廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的全生命周期成本研究

姚西龍，葛帥帥，郭 枝，栗繼祖，韓云菲，劉 昕，AHMED Dulal，TACHEGA Mark Awe

(太原理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山西 太原 030024)

廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)是在目前成熟的抽水儲(chǔ)能技術(shù)、廢棄煤炭井巷改造利用技術(shù)及多能互補(bǔ)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是風(fēng)光水火等多種能源協(xié)同發(fā)展的一種儲(chǔ)能系統(tǒng)[1-2]。廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)不僅有利于廢棄煤炭井巷治理及“棄風(fēng)”“棄光”“棄水”等諸多問(wèn)題的解決，而且也有利于煤炭資源型地區(qū)由單一的煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展基地向多能協(xié)同發(fā)展基地的轉(zhuǎn)變，推動(dòng)煤炭資源型地區(qū)的能源革命。廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的成本是影響該項(xiàng)技術(shù)推廣的重要因素。因此，本文利用全生命周期成本分析的方法，以大柳塔煤礦地下水庫(kù)為基礎(chǔ)，建立了廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的技術(shù)參數(shù)體系；通過(guò)與傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站進(jìn)行對(duì)比，分析廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的全生命周期經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境成本；利用敏感性分析，得出各影響因素對(duì)平準(zhǔn)化發(fā)電成本的影響程度，并在此基礎(chǔ)上，提出廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的發(fā)展建議。

1 研究現(xiàn)狀

從現(xiàn)有文獻(xiàn)的結(jié)論來(lái)看，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能具有一定的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性。一方面，TAM等[3]和MICKEVICIUS等[4]從不同的角度論證了地下抽水儲(chǔ)能技術(shù)和地下壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的可行性；WINDE等[5]進(jìn)一步探討了南非遠(yuǎn)西蘭德金礦田深層金礦用于地下抽水水力發(fā)電儲(chǔ)能(UPHES)的可行性；BODEUX等[6]對(duì)地下水與循環(huán)充填和空腔的相互作用進(jìn)行了數(shù)值研究，證明地下抽水儲(chǔ)能的風(fēng)險(xiǎn)可控的。另一方面，PICKARD等[7]對(duì)地下井巷抽水儲(chǔ)能的成本進(jìn)行分析，研究表明裝機(jī)容量為1 GW，有效高度為630 m的地下抽水儲(chǔ)能電站的單位儲(chǔ)能成本為85美元/(kW·h)，該成本在美國(guó)可再生能源發(fā)電成本范圍之內(nèi)，具有經(jīng)濟(jì)可行性；MADLENER等[8]對(duì)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了深入研究，研究成果表明隨著井巷深度的增加，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的成本會(huì)顯著下降，下水庫(kù)擴(kuò)建的成本在廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能總成本中比例較高。

此外，我國(guó)學(xué)者對(duì)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的可行性也進(jìn)行了大量的研究，謝和平院士團(tuán)隊(duì)[9]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展，論證了中國(guó)煤炭資源型地區(qū)充分利用廢棄煤炭井巷發(fā)展抽水儲(chǔ)能的潛在社會(huì)價(jià)值及可行性，在顧大釗院士[10]的礦井水井下儲(chǔ)存利用的新理念及實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出了解決西部缺水地區(qū)的煤礦地下水庫(kù)、礦井水循環(huán)利用與抽水儲(chǔ)能發(fā)電一體化技術(shù)構(gòu)想，使得廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能技術(shù)更加具有推廣價(jià)值[11]，通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)現(xiàn)有儲(chǔ)層的采空區(qū)潛力分析，發(fā)現(xiàn)該地下系統(tǒng)的平均系統(tǒng)效率可以達(dá)到82.8%，進(jìn)一步論證了利用廢棄煤炭采空區(qū)進(jìn)行抽水儲(chǔ)能的可行性[12]。

本文重點(diǎn)關(guān)注的廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能效益研究而言，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)并不多見(jiàn)。郭枝等[13]從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境與社會(huì)角度出發(fā)，將廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能與傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能的效益進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)社會(huì)效益偏好下的廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的整體效益大于傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站，經(jīng)濟(jì)效益或環(huán)境效益偏好下的廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能電站的整體效益均小于傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站；葛帥帥等[14]利用結(jié)構(gòu)路徑分析模型分析了廢棄煤炭井巷對(duì)山西省二氧化碳減排的作用，研究結(jié)果表明廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能會(huì)顯著地降低二氧化碳排放，并通過(guò)火電、煤炭采選以及燃?xì)獾纳a(chǎn)和供應(yīng)等傳統(tǒng)的高碳能源行業(yè)對(duì)二氧化碳造成影響。

以上的研究成果充分論證了廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的可行性和實(shí)際價(jià)值，為廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。但是，由于廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能項(xiàng)目仍處于開(kāi)發(fā)論證階段，無(wú)法根據(jù)實(shí)際情況評(píng)估中國(guó)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的成本。為了解決這一問(wèn)題，本文根據(jù)中國(guó)尤其是全生命周期成本的預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究。在大柳塔煤礦地下水庫(kù)項(xiàng)目基礎(chǔ)上，結(jié)合廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)方案，提出中國(guó)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能全生命周期的核算體系，并測(cè)算廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的全生命周期成本。

2 研究方法及數(shù)據(jù)處理

2.1 方法與模型

從生命周期角度構(gòu)建廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的成本分析模型，研究邊界為煤炭開(kāi)采過(guò)后的廢棄井巷至電站運(yùn)行結(jié)束。其中，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能全生命周期成本包括經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境成本，在度量廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的環(huán)境成本時(shí)，將廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的生命周期分為原材料生產(chǎn)階段、抽水儲(chǔ)能電站建設(shè)階段、運(yùn)行階段和退役階段(圖1)，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的全生命周期經(jīng)濟(jì)成本包括投資成本、設(shè)備更換成本、運(yùn)行維修成本及回收價(jià)值等。其中，投資成本包括上下水庫(kù)的建設(shè)成本(土石開(kāi)挖、土石回填和筑壩工程等)、能量轉(zhuǎn)換成本和輔助設(shè)施成本等[8]。與傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能的相比，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能利用現(xiàn)有的采空區(qū)建設(shè)水池，可以減少土石開(kāi)挖和土石回填成本。但是，由于廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能設(shè)施在地表以下，施工難度大于傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站。在設(shè)備更換成本方面，若廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能設(shè)備的生命周期短于該電站的實(shí)際運(yùn)行期限，則在項(xiàng)目周期內(nèi)需要對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行更換，由此產(chǎn)生的成本為設(shè)備更換成本。運(yùn)行維修成本指項(xiàng)目竣工后每年需要的各種經(jīng)常性費(fèi)用，包括材料費(fèi)、燃料費(fèi)、人工費(fèi)和福利費(fèi)等[15]。在回收價(jià)值方面，項(xiàng)目運(yùn)行結(jié)束后，部分固定資產(chǎn)可以進(jìn)行回收，產(chǎn)生的價(jià)值為回收價(jià)值。

圖1 廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的生命周期圖Fig.1 Life cycle diagram of pumped energy storage inabandoned coal mine pits

基于以上成本構(gòu)成要素，可得出廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的平準(zhǔn)化發(fā)電成本(LCOE)。平準(zhǔn)化發(fā)電成本為收入的凈現(xiàn)值等于成本凈現(xiàn)值[16]，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：LCC為生命周期經(jīng)濟(jì)成本；CRF為資金回收系數(shù)；E為電站年發(fā)電量；i為折現(xiàn)率；N為項(xiàng)目運(yùn)行年限。

SMALLBONE[17]的研究成果表明平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本更能直接反映儲(chǔ)能過(guò)程中的成本變化，平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本(LCOS)計(jì)算見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：PE為購(gòu)電成本；η為發(fā)電過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換效率。

作為可再生能源，抽水儲(chǔ)能在發(fā)電過(guò)程中基本是零污染物排放。然而，考慮到全生命周期后，原材料的生產(chǎn)過(guò)程及電站的建設(shè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量污染物，本文選取CO2、SO2、NOX和粉塵作為衡量抽水儲(chǔ)能電站的環(huán)境成本的污染物，并通過(guò)以上污染物的影子價(jià)格衡量污染物排放的環(huán)境成本，污染物的影子價(jià)格見(jiàn)表1。

2.2 數(shù)據(jù)處理

大柳塔煤礦位于陜西省榆林市神木縣，該煤礦的1號(hào)水庫(kù)正在使用，儲(chǔ)水量為336.2萬(wàn)m3，4號(hào)水庫(kù)正在建設(shè)，1號(hào)水庫(kù)和4號(hào)水庫(kù)的層間距為155 m。本文將1號(hào)水庫(kù)作為地下抽水儲(chǔ)能電站的上水庫(kù)，將在建的4號(hào)水庫(kù)作為地下抽水儲(chǔ)能電站的下水庫(kù)。此外，與1號(hào)水庫(kù)相鄰的還有兩個(gè)較小的水庫(kù)，三個(gè)水庫(kù)總動(dòng)態(tài)儲(chǔ)水量為407.8萬(wàn)m3，這三個(gè)水庫(kù)均通過(guò)鉆井向4號(hào)水庫(kù)注水。為了更好地實(shí)現(xiàn)抽水儲(chǔ)能功能，本文假設(shè)下水庫(kù)的庫(kù)容為407.8萬(wàn)m3，圖2是本文構(gòu)建的廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能電站示意圖。

表1 單位大氣污染物排放的影子價(jià)格Table 1 Shadow price of per unit of air pollutant emission

資料來(lái)源：文獻(xiàn)[18]

圖2 廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能電站示意圖Fig.2 Pumped hydro energy storage in abandonedcoal mine pits

參考已有的研究成果，本文結(jié)合神東集團(tuán)大柳塔煤礦現(xiàn)有的地下水庫(kù)技術(shù)，對(duì)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的參數(shù)做設(shè)定，見(jiàn)表2。

表2 參數(shù)設(shè)定依據(jù)Table 2 The foundation of parameter setting

3 廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的全生命周期成本測(cè)算

3.1 廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的全生命周期的經(jīng)濟(jì)成本

3.1.1 投資成本

地下水庫(kù)的建設(shè)是廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)建的重要環(huán)節(jié)。目前，大柳塔煤礦在煤礦采空區(qū)建立了地下水庫(kù)，該地下水庫(kù)前期規(guī)劃，煤炭開(kāi)采前設(shè)計(jì)好地下水庫(kù)的壩體。因此，與傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站相比，該地下水庫(kù)的建設(shè)過(guò)程中無(wú)土石開(kāi)挖和土石回填階段。同時(shí)，由于該電站位于地下，可以減少占用地上土地而引起的水土保持成本。通過(guò)對(duì)相關(guān)抽水儲(chǔ)能電站環(huán)境影響報(bào)告書(shū)進(jìn)行分析，可知現(xiàn)階段傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站(1 200 MW)的投資成本約為5 149元/kW，土石開(kāi)挖、土石回填和水土保持產(chǎn)生的成本約為745元/kW，施工成本約為1 365元/kW。因此，在不考慮施工難度的情況下，同等規(guī)模的廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的投資成本為4 404元/kW。然而本文中電站的裝機(jī)規(guī)模為200 MW，小于傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站。為了消除規(guī)模經(jīng)濟(jì)帶來(lái)的投資成本的影響，本文采用了ATILGAN[24]的研究成果，計(jì)算公式見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：E1為大電站的經(jīng)濟(jì)成本或環(huán)境影響；E2為小電站的經(jīng)濟(jì)成本或環(huán)境影響；C1為大電站的裝機(jī)規(guī)模；C2為小電站的裝機(jī)規(guī)模；規(guī)模因子為0.6。

根據(jù)式(3)，可得出200 MW的傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站的投資成本為10 543元/kW；在不考慮施工難度的情況下200 MW的廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的投資成本為9 018元/kW。為了更好地分析廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的投資成本，本文設(shè)置了不同情景，見(jiàn)表3。

表3 不同情景下廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的投資成本Table 3 Investment cost of pumped storage in abandonedcoal mines under different scenarios

其中，在情景1中考慮規(guī)模經(jīng)濟(jì)但不考慮施工難度時(shí)的情景，該情景下的投資成本是利用傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能的投資成本和式(3)計(jì)算而來(lái)；情景2和情景3分別表示考慮規(guī)模經(jīng)濟(jì)下施工難度高于傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能10%和20%時(shí)的情景，這兩種情景下的投資成本是在情景1的基礎(chǔ)上分別增加10%和20%的施工成本。

3.1.2 運(yùn)行維修成本及設(shè)備更換成本

參考曹飛等[15]的研究成果，傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站在運(yùn)行期間所產(chǎn)生的修理費(fèi)、材料費(fèi)和設(shè)備檢測(cè)費(fèi)共39元/kW。運(yùn)行期間需要的員工數(shù)為100人，按標(biāo)準(zhǔn)工資5萬(wàn)元/a，福利費(fèi)40%計(jì)算，傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站的運(yùn)維費(fèi)用為45元/kW。廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能電站的運(yùn)行需要同時(shí)滿(mǎn)足地下水庫(kù)的功能，得到該項(xiàng)目運(yùn)行期間需要額外的人工注水費(fèi)用20元/kW[20]。由此可得，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的運(yùn)行維修成本為65元/kW。研究表明抽水儲(chǔ)能由于具有較長(zhǎng)的生命周期和較多的充放電次數(shù)，在生命周期內(nèi)不需要更換主要設(shè)施。因此，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能電站設(shè)備更換成本為0[25]。

3.1.3 回收價(jià)值

在廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能項(xiàng)目運(yùn)行期結(jié)束后，可對(duì)部分固定資產(chǎn)進(jìn)行回收，參考MADLENER等[8]的研究成果，本文假設(shè)回收價(jià)值為固定資產(chǎn)(除施工成本外的投資成本)的5%。結(jié)合表3分析，在考慮規(guī)模經(jīng)濟(jì)的情景下，可回收部分的價(jià)值為444元/kW。

3.1.4 平準(zhǔn)化發(fā)電成本和平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本

廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的電力來(lái)源于該地區(qū)電力需求低谷期時(shí)的剩余電力。因此，假設(shè)當(dāng)?shù)赜秒姷凸绕诘碾娏r(jià)格作為廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能電站的購(gòu)電成本。 大柳塔地下水庫(kù)位于陜西省榆林市，該地區(qū)用電低峰期電價(jià)為0.163～0.177元/(kW·h)。因此，本文假設(shè)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能電站的購(gòu)電成本為0.17元/(kW·h)。

基于以上成本構(gòu)成分析，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的平準(zhǔn)化發(fā)電成本和平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本見(jiàn)表4。

表4 廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的平準(zhǔn)化發(fā)電成本和平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本Table 4 Levelized cost of electricity generation andlevelized cost of energy storage of pumped storagein abandoned coal mines

3.2 廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的環(huán)境成本分析

在傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能基礎(chǔ)上，充分考慮了廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的差異性，估算了廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能生命周期各階段的環(huán)境成本。與傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站相比，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的建設(shè)階段無(wú)土石開(kāi)挖和土石回填過(guò)程。因此，同等規(guī)模下，該廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能電站建設(shè)階段的污染物排放量少于傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站。除此之外，兩種抽水儲(chǔ)能電站的不同之處在于廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能電站需要維持原有的地下水庫(kù)功能。因此，在運(yùn)行階段需要更多的人力，從而產(chǎn)生更多的垃圾和廢水。傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站生命周期各階段的污染物排放來(lái)自相關(guān)抽水儲(chǔ)能電站環(huán)境影響報(bào)告書(shū)，具體見(jiàn)表5。

生產(chǎn)階段的污染物排放主要指鋼材、水泥、電力和鋁等原材料的生產(chǎn)產(chǎn)生的排放。由安徽桐城抽水儲(chǔ)能電站環(huán)境影響報(bào)告書(shū)(2018)可知，傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站所需鋼材35.17 kg/kW，水泥154.76 kg/kW，電力69.628 (kW·h)/kW，鋁材料2.64 kg/kW。參考趙建安等[26]研究成果，本文設(shè)定了鋼材、水泥和鋁材料的生產(chǎn)過(guò)程中的污染物排放系數(shù)，電力生產(chǎn)過(guò)程中的污染物排放系數(shù)來(lái)自Ecoinvent Public數(shù)據(jù)庫(kù)。

建設(shè)階段的污染物排放指土石開(kāi)挖、土石回填、電站相關(guān)工程建設(shè)和輸電建設(shè)過(guò)程產(chǎn)生的污染物排放。其中，土石開(kāi)挖和土石回填工程量來(lái)自抽水儲(chǔ)能電站環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告。參考李棟等[27]的研究成果，本文設(shè)定了排放系數(shù)和電站相關(guān)工程建設(shè)和輸電建設(shè)過(guò)程中的污染物排放。運(yùn)行階段的污染物排放指電站運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的垃圾和廢水處理過(guò)程中的污染物排放。傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站運(yùn)行過(guò)程中，施工人數(shù)為100人，年生活垃圾產(chǎn)生量為50 t，生活廢水3 000 m3。生活垃圾的處理方式為垃圾焚燒，生活垃圾和生活廢水處理過(guò)程中的排放系數(shù)來(lái)自Ecoinvent Public數(shù)據(jù)庫(kù)。回收階段排放主要來(lái)自對(duì)剩余部分資產(chǎn)的回收。抽水儲(chǔ)能電站期末可回收部分占固定資產(chǎn)的5%，所使用的運(yùn)輸方式為公路運(yùn)輸，平均距離為100 km，公路運(yùn)輸過(guò)程中的污染物排放系數(shù)參考Ecoinvent Public數(shù)據(jù)庫(kù)。綜上所述，本文將廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能建設(shè)階段、運(yùn)行階段和回收階段的環(huán)境成本進(jìn)行匯總后，可以估算出廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能各種情景下的污染物排放，結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站生命周期污染物的排放Table 5 Emission of pollutants of the life cycle oftraditional pumped storage power stations

表6 不同情景下廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的污染物排放Table 6 Pollutant emissions of energy storage ofpumped storage in abandoned coal minesunder different scenarios

通過(guò)污染物的影子價(jià)格，本文可以計(jì)算廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的環(huán)境成本(影子價(jià)格見(jiàn)表1)。由圖3可知，不同情景的廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的環(huán)境成本具有較大差異。其中，在考慮規(guī)模經(jīng)濟(jì)下施工難度高于傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能10%的情景(情景2)時(shí)，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的環(huán)境成本最大；在考慮規(guī)模經(jīng)濟(jì)下不考慮施工難度的情景(情景1)時(shí)，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的環(huán)境成本最小。

圖3 廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的環(huán)境成本Fig.3 Environmental cost of energy storage ofpumped storage in abandoned coal mines

4 結(jié)果討論及敏感性分析

4.1 結(jié)果討論

本文結(jié)合大柳塔水庫(kù)的現(xiàn)有技術(shù)條件對(duì)廢棄煤炭井巷的全生命周期成本進(jìn)行分析，所包含的指標(biāo)有平準(zhǔn)化發(fā)電成本、平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本、環(huán)境成本和全生命周期成本(表7)。

由表7可知，在情景1、情景2和情景3中，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能電站平準(zhǔn)化發(fā)電成本為0.621元/(kW·h)、0.627元/(kW·h)和0.633元/(kW·h)，均大于傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站的平準(zhǔn)化發(fā)電成本，這個(gè)結(jié)果表明在裝機(jī)規(guī)模相同的情況下，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能不具有成本優(yōu)勢(shì)。因此，應(yīng)該發(fā)展較大規(guī)模的儲(chǔ)能電站，利用規(guī)模經(jīng)濟(jì)來(lái)降低平準(zhǔn)化發(fā)電成本，同時(shí)將廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的施工難度控制在傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能的26.7%以?xún)?nèi)。

目前，傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站的平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本為0.225元/(kW·h)，該結(jié)果表明在峰谷差價(jià)大于0.225元/(kW·h)的地區(qū)建設(shè)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能電站具有經(jīng)濟(jì)可行性。 在考慮規(guī)模經(jīng)濟(jì)的情況下，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本隨著施工難度的增加而增加，適合建設(shè)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的地區(qū)也隨著平準(zhǔn)化發(fā)電成本的增加而減少。

若考慮廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的環(huán)境成本，全生命周期內(nèi)平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本比僅比經(jīng)濟(jì)成本高0.002～0.004元/(kW·h)。由此可見(jiàn)，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的環(huán)境成本較小。

4.2 敏感性分析

本文選取投資成本、購(gòu)電成本、運(yùn)維成本、年發(fā)電小時(shí)數(shù)、廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的施工難度和環(huán)境成本對(duì)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的平準(zhǔn)化發(fā)電成本做敏感性分析，計(jì)算過(guò)程中其他影響因素保持不變，敏感性分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，發(fā)電小時(shí)數(shù)與平準(zhǔn)化發(fā)電成本之間呈負(fù)向變化，且該因素對(duì)平準(zhǔn)化發(fā)電成本影響程度最大，發(fā)電小時(shí)數(shù)每變動(dòng)10%，平準(zhǔn)化發(fā)電成本變動(dòng)范圍為-17.81%～6.39%。然而隨著發(fā)電小時(shí)數(shù)的不斷增加，該曲線(xiàn)的斜率越來(lái)越小，表明隨著發(fā)電小時(shí)數(shù)的增加，該因素對(duì)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能平準(zhǔn)化發(fā)電成本的影響越來(lái)越小。

表7 廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的全生命周期成本Table 7 Life cycle costs of energy storage ofpumped storage in abandoned coal mines

圖4 廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能平準(zhǔn)化發(fā)電成本敏感性分析Fig.4 Sensitivity analysis of levelized cost of enectricitygeneration storage of pumped storage inabandoned coal mines

除發(fā)電小時(shí)數(shù)外，其余5種影響因素與廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能平準(zhǔn)化發(fā)電成本之間呈正向變化。在這5種影響因素中，對(duì)平準(zhǔn)化發(fā)電成本影響最大的因素為投資成本，投資成本每變動(dòng)10%，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能平準(zhǔn)化發(fā)電成本的變化幅度為6.2%；其次為購(gòu)電成本，購(gòu)電成本每變動(dòng)10%，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本變動(dòng)3.31%；運(yùn)維成本和施工難度對(duì)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能平準(zhǔn)化發(fā)電成本的影響程度相近，其變化10%時(shí)，對(duì)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能平準(zhǔn)化發(fā)電成本的影響程度均低于1%；對(duì)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能平準(zhǔn)化發(fā)電成本影響程度最小的為環(huán)境成本，表明廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能對(duì)環(huán)境影響較小，是一種環(huán)境友好型的儲(chǔ)能方式。

5 結(jié) 論

1) 廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能具有較高的經(jīng)濟(jì)可行性。 當(dāng)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的裝機(jī)規(guī)模小于傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站時(shí)，在不考慮施工難度、施工難度高于傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能10%和20%三種情景中，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本為0.395元/(kW·h)、0.401元/(kW·h)和0.406元/(kW·h)，均低于當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)峰谷差價(jià)。因此，將規(guī)模經(jīng)濟(jì)和施工難度考慮在內(nèi)時(shí)，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能電站的建設(shè)仍具有經(jīng)濟(jì)可行性。

2) 廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的施工難度是影響儲(chǔ)能成本的關(guān)鍵因素。裝機(jī)規(guī)模相同時(shí)，在不考慮廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的施工難度情況下，即廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能施工難度與傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能施工難度相同時(shí)，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的投資成本為4 404元/(kW·h)，低于傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站的投資成本5 149元/(kW·h)；若考慮施工難度，當(dāng)廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的施工難度系數(shù)小于傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能的1.26倍時(shí)，廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的成本小于傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能。

3) 廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能的環(huán)境成本低。將環(huán)境成本考慮在內(nèi)時(shí)，平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本將提高0.002元/(kW·h)至0.004元/(kW·h)，在全生命周期發(fā)電成本中所占比重較小。廢棄煤炭井巷抽水儲(chǔ)能具有良好的環(huán)境效益，是一種值得推廣的儲(chǔ)能方式。