閆俊辰，JOHN C CRITTENDEN

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一種基于“能量”成本的儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)新方法

閆俊辰，JOHN C CRITTENDEN

（美國(guó)佐治亞理工大學(xué)布魯克貝爾可持續(xù)發(fā)展學(xué)院，美國(guó) 亞特蘭大 30332）

近年來(lái)，中國(guó)和世界一直致力于發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)，為電網(wǎng)運(yùn)行提供調(diào)峰、調(diào)頻、黑啟動(dòng)、需求響應(yīng)支持,并幫助解決可再生能源間歇性、不穩(wěn)定性、不可調(diào)節(jié)性等問(wèn)題。本文回顧總結(jié)了國(guó)內(nèi)目前評(píng)價(jià)儲(chǔ)能技術(shù)常用的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)。并站在能源可持續(xù)發(fā)展的角度介紹了基于“能量”成本評(píng)價(jià)儲(chǔ)能技術(shù)的新理念及方法，闡述了基于‘能量’成本評(píng)價(jià)不同技術(shù)節(jié)能潛力的必要性，引入了全生命周期能源投入存儲(chǔ)回報(bào)（energy stored on Investment，ESOI）這一新指標(biāo)。ESOI比值越高說(shuō)明該技術(shù)“凈能量”越高，生產(chǎn)對(duì)能源依賴度越低。本文研究對(duì)比了不同儲(chǔ)能技術(shù)的ESOI，結(jié)果表明以壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）和抽水儲(chǔ)能（PHS）為代表的物理儲(chǔ)能技術(shù)的ESOI遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電化學(xué)儲(chǔ)能，其中，過(guò)去常用的鉛酸電池（PbA）的ESOI最小，只有2。

能量成本；儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)；能源投入存儲(chǔ)回報(bào)；全生命周期

為共同應(yīng)對(duì)氣候變化給地球帶來(lái)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以及給人類帶來(lái)的生存危機(jī)，中國(guó)于2016年加入《巴黎氣候變化協(xié)定》，并致力于降低對(duì)化石能源的依賴，從而降低碳排放。2017年，習(xí)近平總書記在《黨的十九大報(bào)告》中指出，要加快生態(tài)文明建設(shè)。在能源方面，特別強(qiáng)調(diào)要推進(jìn)綠色發(fā)展，構(gòu)建構(gòu)架清潔低碳、安全高效的能源體系。國(guó)務(wù)院頒布的《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見中》指出，儲(chǔ)能是智能電網(wǎng)、可再生能源高占比能源系統(tǒng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)。在2018年中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)布的12個(gè)領(lǐng)域60個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題和工程技術(shù)難題中，高效、長(zhǎng)壽命、低成本電化學(xué)電力儲(chǔ)能技術(shù)位列其中。未來(lái)十年內(nèi)，中國(guó)將在研發(fā)和商業(yè)化上大力發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)。

由于各儲(chǔ)能技術(shù)的存儲(chǔ)機(jī)理不盡相同，對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)的并網(wǎng)可行性，需要多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)對(duì)它們的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行權(quán)衡評(píng)價(jià)。目前的傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)主要體現(xiàn)了不同技術(shù)的具體特性，包括：存儲(chǔ)容量、循環(huán)壽命、能量轉(zhuǎn)化效率、能量密度、功率密度、放電深度、投資運(yùn)營(yíng)成本等。然而，站在宏觀的、能源可持續(xù)發(fā)展的角度，儲(chǔ)能技術(shù)作為清潔技術(shù)，其生產(chǎn)所需能耗應(yīng)該低于其在運(yùn)行過(guò)程中能夠存儲(chǔ)節(jié)省的能耗。本文將介紹一種基于“能量”成本評(píng)價(jià)的新方法，引入能源投入存儲(chǔ)回報(bào)（energy stored on investment，ESOI）這一新指標(biāo)。

1 儲(chǔ)能技術(shù)及目前應(yīng)用情況

儲(chǔ)能技術(shù)是指通過(guò)裝置或物理介質(zhì)將能量以某種形式存儲(chǔ)起來(lái)，以便需要之時(shí)再利用的技術(shù)。本文所提及的儲(chǔ)能技術(shù)主要是指針對(duì)電能的儲(chǔ)存技術(shù)。人類可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、勢(shì)能、電勢(shì)能、熱能、化學(xué)能和生物能等。目前，成熟的儲(chǔ)能技術(shù)主要把電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、勢(shì)能、動(dòng)能、電磁能等形態(tài)存儲(chǔ)，按照其具體方式主要分為物理、電磁、電化學(xué)三大類型[1]。其中物理儲(chǔ)能技術(shù)包括抽水儲(chǔ)能（PHS）、壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）、飛輪儲(chǔ)能（FLY）；化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)包括鋰離子電池（Li-ion）、鈉離子電池、鈉硫電池（NaS）、鉛酸電池（PbA）、釩電池（VRB）、鋅溴電池（ZnBr）和其他新型電池[2]；電磁儲(chǔ)能主要包括超導(dǎo)儲(chǔ)能（superconducting magnetic）和超級(jí)電容儲(chǔ)能（supercapacitor）等[3]。

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用廣泛，包括為電網(wǎng)運(yùn)行提供調(diào)峰、調(diào)頻、黑啟動(dòng)、需求響應(yīng)等支持，從而提升傳統(tǒng)電網(wǎng)的靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性；存儲(chǔ)多余的電量，顯著提高風(fēng)、光等可再生能源的利用水平；支撐分布式電力及微網(wǎng)，推動(dòng)主體能源由化石能源向可再生能源更替[4-5]；促進(jìn)能源生產(chǎn)消費(fèi)開放共享和靈活交易、實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)、推動(dòng)電力體制改革和促進(jìn)能源新業(yè)態(tài)發(fā)展。

在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、鋰電池、鉛酸電池、釩電池（VRB）、鋅溴電池（ZnBr）和鈉硫電池術(shù)相對(duì)比較成熟，在世界上有不同程度的應(yīng)用。迄今為止，抽水儲(chǔ)能依然是全球在運(yùn)行儲(chǔ)能設(shè)施的主要部分，也是中國(guó)目前主要應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)[2]。根據(jù)《儲(chǔ)能技術(shù)市場(chǎng)白皮書》，2000—2016年間，抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模所占比重最大，占99%?；瘜W(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)位列第二，其中鋰電池的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模占據(jù)化學(xué)儲(chǔ)能總裝機(jī)的最大比重，占62%，達(dá)62.9 MW，鉛蓄電池占比37%，為37.5 MW。從總體趨勢(shì)上看，近些年電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模處于不斷穩(wěn)步增長(zhǎng)階段。鋰電作為主要新增儲(chǔ)能技術(shù)，占2017年全國(guó)新增總裝機(jī)容量的93%[6]，其他化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)如鉛酸電池和鈉硫電池，僅有小部分新增應(yīng)用?；瘜W(xué)儲(chǔ)能在全國(guó)總裝機(jī)容量占比雖然較小，增長(zhǎng)速度卻很快。另外，壓縮空氣儲(chǔ)能，壽命長(zhǎng)、容量大，且不像抽水儲(chǔ)能受限于地理因素，受成本影響，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用不多，但未來(lái)應(yīng)用前景廣泛[7]。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家有所應(yīng)用，但均因?yàn)轶w積、質(zhì)量等技術(shù)難題，暫時(shí)只能在飛機(jī)、火車、大型機(jī)械設(shè)備中使用。

2 儲(chǔ)能技術(shù)指標(biāo)

儲(chǔ)能技術(shù)呈現(xiàn)多元化發(fā)展，由于儲(chǔ)能技術(shù)的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、電壓、電流輸出特性以及能量轉(zhuǎn)換接口均不相同，導(dǎo)致不同儲(chǔ)能技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換途徑、轉(zhuǎn)換效率、存儲(chǔ)規(guī)模、技術(shù)適用性都不盡相同。因此，俞恩科等[8]認(rèn)為儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用方面，需要用標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)對(duì)不同儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行權(quán)衡評(píng)價(jià)。方彤等[9]認(rèn)為，不同的電池儲(chǔ)能技術(shù)所具有的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和局限性差異很大，需要對(duì)各種儲(chǔ)能技術(shù)的具體特性分別進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域選出合適的技術(shù)。

國(guó)內(nèi)目前的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要分為三類：技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境評(píng)價(jià)。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)的方式，確認(rèn)儲(chǔ)能技術(shù)的適應(yīng)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)效益和安裝運(yùn)行時(shí)對(duì)周邊環(huán)境的污染排放（環(huán)境評(píng)價(jià)）。

2.1 技術(shù)指標(biāo)

儲(chǔ)能技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)包括存儲(chǔ)容量、循環(huán)壽命、能量轉(zhuǎn)化效率、能量密度、功率密度、放電深度、運(yùn)行溫度、自放電率、體積及占地面積等。①存儲(chǔ)容量（capacity，），即儲(chǔ)能技術(shù)能夠存儲(chǔ)的最大能量值，通常以焦耳（J）和瓦時(shí)（W·h）為單位；②循環(huán)壽命（life cycle，），即儲(chǔ)能技術(shù)在停止正常運(yùn)行之前的最大充放電次數(shù)，儲(chǔ)能系統(tǒng)在經(jīng)歷一次充電和放電，稱為一次循環(huán)；③能量轉(zhuǎn)化效率（round trip efficiency，），即儲(chǔ)能系統(tǒng)放電量與其充電量的比值；④能量密度（energy density）與功率密度（power density），能量密度即儲(chǔ)能技術(shù)單位質(zhì)量或體積所能存儲(chǔ)的能量。包括質(zhì)量能量密度和體積能量密度，常用單位為W·h/kg和W·h/L。功率密度即儲(chǔ)能技術(shù)單位質(zhì)量或體積所提供的功率；包括質(zhì)量功率密度和體積功率密度，常用單位為W/kg和W/L；⑤放電深度（depth of discharge，），即儲(chǔ)能技術(shù)放出的電量占其額定容量的百分比；對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能電池來(lái)說(shuō)，放電深度與循環(huán)壽命有關(guān)，放電深度越小、電池退化越緩慢、循環(huán)壽命越長(zhǎng)[8,10-11]；⑥其它技術(shù)指標(biāo)，在儲(chǔ)能技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，還需要考慮更多技術(shù)因素，包括：自放電率、放電時(shí)間及頻率、技術(shù)成熟度、體積、占地面積、與基礎(chǔ)設(shè)施和地理氣候條件的兼容性、安全性等。

2.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本及經(jīng)濟(jì)效益，是決定其是否能產(chǎn)業(yè)化及規(guī)?；闹匾蛩?。目前的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法根據(jù)研究范圍主要有兩種：基于半生命周期的總投資成本分析和基于整個(gè)生命周期的全生命周期分析。對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：總投資成本、全生命周期成本。很多研究還根據(jù)這些指標(biāo)采用不同的方法和模型，通過(guò)優(yōu)化模擬運(yùn)行模式、政策鼓勵(lì)等方式，降低各儲(chǔ)能技術(shù)在不同情況下的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)成本[12-16]。

2.2.1 總投資成本（total capital cost，TCC）

在考慮儲(chǔ)能技術(shù)的成本時(shí)，不應(yīng)只單一考慮儲(chǔ)能產(chǎn)品的成本，而應(yīng)是系統(tǒng)成本。電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本主要包括兩個(gè)部分：功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、儲(chǔ)能設(shè)備及功率平衡成本。總投資成本包括儲(chǔ)能系統(tǒng)的購(gòu)買、安裝、物流成本[17-18]。總投資的單位是成本/kW或成本/(kW·h)。

2.2.2 生命周期成本（life cycle cost，LCC）

除了前期的總投資成本外，生命周期成本還考慮到了儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行及維護(hù)成本、替換成本、處理成本和回收成本[17–20]，單位是成本/kW或者成本/(kW·h)。

2.2.3 環(huán)境指標(biāo)

針對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)不多，主要指標(biāo)是碳排放。DENHOLMP等[21-23]從生命周期的角度，根據(jù)不同數(shù)據(jù)來(lái)源，對(duì)所研究對(duì)象不同儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行碳排放計(jì)算。杜晨等[24]對(duì)不同儲(chǔ)能技術(shù)的制造和處理過(guò)程中的環(huán)境影響進(jìn)行“大、中、小”評(píng)價(jià)，但沒有具體量化。

2.3 基于“能量”成本的評(píng)價(jià)新方法

人類將儲(chǔ)能技術(shù)視為進(jìn)入清潔能源時(shí)代重要的助推技術(shù)，在未來(lái)的幾十年間，將大力發(fā)展并使之成為能源基礎(chǔ)設(shè)施中的重要組成。但是，如果一個(gè)儲(chǔ)能技術(shù)在運(yùn)行過(guò)程中所節(jié)約的能源少于生產(chǎn)其所消耗的能量，那么該技術(shù)實(shí)際上是加劇了地球的資源消耗。所以，站在可持續(xù)發(fā)展的角度，我們需要能夠評(píng)價(jià)儲(chǔ)能技術(shù)是否真正具有節(jié)能價(jià)值的新方法。目前對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的評(píng)價(jià)體系重點(diǎn)關(guān)注儲(chǔ)能技術(shù)在所應(yīng)用場(chǎng)合的技術(shù)適用性、設(shè)施和其運(yùn)行成本、及項(xiàng)目在建設(shè)和運(yùn)行時(shí)期對(duì)周邊環(huán)境的污染情況（環(huán)評(píng)）。本文第三部分將介紹基于“能量”成本評(píng)價(jià)儲(chǔ)能技術(shù)的新方法，并引入新的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 基于“能量”成本的評(píng)價(jià)方法

對(duì)于任何產(chǎn)品和服務(wù)而言，經(jīng)濟(jì)成本指的是生產(chǎn)和消費(fèi)所需的費(fèi)用。為評(píng)價(jià)不同儲(chǔ)能技術(shù)的“浄能量”，美國(guó)斯坦福大學(xué)的BARNHART教授等[25]提出了基于“能量”成本的評(píng)價(jià)方法和理念，“能量”成本指代的是所需花費(fèi)的“能量”。他們基于能量成本的評(píng)價(jià)理念，在隱含能量比（embodied energy，EE）指標(biāo)和平準(zhǔn)化隱含能源成本（levelized embodied energy，LEE）指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出了能源投入存儲(chǔ)回報(bào)（energy stored on investment，ESOI）這一新指標(biāo)。

3.1 隱含能量（embodied energy，EE）

隱含能量即生產(chǎn)儲(chǔ)能產(chǎn)品所需要的能量，研究范圍包括資源開采、運(yùn)輸、產(chǎn)品加工等過(guò)程中的能量消耗，是生產(chǎn)鏈中直接消耗和間接消耗的能量之和[26-28]。從生命周期評(píng)價(jià)的角度，隱含能量關(guān)注范圍屬于“從搖籃到大門”的半生命周期。由于不同儲(chǔ)能技術(shù)的存儲(chǔ)容量、體積等各不相同，隱含能量無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)比較不同技術(shù)。所以在應(yīng)用時(shí)，將它們統(tǒng)一為隱含能量比（gate），即隱含能量與存儲(chǔ)容量之比。

隱含能量比，焦耳/焦耳，表示了儲(chǔ)能技術(shù)每單位存儲(chǔ)容量的生產(chǎn)能耗。比值越低說(shuō)明其生產(chǎn)對(duì)能源的依賴越低。本文選擇抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能等已進(jìn)入應(yīng)用階段的儲(chǔ)能方式進(jìn)行隱含能量比的計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)總結(jié)[11,21,25-33]，不同技術(shù)的總隱含能量包括原材料獲取和加工制造兩部分。如圖1所示，藍(lán)色和綠色的箱線圖分別代表了生產(chǎn)不同儲(chǔ)能技術(shù)所需要的原料開采和制造所需隱含能量比，紅色箱線圖代表總隱含能量比。由于數(shù)據(jù)來(lái)源比較多元化，同一儲(chǔ)能技術(shù)的總隱含能量在不同文獻(xiàn)中各有不同。另外，由于一些文獻(xiàn)只給出了總隱含能量，原材料獲取和生產(chǎn)過(guò)程中的能耗是從一些生命周期分析軟件中得到的，所以導(dǎo)致了這兩部分平均值的加和不等于總隱含能量比。

圖1 不同儲(chǔ)能技術(shù)gate之比

Fig.1 Embodied energy per unit of electrical energy storage capacity,gate, for storage technologies

從圖1可以看出，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)所需要的單位隱含能量比是抽水儲(chǔ)能（PHS）和壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）的5～16倍左右。這說(shuō)明基于儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)容量來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)所需的“能量”成本高于物理儲(chǔ)能技術(shù)。

3.2 平準(zhǔn)化隱含能量成本（levelized embodied energy，LEE）

隱含能量（EE）沒有考慮到儲(chǔ)能技術(shù)在運(yùn)行時(shí)期的情況。在運(yùn)過(guò)程中循環(huán)壽命（）、循環(huán)效率（）和充放電深度（）都是影響儲(chǔ)能技術(shù)累積“能量”成本的重要因素。另外，充放電深度（）同時(shí)也會(huì)影響到電化學(xué)儲(chǔ)能電池的循環(huán)壽命（）和真實(shí)放電量（小于存儲(chǔ)容量）。放電深度越淺，化學(xué)電池的循環(huán)壽命約長(zhǎng)[34]，而物理儲(chǔ)能技術(shù)不受放電深度影響。因此，我們需要考慮儲(chǔ)能技術(shù)每次循環(huán)的真實(shí)放電量，而不僅僅是它們的理論存儲(chǔ)容量。借鑒平準(zhǔn)化經(jīng)濟(jì)成本，提出了考慮不同技術(shù)運(yùn)行情況的平準(zhǔn)化隱含能量成本，平準(zhǔn)化隱含能量成本（LEE）：30年周期內(nèi)隱含能量與真實(shí)放電量之比

平準(zhǔn)化隱含能量成本是基于30年周期，每單位裝機(jī)容量的儲(chǔ)能技術(shù)的生產(chǎn)所需能耗。如果一項(xiàng)技術(shù)的壽命不到30年，將直接替換新的同樣產(chǎn)品。該指標(biāo)在隱含能量比指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合了循環(huán)壽命（）、循環(huán)效率（）和充放電深度（）傳統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，并考慮到儲(chǔ)能技術(shù)每次真實(shí)的放電量。對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)說(shuō)，循環(huán)壽命還受到操作溫度和放電深度影響[31-32]，為方便計(jì)算，假設(shè)系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行溫度，并選擇能夠使平準(zhǔn)化隱含能量成本最優(yōu)（低）的放電深度和相對(duì)應(yīng)循環(huán)壽命[1,8,25,36]。

2017年中國(guó)全口徑發(fā)電量為64179億千瓦，根據(jù)《2017—2022年中國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)市場(chǎng)深度調(diào)研及投資前景分析報(bào)告》[38]估計(jì)，到2020年，電網(wǎng)削峰填谷儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到106.88 GW·h。假設(shè)未來(lái)30間年裝機(jī)容量和全國(guó)發(fā)電總量沒有增加，儲(chǔ)能技術(shù)的平準(zhǔn)化隱含能量成本[公式(2)]和發(fā)展各儲(chǔ)能技術(shù)所需生產(chǎn)能耗占每年總發(fā)電量的百分比[公式(3)]計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同儲(chǔ)能裝機(jī)容量需求下的平準(zhǔn)化隱含能量

從表1可以看出，只有抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能及鋰電池的能耗占比小于2017年的全年發(fā)電總量，分別占比2%、4%和61%。鋰電池的能耗占比雖然小于1，但要想實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的裝機(jī)容量，生產(chǎn)能耗依然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，較短的循環(huán)壽命是導(dǎo)致化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)高平準(zhǔn)化隱含能量值的根本原因。例如，鉛酸電池在30年周期內(nèi)，假設(shè)每天只循環(huán)放電一次，也需要替換15.6次，而對(duì)于壓縮空氣儲(chǔ)能，則不需要替換（0.73次）。

3.3 能源投入存儲(chǔ)回報(bào)（energy stored on investment，ESOI）

平準(zhǔn)化隱含能量的分析方法會(huì)受到平準(zhǔn)周期和每天運(yùn)行時(shí)間的影響。平準(zhǔn)周期是固定的，但不同技術(shù)有自己不同的壽命。受到能源投入回報(bào)（energy return on investment，EROI）分析指標(biāo)的啟發(fā)[39-40]， BARNHART等發(fā)明了一個(gè)新的儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，能源投入存儲(chǔ)回報(bào)（energy stored on investment，ESOI）。

3.3.1 ESOI指標(biāo)

ESOI是儲(chǔ)能技術(shù)的全生命周期能量存儲(chǔ)量與儲(chǔ)能產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)的能量總消耗量的比值。

式中，為儲(chǔ)能技術(shù)容量，J；為循環(huán)壽命，次；為循環(huán)效率，百分比；為充放電深度，百分比；gate為隱含能量比，生產(chǎn)能耗（J）存儲(chǔ)容量（J）；EE為隱含能量，J。

式(4)中，計(jì)算ESOI所需要的參數(shù)包含了隱含能量比和計(jì)算平準(zhǔn)化能源成本所需的參數(shù)。與式(2)相同，對(duì)于化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，循環(huán)壽命受到放電深度的影響，在計(jì)算時(shí)，選擇能夠使ESOI最優(yōu)（最高）的放電深度和相對(duì)應(yīng)循環(huán)壽命，結(jié)果見圖2。

從圖2中可以看出，壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）和抽水儲(chǔ)能（PHS）存儲(chǔ)了大于其生產(chǎn)所需能耗100倍的能量。鉛酸電池（PbA）的ESOI最小，只有2。所有其它電化學(xué)儲(chǔ)能的ESOI都相對(duì)比較低。

ESOI比值越高說(shuō)明該技術(shù)“凈能量”越高，生產(chǎn)對(duì)能源依賴度越低。相比較于隱含能量比和平準(zhǔn)化隱含能量，ESOI不僅考慮到儲(chǔ)能技術(shù)在運(yùn)行時(shí)期的情況及真實(shí)放電量，且在計(jì)算時(shí)不受平準(zhǔn)化周期的影響，可以更加簡(jiǎn)潔、直觀的比較儲(chǔ)能技術(shù)的“浄能量”，以量化的方式判斷不同技術(shù)的節(jié)能潛力以及在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)能源的依賴度。

由式(4)可以看出，ESOI不是一個(gè)脫離現(xiàn)有評(píng)價(jià)體系的指標(biāo)，它包含了現(xiàn)有的技術(shù)指標(biāo)，并且兼具了隱含能量和平準(zhǔn)化隱含能量的研究范圍和評(píng)價(jià)內(nèi)容，相比平準(zhǔn)化隱含能量指標(biāo)更加直觀而且便于計(jì)算。

3.3.2 ESOI對(duì)未來(lái)研發(fā)重點(diǎn)的啟示

通過(guò)式(4)，發(fā)現(xiàn)ESOI值與循環(huán)效率、放電深度、隱含能量及循環(huán)壽命成線性正比關(guān)系。若要提高各技術(shù)的ESOI值，就需要提高這些參數(shù)。由于目前各儲(chǔ)能技術(shù)的效率已經(jīng)達(dá)到65%～98%[41]，不同儲(chǔ)能技術(shù)的效率最大可以增加35%。而隱含能量，根據(jù)目前的工業(yè)制造、低能耗開采技術(shù)以及提高工業(yè)生產(chǎn)效率和能源利用效率的科技發(fā)展趨勢(shì)，最多可以降低2～3倍[25]。然而，對(duì)于循環(huán)壽命，目前技術(shù)范圍從小于1000到大于25000不等，有25倍的差距。由此可見，循環(huán)壽命對(duì)ESOI值的提高起到了決定性的影響，未來(lái)對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)應(yīng)該更加關(guān)注循環(huán)壽命的提高。

ESOI不同于傳統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境指標(biāo)，它是一個(gè)可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)，不僅站在“浄能量”的角度衡量?jī)?chǔ)能技術(shù)的能量回收情況及其影響因素，還可以站在產(chǎn)業(yè)化的角度衡量不同技術(shù)的規(guī)?；茉窗l(fā)展可行性。為決策者和研究者提供幫助和指導(dǎo)。另外，相比于隱含能量（EE）和平準(zhǔn)化隱含能源成本（LEE）指標(biāo)，ESOI考慮儲(chǔ)能技術(shù)各自的全生命周期，消除了平準(zhǔn)周期對(duì)計(jì)算造成影響，計(jì)算簡(jiǎn)單，更直觀的表達(dá)了不同技術(shù)的節(jié)能潛力。

4 結(jié) 論

（1）在目前儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用當(dāng)中，研究者和實(shí)踐者們更注重優(yōu)化技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，從而提高技術(shù)的適應(yīng)能力和盈利能力。不同于傳統(tǒng)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法，基于“能量”成本的評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)可以衡量?jī)?chǔ)能技術(shù)是否有節(jié)能價(jià)值，從而實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。

（2）能源投入存儲(chǔ)回報(bào)（ESOI）兼具隱含能量（EE）和平準(zhǔn)化隱含能源成本（LEE）的評(píng)價(jià)作用，還包含了一些傳統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，從浄能量角度，以量化的方式直觀的比較了儲(chǔ)能技術(shù)的節(jié)能潛力以及對(duì)生產(chǎn)技術(shù)所需能耗的依賴程度。

（3）壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）和抽水儲(chǔ)能（PHS）在存儲(chǔ)能量回報(bào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它電化學(xué)儲(chǔ)能存儲(chǔ)技術(shù)。在化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)當(dāng)中，常用的鉛酸電池（PbA）的ESOI最小，只有2。

（4）ESOI值與循環(huán)效率、放電深度、隱含能量及循環(huán)壽命成線性正比關(guān)系。循環(huán)壽命對(duì)ESOI值的提高起到了決定性的影響。

（5）本文以電儲(chǔ)能技術(shù)為研究主體進(jìn)行介紹，但這一基于“能量”成本的評(píng)價(jià)理念及指標(biāo)還可以應(yīng)用于儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷等其它儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的可行性的評(píng)價(jià)?；凇澳芰俊背杀镜脑u(píng)價(jià)方法及指標(biāo)將作為現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)指標(biāo)的補(bǔ)充，幫助完善現(xiàn)有技術(shù)評(píng)價(jià)體系，為儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)研究人員及實(shí)踐者，提供未來(lái)研究方向和技術(shù)路線選擇提供重要參考。

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An evaluation method of energy storage technologies based on energetic costs

,

（Brook Byers Institute for Sustainable Systems, Georgia Institute of Technology, Atlanta 30332, US）

In recent decades, China and the World have been devoting a significant effort to the development of energy storage technologies. Energy storage can support electrical grids in terms of peak-shaving, frequency regulation, black start, demand side response, and help resolving challenges associated with intermittency and fluctuation of renewables. This article reviews technical and economical evaluation indicators of a variety of energy storage technologies and introduces an evaluation method by Charles J. Barnhart and Sally M. Benson with a focus on energetic costs of storage. This leads to a new metric based on the energetic cost: energy stored on Investment (ESOI). A higher ESOI indicates that more “net energy” is returned. Through studying ESOI for different energy storage technologies, we found that the ESOI of mechanical based energy storage technologies is far higher than the chemical based energy storage technologies. The commonly used lead-acid (PbA) batteries only have an ESOI of 2.

energetic cost; evaluation of energy storage technologies; energy stored on investment (ESOI); whole life cycle

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0175

X 22；X 24

A

2095-4239（2019）02-269-07

2018-09-04；

2018-12-06。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)項(xiàng)目（1441208）。

閆俊辰（1992—），男，博士研究生，研究方向?yàn)榭沙掷m(xù)基礎(chǔ)設(shè)施、生命周期分析、大數(shù)據(jù)分析，E-mail：junchen.yan@gatech.edu。