電化學儲能電站的全壽命周期成本分析

王雅瑩 黃運 陳澤壹 劉海燕

摘 要：儲能是現代能源系統的重要環節，是提升傳統電力系統靈活性、經濟性和安全性的重要手段。目前儲能的發展面臨著成本高、投資大和無法體現儲能綜合價值等問題，成為影響儲能大規模推廣的關鍵因素。因此，本文從全面壽命周期角度深入分析電化學儲能電站的成本構成，并分析各項成本測算要考慮的主要參數，以期為電化學儲能電站的成本精細化管理提供依據和決策指導。

關鍵詞：電化學儲能電站;全壽命周期成本;建設成本;充電成本;年運行維護成本

中圖分類號：F23 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.14.056

0 引言

儲能是現代能源系統的重要環節，是提升傳統電力系統靈活性、經濟性和安全性的重要手段。它可廣泛應用于電力系統的發、輸、配、用各個環節，可以提高電網運行安全性、可靠性及靈活性，被各方認為具有廣闊的發展機遇和應用前景。相對于其他儲能技術，電池儲能技術系統反應機制迅速，運行效率高，方式多種多樣，經濟效益優良，在電力系統各個領域被廣泛應用。近年來，隨著我國儲能產業相關政策出臺和落地實施，電化學儲能技術應用快速發展，已在電力系統發輸配用各個環節得到示范或商業化應用。而目前來說，儲能成本高昂，投資額巨大，綜合價值不明顯，這些都是影響儲能大規模推廣的關鍵因素。

大量文獻研究電池儲能系統的經濟性及經濟性評估，經濟性評估過程中會涉及成本分析。孫波等認為鈉硫儲能系統的總成本包括每年的建設成本、充電成本和運行成本之和。其中運行成本包括運行、維護費用以及系統因使用而需要支付的管理等費用等。在成本分析方面，這些研究成果只考慮了投資成本和年運行維護費用，對于全壽命周期成本中的更換成本、廢棄處置成本等未考慮周到。薛金花等建立了通用的全壽命周期成本模型，用于全面計算儲能的成本，包括儲能的安裝成本、運行維護成本、更換成本和回收價值。葉邯等采用全壽命周期成本（life cycle cost，LCC）理論，通過構建儲能系統的成本模型，分析電池儲能系統的成本構成。電池儲能系統成本主要由采購成本、安裝成本、更換成本、年運行維護成本、輔助設備成本和回收價值構成。王明等應用等效循環壽命法和雨流計數法測算電池儲能壽命，該測算是在LCC理論構建儲能新系統的經濟評價模型中進行的，考慮儲能的初始投資及置換成本、輔助設備成本、運行維護成本、報廢處理成本、懲罰成本、回收殘值。劉思強等從儲能產品與服務的價值角度出發，構建了新型儲能項目綜合商業價值量化模型，該模型能應用于多場景，成本模型中考慮了電池充放電成本、年運行維護成本、用電成本、安裝建設成本和更換電池與設備成本。儲能電站的經營過程中還會產生財務成本和稅費，這些文獻并沒有考慮這些費用。李娜等建立根據儲能電池系統和運行特性與壽命，建立了梯次電池儲能系統平準化成本分析模型，對電池儲能系統與梯次電池儲能系統的平準化成本進行一系列的對比分析，具體包括初始投資成本、運行維護成本、充電成本和財務費用。以上研究成果沒有綜合考慮電化學儲能的綜合成本，并分析各項成本測算需要考慮的主要參數。因此，本文主要從全壽命周期角度分析并量化電化學儲能電站成本，從全壽命周期角度對電化學儲能電站成本進行管控，為電化學儲能電站成本的精益化管理提供依據和決策指導。

1 電化學儲能電站的成本構成及影響參數

電化學儲能電站全壽命周期過程包括項目建設階段和項目運營階段。一方面要分析電化學儲能電站成本構成;另一方面要分析各項成本的計算影響參數。

1.1 建設成本

儲能電站的建設成本，也被稱為系統成本，是指單位容量的儲能系統的成本。主要由設備安裝成本（含電池成本）和施工建造成本組成（未計及土地成本）。儲能設備包括儲能電池、電池管理系統、儲能逆變器和配電系統等，這些設備的購置費用構成設備安裝成本。施工建造成本主要包括建筑工程費、安裝工程費和設備設施設計、調試等費用。在設備成本中電池成本所占比例較大，同時電池的運行維護和故障更換專業性較強，投資方為了降低一次性投資的財務負擔及電池的運行維護難度，采取租賃方式，向電池生產廠家租賃電池，租期為十年;電池生產廠家在租賃期內負責日常運行維護和免費更換故障電池，投資方按年支付電池成本。在進行儲能建設成本的測算過程中要考慮總建設成本遞減比例、單位能量建設成本和儲能能力參數。

1.2 充電成本

儲能電站的充電成本是指充電過程中發生的全部費用。在充電時，由于能源轉化效率不能達到百分之百，從而產生能量損耗生成的成本，因此，該部分成本主要取決于能量轉化效率。例如充電電費為1個單位價格每千瓦時，對一個效率為75%的儲能設備而言其全部能源成本為：1/75%=1.33/千瓦時。測算儲能充電成本要考慮充電電價、設備利用效率、儲能系統每年的放電量和能源轉化效率參數。

1.3 運營人工成本

在某些情況下，儲能設備運行可能需要人工。在一定范圍內，固定的人工成本與儲存電量的大小沒有關系，其費用總額具有不變性。可變的人工成本與存儲使用的頻率和持續時間成正比。在許多情況下，對于電池儲能電站人工成本的核算主要根據儲能設備及儲存能力的大小而定，暫時沒有明確的價值標準。根據楊海波等研究，儲能電站運營人工成本可以通過單位人工成本和員工人數測算得出儲能電站運營人工成本。

1.4 運行維護成本

儲能電站的運行維護成本是為了維持儲能電站處于良好的待機狀態所需要的費用。該成本包括光伏電池板清洗費用、電站管理、檢修費用等。不管使用多少存儲，固定的維護成本都是相同的。可變的維護成本與存儲使用的頻率和持續時間成正比。運行檢修成本一般按照運檢費率乘以初始投資得到。考慮到ESS的使用壽命有限，系統在運行中會發生一定的耗損，產生系統壽命耗損成本。所以在測算儲能電站運行維護成本時，需要綜合考慮總建設成本遞減比例、運行維護費率、單位能量建設成本和儲能能力等參數。

1.5 儲能用途的廠用電成本

儲能用途的廠用電成本是儲能電站用于儲能用途的用電成本。電廠維持儲能電站運行所發生的外購電費的成本，包括購電費、自用電費和與之相關的薪酬費和管理費用等。在儲能用途的廠用電成本計算過程中，要考慮常年平均用電率、儲能電站用于儲能用途的電量占廠用電量的比例、充電電價、儲能能力等參數。

1.6 更換儲能電池與設備成本

在電化學儲能項目中，儲能元件的蓄電池因為循環次數較少，在運行過程中需多次替換，就產生了更換儲能電池與設備成本（Replacement cost）。在通常情況下，電池和設備的使用壽命小于儲能系統項目周期，因此在項目的運行周期內需考慮到電池的更換成本，包括更新材料設備的購置費用、安裝費用、工人薪酬費用等。更換成本被視為可變成本，其大小主要取決于電池的使用壽命及使用頻率。如按照鋰離子電池（磷酸鐵鋰）4000次循環壽命及每天充放電兩次來計算，電池每5.56年需要更換一次。當儲能電池超過使用年限時，將電池全部更換是不經濟、不環保的。因此在實際運行中，根據電池的年衰減率每年增補一定的容量，保證儲能系統的可用容量。更換儲能電池與設備成本可以通過蓄電池替換年度成本、儲能裝置容量和儲能裝置轉換效率進行計算。其中影響蓄電池替換年度成本的因素有替換費用、替換周期、投資回報期、貼現率、蓄電池充放電循環周期次數、蓄電池年度運行天數等。由于電池充放電循環次數有限，電池容量會逐漸衰減，在儲能系統運行過程中需要經常替換蓄電池，因此需要考慮電池容量衰減成本和資金的時間價值。但由于不同類型的儲能電池其壽命周期各不相同，并且其實際壽命與充放電深度和充放電次數等因素相關，具有不確定性，因此該參數在實際運用中根據其影響因素確定。

1.7 考核成本

從全壽命周期成本的角度來看，傳統的成本電價模型沒有考慮到的考核費用，是不可忽視的部分。根據《山東電網光伏電站調度管理規定（試行）》，省調下達的日發電調度計劃曲線和調度指令光伏電站應嚴格執行，及時調節有功出力，實際出力與調度計劃偏移的部分，按照曲線進行違約考核。考核成本測算要考慮調度的考核費用、電量懲罰價格、光儲電站計劃出力、光儲并網功率等參數。

1.8 處置成本

儲能系統各部分元件壽命耗盡時，需要對其進行無害化處理，所投入的資金就是處置成本。該成本主要分為兩方面：環保費用支出和設備殘值。回收電池所付出的成本就是環保費用支，而初始投資成本和回收系數將決定設備殘值的大小。目前，我國對電池進行資源化回收的產業還未成型，正處于發展之中。基于這個原因，大部分廢舊元件沒有得到有效的處置，這些廢棄物會給自然環境和人類健康帶來極大的威脅。現有的廢舊電池處理方式主要有固化深埋、存放于廢礦井和資源化回收。按照國外的經驗做法，與任何存儲系統相關的退役成本都不容忽視。壽命終結后的電池必須要進行拆解，去除化學物質。理想情況下，拆卸的電池及其化學物質可以回收利用，這可以抵減部分拆解及處置有害物質帶來的損失，但最終與處置相關的成本應該包含在儲能電站的總成本當中。

在可預見的未來，回收價值對電池儲能的經濟性的影響會越來越大，原因是儲能電池回收機制的建立和日益完善。比如鉛炭電池，隨著鉛回收技術的發展與進步，目前鉛炭電池可實現100%回收，設備殘值可達到初始投資的20%。而廢鋰電池的回收就面臨了很多問題，它的回收技術復雜，成本高昂，目前尚無很好的回收方案，沒有明確的回收價值，設備殘值可看作零。因此，在儲能處置成本測算要考慮的有單位容量采購價格、儲能系統的額定容量、單位功率儲能逆變器價格、單位功率輔助設備成本和殘值率參數。

1.9 其他成本

儲能電站成本還包括財務成本、稅金等其他成本。財務成本主要是儲能電站長期貸款所產生的利息費用。而利息費用的測算要考慮貸款比例、調度時段、還款年限、貸款利率和初始投資參數。儲能電站經營過程中要考慮稅收支出。稅金主要包括增值稅、所得稅和銷售稅金附加。其中，銷售稅金附加包括城市維護建設稅和教育費附加。

2 結束語

隨著儲能成本的降低，儲能可以在電力系統發輸配用各個環節得到規模化應用，大規模地發揮移峰、能量管理等作用。本文從全面壽命周期角度對電化學儲能項目進行成本分析，并量化電化學儲能項目的各類成本。該成本分為建設成本和總運營成本，其中，總營運成本主要包括充電成本、人工成本、運行維護成本、儲能用途的廠用電成本和更換儲能電池的成本，以及設備成本、處置成本、考核成本、財務成本、稅費等。明確各項成本以及具體影響參數，能夠為電化學儲能電站的成本精益化管理提供一定依據。

參考文獻

[1]孫波，廖強強，陸宇東，等.鈉硫電池儲能系統的電價機制研究[J].電網技術，2014，38（08）：2108-2113.

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[3]王明，李欣然，譚紹杰，等.考慮經濟性的風儲聯合雙應用的儲容配置方法[J].電力系統及其自動化學報，2017，29（2）：7-13.