儲(chǔ)能系統(tǒng)商業(yè)模式及峰谷差運(yùn)行工況的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)研究

秦 帆 劉 聰

（1.徐州市國(guó)有資產(chǎn)投資經(jīng)營(yíng)集團(tuán)有限公司 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)低碳能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

0 引言

隨著能源供應(yīng)體系的不斷發(fā)展， 尤其是新能源電力供應(yīng)的不斷增加， 儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的作用逐步顯示。目前， 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式不斷完善，部分地區(qū)開展了裝機(jī)補(bǔ)貼和運(yùn)行補(bǔ)貼， 儲(chǔ)能系統(tǒng)除參與調(diào)峰外， 還可以進(jìn)入電力現(xiàn)貨交易市場(chǎng)， 儲(chǔ)能系統(tǒng)盈利難的問(wèn)題得到逐步解決。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)路線、 運(yùn)行效率、 投資測(cè)算等方面進(jìn)行了較多研究， 對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的基本模式進(jìn)行了探討， 建立的儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性模型[1-5］， 但從商業(yè)角度對(duì)系統(tǒng)投資運(yùn)營(yíng)的可行性， 尤其是財(cái)務(wù)可行性分析的較少，運(yùn)行的固定成本和可變成本沒(méi)有進(jìn)行區(qū)分， 充放電效率對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的影響沒(méi)有進(jìn)行充分考慮， 缺乏全生命周期的可行性評(píng)價(jià)。本文基于峰谷電差價(jià)工況，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的模式以及盈利性進(jìn)行了研究討論，通過(guò)動(dòng)態(tài)財(cái)務(wù)投資計(jì)算方法， 建立峰谷電差價(jià)模式下儲(chǔ)能系統(tǒng)盈利能力測(cè)算方法和模型， 得出了盈利性評(píng)估指標(biāo)， 并結(jié)合實(shí)際案例， 對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的財(cái)務(wù)可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。本文的研究， 對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)投資以及運(yùn)行效果評(píng)估具有參考意義。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行

1.1 儲(chǔ)能技術(shù)

當(dāng)前， 國(guó)內(nèi)外在用的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括[6］： 抽水蓄能、 壓縮空氣儲(chǔ)能、 飛輪儲(chǔ)能、 電池儲(chǔ)能、 超級(jí)電容器儲(chǔ)能等。不同儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)原理不同， 但作用基本相當(dāng)， 主要是起到儲(chǔ)存富裕電力， 并在有需求時(shí)向電網(wǎng)或者用戶釋放電力的作用。除儲(chǔ)存電能外， 儲(chǔ)能的形式還包括儲(chǔ)存熱 （冷） 或氫氣等， 通過(guò)改變能量性質(zhì)， 達(dá)到儲(chǔ)存能量的目的。

1.2 運(yùn)行模式

分布式能源和儲(chǔ)能的應(yīng)用改變了電力系統(tǒng)“發(fā)電-輸電-用電”的傳統(tǒng)利用模式， 儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在發(fā)電、輸電、 用電各個(gè)環(huán)節(jié)與原有系統(tǒng)進(jìn)行耦合[7］。

（1） 發(fā)電側(cè)運(yùn)行

我國(guó)現(xiàn)行主流發(fā)電機(jī)組包括火力、 水力、 核能、太陽(yáng)能光伏、 風(fēng)電機(jī)組等。太陽(yáng)能光伏、 風(fēng)電等新能源機(jī)組受天氣影響大， 出力變化大， 對(duì)電網(wǎng)沖擊大。為優(yōu)先消納新能源發(fā)電， 傳統(tǒng)火電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行的時(shí)間變長(zhǎng)， 啟停更加頻繁， 調(diào)峰負(fù)荷深度變大， 低功耗運(yùn)行損失變大， 運(yùn)行的安全隱患升高。

通過(guò)配置儲(chǔ)能可以將風(fēng)電和光伏無(wú)法上網(wǎng)的電量存起來(lái)， 并在電網(wǎng)缺負(fù)荷或者用戶側(cè)有需求時(shí)輸送出去， 從而減少損失， 提高收益。對(duì)火電等調(diào)峰機(jī)組來(lái)說(shuō)， 配置儲(chǔ)能可以有效增加機(jī)組運(yùn)行的靈活性， 提高機(jī)組深度調(diào)峰工況下運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

（2） 用戶側(cè)運(yùn)行

部分工商業(yè)用戶對(duì)能源供應(yīng)要求較高， 為提高供電的穩(wěn)定性， 破解臨時(shí)的電力短缺問(wèn)題， 有建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的必要。同時(shí)， 利用電力系統(tǒng)供應(yīng)的峰谷電價(jià)，配置儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)電價(jià)高峰期用電量消減， 從而減少電費(fèi)支出， 盈利能力取決于儲(chǔ)能系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)度電成本與峰谷電價(jià)差的比較。

（3） 電網(wǎng)側(cè)運(yùn)行

由于電網(wǎng)負(fù)荷的波動(dòng)， 為了保證電力的穩(wěn)定供應(yīng)， 須要投入大量的資金進(jìn)行電力擴(kuò)容?？紤]電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性， 配置儲(chǔ)能可以有效進(jìn)行調(diào)頻調(diào)壓， 增加調(diào)頻調(diào)壓容量和控制靈活性。同時(shí)， 由于儲(chǔ)能系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快， 爬坡能力強(qiáng)， 可正反向調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)， 儲(chǔ)能系統(tǒng)在輔助服務(wù)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯， 能夠以ms級(jí)的速度為電網(wǎng)提供調(diào)峰調(diào)頻、 緊急支撐、 黑啟動(dòng)等多種服務(wù)。

1.3 盈利模式

（1） 峰谷差運(yùn)行

儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在負(fù)荷低谷時(shí)， 以較低的谷電價(jià)對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電， 在負(fù)荷高峰時(shí)向外供電， 實(shí)現(xiàn)峰值負(fù)荷的轉(zhuǎn)移， 從峰谷電價(jià)中獲取收益。

（2） 電力消納

光伏、 風(fēng)力等新能源發(fā)電具有很強(qiáng)的間歇性和波動(dòng)性， 通過(guò)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)， 將多余光伏、 風(fēng)力發(fā)電存在儲(chǔ)能系統(tǒng)中， 待電量不足時(shí)， 由儲(chǔ)能向負(fù)荷供電，最大程度上實(shí)現(xiàn)用電利益最大化。

（3） 容量管理

通過(guò)配置儲(chǔ)能， 工商業(yè)用戶可以利用儲(chǔ)能系統(tǒng)在電低谷時(shí)儲(chǔ)能， 在用電高峰時(shí)放電， 從而降低用戶的尖峰功率以及最大需量， 降低企業(yè)在高峰時(shí)的最大需量功率， 起到降低容量電價(jià)的作用。此外， 還有部分工商業(yè)用戶， 因?yàn)樯a(chǎn)能力需求的擴(kuò)大， 原申用電容量不能滿足生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)需要， 須申請(qǐng)?jiān)黾尤萘?。通過(guò)建設(shè)或租賃儲(chǔ)能系統(tǒng)， 可以幫助該類用戶在短期內(nèi)滿足負(fù)荷電能需量要求， 降低擴(kuò)容投資。

（4） 其他盈利途徑

儲(chǔ)能系統(tǒng)其他盈利途徑還包括： 需求側(cè)響應(yīng)、 電力輔助服務(wù)、 電力現(xiàn)貨交易等。電力需求響應(yīng)是指企業(yè)在電力用電緊張時(shí)， 主動(dòng)減少外接用電， 通過(guò)使用儲(chǔ)能系統(tǒng)供電進(jìn)行削峰， 響應(yīng)供電平衡， 并由此獲得經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。電力輔助服務(wù)是指儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻、 調(diào)峰、 調(diào)相等。電力現(xiàn)貨交易是指儲(chǔ)能系統(tǒng)作為獨(dú)立主體進(jìn)入電力市場(chǎng)， 進(jìn)行電力現(xiàn)貨交易。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)投資

2.1 投資模式

（1） 獨(dú)立投資

獨(dú)立投資指的是工商業(yè)用戶自費(fèi)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能設(shè)備可由用戶自行維護(hù)， 或由設(shè)備廠商提供運(yùn)維服務(wù)。獨(dú)立投資模式適用于儲(chǔ)能投資收益率較高的場(chǎng)景。

（2） 合作投資

電力系統(tǒng)中的各個(gè)主體， 包括發(fā)電企業(yè)、 電網(wǎng)企業(yè)、 用戶以及外部投資者， 均可以參與儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)， 各個(gè)主體之間可以交叉合作， 共同投資建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)。

采用電網(wǎng)與用戶共同投資的模式可以分散用戶投資壓力和電網(wǎng)的銷售壓力， 在負(fù)荷高峰時(shí)期放電， 達(dá)到削峰填谷的目的， 進(jìn)而可以延緩電網(wǎng)投資。電網(wǎng)作為儲(chǔ)能的運(yùn)營(yíng)方， 將某些時(shí)刻多余的電能存儲(chǔ)在分布式儲(chǔ)能中， 并在需要時(shí)通過(guò)電網(wǎng)線路輸送給用戶， 不僅節(jié)約了成本， 還可以賺取利潤(rùn)。

（3） 共享和租賃模式

共享模式是通過(guò)自有資金或者融資， 購(gòu)置儲(chǔ)能設(shè)備， 建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)， 并租賃給第三方使用的模式。通過(guò)該模式儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)者除讓儲(chǔ)能設(shè)備為自身服務(wù)外， 也可以將儲(chǔ)能設(shè)備租賃給第三方， 從而消除初期投資成本過(guò)大的障礙， 降低應(yīng)用門檻， 促進(jìn)儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展。

2.2 系統(tǒng)投資成本

儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資建設(shè)成本主要包括容量成本和功率成本， 別表示為：

式中，Ip為儲(chǔ)能系統(tǒng)單位功率成本，Ic為儲(chǔ)能系統(tǒng)單位容量成本，Pe為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率，Ee為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行成本

儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行成本可分為固定成本和可變成本。

式中，Cfc為固定成本， 包括固定人員工資、 設(shè)備場(chǎng)地費(fèi)等；Cvc為可變成本， 主要為系統(tǒng)充電成本和維護(hù)成本。

為更直觀反映充放電對(duì)系統(tǒng)盈利性的影響， 本文的測(cè)算不考慮各項(xiàng)稅費(fèi)以及其他人力資源等成本。該情況下， 系統(tǒng)運(yùn)行成本即為運(yùn)行可變成本， 可表示為：

式中，C0為年資金流出，Ps為系統(tǒng)功率，Tc為充電時(shí)間，Uc為充電單價(jià)。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)收益模型

3.1 收益指標(biāo)

儲(chǔ)能系統(tǒng)盈利指標(biāo)包括靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。靜態(tài)指標(biāo)不考慮時(shí)間成本， 動(dòng)態(tài)指標(biāo)考慮資本時(shí)間成本， 主要包括財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值、 內(nèi)部收益率、 投資回收期等。

3.2 系統(tǒng)收益

儲(chǔ)能系統(tǒng)盈利渠道主要包括， 峰谷電差價(jià)運(yùn)行、電力消納、 容量管理以及其他補(bǔ)貼等。系統(tǒng)收益為表示為：

式中，Sc為系統(tǒng)峰谷電差價(jià)運(yùn)行收入，Sd為電力消納收入，Sr為容量補(bǔ)償對(duì)應(yīng)的收入，So為補(bǔ)貼或其他收入。

慢充慢放工況下， 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電運(yùn)行的收益為：

式中，Tf是放電時(shí)長(zhǎng)，Uf是放電價(jià)格。

對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)長(zhǎng)， 根據(jù)能量守恒可求得：

式中，ηf為放電效率，ηc為充電效率。根據(jù)上式， 可得：

不計(jì)算電力消納和其他補(bǔ)償費(fèi)用的情況下， 年資金流入等于系統(tǒng)峰谷電差價(jià)運(yùn)行收益。

式中，Ci為年收入。

3.3 單位運(yùn)行收益

按照夜間谷電充電一次， 日間峰電充電一次的模式， 儲(chǔ)能系統(tǒng)每日運(yùn)行一次， 不考慮初投資的情況下， 則系統(tǒng)運(yùn)行單位收益為：

3.4 全生命周期收益測(cè)算

（1） 財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值

項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值是指按設(shè)定的折現(xiàn)率將項(xiàng)目計(jì)算期內(nèi)各年凈現(xiàn)金流量折現(xiàn)到建設(shè)期初的現(xiàn)值之后， 計(jì)算公式為[8］：

式中，Ci為資金流入，Co為資金流出， （Ci-Co）為第t 年的凈現(xiàn)金流量，n為計(jì)算期年數(shù)，ic是折現(xiàn)率， 表示投資者期望的最低的投資回報(bào)年復(fù)利利率。

FNPⅤ是考察項(xiàng)目盈利能力的絕對(duì)量指標(biāo)， 它反映項(xiàng)目在滿足按設(shè)定折現(xiàn)率要求的盈利之外所能獲得的超額盈利的現(xiàn)值。

FNPⅤ等于或大于零， 該項(xiàng)目財(cái)務(wù)效益可以被接受。

（2） 財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率

財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率是指項(xiàng)目在整個(gè)計(jì)算期內(nèi)各年凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值累計(jì)等于零時(shí)的折現(xiàn)率， 它是考察項(xiàng)目盈利能力的相對(duì)量指標(biāo)， 其表達(dá)式為：

將計(jì)算出來(lái)的財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率與設(shè)定的行業(yè)部門基準(zhǔn)收益率進(jìn)行比較， 當(dāng)財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率大于設(shè)定的基準(zhǔn)收益率時(shí)， 即認(rèn)為項(xiàng)目的盈利性能夠滿足要求，該項(xiàng)目財(cái)務(wù)效益可以被接受。

（3） 投資回收期

動(dòng)態(tài)投資回收期的計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)項(xiàng)目的現(xiàn)金流量表， 計(jì)算方法是： 累計(jì)凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值出現(xiàn)正值的年數(shù)-1+上一年累計(jì)凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值的絕對(duì)值/出現(xiàn)正值年份凈現(xiàn)金流量的現(xiàn)值， 以Pt表示。

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行財(cái)務(wù)測(cè)算模型

4.1 投資成本

容量2MWH 磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)， 配置功率250kW 變流器及接入設(shè)備， 系統(tǒng)容量造價(jià)1500 元/kWh， 功率造價(jià)600元/kW[9］。

根據(jù)式 （1）， 系統(tǒng)投資成本Is為315萬(wàn)元。

4.2 運(yùn)行成本

以江蘇省110kⅤ大工業(yè)用戶價(jià)計(jì)算， 峰電價(jià)格0.9647 元/kWh， 谷電價(jià)格0.2289 元/kWh[10］， 系統(tǒng)每天充電8h， 全年360d， 全年合計(jì)2880h， 系統(tǒng)首年充電效率95%， 每年衰減1%。

根據(jù)式（3） （4）， 可求得系統(tǒng)年運(yùn)行成本Cvc為16.48萬(wàn)元。

4.3 收益

根據(jù)式 （8）， 系統(tǒng)放電效率以95%計(jì)， 每年衰減1%， 可求得慢充慢放工況下， 首年系統(tǒng)峰電時(shí)放電時(shí)間為2599.2h。

依據(jù)式 （9）， 系統(tǒng)首年收益Ci為62.69 萬(wàn)元， 逐年降低。

4.4 測(cè)算指標(biāo)

系統(tǒng)壽命按15 年計(jì)， 結(jié)合以上計(jì)算， 投資回收期基本值按8 年計(jì)， 基準(zhǔn)內(nèi)部收益率按15%計(jì)， 折現(xiàn)率ic按12%計(jì)。

根據(jù)式 （11）， 系統(tǒng)財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值FNPⅤ為-43.25，結(jié)果小于0。

根據(jù)式（12）， 系統(tǒng)內(nèi)部收益率FIRR為8.65%，低于基準(zhǔn)內(nèi)部收益。

根據(jù)投資回收期計(jì)算方法， 投資回收期Pt為8.5年， 高于基準(zhǔn)投資回收期。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述， 儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)多樣， 應(yīng)用場(chǎng)景不同，包括發(fā)電側(cè)運(yùn)行、 用戶側(cè)運(yùn)行、 電網(wǎng)側(cè)運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行可以起到削峰填谷或者電力輔助調(diào)節(jié)等方面作用。儲(chǔ)能系統(tǒng)投資建設(shè)可分為獨(dú)立投資、 合作投資或者共享和租賃等模式。系統(tǒng)盈利的渠道主要來(lái)自峰谷差運(yùn)行、 電力消納、 容量管理、 需求側(cè)響應(yīng)、 電力輔助服務(wù)以及電力現(xiàn)貨交易等。

系統(tǒng)建設(shè)成本包括功率成本和容量成本， 運(yùn)行成本包括可變成本和固定成本。慢充慢放工況下， 維持系統(tǒng)功率和電流恒定， 系統(tǒng)放電時(shí)間小于充電時(shí)間，存在運(yùn)行損失， 且運(yùn)行效率逐年降低。評(píng)價(jià)儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期財(cái)務(wù)可行性的指標(biāo)包括財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值、 內(nèi)部收益率、 投資回收期等。在峰谷差運(yùn)行工況下， 通過(guò)建立系統(tǒng)運(yùn)行模型， 測(cè)算得項(xiàng)目具備正收益， 但財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值、 內(nèi)部收益率低于基準(zhǔn)值， 未達(dá)到投資要求。