其低、中、高三個(gè)版本的成本預(yù)測，到2030年，4小時(shí)電池儲能系統(tǒng)投資成本將會(huì)下降到$144/kWh、$208/kWh和$293/kWh；到2050年，將會(huì)達(dá)到$88/kWh、$156/kWh和$219/kWh。一、背景過去十年間，電池存儲成本變化迅速。2016年，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）公布了一組關(guān)于公用事業(yè)規(guī)模鋰離子電池的成本預(yù)測值（Cole等人，2016年）。2016年發(fā)布的這些預(yù)測值很大程度上是基于電動(dòng)汽車電池做出。因?yàn)槿羰浅掷m(xù)時(shí)間超過30分鐘，就很難對公用事業(yè)規(guī)模電池進(jìn)行成本預(yù)測。2019年，根據(jù)側(cè)重于公用事業(yè)規(guī)模電池系統(tǒng)的出版物，對電池成本預(yù)測進(jìn)行了更新（Cole和Frazier，2019年）。本報(bào)告更新了2019年公布的成本預(yù)測值。這些預(yù)測主要針對在容量擴(kuò)展模型中使用的公用事業(yè)規(guī)模鋰離子電池系統(tǒng)而展開。NREL利用區(qū)域能源調(diào)度系統(tǒng)（ReEDS）（Cohen等人，2019年）和資源規(guī)劃模型（RPM）（Mai等人，2013年）進(jìn)行容量擴(kuò)展建模，此處開發(fā)的電池成本預(yù)測就是用于這些模型。此外，這些預(yù)測旨在為年度技術(shù)基準(zhǔn)（NREL，2019年）中公布的成本預(yù)測提供依據(jù)。二、方法本研究中所述成本和性能預(yù)測基于文獻(xiàn)做出，在這種方法中，預(yù)測通?；谖墨I(xiàn)中的低值，中值和最高值。表1列出了本研究所使用的19種出版物，盡管預(yù)測主要基于2018年或2019年的出版物。在基于已公布的數(shù)值進(jìn)行成本和性能預(yù)測時(shí)，存在許多固有的挑戰(zhàn)。首先，已公布的數(shù)值的定義并不總是十分明確。例如，對于給定的一組值，美元年份、持續(xù)時(shí)間、放電深度、生命周期和運(yùn)維并不總是以相同的方式定義（甚至根本沒有定義）。因此，此處提供的一些值需要從指定的來源進(jìn)行解釋。第二，許多已公布的數(shù)值將其公布的預(yù)測與其他人做出的預(yù)測進(jìn)行了比較，目前尚不清楚這些預(yù)測相互依賴的程度。因此，如果某預(yù)測為另一預(yù)測提供依據(jù)，那么這一預(yù)測可能會(huì)人為地使結(jié)果（偏向這個(gè)特定預(yù)測）比其他預(yù)測存在更大偏差。第三，由于實(shí)際電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集相對有限并且成本變化迅速，因此尚不清楚應(yīng)如何權(quán)衡不同的電池預(yù)測。例如，2018年公布的預(yù)測是否應(yīng)該比2016年公布的預(yù)測得到更高的權(quán)重？或者是一些組織更擅長做預(yù)測，因此應(yīng)該給予其更高的權(quán)重？為了對當(dāng)前文獻(xiàn)進(jìn)行中立調(diào)查，本報(bào)告中包含的所有成本預(yù)測均具有同等權(quán)重。僅考慮了2017年或之后公布的存儲預(yù)測。然而，許多最新預(yù)測只不過是對舊預(yù)測做了匯總（就像本報(bào)告一樣）。例如，Comello和Reichelstein（2019）所做的預(yù)測是基于2017年或更早的出版物得出，而Nian，Jindal，anLi（2019）則使用了Cole等人（2016）和國際可再生能源署（2017）的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行成本預(yù)測。因此，許多關(guān)于成本預(yù)測的最新論文會(huì)產(chǎn)生已知冗余（根據(jù)上面列出的第二個(gè)挑戰(zhàn)），因而被排除在本研究之外。使用消費(fèi)者價(jià)格指數(shù)將所有成本價(jià)值轉(zhuǎn)換為2019年的美元。在未指明美元年份的情況下，假定美元年份與公布年份相同。我們只對4小時(shí)的鋰離子存儲系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)測。我們將4小時(shí)持續(xù)時(shí)間定義為電池輸出持續(xù)時(shí)間，這樣一個(gè)4小時(shí)設(shè)備將能夠以額定功率放電4小時(shí)。實(shí)際上，這意味著該設(shè)備將充電4小時(shí)以上，并且名義上將保持超過其額定能量容量，以補(bǔ)償充電和放電期間的能量損耗。我們將價(jià)格預(yù)測作為總的系統(tǒng)隔夜資本成本，單位為$/kWh。然而，并不是電池系統(tǒng)所有組件的成本都與系統(tǒng)的能量容量（即kWh）直接相關(guān)（Feldman等人即將出版）。例如，逆變器成本可根據(jù)系統(tǒng)的功率容量（即kW）進(jìn)行調(diào)整，而一些成本組成部分，如開發(fā)人員成本，則隨著功率和能量變化而變化。通過以$/kWh表示電池成本，我們就偏離了其他發(fā)電技術(shù)，如燃燒渦輪機(jī)或太陽能光伏電站，這些技術(shù)的資本成本通常以$/kW表示。我們以$/kWh為單位，因?yàn)檫@是迄今為止在公開材料中表示電池系統(tǒng)成本的最常見方式。將報(bào)告的$/kWh乘以持續(xù)時(shí)間，轉(zhuǎn)換成$/kW（例如，成本為$300/kWh的電池工作四個(gè)小時(shí)，其功率容量成本為$1200/kW）。為進(jìn)行成本預(yù)測，存儲成本被歸一化為2019年的值，每個(gè)預(yù)測值在2019年的起始值都為1。我們選擇使用歸一化成本而不是絕對成本，因?yàn)樵诒境霭嫖镏胁⑽词冀K明確定義系統(tǒng)。例如，尚不清楚系統(tǒng)是否因?yàn)楦咝?、壽命更長而成本更高，還是只是作者預(yù)計(jì)系統(tǒng)成本會(huì)更高。歸一化方法減少了許多差異的干擾。此外，如結(jié)果部分所示，我們選擇2019年基準(zhǔn)成本作為當(dāng)前存儲成本，基本上比2017年公布的所有2019年預(yù)測成本都要低。通過使用歸一化成本，我們可以更容易地使用這些2017年預(yù)測值來告知從較低的初始點(diǎn)開始的成本削減。如果某一出版物在2019年之后開始進(jìn)行預(yù)測，則使用最接近值的線性外推法估計(jì)2019年的值。例如，如果2020年的價(jià)格為$500/kWh，2021年的價(jià)格為$480/kWh，那么2019年的價(jià)格假定為$520/kWh。因?yàn)轭A(yù)測值在最初幾年往往下降更快，線性方法得出的結(jié)果往往低于2019年的實(shí)際數(shù)值，高于歸一化值。如果出版物只提供特定年份的數(shù)值（如2018年、2020年和2030年），則使用線性插值來填充中間年份的數(shù)值，進(jìn)行年度預(yù)測。為定義低、中、高預(yù)測值，我們只考慮了2018年及以后公布的預(yù)測成本。2017年發(fā)布的預(yù)測值仍然以數(shù)字的形式顯示在結(jié)果部分，我們使用2017年的數(shù)據(jù)作為我們預(yù)測的基準(zhǔn)。我們認(rèn)為，與前幾年出版的出版物相比，后期出版的出版物對于預(yù)測存儲成本降低的評估更準(zhǔn)確。我們將低、中、高預(yù)測分別定義為2020年、2025年和2030年的最小值、中值和最大值。定義2050的值更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)橹挥兴膫€(gè)數(shù)據(jù)集延伸到2050年。這三個(gè)數(shù)據(jù)集顯示，從2030年到2050年成本分別下降了19%、25%、27%和39%。39%的減幅用于不利案例，而25%的減幅用于情況中等和較好的案例。也就是說，對于不利案例，假設(shè)從2030年到2050年下降39%，情況中等和較好的案例，假設(shè)從2030年到2050年下降25%。2018年、2020年、2025年、2030年和2050年之間的值是基于年份之間的線性插值設(shè)定的，并賦值。為了將這些歸一化的低、中和高預(yù)測值轉(zhuǎn)換為成本價(jià)值，將歸一化值乘以Feldman等人（即將出版）提出的4小時(shí)電池存儲成本，得出4小時(shí)電池系統(tǒng)成本。為了預(yù)估其他存儲時(shí)間（即4小時(shí)以外的時(shí)間）的成本，我們設(shè)置了單獨(dú)的能源成本和電力成本：總成本（$/kWh）=能源成本（$/kWh）+功率成本（($/kW）/持續(xù)時(shí)間（hr）我們采用了Feldman等人（即將出版）的4小時(shí)和2小時(shí)成本估算，將總成本分為能源成本和功率成本。使用兩個(gè)不同持續(xù)時(shí)間的總成本，計(jì)算能源和功率成本。還可以對照Feldman等人（即將出版）提出的1小時(shí)和0.5小時(shí)成本估算值對能源和功率成本進(jìn)行檢驗(yàn)。我們假設(shè)針對電池系統(tǒng)總成本得出的相對成本降低同樣適用于電池的能量和功率成本。三、結(jié)果和討論圖1顯示了低、中、高預(yù)測值的歸一化成本軌跡。高預(yù)測值遵循（2018年或更新年份）至2030年的最高成本軌跡。如“方法”部分所述，從2030年到2050年，它的成本將降低25%。中和低預(yù)測值的初始斜率比后期斜率要大，這表明大多數(shù)出版物都預(yù)見成本在近期內(nèi)有較大的下降，但隨著時(shí)間的推移會(huì)有所減緩。到2030年，低、中、高三種情況下的成本分別降低63%、47%和26%，到2050年分別降低78%、60%和44%。

圖1.4小時(shí)鋰離子電池系統(tǒng)的電池成本預(yù)測，以及相對于2019年的數(shù)值4小時(shí)設(shè)備的總系統(tǒng)成本如圖2所示。2019年$380/kWh的起點(diǎn)值來自Feldman等人（即將出版）成果。雖然2019年的成本存在不確定性（稍后將討論），但為了方便起見，我們在長期規(guī)劃模型中使用了單一成本（2019年使用相同的成本意味著2019年的解決方案不會(huì)隨著我們對存儲成本的預(yù)測從“高”到“中”再到“低”而改變）。根據(jù)定義，預(yù)測值與歸一化成本價(jià)值的軌跡相同。2030年的存儲成本為$124/kWh，$207/kWh和$338/kWh，2050年為$76/kWh，$156/kWh和$258/kWh。每一年和每一軌跡的成本載于附錄。

圖2.4小時(shí)鋰離子系統(tǒng)的電池成本預(yù)測值圖3顯示了圖2中的絕對成本預(yù)測值與公布的成本預(yù)測值的比較。由于我們選擇基于歸一化成本價(jià)值進(jìn)行預(yù)測，因此它們并不一定與公布的成本預(yù)測一致。許多已公布的成本預(yù)測甚至未達(dá)到我們所選定的起點(diǎn)，而其他少數(shù)成本預(yù)測則比我們的低預(yù)測值還要低。部分差異是由于預(yù)測的年份導(dǎo)致。2017年公布的成本預(yù)測往往高于2018年或以后公布的成本預(yù)測。圖3下半部分顯示，當(dāng)只考慮最近時(shí)間的費(fèi)用預(yù)測時(shí)，預(yù)測在絕對基礎(chǔ)上更好的趨于一致。

圖3.本工作中制定的電池成本預(yù)測（粗體線）相對于已公布的成本預(yù)測預(yù)測的一個(gè)關(guān)鍵假設(shè)是起點(diǎn)的選擇。起始點(diǎn)的高低將使一組預(yù)測值相對于起始點(diǎn)大小的變化而變大或減少。為了更好地評估我們選擇的起點(diǎn)的質(zhì)量，我們將Feldman等人（即將出版）的數(shù)值與2018年或更晚發(fā)表的其他數(shù)值進(jìn)行了比較（如圖4所示）。電池成本變化非常快，我們沒有考慮較早的報(bào)告值。盡管它確實(shí)表明電池存儲系統(tǒng)的當(dāng)前價(jià)格存在相當(dāng)大的不確定性（±$100/kWh），這一比較增加了我們對所選擇的起始值的信心。

圖4.來自2018年或更晚發(fā)表的研究當(dāng)前電池存儲成本使用歸一化成本降低來進(jìn)行預(yù)測的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，以比我們的起點(diǎn)更高的值開始的預(yù)測可能會(huì)預(yù)見更大的成本降低潛力，因此會(huì)有很高的還原率，但仍然不會(huì)產(chǎn)生較低的$/kWh成本。相反，開始時(shí)低于我們起點(diǎn)的預(yù)測可能會(huì)預(yù)見較小的成本降低潛力，但可以實(shí)現(xiàn)非常低的$/kWh成本。然而，我們?nèi)匀粌A向于使用歸一化成本降低數(shù)值，因?yàn)樵谝寻l(fā)布的預(yù)測中，起始成本的差異很大，而且因?yàn)樗苓m應(yīng)不同出版物中不同的成本和系統(tǒng)定義。圖5顯示了電池功率和能量的成本預(yù)測。使用Feldman等人的方法將功率成本和能量成本分開（即將出版），如“方法”部分所述。將這兩部分成本組合在一起，得出系統(tǒng)總成本，其中系統(tǒng)成本（單位為$/kWh）是功率成本除以持續(xù)時(shí)間再加上能量成本。

圖5.鋰離子系統(tǒng)功率（左）和能量（右）成本的預(yù)測這些功率和能源成本可用于指定其他持續(xù)時(shí)間的資本成本。圖6顯示了2小時(shí)、4小時(shí)和6小時(shí)電池的成本預(yù)測（僅使用中間預(yù)測值）。在$/kWh單位的基礎(chǔ)上，持續(xù)時(shí)間較長的電池具有較低的資本成本，而在$/kW的基礎(chǔ)上，持續(xù)時(shí)間較短的電池具有較低的資本成本。圖6（左）還展示了為什么在提供以$/kWh或$/kW為單位的資本成本時(shí)，注明持續(xù)時(shí)間是至關(guān)重要的。

圖6.使用中間成本預(yù)測法對持續(xù)2小時(shí)、4小時(shí)和6小時(shí)的電池進(jìn)行成本預(yù)測為了充分說明用于容量擴(kuò)展建模工具的電池存儲系統(tǒng)的成本和性能，除了資本成本之外，還需要額外的參數(shù)。圖6顯示了來自調(diào)查出版物的可變操作和維護(hù)、固定操作和維護(hù)、壽命和往返效率假設(shè)的范圍。圖中最右邊顯示了我們所選擇的代表我們4小時(shí)電池系統(tǒng)的數(shù)值。可變操作和維護(hù)通常被認(rèn)為是零或接近零，我們將可變操作和維護(hù)設(shè)定為零。此可變操作和維護(hù)被定義為與假設(shè)的每天一個(gè)循環(huán)和給定的日歷生命周期相一致。每天循環(huán)超過一次可能會(huì)縮短生命周期，因此超過一天一次的循環(huán)應(yīng)有非零的可變操作和維護(hù)。我們已經(jīng)將所有的運(yùn)營成本（在每天一個(gè)次循環(huán)的水平上）分配給固定操作和維護(hù)。將操作和維護(hù)成本放在固定操作和維護(hù)而不是可變操作和維護(hù)中，我們實(shí)質(zhì)上假定電池性能在整個(gè)壽命期內(nèi)得到了保證，因此電池操作不會(huì)給電池操作員帶來任何成本。固定操作和維護(hù)的價(jià)值范圍更廣。固定操作和維護(hù)水平的一個(gè)主要差異是成本中是否包括增強(qiáng)或性能維護(hù)。例如，挪威船級社（2017年）報(bào)告了$6/kW-yr的固定操作和維護(hù)和$7.5/kWh-yr的容量維護(hù)成本，以解決退化問題（2017年的數(shù)值，單位為美元）。較低的固定操作和維護(hù)值通常只包括簡單的維護(hù)，而較高的包括一些容量的增加或替換，以應(yīng)對退化。我們采用了較高的固定操作和維護(hù)值，并假設(shè)固定操作和維護(hù)成本將抵消性能的下降，從而使系統(tǒng)能夠在其整個(gè)生命周期內(nèi)以額定容量運(yùn)行。選擇的固定操作和維護(hù)值是4小時(shí)電池的容量成本（單位為$/kW）的2.5%。我們假設(shè)這個(gè)固定操作和維護(hù)與大約每天一個(gè)循環(huán)周期是一致的。如果電池以高得多的循環(huán)速率工作，那么這個(gè)固定操作和維護(hù)值可能不足以抵消退化。

圖7.可變運(yùn)維（右上角），固定運(yùn)維（左上角），壽命（右下角），往返效率（左下角）我們選取的壽命為15年，接近已發(fā)布值的中位數(shù)。充放電效率選擇為85%，這與公布的數(shù)值大體一致。四、總結(jié)電池存儲成本在過去幾年中變化迅