美國國家可再生能源實驗室（NREL）日前發布了一份名為《公用事業規模電池儲能系統成本預測:2023年更新》報告。該報告由該實驗室研究人員撰寫，其資金由美國能源部能源效率和可再生能源戰略項目辦公室提供。

報告概要

??本文對公用事業規模鋰離子電池儲能系統的成本變化和性能發展進行了預測，其重點研究的是持續時間為4小時的電池儲能系統。這些預測是NREL最近進行的研究得出的，其中包括公用事業規模儲能系統的部署成本。

??NREL的這份研究報告指出，隨著時間的推移，預計電池儲能系統成本下降幅度很大。圖1顯示了NREL所參考的一些研究報告(灰線顯示)中收集的一系列成本下降的預測，以及NREL的研究工作中開發的低、中、高成本預測(黑線顯示)。圖2顯示了基于這些預測的4小時電池儲能系統的總體投資成本。在三種不同的預測情景中，到2030年的電池儲能系統的成本分別為245美元/kWh、326美元/kWh和403美元/kWh；到2050年分別為159美元/kWh、226美元/kWh和348美元/kWh。此外還討論了電池可變運營和維護成本、工作壽命和效率，并根據調查選擇了推薦的數據。

圖1 NREL預測的2020年～2050年鋰離子電池的成本下降趨勢，在這項工作中開發的高、中、低成本預測顯示為粗線。

圖2 持續時間為4小時鋰離子電池儲能系統的電池成本預測

??1、對于電池儲能系統預測的背景

??研究表明，電池儲能系統成本在過去十年中發生了快速變化。NREL在2016年發布了一份公用事業規模鋰離子電池儲能的成本預測報告(Coleetal.2016)，該報告的成本預測在很大程度上是對電動汽車電池成本的預測，因為當時的公用事業規模電池儲能系統的持續時間通常不超過30分鐘。而到2019年，基于公用事業規模電池系統成本預測的研究報告進行了更新（Cole和Frazier 2019），并分別在2020年（Cole and Frazier 2020）和2021年（Col、Frazier和Augustine 2021）發布了更新報告。2022年沒有發布更新報告。NREL在2023年發布的研究報告使用2021年、2022年和2023年初發布的研究報告的數據更新了成本預測。

??該報告的預測重點是公用事業規模鋰離子電池儲能系統的成本，然后將這些成本預測用于NREL的容量擴展模型。

??2、對于電池儲能系統的成本和性能的預測方法

??NREL的這份報告對于電池儲能系統的成本和性能預測使用基于一些研究報告的方法，其中預測通常基于這些研究報告中的低值、中值和最高值。表1列出了在這項研究中提到的報告。由于電池儲能系統成本的快速變化和部署預期，NREL僅使用2022年和2023年發布的研究報告來進行成本預測。除了參與表1中列出的報告之外，還參考了美國電力研究院(EPRI 2020)關于電池儲能系統運營和維護和性能假設的2020年報告，但NREL沒有使用他們的成本預測，因為其報告是在2022年之前發布的。

??NREL在根據公布的報告數據進行成本和業績預測時，存在許多固有的挑戰。首先，有些報告的數據定義并不清晰。例如，對于給定的一些數值，例如投資成本、工作時間、持續時間、放電深度、工作壽命和運營并不總是以相同的方式定義(甚至根本沒有進行定義)。因此，這里提供的一些的數據需要從指定的來源進行解釋。其次，NREL數據測與其他報告的預測數據進行比較，并且不清楚這些報告在多大程度上彼此依賴。因此，這樣的預測可能會人為地使研究結果出現偏差。第三，由于調查的電池儲能系統的數據相對有限，成本變化迅速，因此不能確定不同的電池成本的預測應該如何加權。例如，2022年下半年發布的預測是否應該比之前發布的預測獲得更高的權重?或者一些研究機構或組織更善于做出預測或捕捉供應鏈中斷，因此應該給予更高的權重?

??為了進行客觀中立的調查，該報告中包括的所有成本預測都是平等加權的。當NREL對公布的預測報告進行審查時，發現一些研究報告或者引用了該實驗室先前發布的研究報告，這也依賴于NREL報告的結果。因此，包括所有的最新公布的預測報告將造成冗余和重復，因此一些報告被排除在外。在某些情況下，NREL之前的工作是作為預測的起始點，然后進行調整，以更好地捕捉分析師對電池儲能系統成本的看法。

表1 NREL 2023研究報告參考的預測電池成本和性能的報告列表

??NREL表示，行業顧問在一些情況下參與了電池儲能系統的成本預測。在這些情況下，首先列出咨詢機構的報告數據，然后是他們支持的企業用戶。

??NREL使用消費者價格指數將所有的成本數據轉換為2022年電池儲能系統的成本（以此為基準）。如果沒有指定，則采用每年發布的預測報告的成本。當表示電池儲能系統未來的成本時，使用報告中規定的通貨膨脹率將其轉換為實際的成本。

??NREL只對持續時間4小時鋰離子儲能系統的成本進行了預測。將4小時定義為電池儲能系統的輸出持續時間，這樣儲能系統將能夠以額定功率容量放電4小時。而在實踐中，這意味著電池儲能系統充電時間超過4小時，并在名義上保持超過其額定儲能容量，以補償充電和放電期間的損失。

??NREL將成本預測報告為以美元/kW為單位表示電池儲能系統的成本。然而，并不是所有電池儲能系統組件的成本都采用儲能系統的儲能容量(即kWh)進行計算。例如，逆變器成本根據儲能系統的裝機容量(即kW)進行計算，而某些成本(如開發人員成本)可以同時根據裝機容量和儲能容量進行計算。投資成本通常以美元/kWh表示，使用這種單位，是因為這是迄今為止各種研究報告常用的表示電池儲能系統成本的方式。NREL這份報告的美元/kWh成本可以簡單地通過除以持續時間轉換為美元/kW (例如，4小時電池儲能系統的儲能容量成本為1200美元/kW，其裝機容量成本為300美元/kW)。

??為了進行成本預測，將電池儲能系統的成本以2022年的成本為標準進行衡量。NREL選擇使用標準化成本而不是絕對成本，因為一些研究報告對于電池儲能系統的成本并不總是明確定義。例如，不清楚電池儲能系統成本更高是因為其效率更高，工作壽命更長，還是只是預計儲能系統成本會更高。而使用標準化方法，許多差異的影響程度較低。

??NREL將低、中、高預測分別定義為2023年、2024年、2025年、2030年的最小值、中值和最大值。最小值和中位數的定義方式也相同，因為最小值和中位數預測一直延續到2050年。一項預測表明，從2030年到2050年，電池儲能系統的成本僅下降5.8%，因此以此為基礎，將2030年最高成本預測延長至2050年。換句話說，在2030年的最高成本基礎上預計到2050年將會下降5.8%。

??2025年、2030年和2050年之間的點是根據給定值的年份之間的線性值設置的。為了將這些標準化的低、中、高預測轉換為成本值，將電池儲能系統的標準化成本值乘以4小時，得出4小時電池儲能系統的儲能容量成本。

??為了估算其他持續時間(即4小時以外的持續時間)儲能系統的成本，NREL對于單獨的儲能容量成本和裝機容量成本進行區別，如下所示

??儲能系統總成本(美元/kWh)=儲能系統儲能容量成本(美元/kWh)+儲能系統裝機容量成本(美元/kW)×持續時間(h)

??為了將儲能系統的總成本分為儲能容量和裝機容量兩部分成本，該報告使用了Augustine和Blair(2021)發布的研究報告的儲能系統的儲能容量成本和裝機容量成本。這些相對份額預計將持續到2050年，從而使計算任何年份的儲能系統成本成為可能。由于主要關注的是4小時電池儲能系統，因此不要使用這種方法來計算持續時間少于一小時的電池儲能系統的成本。

??在這項工作中采用的方法完全依賴于研究報告的預測。它沒有考慮其他可能隨著時間影響成本的因素，例如電池材料的可用性、市場規模和政策因素。除非這些和其他因素在調查工作中沒有被采用，否則它們將不會在報告中反映出來。

??3、結果與討論

??具有低、中、高預測的標準化成本軌跡如圖1所示。高成本預測遵循的是到2030年的最高成本發展趨勢，這包括到2025年的電池儲能系統成本發展趨勢。在2030年之后，高預測情景下降了5.8%。中低預測情景的初始斜率比后期斜率更陡，這表明在大多數研究報告中看到成本在短期內快速下降，然后隨著時間的推移而緩慢下降。到2030年，低、中、高預測情景的成本分別下降47%、32%和16%，到2050年，成本分別下降67%、51%和21%。

圖1是對4小時鋰離子系統的電池成本預測，在這項研究中開發的高、中、低成本預測顯示為粗線。已公布的預測報告以灰線表示。

圖2 4小時電池存儲能系統的總成本

??4小時電池儲能系統的總成本如圖2所示。2022年引用了Ramasamy等人(2022年)的研究報告的482美元/kWh的起始點。為了方便起見，使用2022年的成本為基準，因為將這些成本應用于長期規劃模型(在2022年應用相同的成本意味著2022年的解決方案不會隨著從“高”到“中”再到“低”的電池儲能系統的成本預測而改變)。根據定義，預測遵循與標準化的成本值相同的軌跡。電池儲能系統的成本在2030年分別為255美元/kWh、326美元/kWh和403美元/kWh，2050年分別為159美元/kWh、237美元/kWh和380美元/kWh。每年的成本和每條發展軌跡都包含在附錄中。

??這些數據代表了電池儲能系統的資本成本，圖值包含在附錄中。

??NREL預測的一個關鍵假設是成本起始點的選擇。一個較高或較低的起始點會使成本數據而上下移動。為了更好地評估起始點，NREL將Ramasamy等人(2022)報告中的成本估計值與其他最近公布報告的成本估計值進行了比較(如圖3所示)。比較表明，NREL報告中的起始點處于高端，但通常在估計的當前成本范圍內。較高的起始點是2023年成本預測高于此前公布報告的最主要的一個驅動因素。

圖3 目前的電池儲能系統成本來自最近的研究報告，選擇NREL報告中的成本作為這項工作的2022年起始成本。

??使用標準化的成本進行預測的另一個挑戰是，以比NREL起始點更高的成本進行的預測可能會有更大的下降潛力，因此下降幅度很大。與其相反，如果起點低于NREL的始點，那么成本下降的潛力可能會更小。然而，仍然傾向于使用標準化的成本，因為已發表的預測報告中，起始成本有很大的差異，并且因為它有助于避免在不同的報告中不同的成本和系統定義的挑戰。

??圖4顯示了電池儲能系統裝機容量和儲能容量的成本預測。這些組成部分結合起來就得到了一個總系統成本，其中儲能系統成本(單位為美元/kWh)是裝機容量部分成本乘以持續時間再加上儲能容量部分的成本。

圖4 4小時鋰離子儲能系統的儲能容量(左)和裝機容量(右)的成本預測，注意兩個圖中的不同單位。

??儲能容量和裝機容量的成本可以用來指定其他持續時間的投資成本。圖5顯示了持續時間為2小時、4小時和6小時的電池儲能系統的成本預測。如果以儲能容量衡量，持續時間長的電池儲能系統的投資成本較低，而如果以裝機容量衡量，持續時間較短的電池儲能系統的投資成本較低。圖5(左)還說明了在電池儲能系統投資中引用持續時間是至關重要的原因。

圖5 使用中間成本預測的2小時、4小時和6小時電池的成本預測。左圖以美元/kWh為單位，右圖以美元/kW為單位。

??為了充分說明容量擴展建模工具的電池儲能系統的成本和性能，除了投資之外，還需要評估其他參數。圖6顯示了來自調查報告的可變運營和維護(VOM)、固定運營和維護(FOM)、生命周期和充放電效率假設的范圍。圖中最右邊的點是NREL選擇的數據，用來表示4小時電池儲能系統。可變運營和維護(VOM)通常被認為是零或接近零，NREL采用的VOM為零。

??NREL的報告已將所有運營成本(按每天一次充放電的水平)分配給FOM。通過將運營和維護成本放在FOM而不是VOM中，其本質上假設電池的性能在工作壽命期間得到保證，因此運行電池儲能系統不會給運營人員帶來任何成本。FOM的取值范圍要廣泛得多。FOM水平的主要差異之一是其成本是否包括性能維護。較低的FOM通常只包括簡單的維護，而較高的FOM包括一些容量的增加或更換工作，以解決電池退化問題。NREL的報告采用了更高的FOM值，并假設FOM成本將會抵消退化。

??如果電池以更高的充放電速率運行，那么這個FOM值可能不足以抵消退化。

圖6 來自各個研究報告中的VOM (右上)、FOM (左上)、生命周期(右下)和充放電效率(左下)。NREL的研究報告選擇的成本是所示的最右邊的值。

??NREL選擇的電池儲能系統的工作壽命為15年，這與其他研究報告中的中位數一致。充放電效率為85%，這與公布的數據非常一致。

??4、結語

??在過去幾年中，電池儲能系統成本迅速變化，需要對長期規劃模型和其他活動中使用的儲能系統成本預測進行更新。這項工作記錄了這些成本預測的發展，而這些預測是根據最近發布的電池儲能系統研究報告作出的。從當前成本和未來成本的角度來看，這些預測顯示了電池儲能系統的成本發展趨勢。一些預測表明成本在短期內會增加，而另一些預測則表明成本在短期內會大幅下降，到2025年成本將下降3%至36%。

??NREL報告中的成本預測引用了各個研究報告中的標準化成本，到2030年將降低16%～49%的投資成本，到2050年將會降低25%～67%的投資成本。這一成本預測還包括假設的運營和維護成本、生命周期和充放電效率，并且這些性能指標是根據其他公布的成本為基準進行測試的。

??許多因素可能會影響未來成本的演變，包括市場需求、供應鏈擴張或限制、與其他行業(如電動汽車)的相互作用、材料成本和可用性等。

附錄

表2 在圖1和圖2中繪制的值。

??圖7和圖8顯示了在這項工作中的預測與NREL上次更新的報告的成本預測的比較。該報告中，2022年的4小時電池儲能系統成本預測要高得多，并且由于采用更高的起始點，更高的成本將會持續到2050年。在2023年的報告中，更高的標準化成本預測也導致整個預測范圍內的成本更高。

圖7 報告中的成本預測（實線）與2021年成本預測報告（Cole、Frazier和Augustine 2021）中成本的比較（虛線）。

圖8 NREL報告中制定的成本預測的比較（實線）與2021年成本預測報告（Cole、Frazier和Augustine 2021）中的成本（虛線），所有值均標準化為2020年的中期成本預測。