新型儲能發展分析及其經濟性評估研究

王大才 曾杰

摘要：為研究在新型電力系統中新型儲能技術對項目經濟性的影響，采用財務經濟評價方法，對抽水蓄能、鋰離子電池、壓縮空氣、釩液流電池、鉛炭電池等5類儲能進行經濟性評估及應用前景分析。結果表明：在碳達峰、碳中和目標下，儲能需求空間廣闊，根據經濟性評估，由大到小依次排序為抽水蓄能、壓縮空氣儲能、鋰離子電池儲能、鉛炭電池儲能與釩液流電池儲能，其他新型儲能路線也進入了發展快車道。在市場需求爆發以及政策鼓勵的雙重推動下，新型儲能技術加速迭代，有望通過技術進步實現能效提升以及成本下降。

關鍵詞：

儲能； 抽水蓄能； 鋰離子電池； 壓縮空氣； 釩液流電池； 鉛炭電池

中圖法分類號：TM911

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.016

文章編號：1006-0081（2023）07-0096-04

0 引 言

碳中和目標下，新型電力系統儲能至關重要，在發電側、電網側、用電側方面都有廣泛的應用，是新能源消納以及電網安全的必要保障。根據中國2030年碳達峰規劃目標，新能源發電總裝機容量將達到12億kW以上。新能源發電具有不穩定性、隨機性與間歇性的問題，需要進行配儲和調峰，隨著新能源發電占比的提高，整個電力系統的電力電量平衡模式也需要重構。現有電力系統以抽水蓄能為主，但其地理資源稀有，存在明顯發展瓶頸，發展新型儲能成為必然趨勢。

本文研究了新型儲能的發展及應用，重點選取抽水蓄能、鋰離子電池、壓縮空氣、釩液流電池、鉛炭電池等5類儲能進行經濟性評估和應用前景分析。總結了各種儲能技術特性、差別及適用范圍。抽水蓄能主要應用于大電網的輸配電環節，化學儲能更多運用于光、風發電等波動較大的可再生能源發電側、中小型智能變電站和用電側［1］。在中國構建以新能源為主體的新型電力系統目標下，新型儲能技術快速進步，有望實現能效提升以及成本下降。

1 抽水蓄能發展分析及經濟性評估

抽水蓄能是現今發展成熟且具規模的儲能技術。抽水蓄能電站一般由上水庫、下水庫和可逆式水泵水輪機組成。用電低峰期時，將可逆式水泵水輪機作為水泵，利用低價值電能將水從下水庫抽至上水庫，儲存水的勢能；用電高峰期時則將可逆式水泵水輪機作為水輪機，在上水庫開閘放水，將水的勢能轉換為高價值電能。抽水蓄能具有技術優、成本低、壽命長、容量大、效率高等優點，可適應各種儲能周期需求，系統循環效率可達70%～80%。抽蓄電站壩體可使用100 a左右，預計電機等設備使用年限為40～60 a。截至2021年底，中國儲能裝機總規模達到46.1 GW，其中抽水蓄能占比86.3%。

抽水蓄能電站經濟性評估［2］（表1），按200 MW項目初始投資成本6元/W，年運維成本0.06元/W，壽命為30 a，殘值為10%，每年運行次數400次，放電深度100%，儲能循環效率75%等條件，對抽水蓄能電站進行財務經濟性評價建模，測算儲能度電成本約為0.310元/（kW·h）。

《關于進一步完善抽水蓄能價格形成機制的意見》中明確了抽水蓄能兩部制電價政策，即以競爭性方式形成電量電價以及將容量電費納入輸配電價回收機制。容量電費納入輸配電價回收將給抽蓄電站的初始建設成本形成托底。在抽水發電運營方面，在未建立現貨市場區域，抽水蓄能電站按照75%燃煤基準價用電，發電時段按基準價上網，電站能效轉化75%左右，電站收益成本基本持平。在電力現貨市場運行區域，抽水蓄能電站抽水電價、上網電價按現貨市場價格及規則結算，抽水蓄能電站抽水電量不執行輸配電價、不承擔政府性基金及附加，在峰谷期電價價差達0.6～1元情況，抽水蓄能電站可盈利。

2 鋰離子電池儲能發展分析及經濟性評估

鋰離子電池儲能發展勢頭迅猛。鋰離子電池由正極、負極、隔膜和電解液組成，具有能量密度大、無記憶效應、充放電快速、響應速度快等優點，廣泛應用于風電光伏［3］等新能源發電側配儲和用戶側儲能項目。2021年中國電化學儲能裝機中，鋰離子電池占比高達89.7%。根據正極材料的不同，現行主流鋰離子電池有三元和磷酸鐵鋰兩類［4］。儲能領域對能量密度要求不高，成本低、壽命長的磷酸鐵鋰電池更受青睞。電池是儲能系統中核心組成部分，成本占整個儲能系統成本的50%，2021年中國磷酸鐵鋰離子電池儲能中標價大多集中在1.2～1.7元/（W·h）。

鋰離子電池儲能電站的經濟性評估［2］（表2），按100 MW項目初始投資成本1.5元/（W·h），年運維成本0.06元/W，壽命為9 a，殘值為5%，每年運行次數500次，放電深度90%，儲能循環效率88%，壽命終止容量75%等條件，對鋰離子電池儲能電站進行財務經濟性評價建模，測算儲能度電成本約為0.670元/（kW·h）。

鋰離子電池能效轉化率在儲能技術中最高，隨著技術進步，其壽命將逐步增加，成本也有望繼續下降。鐵鋰電池儲能系統循環壽命達到10 000次，能量效率達到98%，將可與抽水蓄能電站比擬。

3 壓縮空氣儲能發展分析及經濟性評估

壓縮空氣儲能將成為大規模儲能的重要補充。壓縮空氣儲能是一種基于燃氣輪機發展而產生的儲能技術，以壓縮空氣的方式儲存能量。儲能時段，壓縮空氣儲能系統利用風/光電或低谷電能帶動壓縮機，將電能轉化為空氣壓力能，隨后高壓空氣被密封存儲于報廢的礦井、巖洞、廢棄的油井或人造的儲氣罐中；釋能時段，通過放出高壓空氣推動膨脹機，將存儲的空氣壓力能再次轉化為機械能或者電能。壓縮空氣主要由壓縮系統、膨脹系統、發電以及儲氣罐四大核心部分組成［5］。中國已建成1.5，10，100 MW先進壓縮空氣儲能示范項目。

壓縮空氣儲能電站經濟性評估［2］（表3），按100 MW/400 （MW·h）項目初始投資成本6元/W，年運維成本0.1元/W，壽命為30 a，殘值為5%，每年運行次數400次，放電深度100%，儲能循環效率73%等條件，對壓縮空氣儲能電站進行財務經濟性評價建模，測算儲能度電成本約為0.436元/（kW·h）。

隨著技術快速進步，壓縮空氣儲能電站效率已升至75%，略低于抽水蓄能電站，其度電成本僅略高于抽水蓄能，但遠低于磷酸鐵鋰儲能；其投資周期和建設周期較抽水蓄能短，且單體投資規模限制小。另外，抽水蓄能電站一般在100萬kW以上才有較好的經濟性，而壓縮空氣10萬kW以上即可具備較好的商業性，項目單體投資小，可進行靈活配置。綜合看來，壓縮空氣儲能已具備大規模商業化應用的條件，在能效進一步提升后，有望成為繼抽水蓄能電站之后大規模儲能電站領域的重要組成部分。

4 釩液流電池儲能發展分析及經濟性評估

釩液流電池儲能安全壽命長，適合新能源電站儲能。電能以化學能的方式存儲在不同價態釩離子的硫酸電解液中，通過外接泵把電解液壓入電池堆體內，在機械動力作用下，使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環流動。采用質子交換膜作為電池組的隔膜，電解質溶液平行流過電極表面并發生電化學反應，通過雙電極板收集和傳導電流，從而使儲存在溶液中的化學能轉換成電能。可逆的反應過程使釩電池順利完成充電、放電和再充電。

全釩液流電池系統中，釩電解液全生命周期內不會失效變質，理論上總釩量不會發生變化，易于回收利用，價值較高。釩液流電池具有壽命長、安全性好、輸出功率大、儲能容量大且易于擴展等特點，壽命達15～20 a，適合用于風電、光伏電站儲能，滿足其頻繁充放電、大容量、長時間儲能需求。但是，釩液流電池能量密度低，體積、質量遠大于其他電池，需要5°～40°的溫度環境。中國釩液流電池已在智能電網、通信基站、偏遠地區供電、可再生能源及削峰填谷等項目中成功應用，并建成大連100 MW/400 （MW·h）的全球最大釩液流儲能項目。

釩液流電池儲能電站經濟性評估［2］（表4），由于尚未規模化商用，且受制于設備、產能以及高額的前期投入，目前釩電池初始成本約為鋰電池的3倍。按100 MW/400 （MW·h）項目初始投資成本13元/W，年運維成本0.065元/W，壽命為20 a，循環次數可達12 000次以上，殘值為5%，每年運行次數600次，放電深度100%，儲能循環效率70%等條件，對釩液流電池儲能電站進行財務經濟性評價建模，測算儲能度電成本約為0.688元/（kW·h）。

中國釩電池相關技術儲備充足，大規模儲能項目大量新增。在電化學儲能中，全釩液流電池度電成本與鐵鋰電池接近，但能量轉化效率方面不如鋰電池，對布置靈活性、溫度環境要求較高。當前，行業處在由示范階段轉向商業化過程中，隨著未來技術以及工程進步，成本會有較大下降空間，能效有望進一步提高。

5 鉛炭電池儲能發展分析及經濟性評估

鉛炭電池是一種電容型鉛酸電池，是從傳統的鉛酸電池演進出來的技術。普通鉛酸電池的正極活性材料是氧化鉛（PbO2），負極活性材料是鉛（Pb），若把負極活性材料Pb全部換成活性炭，則普通鉛酸電池可變成混合電容器；若把活性炭混合到負極活性材料Pb中，則普通鉛酸電池可變成鉛炭電池。鉛炭電池同時具有鉛酸電池和電容器的特點，既擁有超級電容能瞬間大容量充電的優點，也發揮了鉛酸電池的比能量優勢，充放電性能好，電池壽命也長于鉛酸電池。中國高性能鉛炭電池在微網儲能項目中也有應用。

鉛炭電池儲能電站經濟性評估［2］（表5），按100 MW/200 （MW·h）項目初始投資成本1元/W，年運維成本0.04元/W，壽命為5 a，循環次數可達3 000次以上，殘值為5%，每年運行次數600次，放電深度70%，儲能循環效率75%等條件，對鉛炭電池儲能電站進行財務經濟性評價建模，測算儲能度電成本約為0.679元/（kW·h）。

鉛炭電池儲能初始投資成本較低，但度電成本優勢并不明顯。由于鉛炭電池放電深度低于其他儲能形式，其能效比鐵鋰電池低，經濟性處于一定劣勢，未來需通過技術進步，實現能效提升及成本下降。

6 結 語

綜上，儲能需求空間廣闊，在市場需求爆發以及政策鼓勵的雙重推動下，成熟的抽水蓄能以及鋰電儲能呈現爆發性增長，其他新型儲能路線也進入了發展快車道。根據經濟性評估，排序為抽水蓄能>壓縮空氣儲能>鋰離子電池儲能>鉛炭電池儲能>釩液流電池儲能。新型儲能有望通過技術進步，在實現能效提升的同時降低成本。

參考文獻：

［1］ 李建林，黃際元.儲能電站新技術與應用［J］.供用電，2020，37（2）：2，1.

［2］ 傅旭，李富春，楊欣，等.基于全壽命周期成本的儲能成本分析［J］.分布式能源，2020，5（3）：34-38.

［3］ 趙珩.風光儲發電技術在建筑節能中的應用［J］.人民長江，2011，42（24）：89-92.

［4］ 孟祥飛，龐秀嵐，崇鋒，等.電化學儲能在電網中的應用分析及展望［J］.儲能科學與技術，2019，8（增1）：38-42.

［5］ 宋茲鵬.中國儲能：發揮壓縮空氣儲能技術優勢為能源行業提供優質儲能資產［J］.中國商界，2021，343（6）：92-95.

（編輯：唐湘茜，張 爽）