锂电池应用于数据中心削峰填谷的TCO分析

雷 婷，邹才华，王俊磊

（中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518055）

1 采用储能进行削峰是数据中心迫切需求

2021年7月29日，国家发展改革委印发了《关于进一步完善分时电价机制的通知》，要求各地统筹考虑当地电力系统峰谷差率、新能源装机占比以及系统调节能力等因素，合理确定峰谷电价价差，上年或当年预计最大系统峰谷差率超过40%的地方，峰谷电价价差原则上不低于4∶1，其他地方原则上不低于3∶1[1]。该通知明确了完善我国分时电价机制的具体措施，有利于在3060双碳目标绿色约束以及电力体制改革加快推进下充分发挥分时电价信号作用，服务以新能源为主体的新型电力系统建设，促进能源绿色低碳发展。

据统计，截至2020年底，全国数据中心用电总量达2 023.7亿kW·h，占全社会用电总量的2.7%，预计到2030年，能耗需求持续高速增长，占比达到全社会用电量的3.7%[1]。在数据中心年运营成本中，用电成本占比超过50%。2022年2月，国家发展改革委、国家能源局发布的《“十四五”新型储能发展实施方案》提出，到2030年，新型储能要全面支持能源领域碳达峰目标达成。通过配置一定比例储能系统，提高新能源接入比例，利用削峰填谷降低用电成本，将成为数据中心减少碳排放和提升电力效能的必要手段[2]。

2 锂电池在数据中心储能场景中的优势

在全球储能市场中，电化学储能的占比为7.5%，其中锂离子电池储能规模的占比最大超过90%。对比目前市场主流的储能电池性能，锂离子电池因具备完整的产业链优势，在可靠性、寿命、占地面积以及成本等方面具备较大优势。经过测算，在数据中心10年生命周期内，锂离子电池的总拥有成本（Total Cost of Ownership，TCO）只有铅酸电池方案的70%，因此被多家数据中心选用，与不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）配套作为备用电池[3]。

3 国内典型地区分时电价政策及运行时间策略

峰谷分时电价是指根据用户用电需求，将每天的时间划分为高峰（含尖峰）、平段以及低谷3个时段，对各时段分别制定不同的电价水平，以引导和鼓励用户削峰填谷，提高电力资源的利用率。在峰谷分时电价机制下，用户利用储能系统在低谷电价时段充电、高峰电价时段放电，可实现峰谷差套利，降低用电成本，这是目前用户侧储能的主要盈利模式。

数据中心一般采用大工业电价，大部分地区执行峰平谷不同时段价差，个别用电负荷高的城市执行短时间尖峰电价。为充分利用锂电池的循环寿命，可采用如下运行策略：一天充放电两次，第一次利用峰谷价差充放80% 深度放电（Depth of Discharge，DoD），第二次利用峰平价差充放电60% DoD，全生命周期内循环6 000～8 000次[4]。

3.1 典型配置方案

根据数据中心不同的设计等级，储能配置方案在容量大小和充电功率方面略有差异。方案配置原则如下：（1）不能降低原数据中心的安全等级；（2）不改动或轻微改动原有数据中心机房配电设计；（3）线缆、承载在允许范围内；（4）采用锂离子电池作为储能单元，按10年使用寿命核算；（5）根据不同储能模式配置额外储能容量，用于削峰填谷功能。

3.1.1 A级数据中心配置方案

A级数据中心配置方案如图1所示，2N系统全部或者其中一路配置储能（可两路切换）；利用变压器50%富裕为储能系统充电；不改变原有配电系统；标配12 h后备柴发，可选替代柴发。

图1 A级数据中心配置方案

3.1.2 B级、C级数据中心配置方案

B级和C级数据中心配置方案如图2所示，在唯一的市电支路配置储能系统；利用变压器20%富裕为储能系统充电；不改变原有配电系统；需核对谷段充电时长，配置储能容量；标配后备柴发，可选替代柴发。

图2 B级和C级数据中心配置方案

3.2 TCO分析模型

TCO分析中，影响因素包括方案配置（系统架构、电池寿命）、运行策略（循环次数、放电深度DOD）、电池成本以及峰谷价差。将电池寿命、循环次数、DoD、运行策略按照全生命周期最优化后，受影响参数主要为电池瓦时总成本和每kW·h电费的峰谷价差[5]。

假设数据中心锂电池瓦时总成本与每kW·h电费峰谷价差的比值为P，则P值与内部收益率及回收期关系如图3、图4所示。根据分析可推断，当P≤2时，内部收益率高于10%，静态投资回收期在6年以内，削峰填谷才具备经济性。

图3 P值与内部收益率的关系

图4 P值与回收期的关系

3.3 典型城市削峰填谷TCO分析

结合2022年锂电池系统投建成本，在国内数据中心典型城市中，上海和江苏两个城市的部分地区具备一定的经济可行性。预计到2025年，电池瓦时总成本将降低至1.32元/（W·h）以下，除北京、上海、广州和江苏外，随着分时电价政策的优化调整，越来越多的地区会逐步体现其经济价值。锂电池储能削峰填谷在国内典型地区TCO分析如表1所示。

表1 锂电池储能削峰填谷在国内典型地区TCO分析

如果锂电池储能系统的可靠性和安全性能够得到进一步提升，在配置足额备电时间条件下，考虑储能换电替代数据中心柴油发动机的可行性，间接降低储能系统的投建成本。按2022年锂电池成本核算，替代柴发后，各典型地区内部收益率显著提高，预计到2025年，一线城市和环一线城市都将具备良好的经济性。

4 结 论

当前投资锂电池单纯做数据中心削峰填谷仅在个别一线城市的部分区域具有经济可行性，未来随着辅助调频市场门槛进一步降低，数据中心储能并入电网，接受自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）调频指令增加收益成为新的机会点。同时，国家3060双碳目标及分时电价政策的调整都需要配合新能源接入，储能属于新能源支撑配套技术，电网会强制要求按新能源装机比例配置储能。预计2025年，度电成本低于光伏上网指导电价，国内一线和环一线城市大部分地区的数据中心将具备削峰填谷的推广价值。