儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性研究

孫振新，劉漢強(qiáng)，趙喆，丁鶄，郭樺，常程

(國(guó)電新能源技術(shù)研究院，北京市昌平區(qū)102209)

　　摘要：分析國(guó)內(nèi)電力體制的特點(diǎn)，討論在我國(guó)電力體制下儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的分析模型。首先半定性的分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛在收益，以及國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)、火力發(fā)電、新能源應(yīng)用和輔助服務(wù)等內(nèi)容。提出評(píng)估儲(chǔ)能成本的重要指標(biāo)，結(jié)合國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)情況建立了合適的分析模型?；谀Ｐ头治隽藘?chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，提出3方面建議：1）鼓勵(lì)發(fā)電企業(yè)提供儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案；2）通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的合理應(yīng)用降低新能源、分布式能源和微網(wǎng)的綜合發(fā)電成本；3）建議電力輔助服務(wù)市場(chǎng)化。

　　0引言

　　隨著可再生能源發(fā)電的快速增長(zhǎng)，負(fù)荷和發(fā)電的矛盾日益突出。以遼寧省為例，2012年7月底，遼寧省的總裝機(jī)容量達(dá)到36.6GW，其中4.56GW是風(fēng)力發(fā)電，占12.46%。風(fēng)電成為省內(nèi)僅次于火電的第2電源。預(yù)計(jì)到2020年風(fēng)力發(fā)電將達(dá)到13.8GW，占裝機(jī)總?cè)萘康?0.5%。由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源不能人為調(diào)控，導(dǎo)致風(fēng)電與電力負(fù)荷不匹配，因而風(fēng)電并網(wǎng)問(wèn)題是面臨的主要瓶頸。風(fēng)電并網(wǎng)問(wèn)題在我國(guó)的“三北”地區(qū)比較突出，尤其是東北和西北地區(qū)，是風(fēng)資源集中地區(qū)，但當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷需求卻很低，外送通道有限，因而每年風(fēng)電的棄風(fēng)量居高不下。

　　風(fēng)電、光伏等新能源的波動(dòng)性和間歇性影響新能源的并網(wǎng)，而儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠平滑輸出，提高電源質(zhì)量，削峰填谷，可為新能源發(fā)電提供一條有效地解決途徑[1]。

　　國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)體制在一定程度上限制了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。以美國(guó)調(diào)頻市場(chǎng)為例，美國(guó)的電力市場(chǎng)化交易，電力調(diào)頻在需求旺盛的時(shí)候有較高的價(jià)格，儲(chǔ)能系統(tǒng)由于具備快速響應(yīng)的特點(diǎn)存在盈利的可能。而國(guó)內(nèi)的儲(chǔ)能系統(tǒng)由于沒(méi)有市場(chǎng)機(jī)制無(wú)法實(shí)現(xiàn)盈利。同時(shí)，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)剛剛起步，產(chǎn)業(yè)發(fā)展在工程示范階段，典型的示范工程如國(guó)家電網(wǎng)公司的張北風(fēng)光儲(chǔ)輸一體化項(xiàng)目。項(xiàng)目采用18MW的鋰離子電池和2MW的液流電池，全面對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻等功能開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。國(guó)電集團(tuán)的臥牛石風(fēng)電場(chǎng)，采用5MW液流電池儲(chǔ)能是目前國(guó)內(nèi)最大的液流電池儲(chǔ)能示范工程。此外南方電網(wǎng)等電力企業(yè)均在儲(chǔ)能應(yīng)用方面建設(shè)了示范工程。同時(shí)，行業(yè)政策和法規(guī)尚不健全。對(duì)比國(guó)內(nèi)脫硫、脫硝等環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國(guó)家對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的支持政策尚不具備。目前國(guó)家的政策還集中在對(duì)于示范工程的支持，因此還沒(méi)有有效的經(jīng)濟(jì)模式和分析方法。

　　在國(guó)內(nèi)現(xiàn)行體制下，形成一種綜合有效的評(píng)價(jià)儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)值的方法是本文的主要探討內(nèi)容。楊裕生院士提出了一項(xiàng)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)型的判據(jù)，可以全面評(píng)估儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)判據(jù)的分析表明，抽水蓄能，壓縮空氣儲(chǔ)能，液流電池，鋰離子電池是最佳選擇。

　　文章在分析中主要使用壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)為例。從國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)體制分析入手，介紹了涉及儲(chǔ)能系統(tǒng)的各項(xiàng)收益，之后分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)除目前國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)之外的各項(xiàng)潛在收益，將兩部分收益疊加形成儲(chǔ)能的總體收益。本文參考了文獻(xiàn)中提到的儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性的判據(jù)，并重新建立了評(píng)價(jià)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性的模型用以分析壓縮空氣儲(chǔ)能、液流電池儲(chǔ)能等儲(chǔ)能技術(shù)。最后通過(guò)新模型的計(jì)算和分析，對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行討論，提出相應(yīng)的結(jié)論和建議。

　　1國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)

　　國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)分為六大區(qū)域電力市場(chǎng)，分別是華北、東北、華東、華中、西北和南方電力市場(chǎng)。2002年，國(guó)內(nèi)電力體制改革實(shí)現(xiàn)了廠網(wǎng)分開(kāi)，電力市場(chǎng)成為單一買(mǎi)方也稱作發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)模式。目前東北電網(wǎng)等已逐步開(kāi)展直購(gòu)電試點(diǎn)，電力市場(chǎng)改革在不斷向批發(fā)競(jìng)爭(zhēng)模式發(fā)展[2]。

　　隨著電力市場(chǎng)的制度變遷，中國(guó)的電價(jià)改革也進(jìn)行了一系列的探索和實(shí)踐，并取得了顯著成效。電價(jià)改革的長(zhǎng)期目標(biāo)是：隨著電力體制改革的深化，電價(jià)劃分為上網(wǎng)電價(jià)、輸電價(jià)格、配電價(jià)格和銷售電價(jià)。上網(wǎng)電價(jià)和銷售電價(jià)由市場(chǎng)決定競(jìng)爭(zhēng)，輸、配電價(jià)格由政府部門(mén)設(shè)定。

　　目前銷售電價(jià)由上網(wǎng)電價(jià)、輸配電價(jià)和線損3部分構(gòu)成[2]，計(jì)算公式為

　　上網(wǎng)電價(jià)是發(fā)電企業(yè)賣電給電網(wǎng)的價(jià)格，一般由發(fā)改委等政府部分規(guī)定，火電不同省市執(zhí)行不同的價(jià)格；風(fēng)電則根據(jù)不同的風(fēng)資源狀況執(zhí)行不同的標(biāo)桿電價(jià)；核電執(zhí)行標(biāo)桿電價(jià)；光伏、水電等執(zhí)行一廠一價(jià)的定價(jià)機(jī)制。

　　輸配電價(jià)沒(méi)有明確的形成機(jī)制，因而電網(wǎng)公司根據(jù)買(mǎi)賣電價(jià)的差值確定。

　　在現(xiàn)行的電價(jià)體制下，輔助服務(wù)的價(jià)格包含在輸配電價(jià)中[3]。區(qū)域輔助服務(wù)的補(bǔ)償方法有兩種：電量補(bǔ)償和價(jià)值補(bǔ)償。電量補(bǔ)償是指電網(wǎng)對(duì)于輔助服務(wù)完成較好的發(fā)電企業(yè)給予增加發(fā)電量的補(bǔ)償方法，同時(shí)對(duì)于輔助服務(wù)完成較差的發(fā)電廠則減少一定的發(fā)電量。價(jià)值補(bǔ)償?shù)脑砼c電量補(bǔ)償類似，區(qū)別在于價(jià)值補(bǔ)償是用輔助服務(wù)的基金補(bǔ)貼發(fā)電企業(yè)。輔助服務(wù)的補(bǔ)償辦法強(qiáng)調(diào)的原則是輔助服務(wù)應(yīng)當(dāng)由發(fā)電企業(yè)提供，而與電網(wǎng)企業(yè)無(wú)關(guān)。但是目前抽水蓄能的費(fèi)用由電網(wǎng)公司承擔(dān)。

　　2儲(chǔ)能的潛在收益

　　2.1儲(chǔ)能潛在收益的分類

　　儲(chǔ)能的收益在Sandia實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)研究中被分為5大類17種，如表1所示[4]。針對(duì)發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用分析包含發(fā)電容量、削峰填谷、負(fù)荷跟蹤和區(qū)域調(diào)頻等，可以借鑒這種分類方式分析國(guó)內(nèi)的儲(chǔ)能應(yīng)用案例。此外電力系統(tǒng)增加儲(chǔ)能裝置后，在一定程度上能夠提高火電廠的發(fā)電效率，因而這部分也可以算作儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益。

　　潛在收益是指在目前的電力市場(chǎng)條件下所有收益都無(wú)法量化，在分析儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益時(shí)只能參考已有的計(jì)算值進(jìn)行半定量的分析。下面將對(duì)不同收益的具體情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

　　2.2發(fā)電容量

　　發(fā)電容量可以節(jié)約火電等常規(guī)發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)投資。儲(chǔ)能電站的投運(yùn)可以增加電力系統(tǒng)應(yīng)對(duì)尖峰負(fù)荷的發(fā)電容量。以上海地區(qū)為例，在2004—2006年期間，上海地區(qū)為解決每年183.25h的尖峰負(fù)荷，電網(wǎng)每年投入的建設(shè)費(fèi)用高達(dá)2，1010￥。而這部分的利用率不足2%。儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用可以節(jié)約大量的投資，僅電廠建設(shè)費(fèi)用，以火電為例可以節(jié)約4500￥/kW。

　　2.3提高發(fā)電效率

　　該應(yīng)用并未在表1中列出，但對(duì)電力系統(tǒng)存在一定的影響。若儲(chǔ)能系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，火電可以在最優(yōu)的工況下運(yùn)行，進(jìn)而降低火電的煤耗。煤耗在火力發(fā)電成本中約占70%，以浙江省1GW的某火電廠為例[5]，從50%的輸出功率到滿發(fā)，供電煤耗可降低10%，因而總的成本降低約7%。李世東等[6]在文章中也提到抽蓄電站可為火電降低5%的供電煤耗[7]。

　　2.4削峰填谷

　　由于國(guó)內(nèi)發(fā)電側(cè)沒(méi)有峰谷電價(jià)，削峰填谷的收益可以通過(guò)抽蓄電站的價(jià)格來(lái)間接衡量。發(fā)改委2004年71號(hào)文件中提到：抽水蓄能電站的運(yùn)營(yíng)計(jì)入電網(wǎng)的輸配電成本。抽蓄電站電價(jià)有3種方式計(jì)量：?jiǎn)我浑妰r(jià)制，兩部制電價(jià)和租賃電價(jià)。3種方式的主要目的是涵蓋抽水蓄能電站的成本。以兩部制電價(jià)為例，兩部制電價(jià)由容量電價(jià)和電量電價(jià)構(gòu)成，容量電價(jià)用于覆蓋電站的建設(shè)成本，電量電價(jià)用于涵蓋運(yùn)營(yíng)成本。例如，安徽的天荒坪電站，每年容量電價(jià)是470￥/kW，電量電價(jià)是0.1462￥/kW。

　　2.5負(fù)荷跟蹤與調(diào)頻

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)可以為電力系統(tǒng)提供調(diào)頻服務(wù)[8-9]。南方電網(wǎng)在相關(guān)細(xì)則中規(guī)定，火電的自動(dòng)發(fā)電量控制(automatic generation control，AGC)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)頻費(fèi)用是32.7￥/kW。

　　3儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型判據(jù)

　　楊裕生院士在《規(guī)模儲(chǔ)能裝置經(jīng)濟(jì)效益的判據(jù)》一文中簡(jiǎn)化了經(jīng)濟(jì)性分析的邊界條件，首次建立了簡(jiǎn)單的模型用于分析儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[10]。模型中考慮了儲(chǔ)能電價(jià)、電池效率、初始投資、運(yùn)行成本、放電深度和循環(huán)壽命等因素，計(jì)算公式為

,

　　4.2收益來(lái)源

　　基于以上模型，在分析收益來(lái)源的合理性時(shí)，有必要明確各種收益的來(lái)源。

　　與儲(chǔ)能系統(tǒng)收益相關(guān)的是電力系統(tǒng)中的發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)和政府。儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益來(lái)源應(yīng)當(dāng)為3方共同分擔(dān)，陳建斌等[11]在儲(chǔ)能發(fā)展模式中也提到各方的利益關(guān)系。

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益中明確和發(fā)電企業(yè)相關(guān)的是發(fā)電效率的提升，因而發(fā)電效率收益B2由發(fā)電企業(yè)提供更為合理。輔助服務(wù)收益B3、B4屬于電網(wǎng)的功能范疇，由電網(wǎng)企業(yè)提供更為合理。同時(shí)從目前在蓄能中占有絕對(duì)地位的抽蓄電站的情況來(lái)看，抽蓄提供的輔助服務(wù)收益成本也由電網(wǎng)公司承擔(dān)。對(duì)于發(fā)電容量的潛在收益B1，由于這項(xiàng)收益對(duì)于電網(wǎng)和發(fā)電均有利，很難界定由哪一側(cè)承擔(dān)更為合理，還需形成其他的機(jī)制。

　　5討論

　　以壓縮空氣儲(chǔ)能和液流釩電池儲(chǔ)能技術(shù)為例，根據(jù)上述模型進(jìn)行半定量的估算分析。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型對(duì)于輔助服務(wù)部分的影響，只計(jì)算目前可以量化的B4，同時(shí)設(shè)Igov為零?？紤]儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模差異問(wèn)題，計(jì)算中單位均簡(jiǎn)化為千瓦級(jí)的儲(chǔ)能裝置，相關(guān)參數(shù)如表3所示[12]，計(jì)算公式為

　　6結(jié)論

　　通過(guò)半定量分析優(yōu)化模型，能夠找到一種合理分析儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)價(jià)值的方法。本方法包含了儲(chǔ)能系統(tǒng)的所有潛在收益，可以更加深入的分析研究?jī)?chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)分析可得到如下結(jié)論：1）電力市場(chǎng)化的推進(jìn)有助于量化并實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的潛在收益和價(jià)值；2）鼓勵(lì)發(fā)電側(cè)應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)一方面可以提高收益(余熱利用)，同時(shí)可提高火電效率；3）儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍需一定的激勵(lì)政策。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]林朔，張靜，楊洋．儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)[R]．北京：中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，2011．

　　[2]劉瑋．電力市場(chǎng)環(huán)境下發(fā)電企業(yè)成本分析及競(jìng)價(jià)策略研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2010．

　　[3]范斌．電價(jià)規(guī)制與應(yīng)用方法研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2010．

　　[4]Jim E．Energy storage for the electricity grid： benefits and market potential assessment guide[R]．California．a(chǎn)nd Garth Corey：Sandia National Laboratories，2010．

　　[5]衛(wèi)煒， 焦瑩．節(jié)能調(diào)度下的火電機(jī)組節(jié)能減排效果研究[J]．華東電力，2010，38(1)：31-33．

　　[6]李世東．抽水蓄能電站節(jié)煤效益計(jì)算[J]．水電能源科學(xué)，1990，8(3)：264-272．

　　[7]王建軍，黃阮明，楊增輝．華東地區(qū)抽水蓄能電站的節(jié)能效益分析[J]．華東電力，2012，40(4)：613-616．

　　[8]黎孟巖，朱濤，王達(dá)達(dá)，等．電力市場(chǎng)環(huán)境下云南電網(wǎng)AGC 輔助服務(wù)問(wèn)題[J]．南方電網(wǎng)技術(shù)，2011，5(6)：60-63．

　　[9]錢(qián)夢(mèng)迪．京津唐地區(qū) AGC 輔助服務(wù)補(bǔ)償及市場(chǎng)化研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2011．

　　[10]楊裕生，程杰，曹高萍．規(guī)模儲(chǔ)能裝置經(jīng)濟(jì)效益的判據(jù)[J]．電池，2011，41(1)：19-21．

　　[11]陳建斌，胡玉峰，吳小辰．儲(chǔ)能技術(shù)在南方電網(wǎng)的應(yīng)用前景分析[J]．南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4(6)；32-36．

　　[12]Chen H H，Thang N C，Wei Y，et al．Progress in electrical energy storage system：A critical review[J]．Progress in Natural Science，2009，19：291-312．

　　[13]Reinhard M，Jochen L．Economics of centralized and decentralized compressed air energystorage for enhanced grid integration of wind power[J]．Applied Energy，2013