2023年公用事业规模电池储能系统成本预测

     美国国家可再生能源实验室（NREL）日前发布了一份名为《公用事业规模电池储能系统成本预测:2023年更新》报告。该报告由该实验室研究人员撰写，其资金由美国能源部能源效率和可再生能源战略项目办公室提供。

报告概要

  本文对公用事业规模锂离子电池储能系统的成本变化和性能发展进行了预测，其重点研究的是持续时间为4小时的电池储能系统。这些预测是NREL最近进行的研究得出的，其中包括公用事业规模储能系统的部署成本。

  NREL的这份研究报告指出，随着时间的推移，预计电池储能系统成本下降幅度很大。图1显示了NREL所参考的一些研究报告(灰线显示)中收集的一系列成本下降的预测，以及NREL的研究工作中开发的低、中、高成本预测(黑线显示)。图2显示了基于这些预测的4小时电池储能系统的总体投资成本。在三种不同的预测情景中，到2030年的电池储能系统的成本分别为245美元/kWh、326美元/kWh和403美元/kWh；到2050年分别为159美元/kWh、226美元/kWh和348美元/kWh。此外还讨论了电池可变运营和维护成本、工作寿命和效率，并根据调查选择了推荐的数据。

图1 NREL预测的2020年～2050年锂离子电池的成本下降趋势，在这项工作中开发的高、中、低成本预测显示为粗线。

图2 持续时间为4小时锂离子电池储能系统的电池成本预测

  1、对于电池储能系统预测的背景

  研究表明，电池储能系统成本在过去十年中发生了快速变化。NREL在2016年发布了一份公用事业规模锂离子电池储能的成本预测报告(Coleetal.2016)，该报告的成本预测在很大程度上是对电动汽车电池成本的预测，因为当时的公用事业规模电池储能系统的持续时间通常不超过30分钟。而到2019年，基于公用事业规模电池系统成本预测的研究报告进行了更新（Cole和Frazier 2019），并分别在2020年（Cole and Frazier 2020）和2021年（Col、Frazier和Augustine 2021）发布了更新报告。2022年没有发布更新报告。NREL在2023年发布的研究报告使用2021年、2022年和2023年初发布的研究报告的数据更新了成本预测。

  该报告的预测重点是公用事业规模锂离子电池储能系统的成本，然后将这些成本预测用于NREL的容量扩展模型。

  2、对于电池储能系统的成本和性能的预测方法

  NREL的这份报告对于电池储能系统的成本和性能预测使用基于一些研究报告的方法，其中预测通常基于这些研究报告中的低值、中值和最高值。表1列出了在这项研究中提到的报告。由于电池储能系统成本的快速变化和部署预期，NREL仅使用2022年和2023年发布的研究报告来进行成本预测。除了参与表1中列出的报告之外，还参考了美国电力研究院(EPRI 2020)关于电池储能系统运营和维护和性能假设的2020年报告，但NREL没有使用他们的成本预测，因为其报告是在2022年之前发布的。

  NREL在根据公布的报告数据进行成本和业绩预测时，存在许多固有的挑战。首先，有些报告的数据定义并不清晰。例如，对于给定的一些数值，例如投资成本、工作时间、持续时间、放电深度、工作寿命和运营并不总是以相同的方式定义(甚至根本没有进行定义)。因此，这里提供的一些的数据需要从指定的来源进行解释。其次，NREL数据测与其他报告的预测数据进行比较，并且不清楚这些报告在多大程度上彼此依赖。因此，这样的预测可能会人为地使研究结果出现偏差。第三，由于调查的电池储能系统的数据相对有限，成本变化迅速，因此不能确定不同的电池成本的预测应该如何加权。例如，2022年下半年发布的预测是否应该比之前发布的预测获得更高的权重?或者一些研究机构或组织更善于做出预测或捕捉供应链中断，因此应该给予更高的权重?

  为了进行客观中立的调查，该报告中包括的所有成本预测都是平等加权的。当NREL对公布的预测报告进行审查时，发现一些研究报告或者引用了该实验室先前发布的研究报告，这也依赖于NREL报告的结果。因此，包括所有的最新公布的预测报告将造成冗余和重复，因此一些报告被排除在外。在某些情况下，NREL之前的工作是作为预测的起始点，然后进行调整，以更好地捕捉分析师对电池储能系统成本的看法。

表1 NREL 2023研究报告参考的预测电池成本和性能的报告列表

  NREL表示，行业顾问在一些情况下参与了电池储能系统的成本预测。在这些情况下，首先列出咨询机构的报告数据，然后是他们支持的企业用户。

  NREL使用消费者价格指数将所有的成本数据转换为2022年电池储能系统的成本（以此为基准）。如果没有指定，则采用每年发布的预测报告的成本。当表示电池储能系统未来的成本时，使用报告中规定的通货膨胀率将其转换为实际的成本。

  NREL只对持续时间4小时锂离子储能系统的成本进行了预测。将4小时定义为电池储能系统的输出持续时间，这样储能系统将能够以额定功率容量放电4小时。而在实践中，这意味着电池储能系统充电时间超过4小时，并在名义上保持超过其额定储能容量，以补偿充电和放电期间的损失。

  NREL将成本预测报告为以美元/kW为单位表示电池储能系统的成本。然而，并不是所有电池储能系统组件的成本都采用储能系统的储能容量(即kWh)进行计算。例如，逆变器成本根据储能系统的装机容量(即kW)进行计算，而某些成本(如开发人员成本)可以同时根据装机容量和储能容量进行计算。投资成本通常以美元/kWh表示，使用这种单位，是因为这是迄今为止各种研究报告常用的表示电池储能系统成本的方式。NREL这份报告的美元/kWh成本可以简单地通过除以持续时间转换为美元/kW (例如，4小时电池储能系统的储能容量成本为1200美元/kW，其装机容量成本为300美元/kW)。

  为了进行成本预测，将电池储能系统的成本以2022年的成本为标准进行衡量。NREL选择使用标准化成本而不是绝对成本，因为一些研究报告对于电池储能系统的成本并不总是明确定义。例如，不清楚电池储能系统成本更高是因为其效率更高，工作寿命更长，还是只是预计储能系统成本会更高。而使用标准化方法，许多差异的影响程度较低。

  NREL将低、中、高预测分别定义为2023年、2024年、2025年、2030年的最小值、中值和最大值。最小值和中位数的定义方式也相同，因为最小值和中位数预测一直延续到2050年。一项预测表明，从2030年到2050年，电池储能系统的成本仅下降5.8%，因此以此为基础，将2030年最高成本预测延长至2050年。换句话说，在2030年的最高成本基础上预计到2050年将会下降5.8%。

  2025年、2030年和2050年之间的点是根据给定值的年份之间的线性值设置的。为了将这些标准化的低、中、高预测转换为成本值，将电池储能系统的标准化成本值乘以4小时，得出4小时电池储能系统的储能容量成本。

  为了估算其他持续时间(即4小时以外的持续时间)储能系统的成本，NREL对于单独的储能容量成本和装机容量成本进行区别，如下所示

  储能系统总成本(美元/kWh)=储能系统储能容量成本(美元/kWh)+储能系统装机容量成本(美元/kW)×持续时间(h)

  为了将储能系统的总成本分为储能容量和装机容量两部分成本，该报告使用了Augustine和Blair(2021)发布的研究报告的储能系统的储能容量成本和装机容量成本。这些相对份额预计将持续到2050年，从而使计算任何年份的储能系统成本成为可能。由于主要关注的是4小时电池储能系统，因此不要使用这种方法来计算持续时间少于一小时的电池储能系统的成本。

  在这项工作中采用的方法完全依赖于研究报告的预测。它没有考虑其他可能随着时间影响成本的因素，例如电池材料的可用性、市场规模和政策因素。除非这些和其他因素在调查工作中没有被采用，否则它们将不会在报告中反映出来。

  3、结果与讨论

  具有低、中、高预测的标准化成本轨迹如图1所示。高成本预测遵循的是到2030年的最高成本发展趋势，这包括到2025年的电池储能系统成本发展趋势。在2030年之后，高预测情景下降了5.8%。中低预测情景的初始斜率比后期斜率更陡，这表明在大多数研究报告中看到成本在短期内快速下降，然后随着时间的推移而缓慢下降。到2030年，低、中、高预测情景的成本分别下降47%、32%和16%，到2050年，成本分别下降67%、51%和21%。

图1是对4小时锂离子系统的电池成本预测，在这项研究中开发的高、中、低成本预测显示为粗线。已公布的预测报告以灰线表示。

图2 4小时电池存储能系统的总成本

  4小时电池储能系统的总成本如图2所示。2022年引用了Ramasamy等人(2022年)的研究报告的482美元/kWh的起始点。为了方便起见，使用2022年的成本为基准，因为将这些成本应用于长期规划模型(在2022年应用相同的成本意味着2022年的解决方案不会随着从“高”到“中”再到“低”的电池储能系统的成本预测而改变)。根据定义，预测遵循与标准化的成本值相同的轨迹。电池储能系统的成本在2030年分别为255美元/kWh、326美元/kWh和403美元/kWh，2050年分别为159美元/kWh、237美元/kWh和380美元/kWh。每年的成本和每条发展轨迹都包含在附录中。

  这些数据代表了电池储能系统的资本成本，图值包含在附录中。

  NREL预测的一个关键假设是成本起始点的选择。一个较高或较低的起始点会使成本数据而上下移动。为了更好地评估起始点，NREL将Ramasamy等人(2022)报告中的成本估计值与其他最近公布报告的成本估计值进行了比较(如图3所示)。比较表明，NREL报告中的起始点处于高端，但通常在估计的当前成本范围内。较高的起始点是2023年成本预测高于此前公布报告的最主要的一个驱动因素。

图3 目前的电池储能系统成本来自最近的研究报告，选择NREL报告中的成本作为这项工作的2022年起始成本。

  使用标准化的成本进行预测的另一个挑战是，以比NREL起始点更高的成本进行的预测可能会有更大的下降潜力，因此下降幅度很大。与其相反，如果起点低于NREL的始点，那么成本下降的潜力可能会更小。然而，仍然倾向于使用标准化的成本，因为已发表的预测报告中，起始成本有很大的差异，并且因为它有助于避免在不同的报告中不同的成本和系统定义的挑战。

  图4显示了电池储能系统装机容量和储能容量的成本预测。这些组成部分结合起来就得到了一个总系统成本，其中储能系统成本(单位为美元/kWh)是装机容量部分成本乘以持续时间再加上储能容量部分的成本。

图4 4小时锂离子储能系统的储能容量(左)和装机容量(右)的成本预测，注意两个图中的不同单位。

  储能容量和装机容量的成本可以用来指定其他持续时间的投资成本。图5显示了持续时间为2小时、4小时和6小时的电池储能系统的成本预测。如果以储能容量衡量，持续时间长的电池储能系统的投资成本较低，而如果以装机容量衡量，持续时间较短的电池储能系统的投资成本较低。图5(左)还说明了在电池储能系统投资中引用持续时间是至关重要的原因。

图5 使用中间成本预测的2小时、4小时和6小时电池的成本预测。左图以美元/kWh为单位，右图以美元/kW为单位。

  为了充分说明容量扩展建模工具的电池储能系统的成本和性能，除了投资之外，还需要评估其他参数。图6显示了来自调查报告的可变运营和维护(VOM)、固定运营和维护(FOM)、生命周期和充放电效率假设的范围。图中最右边的点是NREL选择的数据，用来表示4小时电池储能系统。可变运营和维护(VOM)通常被认为是零或接近零，NREL采用的VOM为零。

  NREL的报告已将所有运营成本(按每天一次充放电的水平)分配给FOM。通过将运营和维护成本放在FOM而不是VOM中，其本质上假设电池的性能在工作寿命期间得到保证，因此运行电池储能系统不会给运营人员带来任何成本。FOM的取值范围要广泛得多。FOM水平的主要差异之一是其成本是否包括性能维护。较低的FOM通常只包括简单的维护，而较高的FOM包括一些容量的增加或更换工作，以解决电池退化问题。NREL的报告采用了更高的FOM值，并假设FOM成本将会抵消退化。

  如果电池以更高的充放电速率运行，那么这个FOM值可能不足以抵消退化。

图6 来自各个研究报告中的VOM (右上)、FOM (左上)、生命周期(右下)和充放电效率(左下)。NREL的研究报告选择的成本是所示的最右边的值。

  NREL选择的电池储能系统的工作寿命为15年，这与其他研究报告中的中位数一致。充放电效率为85%，这与公布的数据非常一致。

  4、结语

  在过去几年中，电池储能系统成本迅速变化，需要对长期规划模型和其他活动中使用的储能系统成本预测进行更新。这项工作记录了这些成本预测的发展，而这些预测是根据最近发布的电池储能系统研究报告作出的。从当前成本和未来成本的角度来看，这些预测显示了电池储能系统的成本发展趋势。一些预测表明成本在短期内会增加，而另一些预测则表明成本在短期内会大幅下降，到2025年成本将下降3%至36%。

  NREL报告中的成本预测引用了各个研究报告中的标准化成本，到2030年将降低16%～49%的投资成本，到2050年将会降低25%～67%的投资成本。这一成本预测还包括假设的运营和维护成本、生命周期和充放电效率，并且这些性能指标是根据其他公布的成本为基准进行测试的。

  许多因素可能会影响未来成本的演变，包括市场需求、供应链扩张或限制、与其他行业(如电动汽车)的相互作用、材料成本和可用性等。

附录

表2 在图1和图2中绘制的值。

  图7和图8显示了在这项工作中的预测与NREL上次更新的报告的成本预测的比较。该报告中，2022年的4小时电池储能系统成本预测要高得多，并且由于采用更高的起始点，更高的成本将会持续到2050年。在2023年的报告中，更高的标准化成本预测也导致整个预测范围内的成本更高。

图7 报告中的成本预测（实线）与2021年成本预测报告（Cole、Frazier和Augustine 2021）中成本的比较（虚线）。

图8 NREL报告中制定的成本预测的比较（实线）与2021年成本预测报告（Cole、Frazier和Augustine 2021）中的成本（虚线），所有值均标准化为2020年的中期成本预测。