预测：未来30年，哪些技术将横扫储能市场?

本文研究了2015 -2050年12个电力系统应用中9种电力存储技术的平均存储成本（LCOS）。我们发现，除了长时间放电应用外，锂离子电池在2030年以后最具成本效益。替代技术的性能发展优势不会超过锂离子成本降低的速度。到2030年和2050年，平均存储成本将分别减少三分之一和二分之一。从2030年开始，锂离子电池是成为几乎所有固定应用中最具成本效益的。因此，对替代技术的投入可能显得徒劳，除非新技术性能大幅改进对锂离子电池技术造成冲击。文中涉及内容提高了电力储存经济可行性的透明度，有助于指导研究，制定政策和开展投资。这种情况与太阳能电池极具相似之处。在太阳能电池技术领域，第一代晶体硅电池仍占据主导地位。尽管人们对替代该电池的技术进行了大量投入，但硅电池技术性价比的不断提升使其仍然保持强竞争力。

【前言】

为了应对不同成本、性能特征以及存储应用的不同要求，储能技术表现出多样性。尽管我们在不同技术和应用的方面取得了长足进步，但未来电力储存技术的发展仍然是高度不确定的。

文中，我们提出的平准化存储成本（LCOS）量化了特定存储技术及应用的每单位放电电量的折算成本。所提出指标考虑了影响蓄电产品寿命成本的所有技术和经济参数。它与发电技术的平准化电力成本（LCOE）相似，是电力储存技术成本比较合适的评估工具。

尽管有越来越多的LCOS研究，但这个指标还没有共同的定义。有些研究忽视了储能系统更换或报废处理等成本参数，还排除了相关的性能参数，例如容量衰减等。学术文章通常仅限于少量的存储应用技术，而行业报告缺乏LCOS方法的透明度，两者都只关注当前的LCOS，对其未来比变化并无趋势预判。

我们首次概述了从2015至2050年时间范围内12种固定应用中9种电力存储技术的LCOS。详细展示了LCOS评估方法，并审查了涉及的技术参数和应用要求。这些使我们能够确定每种技术在不同应用中所提供最低LCOS的可能性，并根据不同的应用要求推导出了技术优势模式。（LCOS模型的交互式版本可在线获取www.EnergyStorage.ninja。）

什么是平准化存储成本（LCOS）？

平准化存储成本（LCOS）可以描述为电力存储技术投资的总寿命成本除以其累计交付的电力。交付的电力可以指电能或电力。它反映了投资净现值为零时可出售电力的内部平均价格（即收入要求），类似于发电技术的平准化电力成本（LCOE）的概念。

公式1描述了本研究中计算LCOS的方法。LCOS定义为每单位放电电能的折算成本。

该等式包含确定电力存储技术全部寿命成本所需的所有要素：投资，运营和维护（O＆M），充电和寿命终止成本除以投资期间产生的电力。它假设所有投资成本在第一年产生并将每年的持续成本（n）与系统寿命（N）相加，以贴现率（r）折算。

电力存储应用和技术

电力存储技术可覆盖整个电力供应链中的众多应用。这些应用的不同技术要求决定了不同技术的适用性，并影响了合适技术的LCOS。因此，不同技术LCOS的比较最终是应落实到特定应用的。

表格1 描述了电力价值链中固定存储的12个核心应用，还显示了9种最常用固定电力存储技术在这些应用中的技术适用性。（12个核心应用包括1, Energy Arbitrage; 2, PrimaryResponse; 3, Secondary Response; 4, Tertiary Response; 5, Peaker Replacement;6, Black Start; 7, Seasonal Storage; 8, T&D Investment Deferral; 9,Congestion Management; 10, Bill Management; 11, Power Quality; 12, PowerReliability）

技术适用性根据技术特性和应用要求确定。比如泵送水力和地下压缩空气能量存储器的特征在于相对慢的响应时间（>10s）和大的最小系统尺寸（>5MW）。因此，它们不适合快速响应应用，如初级响应和电能质量以及小规模的消耗应用。飞轮和超级电容器的特点是放电时间短（<1小时），不适合长期供电应用。季节性存储需要数月的电力供应，这一要求只能通过能够完全独立所设计的能量存储来满足。

影响每种技术的LCOS特定应用关键参数有标称功率容量，放电持续时间，年周期和电价。前两个因素影响投资，运行维护和寿命成本，年周期会影响项目寿命和总放电量。每项技术的效率，电价会影响充电成本。充电期间形成的电力价格因应用，地区以及短期和长期时间而异。

【研究结果】

1、预测储存的平准化成本

本文中提及的技术成本、性能数据和应用要求是基于对行业和学术出版物的调研，并得到行业专家验证的。在LCOS计算的蒙特卡罗模拟中考虑了技术数据的变化和不确定性。根据结果，确定每种技术在每个应用和年份中表现出最低LCOS的概率。

图1.二次响应的LCOS预测

应用要求（左上），最低LCOS的概率（右上），以及四种最具竞争力技术明确的LCOS预测，包括基于蒙特卡罗模拟计算的LCOS不确定性范围（下图）。蒙特卡罗模拟每个技术和年份进行500次LCOS计算，随机技术输入参数值来自参数归属正态分布的80％置信区间，对应于平均值的1.285标准偏差。右上图包括最大概率技术的最具成本效益的平均LCOS（黑线）。概率反映了每种技术为不确定性范围提供最小LCOS的频率。

图1显示了二次响应的结果。它描述了应用要求，四种最具竞争力技术的预计LCOS，最具成本效益的概率，以及最高概率最具成本效益技术的平均LCOS。预计LCOS的不确定性范围基于蒙特卡罗模拟方法得到。概率反映了每种技术为这些不确定性范围提供最小LCOS的频率。

二次响应的特征在于短的放电持续时间和频繁的充放电循环。它可以是大规模的，不需要快速响应，具有有利地理条件的泵送水电非常满足这一要求。泵送水电在2015年表现出最低的LCOS（150-400美元/ MWh），这得益于其寿命超过30年，每年1000个循环周期的优良性能，尽管其电力投资成本相对较高。飞轮储能的LCOS远高于泵送水电，高投资成本不确定性转化为低的LCOS可能性很小，也就是说将来这种技术不太具备竞争力。而电池技术投资成本的大幅降低意味着到2030年钒氧化还原液流电池和锂离子电池可能是最具成本效益的，尽管二者的使用寿命分别仅为8年和13年。

可以看出，最具成本效益技术的平均LCOS从2015年的250美元/兆瓦时分别减少到2030年和2050年的190和150美元/兆瓦时。其中，投资成本在四种技术中的LCOS中占比最大，在2015年为65％~90％。两种电池技术的投资成本降低意味着这一比例从80％（2015年）降至55％（2030年）和40％（2050）。由于年度周期（充放电循环次数）要求较高，充电成本在四种技术中的LCOS中占比排第二，占7％~25％。请注意，这些LCOS预测完全基于未来的投资成本降低，是忽略技术不断改进这一因素的，也就是说这两种技术的成本降低是保守估计。

图2. 2015年至2050年12个应用中9种电力存储技术的最低LCOS概率。左轴显示特定应用中技术显示最低LCOS的概率。右轴显示对最低LCOS而言，最高概率技术的平均LCOS。

图2概述了所有技术表现出的最低LCOS概率，以及在所有12个电力存储应用中最具成本效益技术的平均LCOS。2015年，在消费服务领域，铅酸，钠硫，锂离子和钒氧化还原液流电池系统竞争成本最低。

预计电池技术的成本降低限制了泵送水力和压缩空气储能的未来竞争力。电池技术在2025年以后的大多数应用中表现出最低LCOS概率。到2030年，锂离子在大多数应用中（如黑启动）似乎是最具成本效益的，尤其是在放电时间<4小时，年循环次数<300次的条件要求下。对于更长持续放电时间和寿命要求的应用，钒氧化还原液流电池具有竞争力，尽管从未最有可能提供最低的LCOS。对于放电超过700小时的季节性储存，氢储存可能成为最具成本效益的储存。在5000次完全等效充放电循环的主要响应中，飞轮技术会受到锂离子电池技术的强烈冲击。（黑启动，是指整个系统因故障停运后，系统全部停电（不排除孤立小电网仍维持运行），处于全“黑”状态，不依赖别的网络帮助，通过系统中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。）

相对于2015年，具有最高成本效率概率技术的平均LCOS在2030年和2050年分别减少36％和53％。对于≥300次循环/年要求的应用，LCOS从150~600美元/MWh（2015年）降至130~200美元/MWh（2050年）；对于50~100次循环/年要求的应用，LCOS从1,000~3,500（2015）到500~900美元/MWh（2050）；对于≤10次循环/年要求的应用，LCOS从未低于1,500美元/MWh。年周期要求非常重要，因为它会影响每单位装机容量的能量吞吐量。每年用于吞吐一定量能量的容量越低，LCOS越低。

另一个对LCOS影响较大的是放电持续时间。与具有相似循环和较短放电要求的应用相比，具有较长放电要求的应用可表现出较低的LCOS。例如，与循环次数较多但放电持续时间较短的应用（如黑启动和三级响应）相比，放电时间较长的应用T&D Investment Deferral表现出较低LCOS（150美元/兆瓦时，8小时；季节性储能1500~3000美元/兆瓦时，700小时）。

2、对应用要求的敏感性

图3.与放电持续时间和年周期要求相关的最具成本效益的技术（所有技术）。带圆圈的数字代表了引入的12个应用的要求。带圆圈的数字代表引入的12个应用的要求。

图4.与放电持续时间和年周期相关的最具成本效益的技术（不包括泵送水力和压缩空气）带圆圈的数字代表了引入的12个应用的要求。带圆圈的数字代表引入的12个应用的要求。

图3和图4探讨了与放电持续时间和年周期相关的最经济高效技术的敏感性。我们发现泵送水力，压缩空气和飞轮储能是2015年整个模拟放电和频率组合中最具竞争力的技术。由于具有良好的循环寿命以及低能耗和适中的电力投资成本，泵送水力发电占据主导地位。由于投资成本较低，压缩空气储能在放电45小时之后更具竞争力。由于循环寿命良好和电力投入成本较低，飞轮在年循环5000次和低于0.5小时/循环的放电要求下更具竞争力。

根据投资成本降低预测未来的LCOS表明，到2020年，锂离子电池在低放电时间应用中具有成本竞争力。由于其具有更好的循环寿命，因此可在高频使用要求下与钒氧化还原液流电池和飞轮储能竞争。基于模拟预估，随着投资成本的持续降低，锂离子电池的优势可以在高频率应用条件下超过钒氧化还原液流电池，并在长放电时间条件下取代泵送水力储能，到2030年将成为最具成本效益的技术。同时，在长时间放电应用中，氢气储能会比压缩空气储能更具成本效益。

在2015年，除了泵送水力和压缩空气储能之外，在放电时间要求超过1天的技术中，氢气储能已经是最具成本效益的，并且其还具备更广泛的低成本技术生态系统。对于大多数>8小时放电要求，锂离子具有成本竞争力，在300~1,000次/年使用频率条件下，其更具成本优势。钒氧化还原液电池在300至1,000次循环之间的初始增加和随后的降低成本效益表明其与锂离子相比成本可能降低。作为一种相对不成熟的技术，液流电池可以在短期内实现更显著的成本降低。但经验曲线分析仍然显示，锂离子长期以来的成本降低幅度更大。因此，锂离子可能在2030年之前取代所有其他电池技术，并与飞轮和氢存储一起打配合主导储能市场。

图5.与放电持续时间和年周期要求相关的最具成本效益技术的LCOS。带圆圈的数字代表引入的12个应用的要求。

图5显示了所有放电和频率组合的最经济技术的LCOS。LCOS的增加与年周期和放电持续时间的减少成正比。锂离子将在高循环次数要求时取代泵送水力，这反过来将比在高放电持续时间的压缩空气和氢气储存更具竞争力。

3、对技术参数的敏感性

LCOS的评估过程将基于技术和市场成熟度使用不同的折算率，这是未来不确定性的来源之一。不确定性的另一个来源是所调查技术的未来性能提升。每种技术更有可能经历一定程度的性能改进，包括锂离子和氢存储，这可能进一步提高其成本优势。还应注意的是，投资成本是2015年至2050年几乎所有技术和应用LCOS的最大组成部分。因此，超出本研究中经验曲线预测的投资成本任何额外减少都将对LCOS减少产生显著的影响。

【讨论】

我们预判锂离子技术占主导地位是因为其具有良好性能参数，例如高往返效率、足够的循环寿命以及相对降低的投资成本。由于锂离子在成本和性能方面的强竞争力，替代性储能技术的发展可能变得徒劳无功。锂离子目前已经取得了长足进步，并有望在未来取得更多进展。就像晶体硅太阳能电池一样，“锂离子”是一系列技术的集体，通过改进化学材料、工艺以及设计，其成本会更低。

但这并不是说其他技术与锂电技术竞争没有希望。应注意的是，由于最近的研究和部署侧重于便携式、运输和固定应用的锂离子电池，使得锂电技术可能比其他技术更接近其性能极限，这表明性能改进将会为替代技术的崛起提供途径。

在此重申，所有呈现的结果都是根据经验曲线来进行投资成本预测的。这是基于以往的成本下降的趋势，因此是不确定的。本研究的另一个局限性是，假设所有技术都单独占据整个未来的固定存储市场，基于经验的成本降低是受外因影响的。因此，我们是在降低投资成本的基础上，探索每项技术的全部LCOS降低潜力。此外，该研究仅考虑了存储技术的退化和寿命。虽然说明了放电深度，但没有明确地将平均充电状态，充电速率和温度作为附加参数。

本文更多的是呈现研究结果，更多有关模型建立以及模拟方法的细节请参阅原文。由于作者水平有限，欢迎大家指导批评！

参考文献：

Schmidt et al., Projecting the Future Levelized Cost of Electricity Storage Technologies, Joule (2018), https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.12.008

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