基于全寿命周期成本的储能成本分析
Cost Analysis of Energy Storage Based on Life Cycle Cost
收稿日期: 2020-01-08
Received: 2020-01-08
作者简介 About authors
傅 旭(1976),男,博士,高级工程师,注册咨询工程师,主要从事电力系统规划分析方面的研究工作,fuxu@nwepdi.com; 。
李富春(1982),男,高级工程师,从事电力系统规划设计研究工作; 。
杨 欣(1991),女,工程师,从事电力系统规划设计研究工作; 。
杨攀峰(1962),男,教授级高级工程师,从事电力系统规划设计研究工作 。
关键词:
Keywords:
本文引用格式
傅旭, 李富春, 杨欣, 杨攀峰.
FU Xu, LI Fuchun, YANG Xin, YANG Panfeng.
0 引言
本文根据当前各类储能成本的价格和技术特性,测算各类储能的投资、年费用、度电成本,比较不同利用小时下各类储能的经济性。
1 储能成本分析
国际电工委员会制定的IEC 60300-3-3标准指出,全寿命周期成本(life cycle cost,LCC)是指在整个系统的寿命周期内,设计、研制、投资、购置、运行、维护、回收等过程中发生的或可能发生的一切直接的、间接的、派生的或非派生的费用的总和。本文借鉴全寿命周期成本理论建立储能成本模型,利用度电成本分析储能经济性。
1.1 投资成本
初始投资成本是指储能系统工程投建初期一次性投入的固定资金,通常用于主要设备的购置等,计算公式为
式中:PESS、EESS分别为储能的功率和容量;CP、CE分别储能的功率和容量的单位投资。
等年值系数C(r,n)表示为
式中:r为基准折现率;n为储能运行的期限(寿命),年。
考虑资金的时间价值,对储能的投资成本进行修正,则折算到每年的成本费用CIn可修正为:
1.2 运维成本
运行维护成本是指为保障储能系统在寿命期内正常运行而动态投入的资金,通常包括储能系统的试验、安装、损耗、停运、人力、检修和维修等费用,以年为单位,计算公式为
式中:KO为储能的单位功率年运行维护成本系数;KM为储能的单位容量年运行维护成本系数;QESS为储能的年发电量。
在上述储能的年运行成本系数和年维护成本系数不易确定时,运行维护费一般按初始投资的一定比例近似估算,即
式中:μ为储能的运行维护费用系数。
综上,储能电站的年成本费用为
1.3 度电成本
根据储能电站的全寿命周期成本,结合储能电站的年发电量,可计算储能电站的度电成本,计算公式为
式中:cESS为储能电站的度电成本;η为储能电站的转换效率;PESS为储能电站的装机容量;HESS为储能电站的储电年利用小时数。
2 各类储能电站度电成本分析
对几种典型储能电站的度电成本进行测算,比较各类储能设备的经济性,考虑的储能设备包括抽水蓄能电站,压缩空气储能、铅酸电池、钠硫电池、液流电池、锂离子电池,其基本参数见表1。
表1 储能电站参数
Table 1
比较项目 | 抽水蓄能 | 压缩空气 | 铅酸电池 | 钠硫电池 | 液流电池 | 锂离子电池 |
单位功率投资/(元·kW-1) | 5 500 | 7 100 | — | — | — | — |
单位容量投资/[元·(kW·h)-1)] | — | — | 1 200 | 7 000 | 8 000 | 2 000 |
建设期/a | 7 | 2 | 1 | 1 | 1 | 1 |
设备寿命/a | 30 | 30 | — | — | — | — |
最大充放电次数 | — | — | 280 | 2 500 | 12 000 | 3 000 |
运行维护费率/% | 2.50 | 2.00 | 0.50 | 0.50 | 0.50 | 0.50 |
电能转换效率/% | 75 | 40 | 80 | 85 | 70 | 90 |
以目前较为成熟的抽蓄电站为基准,储能装机按1 200 MW,储能时长按6 h,计算中电池使用寿命暂按储能放电深度80%情况下,1年循环300次,液流电池循环次数达12 000次以上,计算中按20年计列。
(1)按上述参数计算,抽蓄电站的度电成本最低,其次是压缩空气,电池类储能度电成本最高,其中电池类储能度电成本由低到高依次为锂离子电池、液流电池、钠硫电池和铅酸电池。
(2)若储能电站的储能利用小时数达到1 000 h,抽蓄电站储能度电成本低于1元/(kW·h),约0.93元/(kW·h),压缩空气储能度电成本约1.85元/(kW·h),锂离子电池储能度电成本约2.04元/(kW·h);若储能电站的储能利用小时数达到2 000 h,抽蓄电站储能度电成本低于0.5元/(kW·h),约0.46元/(kW·h),压缩空气储能度电成本低于1元/(kW·h),约0.92元/(kW·h),锂离子电池储能度电成本降低至约1.02元/(kW·h)。
表2 各类储能电站的投资比较
Table 2
比较项目 | 抽水蓄能 | 压缩空气 | 铅酸电池 | 钠硫电池 | 液流电池 | 锂离子电池 |
储能投资/(108元) | 66 | 85.2 | 86.4 | 504 | 576 | 216 |
使用寿命/a | 30 | 30 | 1 | 8 | 20 | 10 |
投资等年值/(108元) | 6.71 | 7.17 | 98.00 | 88.16 | 55.67 | 21.33 |
运行维护费/(108元) | 1.65 | 1.70 | 0.43 | 2.52 | 2.88 | 0.72 |
综合成本/(108元) | 8.36 | 8.88 | 98.43 | 90.68 | 58.55 | 22.05 |
转换效率/% | 75 | 40 | 80 | 85 | 70 | 90 |
表3 各类储能电站的年发电量和度电成本
Table 3
发电小时/h | 储能年发电量/(108 kW·h) | 储能度电成本/[元·(kW·h)-1] | ||||||||||
抽水蓄能 | 压缩空气 | 铅酸电池 | 钠硫电池 | 液流电池 | 锂离子电池 | 抽水蓄能 | 压缩空气 | 铅酸电池 | 钠硫电池 | 液流电池 | 锂离子电池 | |
200 | 1.8 | 0.96 | 1.92 | 2.04 | 1.68 | 2.16 | 4.64 | 9.25 | 51.27 | 44.45 | 34.85 | 10.21 |
400 | 3.6 | 1.92 | 3.84 | 4.08 | 3.36 | 4.32 | 2.32 | 4.62 | 25.63 | 22.22 | 17.43 | 5.10 |
600 | 5.4 | 2.88 | 5.76 | 6.12 | 5.04 | 6.48 | 1.55 | 3.08 | 17.09 | 14.82 | 11.62 | 3.40 |
800 | 7.2 | 3.84 | 7.68 | 8.16 | 6.72 | 8.64 | 1.16 | 2.31 | 12.82 | 11.11 | 8.71 | 2.55 |
1 000 | 9.0 | 4.8 | 9.6 | 10.2 | 8.4 | 10.8 | 0.93 | 1.85 | 10.25 | 8.89 | 6.97 | 2.04 |
1 200 | 10.8 | 5.8 | 11.5 | 12.2 | 10.1 | 13.0 | 0.77 | 1.54 | 8.54 | 7.41 | 5.81 | 1.70 |
1 400 | 12.6 | 6.7 | 13.4 | 14.3 | 11.8 | 15.1 | 0.66 | 1.32 | 7.32 | 6.35 | 4.98 | 1.46 |
1 600 | 14.4 | 7.7 | 15.4 | 16.3 | 13.4 | 17.3 | 0.58 | 1.16 | 6.41 | 5.56 | 4.36 | 1.28 |
1 800 | 16.2 | 8.6 | 17.3 | 18.4 | 15.1 | 19.4 | 0.52 | 1.03 | 5.70 | 4.94 | 3.87 | 1.13 |
2 000 | 18.0 | 9.6 | 19.2 | 20.4 | 16.8 | 21.6 | 0.46 | 0.92 | 5.13 | 4.44 | 3.49 | 1.02 |
图1
(1)按上述参数计算,抽水蓄能电站和压缩空气的度电成本基本相当,主要原因是压缩空气建设期较短导致年费用较低,电池类储能度电成本最高,其中电池类储能度电成本由低到高依次为锂离子电池、液流电池、钠硫电池和铅酸电池。
(2)若储能电站的储能利用小时数达到1 000 h,压缩空气储能度电成本低于1元/(kW·h),约0.88元/(kW·h),锂离子电池储能度电成本约0.79元/(kW·h);若储能电站的储能利用小时数达到2 000 h,压缩空气储能度电成本低于0.5元/(kW·h),约0.44元/(kW·h),锂离子电池储能度电成本低于0.5元/(kW·h),约0.39元/(kW·h)。
表4 各类储能电站的年发电量和度电成本(敏感性分析)
Table 4
发电小时/h | 储能年发电量/(108 kW·h) | 储能度电成本/[元·(kW·h)-1] | ||||||||||
抽水蓄能 | 压缩空气 | 铅酸电池 | 钠硫电池 | 液流电池 | 锂离子电池 | 抽水蓄能 | 压缩空气 | 铅酸电池 | 钠硫电池 | 液流电池 | 锂离子电池 | |
200 | 1.8 | 0.96 | 1.92 | 2.04 | 1.68 | 2.16 | 4.64 | 4.41 | 25.63 | 22.22 | 17.43 | 3.94 |
400 | 3.6 | 1.92 | 3.84 | 4.08 | 3.36 | 4.32 | 2.32 | 2.20 | 12.82 | 11.11 | 8.71 | 1.97 |
600 | 5.4 | 2.88 | 5.76 | 6.12 | 5.04 | 6.48 | 1.55 | 1.47 | 8.54 | 7.41 | 5.81 | 1.31 |
800 | 7.2 | 3.84 | 7.68 | 8.16 | 6.72 | 8.64 | 1.16 | 1.10 | 6.41 | 5.56 | 4.36 | 0.99 |
1 000 | 9.0 | 4.8 | 9.6 | 10.2 | 8.4 | 10.8 | 0.93 | 0.88 | 5.13 | 4.44 | 3.49 | 0.79 |
1 200 | 10.8 | 9.4 | 11.5 | 12.2 | 10.1 | 13.0 | 0.77 | 0.73 | 4.27 | 3.70 | 2.90 | 0.66 |
1 400 | 12.6 | 10.9 | 13.4 | 14.3 | 11.8 | 15.1 | 0.66 | 0.63 | 3.66 | 3.17 | 2.49 | 0.56 |
1 600 | 14.4 | 12.5 | 15.4 | 16.3 | 13.4 | 17.3 | 0.58 | 0.55 | 3.20 | 2.78 | 2.18 | 0.49 |
1 800 | 16.2 | 14.0 | 17.3 | 18.4 | 15.1 | 19.4 | 0.52 | 0.49 | 2.85 | 2.47 | 1.94 | 0.44 |
2 000 | 18.0 | 15.6 | 19.2 | 20.4 | 16.8 | 21.6 | 0.46 | 0.44 | 2.56 | 2.22 | 1.74 | 0.39 |
图2
图2
储能电站度电成本曲线(敏感性分析)
Fig.2
Energy cost curve of energy storage power station (sensitivity analysis)
需要说明的是,储能应用于不同场景,运用方式也不一样,对于目前应用较多的用户侧储能来说,由于负荷曲线基本固定,储能运行方式明确,每天可以按照基本相同策略运行,利用效率比较高,东部部分地区储能年利用小时数在2 000 h左右,储能度电成本相对较低,再加上峰谷电价差相对较高,储能存在盈利空间;但对于发电侧储能应用与减少新能源弃电场景,由于弃电不是每天都会发生,弃电大小也不一样,所以储能应用于此场景,利率用明显较低,初步测算,西北区域储能应用年利用小时数在1 000 h左右,所以储能度电成本明显较高,储能盈利模式尚需进一步研究。
3 结论
基于全寿命周期成本理论,计算了各类储能装置的成本和度电成本,研究表明抽水蓄能电站度电成本最低,其次是压缩空气储能,电池类储能度电成本最高,其中电池类储能度电成本由低到高依次为锂离子电池、液流电池、钠硫电池和铅酸电池。近几年锂离子电池成本下降较快,未来锂离子电池成本进一步下降后,初步测算储能年利用小时数能够达到1 500 h以上,度电成本将低于0.50元/(kW·h)。
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