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本文是英國帝國理工學院多領域研究團隊2019年在期刊Joule上發表的論文Projecting the Future Levelized Cost of Electricity Storage Technologies. Joule, 2019, 3(1): 81-100，預測了9種儲能技術在特定12種應用場景的全生命周期成本，分析了不同技術在未來的成本競爭力，對于科學研究、政策制定和投資活動具有很高的參考價值。小編編譯了文章主要內容與結果，希望能為感興趣的讀者帶來啟發。一切以英文原文內容為準。
研究背景與范圍
儲能被認為是實現低碳電力系統的關鍵技術。但是，現有研究集中在投資成本上。不同儲能技術的未來全生命周期成本（即平準化儲能成本，levelized cost of storage，LCOS）尚待探討。本文預測了9種儲能技術在特定12種應用場景的全生命周期成本。研究發現，除了長時間放電應用場景外，其他特定的儲能技術不太可能競爭過鋰離子電池。它們的性能優勢不會超過鋰離子電池成本下降的速度。本文結果可能影響儲能的商業和研究策略，引導投資轉移到替代技術的性能改善上，或者將重點放在鋰離子電池上。
文章亮點
評估了2015年至2050年間9種儲能技術在12種應用場景下的全生命周期成本。
12種應用場景中，最低的全生命周期成本在2030年和2050年分別降低了36%和53%。
從2030年開始，鋰離子電池在大多數應用中最具競爭力。
抽水蓄能、壓縮空氣和儲氫最適用于長時間放電的應用場景。
平準化儲能成本（LCOS）量化了特定儲能技術和應用場景下單位放電量的折現成本。因此，該度量標準考慮了影響放電壽命成本的所有技術和經濟參數，可以直接與發電技術的平準化度電成本（LCOE）相類比，是進行儲能技術成本比較的合適工具。
LCOS可以描述為一項儲能技術的全生命周期成本除以其累計傳輸的電能量或電功率，它反映了凈現值為零時的內部平均電價，即該項投資的盈利點。其定義為
公式包含決定儲能技術的全生命周期成本所需的所有要素：投資成本、運營維護（O&M）成本、充電成本和報廢成本之和除以投資期間的總放電量。假定所有投資成本都是在第1年產生的，其他持續成本每年（n）累加直到壽命結束（N），以折現率r進行折現。如果是需要儲能系統提供有功功率的應用場景，則改為計算其年化容量成本。本文未考慮需要提供無功功率的場景。
本文研究2015至2050年期間在12種固定式應用場景中的9種儲能技術，計算特定場景下某項技術的LCOS。全部的輸入參數和輸出結果都可在線下載，交互版LCOS計算模型也可從EnergyStorage.ninja獲得。
文中給出了不同儲能技術在不同應用下適用性的定性描述，具體見原文表1。
各技術的成本、性能數據以及應用需求來源可見原文表S4、圖S1。LCOS計算的蒙特卡洛模擬考慮了各技術參數的變化和不確定性，根據結果確定每種技術在各年份中不同應用場景下表現出最低LCOS的可能性。以二次響應應用場景為例，考慮4種最具競爭力的儲能技術，下圖左上角是該場景的技術條件，右上角是各年份某項技術具有最低LCOS的概率（柱狀）以及該技術的平均LCOS（折線），下方是基于蒙特卡洛模擬預測的LCOS及其不確定度范圍。
二次響應的特點是放電時間短、充放循環頻繁。它可以大規模運行并且不需要快速響應，這使地理條件優越的抽水蓄能非常適用。抽水蓄能在2015年的LCOS最低（150~400 US$/MWh），原因是其使用壽命超過30年，年循環多達1000次，盡管其投資成本較高。飛輪儲能的平均LCOS遠高于抽水蓄能，投資成本的不確定性使得其LCOS最低的可能性很小。預計電池技術的投資成本將大大降低，這意味著到2030年，全釩液流電池和鋰離子電池可能是最具成本效益的技術，盡管其壽命可能分別只有8年和13年。
本文所研究的所有9種技術具有最低LCOS的概率，以及12種應用場景下最具成本效益的技術及其平均LCOS見下圖。
預計電池技術成本的降低會限制抽水蓄能和壓縮空氣的競爭力。電池技術在2025年以后的大多數應用場景中展現出最低LCOS的可能性最高。到2030年，鋰離子電池在大多數應用中似乎最具成本效益，尤其是放電時間小于4 h且年循環小于300次的場景，例如電能質量和黑啟動。對于要求更大放電持續時間和循環的應用場景，全釩液流電池仍然具有競爭力，盡管它從來不是最有可能提供最低LCOS的技術。這些應用場景包括供電可靠性（> 4 h）或二次響應和電費優化（> 300次循環/年）。對于放電時間超過700 h的季節性儲能，儲氫可能會最具成本效益。
平均而言，相較2015年，最有可能實現最高成本效益的技術的平均LCOS到2030年和2050年將分別減少36%和53%。對于年循環≥300次的應用場景，LCOS從150~600 US$/MWh（2015年）降低至130~200 US$/MWh（2050年），在年循環50~100次的應用場景中從1000~3500 US$/MWh（2015年）降低至500~900 US$/MWh（2050年），年循環≤10次的應用場景中，成本永遠不會低于1500 US$/MWh。年循環次數條件非常重要，因為它影響了單位裝機容量的能量吞吐量。每年吞吐一定能量的儲能裝機容量越低，LCOS就越低，造成該結果的原因是LCOS計算公式中投資成本所占比例較高。
另一個LCOS影響因素是放電持續時間。在年循環次數相近的應用場景下，更長放電時間的應用場景具有更低的LCOS。一項儲能技術放電持續時間的增長將導致放電量的增加，但是總投資成本的增加相對較少，因為這僅影響能量成本，而功率成本卻未受到影響。
以下2個視頻研究了最具成本效益的技術相對于放電持續時間和年循環次數的敏感度。第1個視頻演示了所有的9項儲能技術，第2個視頻未包含抽水蓄能和壓縮空氣儲能，因為它們的地理適應性有限。視頻中圈碼所在位置代表上述12種應用場景的技術要求。不同顏色代表具有最低LCOS的技術。陰影表示第二高效益技術的LCOS有多少，較亮的區域表示兩種技術之間存在競爭，LCOS差距小，而較暗的區域表示最高效益技術的強大成本優勢，LCOS遠大于第二高效益技術，空白表示前兩種技術的LCOS相差不到5％。年循環超過1000次位置的鋸齒形反映出在更高頻充放電時壽命顯著減少，影響了單項技術的競爭力。計算電價為50 US$/MWh，所有輸入技術參數均列在原文附表S4-S8中。
抽水蓄能、壓縮空氣和飛輪儲能在2015年的放電持續時間和年循環次數組合的整個頻譜中是最有競爭力的技術。抽水蓄能的優勢在于其良好的循環壽命以及較低的能量投資成本和中等的功率投資成本。壓縮空氣在超過45 h的放電應用中更具競爭力，原因是能量投資成本大大降低。飛輪在年循環5000次以上和0.5 h以下的放電應用中更具競爭力，原因是其循環壽命更長，功率成本更低。
根據投資成本的下降來預測未來的LCOS，表明到2020年鋰離子電池將在低放電持續時間應用場景下具有成本優勢，因為它們具有更好的循環壽命，因此在高頻充放場景中可以與全釩液流電池和飛輪競爭。但是，就以功率為重點的年化容量成本而言，由于在100%深度放電以下工作時循環壽命顯著提高，鋰離子電池在與一次響應相關的高頻應用組合中具有強大的成本優勢。
隨著投資成本的不斷降低，鋰離子電池可以在高頻充放場景下勝過全釩液流電池，并在長放電持續時間下取代抽水蓄能，到2030年成為大多數應用模型中最具成本效益的技術。與此同時，儲氫在長放電持續時間場景比壓縮空氣更具成本效益。
不考慮抽水蓄能和壓縮空氣儲能時，儲氫在2015年已經是當放電時間超過1天時最具成本效益的技術。鈉硫電池和鉛酸電池在每年循環300次以下應用中占主導地位，鋰離子電池、全釩液流電池和飛輪儲能在每年循環300次以上應用中占主導。未來的LCOS預測表明，對于放電時間低于8 h大多數應用場景，鋰離子電池具有成本競爭力，在年循環低于300次和高于1000次的應用場景中，鋰離子電池具有極強的成本優勢。在300~1000次循環之間，全釩液流電池的成本效益最初增加并在之后下降，展現了其與鋰離子電池相比成本降低的動態過程。作為相對不成熟的技術，液流電池可能會在短期內實現較大的成本下降。經驗曲線分析顯示，長期看來鋰離子電池有更強的成本下降潛力，很可能在2030年之前取代所有其他電池技術，并與飛輪和儲氫一起主導所有放電時間和循環次數的應用場景組合。
下圖顯示了針對所有放電時間和循環次數應用場景組合的最具成本效益儲能技術的LCOS，計算電價為50 US$/MWh。最低的LCOS是通過抽水蓄能在中等放電時間（約4 h）和頻率（約1000次/年）組合下實現的。2015年，LCOS的范圍為100~150 US$/MWh，相當于新建抽水蓄能設施的成本。LCOS的增加與年循環次數和放電持續時間的減少成比例，因為它們決定了全壽命周期內所釋放的總能量，即LCOS公式的分母。當電價從50提高10倍，到500 US$/MWh，充放電效率將變得更重要。因此，高效的鋰離子電池將在高循環次數應用中取代抽水蓄能，還會在長放電時間應用中比壓縮空氣和儲氫更具競爭力。
工業項目將對不同儲能技術使用不同的折現率，以反映技術和商業的成熟度。如果對全釩液流電池采用4%的折現率，對超級電容采用0%的折現率，那么它們的LCOS將分別平均降低15%和36%。到2030年，超級電容將取代飛輪，成為超過5000次循環應用場景最具成本效益的技術，在500~1000次循環之間的應用中全釩液流電池將取代的鋰離子電池。但是，抽水蓄能和壓縮空氣的成熟度以及鋰離子電池儲能系統的最新部署水平表明，這些技術更有可能受益于較低的折現率，從而進一步提高其成本優勢。
不確定性的另一個來源是未來的技術進步，可能使LCOS低于上圖所示。本文發現LCOS對充放效率、循環和日歷壽命最為敏感。例如，如果全釩液流電池的充放效率每年提高1%，其效率會從2015年的73%提高到2030年的85%，將使該技術在高頻應用下比鋰離子電池更具成本效益。如果循環和日歷壽命每年增加2.5%，也將具有相同的效果。
本文研究結果探索了最廣泛使用的固定式儲能技術未來的LCOS潛力，并為討論儲能技術的競爭力及其影響因素奠定了量化基礎。這些結果可以幫助指導研究、政策和投資活動，以確保以經濟高效的方式部署儲能技術，實現向安全且可負擔的低碳能源系統的成功轉型。
研究背景與范圍
儲能被認為是實現低碳電力系統的關鍵技術。但是，現有研究集中在投資成本上。不同儲能技術的未來全生命周期成本（即平準化儲能成本，levelized cost of storage，LCOS）尚待探討。本文預測了9種儲能技術在特定12種應用場景的全生命周期成本。研究發現，除了長時間放電應用場景外，其他特定的儲能技術不太可能競爭過鋰離子電池。它們的性能優勢不會超過鋰離子電池成本下降的速度。本文結果可能影響儲能的商業和研究策略，引導投資轉移到替代技術的性能改善上，或者將重點放在鋰離子電池上。
文章亮點
評估了2015年至2050年間9種儲能技術在12種應用場景下的全生命周期成本。
12種應用場景中，最低的全生命周期成本在2030年和2050年分別降低了36%和53%。
從2030年開始，鋰離子電池在大多數應用中最具競爭力。
抽水蓄能、壓縮空氣和儲氫最適用于長時間放電的應用場景。
平準化儲能成本（LCOS）量化了特定儲能技術和應用場景下單位放電量的折現成本。因此，該度量標準考慮了影響放電壽命成本的所有技術和經濟參數，可以直接與發電技術的平準化度電成本（LCOE）相類比，是進行儲能技術成本比較的合適工具。
LCOS可以描述為一項儲能技術的全生命周期成本除以其累計傳輸的電能量或電功率，它反映了凈現值為零時的內部平均電價，即該項投資的盈利點。其定義為
公式包含決定儲能技術的全生命周期成本所需的所有要素：投資成本、運營維護（O&M）成本、充電成本和報廢成本之和除以投資期間的總放電量。假定所有投資成本都是在第1年產生的，其他持續成本每年（n）累加直到壽命結束（N），以折現率r進行折現。如果是需要儲能系統提供有功功率的應用場景，則改為計算其年化容量成本。本文未考慮需要提供無功功率的場景。
本文研究2015至2050年期間在12種固定式應用場景中的9種儲能技術，計算特定場景下某項技術的LCOS。全部的輸入參數和輸出結果都可在線下載，交互版LCOS計算模型也可從EnergyStorage.ninja獲得。
文中給出了不同儲能技術在不同應用下適用性的定性描述，具體見原文表1。
各技術的成本、性能數據以及應用需求來源可見原文表S4、圖S1。LCOS計算的蒙特卡洛模擬考慮了各技術參數的變化和不確定性，根據結果確定每種技術在各年份中不同應用場景下表現出最低LCOS的可能性。以二次響應應用場景為例，考慮4種最具競爭力的儲能技術，下圖左上角是該場景的技術條件，右上角是各年份某項技術具有最低LCOS的概率（柱狀）以及該技術的平均LCOS（折線），下方是基于蒙特卡洛模擬預測的LCOS及其不確定度范圍。
二次響應的特點是放電時間短、充放循環頻繁。它可以大規模運行并且不需要快速響應，這使地理條件優越的抽水蓄能非常適用。抽水蓄能在2015年的LCOS最低（150~400 US$/MWh），原因是其使用壽命超過30年，年循環多達1000次，盡管其投資成本較高。飛輪儲能的平均LCOS遠高于抽水蓄能，投資成本的不確定性使得其LCOS最低的可能性很小。預計電池技術的投資成本將大大降低，這意味著到2030年，全釩液流電池和鋰離子電池可能是最具成本效益的技術，盡管其壽命可能分別只有8年和13年。
本文所研究的所有9種技術具有最低LCOS的概率，以及12種應用場景下最具成本效益的技術及其平均LCOS見下圖。
預計電池技術成本的降低會限制抽水蓄能和壓縮空氣的競爭力。電池技術在2025年以后的大多數應用場景中展現出最低LCOS的可能性最高。到2030年，鋰離子電池在大多數應用中似乎最具成本效益，尤其是放電時間小于4 h且年循環小于300次的場景，例如電能質量和黑啟動。對于要求更大放電持續時間和循環的應用場景，全釩液流電池仍然具有競爭力，盡管它從來不是最有可能提供最低LCOS的技術。這些應用場景包括供電可靠性（> 4 h）或二次響應和電費優化（> 300次循環/年）。對于放電時間超過700 h的季節性儲能，儲氫可能會最具成本效益。
平均而言，相較2015年，最有可能實現最高成本效益的技術的平均LCOS到2030年和2050年將分別減少36%和53%。對于年循環≥300次的應用場景，LCOS從150~600 US$/MWh（2015年）降低至130~200 US$/MWh（2050年），在年循環50~100次的應用場景中從1000~3500 US$/MWh（2015年）降低至500~900 US$/MWh（2050年），年循環≤10次的應用場景中，成本永遠不會低于1500 US$/MWh。年循環次數條件非常重要，因為它影響了單位裝機容量的能量吞吐量。每年吞吐一定能量的儲能裝機容量越低，LCOS就越低，造成該結果的原因是LCOS計算公式中投資成本所占比例較高。
另一個LCOS影響因素是放電持續時間。在年循環次數相近的應用場景下，更長放電時間的應用場景具有更低的LCOS。一項儲能技術放電持續時間的增長將導致放電量的增加，但是總投資成本的增加相對較少，因為這僅影響能量成本，而功率成本卻未受到影響。
以下2個視頻研究了最具成本效益的技術相對于放電持續時間和年循環次數的敏感度。第1個視頻演示了所有的9項儲能技術，第2個視頻未包含抽水蓄能和壓縮空氣儲能，因為它們的地理適應性有限。視頻中圈碼所在位置代表上述12種應用場景的技術要求。不同顏色代表具有最低LCOS的技術。陰影表示第二高效益技術的LCOS有多少，較亮的區域表示兩種技術之間存在競爭，LCOS差距小，而較暗的區域表示最高效益技術的強大成本優勢，LCOS遠大于第二高效益技術，空白表示前兩種技術的LCOS相差不到5％。年循環超過1000次位置的鋸齒形反映出在更高頻充放電時壽命顯著減少，影響了單項技術的競爭力。計算電價為50 US$/MWh，所有輸入技術參數均列在原文附表S4-S8中。
抽水蓄能、壓縮空氣和飛輪儲能在2015年的放電持續時間和年循環次數組合的整個頻譜中是最有競爭力的技術。抽水蓄能的優勢在于其良好的循環壽命以及較低的能量投資成本和中等的功率投資成本。壓縮空氣在超過45 h的放電應用中更具競爭力，原因是能量投資成本大大降低。飛輪在年循環5000次以上和0.5 h以下的放電應用中更具競爭力，原因是其循環壽命更長，功率成本更低。
根據投資成本的下降來預測未來的LCOS，表明到2020年鋰離子電池將在低放電持續時間應用場景下具有成本優勢，因為它們具有更好的循環壽命，因此在高頻充放場景中可以與全釩液流電池和飛輪競爭。但是，就以功率為重點的年化容量成本而言，由于在100%深度放電以下工作時循環壽命顯著提高，鋰離子電池在與一次響應相關的高頻應用組合中具有強大的成本優勢。
隨著投資成本的不斷降低，鋰離子電池可以在高頻充放場景下勝過全釩液流電池，并在長放電持續時間下取代抽水蓄能，到2030年成為大多數應用模型中最具成本效益的技術。與此同時，儲氫在長放電持續時間場景比壓縮空氣更具成本效益。
不考慮抽水蓄能和壓縮空氣儲能時，儲氫在2015年已經是當放電時間超過1天時最具成本效益的技術。鈉硫電池和鉛酸電池在每年循環300次以下應用中占主導地位，鋰離子電池、全釩液流電池和飛輪儲能在每年循環300次以上應用中占主導。未來的LCOS預測表明，對于放電時間低于8 h大多數應用場景，鋰離子電池具有成本競爭力，在年循環低于300次和高于1000次的應用場景中，鋰離子電池具有極強的成本優勢。在300~1000次循環之間，全釩液流電池的成本效益最初增加并在之后下降，展現了其與鋰離子電池相比成本降低的動態過程。作為相對不成熟的技術，液流電池可能會在短期內實現較大的成本下降。經驗曲線分析顯示，長期看來鋰離子電池有更強的成本下降潛力，很可能在2030年之前取代所有其他電池技術，并與飛輪和儲氫一起主導所有放電時間和循環次數的應用場景組合。
下圖顯示了針對所有放電時間和循環次數應用場景組合的最具成本效益儲能技術的LCOS，計算電價為50 US$/MWh。最低的LCOS是通過抽水蓄能在中等放電時間（約4 h）和頻率（約1000次/年）組合下實現的。2015年，LCOS的范圍為100~150 US$/MWh，相當于新建抽水蓄能設施的成本。LCOS的增加與年循環次數和放電持續時間的減少成比例，因為它們決定了全壽命周期內所釋放的總能量，即LCOS公式的分母。當電價從50提高10倍，到500 US$/MWh，充放電效率將變得更重要。因此，高效的鋰離子電池將在高循環次數應用中取代抽水蓄能，還會在長放電時間應用中比壓縮空氣和儲氫更具競爭力。
工業項目將對不同儲能技術使用不同的折現率，以反映技術和商業的成熟度。如果對全釩液流電池采用4%的折現率，對超級電容采用0%的折現率，那么它們的LCOS將分別平均降低15%和36%。到2030年，超級電容將取代飛輪，成為超過5000次循環應用場景最具成本效益的技術，在500~1000次循環之間的應用中全釩液流電池將取代的鋰離子電池。但是，抽水蓄能和壓縮空氣的成熟度以及鋰離子電池儲能系統的最新部署水平表明，這些技術更有可能受益于較低的折現率，從而進一步提高其成本優勢。
不確定性的另一個來源是未來的技術進步，可能使LCOS低于上圖所示。本文發現LCOS對充放效率、循環和日歷壽命最為敏感。例如，如果全釩液流電池的充放效率每年提高1%，其效率會從2015年的73%提高到2030年的85%，將使該技術在高頻應用下比鋰離子電池更具成本效益。如果循環和日歷壽命每年增加2.5%，也將具有相同的效果。
本文研究結果探索了最廣泛使用的固定式儲能技術未來的LCOS潛力，并為討論儲能技術的競爭力及其影響因素奠定了量化基礎。這些結果可以幫助指導研究、政策和投資活動，以確保以經濟高效的方式部署儲能技術，實現向安全且可負擔的低碳能源系統的成功轉型。
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