退役动力电池梯次利用技术与经济性分析

 事件概述

2018年2月26日，工信部网站发布由工信部、科技部、环境保护部、交通运输部、商务部、质检总局、能源局七部委联合印发的《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》，要求汽车生产企业承担动力蓄电池回收的主体责任，相关企业在动力蓄电池回收利用各环节履行相应责任，保障动力蓄电池的有效利用和环保处置。

明确车企为回收动力电池的责任主体，鼓励社会资本参与

该《暂行办法》提出，汽车生产企业应建立动力蓄电池回收渠道、回收服务网点，负责收集废旧动力蓄电池，集中贮存并移交至合作企业;鼓励汽车生产企业、电池生产企业、报废汽车回收拆解企业与综合利用企业等通过多种形式，合作共建、共用废旧动力蓄电池回收渠道;鼓励车企通过回购、以旧换新、给予补贴等措施，提高新能源汽车所有人移交废旧动力蓄电池的积极性。亦提出，鼓励社会资本发起设立产业基金，研究探索动力蓄电池残值交易等市场化模式，促进动力蓄电池回收利用。

我们认为，明确车企在承担动力电池回收方面的主体责任，将利好动力电池回收事项有序开展，并在一定程度上给予车企开展业务模式创新的空间。我们预计，未来将有更多车企及合作方试水换电、电池租赁、退役电池储能梯次利用等业务，延长电池的实际使用寿命。

鼓励开展动力蓄电池梯次利用和再生利用

该《暂行办法》鼓励电池生产企业与综合利用企业合作，在保证安全可控前提下，按照先梯次利用后再生利用原则,对废旧动力蓄电池开展多层次、多用途的合理利用，降低综合能耗，提高能源利用效率，提升综合利用水平与经济效益，并保障不可利用残余物的环保处置。

近年来，退役动力电池梯次利用方面，国家电网公司、北汽新能源、中国铁塔等大企业，已积极开展相关研究与试点项目实施，中恒电气子公司煦达新能源在商业化探索中亦取得技术创新。再生利用方面，多家动力电池产业链企业已积极布局动力电池回收拆解业务，包括但不限于：格林美、宁德时代、国轩高科、赣锋锂业等。

新能源汽车市场首批动力电池进入退役期

我们测算，截至2017年底，市场上新能源汽车的保有量已经超过160万辆。我们研究判断，2016、2017年退役的动力电池多为2012-2013年开始服役。我们根据2011年以来新能源汽车历年产销数据进行统计、测算，判断2018~2020年将迎来动力电池退役潮，如图54所示，预计2018-2020年的动力电池退役容量分别为2.7GWh、9.1GWh、14.3GWh，同比增速分别为182.9%、235.4%、57.1%。由此可见，解决退役动力电池回收利用的问题迫在眉睫。

2016年12月1日，国家工信部节能与综合利用司公布了《新能源汽车动力蓄电池回收利用暂行管理办法》(征求意见稿)，以规范和引导废旧动力电池的综合应用。2018年2月26日，工信部网站发布由工信部、科技部、环境保护部、交通运输部、商务部、质检总局、能源局七部委联合印发的《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》。随着该政策落地，新能源汽车退役动力电池的回收利用提上议事日程。

由前文解读可见，根据该政策，车企不能对电动汽车“一卖了之”，而是要对其动力电池的全生命周期负责到底。如果没有较好的回收利用渠道，就意味着车企将要为动力电池回收利用投入更多的成本。而就动力电池本身而言，当前动力电池的“服役”期限约在4-5年左右，到达期限后的动力电池实际容量较初始额定容量产生显著衰减，并体现出大功率充放电时动力电池电压跌落较快的现象，对电动汽车的续航里程产生较大影响，因此面临“退役”。然而，相当一部分动力电池退役后仍有70%-80%的容量空间，由于国内的锂电拆解回收产业尚未完全成熟，如不进行梯级利用而直接进行拆解回收，则仅能回收部分锂、钴、镍等金属原材料，这对于动力电池的使用价值而言是一种浪费。因此，开发退役动力电池的“剩余价值”就显得意义尤为重大。

2017年10月11日，各大部委网站刊发了发改委、财政部、科技部、工信部和能源局联合发布的《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》(落款日期为9月22日)。该《指导意见》提出(但不限于)，完善动力电池全生命周期监管，开展对淘汰动力电池进行储能梯次利用研究。我们认为，如获成功，梯次利用将延长动力电池的总体使用寿命，提高电池利用的整体经济性和环境友好性。

前文已提到，近年来市场上已有多家企业开展关于“退役动力电池梯级利用”的相关研究与示范项目实施，这里举两个例子。

据英大网2014年9月15日报道，国家电网河南省电力公司牵头研究并攻克了退役动力电池梯次利用过程的快速分选、健康状态评价、寿命预判、重组均衡等技术难题，用作郑州市尖山真型输电线路试验基地混合微电网系统的储能配套方案，该项目于2013年8月联调成功，北京索英电气等公司参与其中。

据《中国能源报》2017年9月18日报道，煦达新能源主导设计开发了国内首套MWh级“基于电动汽车退役动力电池梯次利用的工商业储能系统”项目，在江苏溧阳成功投运，该系统由9套20kW/122kWh储能基本单元并联组成，项目规模为180kW/1.1MWh，主要用于工厂用户用电的“削峰填谷”，并以合同能源管理的模式与客户分享峰谷价差带来的收益。

退役动力电池梯次利用的关键技术点

动力电池梯级利用的理论易于理解，但在实际应用场景中常遇到一系列问题，障碍其大面积推广。随着技术进步，多项问题正在逐步解决，助推其商业化应用。

其中最主要的问题就是电池的稳定性和一致性问题。为了解这个问题的解决方案，我们对煦达新能源动力电池梯级利用项目进行了调研。目前煦达采用三步方案来针对上述问题进行解决，具体如下。

首先是对退役动力电池的筛选。我们知道，由于电池的设计寿命、产品品质和使用情况的不同，动力电池退役时的状态也参差不齐。关于这一点，新能源与储能运行控制国家重点实验室副主任来小康在2017国际电动汽车动力电池产业发展与技术创新峰会上曾经介绍：2012年以前我国生产的许多动力电池，由于未经大规模批量化的生产，生产规范和自动化生产水平都还未得到发展，因而产品品质也较难保障，一些动力电池虽然参数合格但实装使用后容量衰减得非常快。而根据市场调研和实际筛选的结果来看，2012-2013年我国投入运营的动力电池中，乐观估计符合梯次利用条件的电池容量仅占退役动力电池总容量的50%左右，另有10%左右可以进行简单维修后使用，而其余相当一部分电池只能直接报废。这一情况在2014-2015年投运的动力电池上则有所改善，由于具备了更为严谨的设计体系以及大规模自动化的生产工艺，该阶段以后生产的动力电池品质有了较大的提升，保守预计能够进入梯级利用的动力电池容量比例可达60%-70%。因此，对动力电池梯级利用解决方案供应商来说，对退役动力电池进行筛选是第一步。

第二是组串式应用。退役动力电池来自于不同阶段的不同车型，相互之间参数差异较大，如采用并联集中式的设计方案，则电池一致性无法保障。对此，前文提到的煦达新能源项目案例，做法为：将每辆电动车上拆下来的一套动力电池组作为单独的单元，配以中小功率的储能逆变器，形成一个基本的储能单元，再将多个储能基本单元集成在一起形成中大型储能功率系统。这样的应用方式其实并不新鲜，其“基因”来自于早先的光伏系统：2011-2012年前后单台光伏逆变器的容量还较小，1MW光伏发电单元通常由2台500kW逆变器或4台250kW逆变器并联组成。一个比较极端的情况是华为的解决方案，采用50台20kW逆变器组成1MW光伏发电单元。可见多逆变器并联集成的系统方案在技术上是具备可实现性的，当然小功率逆变器的单瓦价格一般会高于大功率逆变器，但优点是可以最大化地发挥每一组光伏电池板的发电能力。该方案应用在储能项目上，则能够实现对每一个储能单元更为精细化的控制。

第三是充放电管理。目前基于铅炭电池的“削峰填谷”项目，其电池容量与功率的配比一般为8:1，也即放电倍率为0.125C，例如：南都电源的近期投运的无锡新加坡工业园储能项目。由于“削峰填谷”属于供电补充，其运行状态下的电流变化相对稳定。而动力电池则对放电倍率要求较高，根据国标来看至少应为1C，实际行驶中其瞬时放电倍率可能达到2C甚至更高，且运行过程中电流波动的波频和波幅更高。退役后的动力电池显然无法再在如此高的放电倍率下工作，根据煦达的实测数据，退役动力电池在“削峰填谷”储能项目中，放电倍率应控制在0.2C甚至更低，此时电池组中单体电芯的电压差可以稳定在20mV以内，属于较好的情况。另一点是要对放电深度进行调整，动力电池容量衰减后有效容量已经不足，再使用原有的容量下的放电深度策略，可能导致过度放电时的电压波动，因此需要根据电池的实际情况对容量和放电深度进行调整。以溧阳项目为例，目前采用的电池充放电倍率约为0.164C，放电深度为衰减后电池容量的90%。

目前项目仍处于投运初期，相关运行数据较少，期待后续运行数据对上述技术方案作进一步验证。

退役动力电池梯次利用经济性测算

关于退役动力电池在“削峰填谷”储能应用领域的经济性问题，我们可以就煦达动力电池梯级利用项目的公开数据进行一个简单的测算。根据《中国能源报》2017年9月18日的披露，该项目的储能系统容量为1.1MWh，单位系统成本约为1元/Wh;根据项目报道采样的两个日期样本9月5日和9月6日数据显示，当日售电收入分别为629.103元和622.588元。基于以上项目信息我们作出如下假设：

1)项目回收期第1年的每日收益取采样点9月5日和9月6日收益的平均值，也即625.8455元/日;

2)根据应用场景，我们合理假设储能系统每年可有效运行320天，回收期第1年存售电收益约20.027万元;

3)根据磷酸铁锂循环经验曲线，假设项目运营周期10年，其间退役动力电池总容量衰减20%，年均衰减2%;

4)放电深度保持为90%，谷时充电不足的部分由平时充电补足，溧阳市的峰平电价差为0.44元/kWh;

5)本次项目采用集装箱部署，因此暂不考虑场地成本，系统维护费用取年均0.15万元;

6)储能项目考虑享受税收优惠，本次测算取所得税率为10%;静态测算暂不考虑融资成本(贷款利率)。

退役动力电池梯次利用项目投资回报测算具体如表23所示。

可以看到，测算中项目税后累计现金流在第6年成为正值，即静态6年回收投资成本，项目全周期的税后内部收益率为9.86%。我们认为，如获成功，该项目将具有较强的推广价值。