梯次利用動力電池規(guī)?；瘧?yīng)用經(jīng)濟(jì)性及經(jīng)濟(jì)邊界分析

李 雄，李培強(qiáng)

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

2020 年，我國新能源汽車產(chǎn)量達(dá)136.6 萬輛，新能源汽車保有量達(dá)492萬輛，動力電池裝車量累計63.6 GW·h，然而動力電池容量衰減至70%～80%時，將從電動汽車中退役。2020 年國內(nèi)累計退役的動力電池超過25 GW·h，2021 年被認(rèn)為是動力電池退役潮的元年。為了應(yīng)對大規(guī)模退役動力電池的處理問題，8月19日，工業(yè)和信息化部聯(lián)合科技部、生態(tài)環(huán)境部、商務(wù)部、市場監(jiān)管總局印發(fā)《新能源汽車動力蓄電池梯次利用管理辦法》[1]，辦法中提出鼓勵梯次利用企業(yè)與新能源汽車生產(chǎn)、動力蓄電池生產(chǎn)及報廢機(jī)動車回收拆解等企業(yè)協(xié)議合作，加強(qiáng)信息共享，利用已有回收渠道，高效回收廢舊動力蓄電池用于梯次利用；鼓勵動力蓄電池生產(chǎn)企業(yè)參與廢舊動力蓄電池回收及梯次利用；提高梯次利用效率，提升梯次產(chǎn)品的使用性能、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。

針對電池退役后的處理方式，目前主要存在報廢回收和梯次利用兩種途徑。針對報廢回收的途徑，文獻(xiàn)[2-3]認(rèn)為三元材料電池的拆解回收具有較高的經(jīng)濟(jì)性，磷酸鐵鋰電池的拆解回收不具有經(jīng)濟(jì)性，建議進(jìn)行梯次利用。而退役動力電池梯次利用也與經(jīng)濟(jì)性有著密不可分的聯(lián)系[4]。

目前儲能主要存在兩種應(yīng)用模式：分布式和集中式。分布式儲能具有功率等級低、應(yīng)用規(guī)模小的特點，梯次儲能分布式應(yīng)用時電池的容量、內(nèi)阻等一致性易于滿足，價格相對較低，安全風(fēng)險低。2020 年鐵塔公司在通信基站備用場景中采用梯次鋰電池，其最低價格為0.664 元/(W·h)；煦達(dá)新能源也建設(shè)了總規(guī)模接近60 MW·h 的中小型用戶側(cè)梯次儲能項目，規(guī)模為幾百千瓦時至兩三兆瓦時之間。集中式儲能為兆瓦時級別，甚至達(dá)到百兆瓦時，一般包含電池、電池管理系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、PCS系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、就地監(jiān)控系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、照明、集裝箱，但是在規(guī)?；瘧?yīng)用中由于一致性、安全性等要求，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性差，億緯鋰能曾在2019年中標(biāo)梯次利用磷酸鐵鋰動力電池儲能系統(tǒng)，其投標(biāo)報價為1.73 元/(W·h)，2020 年中天科技以1.68 元/(W·h)的價格中標(biāo)2 MW/4 MW·h 梯次利用磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)，價格為備用場景退役電池價格的2～3 倍。文獻(xiàn)[5]分析了梯次儲能應(yīng)用于住宅儲能和削峰填谷場景下的經(jīng)濟(jì)性，在無政府補(bǔ)貼時，梯次儲能的經(jīng)濟(jì)性較差；文獻(xiàn)[6]分析了不同地方使用梯次鋰離子電池的經(jīng)濟(jì)成本，發(fā)現(xiàn)梯次電池比新電池具有更好的環(huán)境效益，但在經(jīng)濟(jì)方面投資回收期較長；文獻(xiàn)[7]分析了梯次利用電池儲能系統(tǒng)參與用戶側(cè)削峰填谷的經(jīng)濟(jì)性，并與新電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行對比，在梯次電池價格為0.6 元/(W·h)、成組及BMS 成本為0.4 元/(W·h)、PCS 成本為1 元/(W·h)、單位運維成本為0.05元/(kW·h)、能量轉(zhuǎn)換效率為85%、容量衰減為5%/(A·h)、循環(huán)次數(shù)為2000 次的邊界條件下，投資收益始終為負(fù)值，但該文獻(xiàn)僅從不同的電池價格分析了經(jīng)濟(jì)性，并未考慮到梯次電池儲能其他參數(shù)條件的變化對經(jīng)濟(jì)性的影響。目前梯次儲能正在向規(guī)模化發(fā)展，南方電網(wǎng)承擔(dān)梯次利用國家重點研發(fā)項目，已建成百兆瓦時梯次利用示范工程，電池類型包含退役磷酸鐵鋰、鈦酸鋰、三元鋰和B品鈦酸鋰，以退役磷酸鐵鋰為主，主要通過包級和模塊級形式利用；南京江北在建的電網(wǎng)側(cè)130 MW/260 MW·h梯次儲能項目，雄安新區(qū)正在規(guī)劃2 GW·h 的梯次電池調(diào)峰調(diào)頻儲能項目等[8]。

本文對退役電池梯次利用全生命周期進(jìn)行分析，主要考慮了動力電池車上退役、梯次利用、再退役階段。首先分析了梯次儲能系統(tǒng)的成本類型，并采用平準(zhǔn)化成本模型分析了梯次儲能的成本參數(shù)敏感性；其次，闡述了退役電池梯次利用的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀，并對未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望；最后在不同設(shè)定條件下分別探討了規(guī)模化梯次儲能實現(xiàn)盈利和優(yōu)于新電池時的邊界值。本文旨在對梯次利用過程中技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望，探討梯次儲能規(guī)?；瘧?yīng)用的經(jīng)濟(jì)趨勢，為梯次利用提供參考。

1 梯次儲能平準(zhǔn)化成本

1.1 成本模型

梯次儲能系統(tǒng)的成本通常包含電池成本、功率變換器成本(power conversion system，PCS)、電池管理系統(tǒng)成本(battery management system，BMS)、集成成本、置換成本、運行維護(hù)成本、冷卻系統(tǒng)成本以及電熱安全成本、殘值。

電池成本：電池成本包含前期分選與檢測費用，按照容量計算，其成本模型為

式中，CE為電池容量單價，元/(W·h)；ER為儲能的額定容量，W·h。

PCS成本：PCS控制儲能系統(tǒng)的功率，其成本模型為

式中，Cp為PCS 單價，元/W；PR為儲能系統(tǒng)的額定功率，W。

BMS 成本：電池儲能系統(tǒng)的BMS 與容量相關(guān)，其成本模型為

式中，CB為電池BMS單位成本，元/(W·h)。

集成成本：電池儲能系統(tǒng)的集成成本按容量計算，其成本模型為

式中，CJ為電池的單位集成成本，元/(W·h)。

置換成本：退役電池由于其初始情況差，需要在項目期內(nèi)進(jìn)行更換。由于退役電池的制造時間為5～8 年前，BMS 與退役電池的通信問題也存在不確定性，這里假設(shè)同期更換BMS。梯次電池儲能系統(tǒng)置換成本模型為

式中，L為梯次電池在項目周期內(nèi)的更換次數(shù)，等于N/n；N為項目周期，年；n為退役電池的置換周期，年。

運行維護(hù)成本：電池儲能系統(tǒng)的年運行維護(hù)成本模型為

式中，CW為電池單位容量的年運行維護(hù)價格，元/(W·h·年)。

電熱安全系統(tǒng)成本：儲能在運行過程中由于SEI 膜分解、正負(fù)極材料與電解液反應(yīng)會產(chǎn)生熱，導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高，進(jìn)而會影響儲能系統(tǒng)的能量釋放效率及循環(huán)壽命，電熱安全系統(tǒng)可以監(jiān)控儲能系統(tǒng)的產(chǎn)熱情況并控制散熱系統(tǒng)運行，使儲能系統(tǒng)運行在適宜溫度范圍，提高儲能系統(tǒng)的利用效率。儲能系統(tǒng)的電熱安全管理系統(tǒng)成本模型為

式中，CD為電熱安全管理系統(tǒng)單價，元/(W·h)。

殘值：儲能系統(tǒng)在項目壽命周期結(jié)束后，其資產(chǎn)可按一定的殘值率進(jìn)行計算，由于此部分與成本投入直接相關(guān)，計算時作為負(fù)的成本值，其殘值計算模型為

式中，γ為儲能系統(tǒng)的殘值率。

1.2 平準(zhǔn)化成本

對于發(fā)電工程的經(jīng)濟(jì)性評估，國內(nèi)外普遍使用單位發(fā)電量成本評估方法——平準(zhǔn)化成本(levelized cost of energy，LCOE)。平準(zhǔn)化成本通過對不同技術(shù)在全壽命周期內(nèi)所生產(chǎn)電能的單位發(fā)電量成本進(jìn)行計算，從而對不同技術(shù)的平準(zhǔn)化成本進(jìn)行比較[9]。

梯次儲能系統(tǒng)平準(zhǔn)化成本是指梯次儲能系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的總投資成本現(xiàn)值與全壽命周期內(nèi)的總發(fā)電量現(xiàn)值之比，故梯次儲能系統(tǒng)平準(zhǔn)化成本的計算公式

式中，Cn為第n年的總投資成本；En為儲能系統(tǒng)第n年的總放電量；r為折現(xiàn)率；η為儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率；n為退役電池的置換周期；N為儲能系統(tǒng)的運行年限。

目前已投運的梯次儲能工程運行時間短，尚未有數(shù)據(jù)表明梯次電池在工程應(yīng)用中的實際循環(huán)壽命，這里以實驗室測試數(shù)據(jù)為例，容量衰減速率按照2%/100次計算，循環(huán)壽命以1500次為例。以深圳某10 MW/25 MW·h 梯次磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)為例，具體參數(shù)見表1，該儲能系統(tǒng)平準(zhǔn)化成本約為0.86元/(kW·h)。

表1 儲能系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of echelon energy storage

1.3 成本敏感性

在表1所列的參數(shù)下，梯次儲能平準(zhǔn)化成本參數(shù)的敏感性如圖1 所示，容量衰減為2.5%的平準(zhǔn)化成本以右軸數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，其余以左軸數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。平準(zhǔn)化成本受退役電池單價、容量衰減率影響較大。

圖1 平準(zhǔn)化成本敏感性Fig.1 Levelized cost sensitivity

2 儲能梯次利用現(xiàn)狀

為了使退役電池能夠安全可靠經(jīng)濟(jì)地梯次利用于儲能系統(tǒng)，動力電池退役后需經(jīng)過如圖2所示流程再進(jìn)行梯次利用[10]。

圖2 退役電池梯次利用流程Fig.2 Echelon utilization process of retired batteries

2.1 電池實際可用量少

2015 年以來，我國新能源汽車動力電池產(chǎn)量與裝機(jī)量呈現(xiàn)出高速增長的態(tài)勢，截至2018年底，我國動力電池累計量超過130 GW·h，2019年底累計超過了190 GW·h。據(jù)推算，到2025年累計退役量約為116 GW·h。然而當(dāng)前退役的電池受前期生產(chǎn)制造水平低影響，約有50%～60%可達(dá)到規(guī)?；荽卫靡骩10]，出現(xiàn)退役量大實際可用量少的現(xiàn)象。據(jù)資源強(qiáng)制回收產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟不完全統(tǒng)計，2017 年，我國共回收處理廢舊動力電池約1.1 萬噸，其中來源于研發(fā)實驗和生產(chǎn)制造產(chǎn)生的廢舊動力蓄電池約0.8 萬噸，產(chǎn)生于新能源汽車報廢動力電池約0.3萬噸。

2.2 分選重組費時費力

退役電池分選重組流程如圖3所示。分選困難的原因如下。

圖3 分選重組流程Fig.3 Sorting and reorganization flow chart

（1）電池結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜多樣

我國動力電池企業(yè)曾有230多家，直至2020年仍有70 多家動力電池企業(yè)實現(xiàn)了動力電池配套，而每家企業(yè)具有不同的設(shè)計，電芯類型、模組成組方式及連接方式、內(nèi)外部結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝技術(shù)各不相同，導(dǎo)致拆解分選困難，產(chǎn)線自動化程度低，人工費用高。

（2）電池歷史運行數(shù)據(jù)缺失

依據(jù)退役動力電池歷史運行數(shù)據(jù)的完整程度可分為兩大類：白箱電池和黑箱電池[4,11]。

目前投運的梯次儲能工程使用的梯次電池多為早期投運的電池，數(shù)據(jù)管理并未形成規(guī)范的記錄，多為缺失歷史運行數(shù)據(jù)的黑箱電池，導(dǎo)致動力電池?zé)o法采用快速高精度的檢測方法，動力電池安全性能評估和價值判斷準(zhǔn)確性低，增加了價值評估的復(fù)雜度和評估成本。

2.3 安全性尚未解決

對于退役動力電池，由于其在車內(nèi)運行3～8 年，受到運行過程中的振動和擠壓等外力，發(fā)生內(nèi)部枝晶生長、電解液消耗、晶體結(jié)構(gòu)變化、界面阻抗增加等問題，導(dǎo)致發(fā)生安全事故的風(fēng)險增加；且不同電動汽車的使用環(huán)境、工況不同，電池的容量保持率也不一致，大容量集成時，其安全性問題更為突出。

2021年9月，國家能源局印發(fā)《新型儲能項目管理規(guī)范(暫行)》[12]?！兑?guī)范》中要求電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)公平無歧視為新型儲能項目提供電網(wǎng)接入服務(wù)，針對新建動力電池梯次利用儲能項目，必須取得相應(yīng)資質(zhì)機(jī)構(gòu)出具的安全評估報告，已建和新建的動力電池梯次利用儲能項目須在線監(jiān)控電池性能參數(shù)，定期進(jìn)行維護(hù)和安全評估。

2.4 系統(tǒng)設(shè)備特殊化

梯次電池應(yīng)用技術(shù)難點如圖4所示[4]。

圖4 梯次儲能規(guī)?；瘧?yīng)用技術(shù)難點Fig.4 Technical difficulties in large-scale application of cascaded energy storage

常規(guī)PCS 和BMS 被動均衡無法解決退役動力電池運行過程一致性發(fā)散的問題，導(dǎo)致模塊利用率低。需要采用退役電池的專用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[13]和BMS均衡策略[14]，例如單雙級混合式拓?fù)?、直流多分支兩級拓?fù)洹MS 主動均衡等，防范和抑制退役動力電池安全問題，PCS 與BMS 設(shè)備類型對比，見表2。

表2 PCS與BMS設(shè)備Table 2 PCS and BMS equipment

退役動力電池規(guī)?；瘧?yīng)用過程中分選出指定容量的退役電池，需要雙倍容量甚至更多的退役電池；同時動力電池循環(huán)利用成為“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重點工程與行動[15]，各大企業(yè)提前布局爭奪資源；且梯次儲能的安全性尚未得以保障，需要增加安全管控設(shè)施保障安全等，導(dǎo)致現(xiàn)階段梯次儲能成本偏高。

3 梯次儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)趨勢

在第2 部分中分析了梯次儲能系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀，這一部分將分析梯次儲能經(jīng)濟(jì)性的發(fā)展趨勢，便于探究梯次儲能參數(shù)的經(jīng)濟(jì)邊界值。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)體系與政策保障梯次利用安全經(jīng)濟(jì)

退役電池梯次利用標(biāo)準(zhǔn)體系逐步健全，覆蓋了退役電池從電動汽車中拆卸、包裝運輸、拆解、余能檢測、梯次利用于儲能場景到再退役的各個環(huán)節(jié)，促使梯次利用更加規(guī)范，提升梯次利用安全保障能力。關(guān)于退役電池梯次利用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 梯次利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Echelon utilization related standards

在政策方面，近年來工信部針對動力電池梯次利用頒布了多項政策，加強(qiáng)退役動力電池梯次利用管理水平，保證梯次利用電池的安全性[16]。

3.2 分選重組自動化技術(shù)降低成本

目前分選重組主要為人工操作，表現(xiàn)為效率低、費用高等特點。動力電池退役量增加，退役動力電池歷史運行數(shù)據(jù)的存在可省去測試獲取數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)，進(jìn)而縮短分選時間，提高快速分選精度及分選量，節(jié)省大量測試成本，并且能夠有效保證梯次電池后期應(yīng)用的可靠性，減少電池性能不確定帶來的不確定成本。眾多企業(yè)也競相布局梯次利用，退役動力電池梯次利用技術(shù)將逐步完善，拆解分選重組工序向著自動化、柔性化、高效化、安全化的方向發(fā)展，能夠減少人工拆解的安全隱患及費用投入，全自動化產(chǎn)線的投入可降低成本，改善梯次儲能的經(jīng)濟(jì)性。

3.3 峰谷價差擴(kuò)大提升收益

2021 年7 月29 日，國家發(fā)改委發(fā)布《國家發(fā)展改革委關(guān)于進(jìn)一步完善分時電價機(jī)制的通知》[17]，提出進(jìn)一步完善峰谷分時電價機(jī)制，對峰谷時段劃分、峰谷價差空間、分時電價與電力市場化交易銜接等問題，提出了相應(yīng)政策措施?！锻ㄖ访鞔_了峰谷價差空間，峰谷電價價差達(dá)到4∶1；同時建立了尖峰電價機(jī)制，尖峰電價在峰段電價基礎(chǔ)上上浮比例不低于20%，鼓勵工商業(yè)用戶通過配置儲能、開展綜合能源利用等方式降低高峰時段用電負(fù)荷、增加低谷用電量。廣東省發(fā)展改革委率先調(diào)整了峰平谷電價，在8月底下發(fā)了完善峰谷分時

電價政策有關(guān)問題的通知，其中峰平谷比價從現(xiàn)行的1.65∶1∶0.5調(diào)整為1.7∶1∶0.38，峰谷電價價差提高到4.47∶1，差價達(dá)到0.8 元/(kW·h)[18]，每度電收益增加0.1～0.2元；尖峰電價在峰段電價基礎(chǔ)上上浮25%，尖峰低谷電價差達(dá)到1.0元/(kW·h)以上，可進(jìn)一步縮短梯次儲能的投資回收年限。

4 梯次電池經(jīng)濟(jì)邊界值分析

退役電池在儲能場景梯次利用時，其規(guī)模化應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性主要關(guān)注以下兩點：(1)能否通過峰谷套利實現(xiàn)盈利？(2)是否優(yōu)于新電池儲能？

4.1 梯次電池儲能盈利邊界

目前深圳市現(xiàn)行電價峰谷價差為0.688 元/(kW·h)，而梯次電池的平準(zhǔn)化成本為0.86元/(kW·h)，在當(dāng)前情況下梯次儲能不具備盈利能力。在1.3 節(jié)中提到梯次儲能經(jīng)濟(jì)性受電池價格、循環(huán)次數(shù)和PCS價格影響較大，接下來分析實現(xiàn)盈利時電池價格、循環(huán)次數(shù)和PCS 價格的邊界。在不同循環(huán)次數(shù)時，不同電池價格和PCS 價格下系統(tǒng)的平準(zhǔn)化成本結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 1500次循環(huán)壽命下平準(zhǔn)化成本Fig.5 Leveled cost under 1500 cycle life

圖6 2000次循環(huán)壽命下平準(zhǔn)化成本Fig.6 Leveled cost under 2000 cycle life

圖7 2500次循環(huán)壽命下平準(zhǔn)化成本Fig.7 Leveled cost under 2500 cycle life

退役電池循環(huán)壽命為1500 次時，平準(zhǔn)化成本低于峰谷價差時電池價格邊界約為0.33 元/(W·h)；當(dāng)循環(huán)壽命超過2000 次時，電池價格邊界約為0.45 元/(W·h)；當(dāng)循環(huán)壽命超過2500 次時，電池價格邊界約為0.465元/(W·h)，與循環(huán)壽命為2000次時邊界值接近，原因是這兩種情況下電池都只需要置換兩次，只是放電量不同。

目前部分省份已經(jīng)調(diào)整了峰谷電價，峰谷價差達(dá)到了0.8元/(kW·h)，在此邊界下當(dāng)電池循環(huán)次數(shù)達(dá)到2000次以上，就能夠?qū)崿F(xiàn)盈利。

4.2 梯次電池儲能優(yōu)于新電池儲能邊界

近年來新磷酸鐵鋰電池價格以每年約10%的比例不斷下降，目前新電池平準(zhǔn)化成本約為0.7元/(kW·h)。磷酸鐵鋰儲能裝機(jī)量迅速攀升，導(dǎo)致電池原材料緊缺，近年來新能源汽車銷量快速增長帶動了動力電池裝車量的增加，導(dǎo)致電池原材料價格上漲。鋰電池的正極原材料，包括碳酸鋰、氫氧化鋰等，自2020 年以來，電池級碳酸鋰的出廠價從最低4.2 萬元/t 增至9.5 萬元/t，氫氧化鋰的出廠價則從最低4.3萬元/t增至9.0萬元/t。

這里假設(shè)新電池可循環(huán)5000次，圖8和圖9分別為梯次電池循環(huán)1500次和2500次時新舊電池不同價格下的平準(zhǔn)化成本比較。

圖8 退役電池1500次循環(huán)次數(shù)，電池價格不同時新舊電池平準(zhǔn)化比較Fig.8 1500 cycles of decommissioned batteries,leveled comparison of old and new batteries when battery prices are different

圖9 退役電池2500次循環(huán)次數(shù)，電池價格不同時新舊電池平準(zhǔn)化比較Fig.9 2500 cycles of decommissioned batteries,leveled comparison of old and new batteries when battery prices are different

梯次電池循環(huán)次數(shù)為1500 次時，其成本高于新電池；但是當(dāng)梯次電池循環(huán)次數(shù)達(dá)到2500次時，成本會低于新電池，再加之梯次電池初始投資額低的優(yōu)勢，可促進(jìn)梯次電池的規(guī)模化應(yīng)用。

5 結(jié) 論

本文分析了規(guī)?；荽蝺δ艿慕?jīng)濟(jì)性，在當(dāng)前情況下梯次儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較差，隨著退役電池性能的提升，梯次儲能的經(jīng)濟(jì)性將出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。當(dāng)峰谷價差達(dá)到0.8元/(kW·h)時，梯次電池循環(huán)次數(shù)達(dá)到2000 次以上，可實現(xiàn)盈利；梯次電池循環(huán)次數(shù)達(dá)到2500次以上時會優(yōu)于新電池。

在雙碳目標(biāo)下，梯次利用動力電池規(guī)?；且豁楇p贏技術(shù)，既能滿足市場對儲能的需求，又能解決退役電池的處理問題，因此梯次利用關(guān)鍵技術(shù)問題需加大研究力度，提高經(jīng)濟(jì)性。