王亞莉，葉 澤，戴雙鳳，魏 文，劉愛(ài)軍

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)*

一、引 言

近年來(lái)，我國(guó)各級(jí)政府部門(mén)持續(xù)出臺(tái)了多項(xiàng)儲(chǔ)能利好政策，大力支持儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用。2022年6月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步推動(dòng)新型儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)和調(diào)度運(yùn)用的通知》(發(fā)改辦運(yùn)行〔2022〕475號(hào))，提出新型儲(chǔ)能可作為獨(dú)立儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)，鼓勵(lì)配建新型儲(chǔ)能與所屬電源聯(lián)合參與電力市場(chǎng)，標(biāo)志著新型儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)交易已得到政策層面的支持。然而，在當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)約束下，新型電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展需要新型電池儲(chǔ)能(簡(jiǎn)稱(chēng)儲(chǔ)能)的大規(guī)模應(yīng)用作為支撐，從而該領(lǐng)域投資邊界值的確定對(duì)于相關(guān)投資主體判斷投資可行性、投資規(guī)模尤為重要。目前，環(huán)境、社會(huì)和治理(environmental,social,and governance,簡(jiǎn)稱(chēng)ESG)理念受到投資者與政府政策的高度關(guān)注，被廣泛用于投資分析及投資決策過(guò)程。這種理念也與我國(guó)綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展理念一脈相承。因此，將ESG理念融入儲(chǔ)能投資邊界值確定值得深入研究。

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性的研究集中在儲(chǔ)能投資效益分析、儲(chǔ)能價(jià)值計(jì)量等方面，且計(jì)量模型大多是將收益最大化作為目標(biāo)函數(shù)，考慮固定的儲(chǔ)能生產(chǎn)成本。電池儲(chǔ)能價(jià)值評(píng)估研究考慮的儲(chǔ)能效益不同，大多評(píng)估低儲(chǔ)高發(fā)套利、電網(wǎng)建設(shè)延期收益、線路損耗降低收益、減少備用容量成本以及政府補(bǔ)貼等效益，與此同時(shí)，不少學(xué)者對(duì)儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)開(kāi)展了一系列研究，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能可以通過(guò)參與市場(chǎng)方式獲得額外的收入。EI-Zonkoly、Chen和Song根據(jù)電網(wǎng)調(diào)峰需求，充分利用儲(chǔ)能削峰填谷功能等優(yōu)勢(shì)，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)層面論證了儲(chǔ)能參與調(diào)峰的可行性。謝志佳等綜合評(píng)價(jià)儲(chǔ)能參與調(diào)頻輔助服務(wù)的運(yùn)行效益，為其投資應(yīng)用提供了決策參考。有學(xué)者論證了儲(chǔ)能參與需求側(cè)響應(yīng)市場(chǎng)的可行性，曹銳鑫等認(rèn)為用戶(hù)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能可以獲得削峰填谷收益和需量調(diào)節(jié)收益。目前研究成果較少分析儲(chǔ)能的外部性影響，忽略了其社會(huì)和生態(tài)方面的隱性?xún)r(jià)值，這會(huì)低估儲(chǔ)能價(jià)值。實(shí)際上，儲(chǔ)能外部性收益占年總收益比例比較大。

一些學(xué)者認(rèn)為儲(chǔ)能對(duì)環(huán)境和社會(huì)有較大影響，評(píng)估其價(jià)值時(shí)應(yīng)考慮社會(huì)和生態(tài)效益。韓曉娟等評(píng)估負(fù)荷側(cè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值考慮了環(huán)境效益。Oliveira等運(yùn)用生命周期分析法對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的環(huán)境效益(包括氣候變化、有毒氣體、PM排放)進(jìn)行了分析，得出鋰離子電池、鈉氯化鎳電池儲(chǔ)能具有最大的環(huán)境效益。黃碧斌等分析了電網(wǎng)側(cè)能源電力規(guī)劃應(yīng)用場(chǎng)景儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、安全和社會(huì)效益。雷琪等提出區(qū)域配電網(wǎng)分層儲(chǔ)能系統(tǒng)的效益包括削峰填谷效益、輔助服務(wù)效益、平抑光伏出力效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。但是對(duì)于儲(chǔ)能價(jià)值評(píng)估缺乏較為綜合全面的研究，徐國(guó)棟等建立了包含分時(shí)電價(jià)收益、棄風(fēng)減小收益及環(huán)境收益的儲(chǔ)能綜合效益評(píng)估體系。孫偉卿等根據(jù)電池儲(chǔ)能電站在電力系統(tǒng)中的作用，將系統(tǒng)價(jià)值細(xì)分為直接價(jià)值(direct value,DV)和間接價(jià)值，并對(duì)儲(chǔ)能的多重價(jià)值進(jìn)行評(píng)估。趙會(huì)茹等則認(rèn)為儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估要考慮其綜合價(jià)值(integrated value,IV)，包括儲(chǔ)能自身價(jià)值和外部?jī)r(jià)值。在此基礎(chǔ)上，關(guān)于制定可靠的儲(chǔ)能投資決策、構(gòu)建儲(chǔ)能投資經(jīng)濟(jì)模型和“峰谷”電價(jià)邊界值等方面的研究得到了廣泛關(guān)注。Zhang等提出平均定價(jià)市場(chǎng)機(jī)制的雙邊拍賣(mài)模型，旨在解決因分時(shí)電價(jià)與上網(wǎng)電價(jià)差異較大而造成的能源交易收益損失問(wèn)題。王寶等將用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能成本與峰谷分時(shí)電價(jià)結(jié)合，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)模型，能夠合理評(píng)估儲(chǔ)能投資經(jīng)濟(jì)邊界值。

綜上所述，學(xué)術(shù)界對(duì)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的研究主要是基于固定儲(chǔ)能生產(chǎn)成本和充放電效率，較少考慮儲(chǔ)能自然老化、充放電次數(shù)和深度等因素對(duì)儲(chǔ)能可用容量和充放電效率的影響，鮮有考慮儲(chǔ)能成本演變趨勢(shì)對(duì)儲(chǔ)能價(jià)值的影響和全面評(píng)估儲(chǔ)能綜合價(jià)值。實(shí)際上儲(chǔ)能可用容量和充放電效率會(huì)受儲(chǔ)能電池自然老化、充放電次數(shù)和深度等影響，不斷衰退，儲(chǔ)能成本隨技術(shù)發(fā)展而不斷降低。本文基于ESG理念，采用雙指數(shù)學(xué)習(xí)曲線函數(shù)，模擬儲(chǔ)能成本動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，根據(jù)動(dòng)態(tài)全壽命周期成本(life cycle cost，LCC)和綜合價(jià)值，構(gòu)建儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型，設(shè)定儲(chǔ)能不同的工作容量和效率，采用改進(jìn)遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解，構(gòu)建儲(chǔ)能投資回收期、平準(zhǔn)化成本和生產(chǎn)成本的投資邊界值模型，使其更加符合實(shí)際情況，為儲(chǔ)能投資決策提供更加可靠的依據(jù)。

二、新型電池儲(chǔ)能的綜合價(jià)值分析

儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中的功能多樣化，能夠在系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)節(jié)負(fù)荷、功率平衡、提供備用等多種場(chǎng)景發(fā)揮重要作用。根據(jù)儲(chǔ)能功能發(fā)揮的作用進(jìn)行全面評(píng)估，才能實(shí)現(xiàn)其綜合價(jià)值最大化。

(一)儲(chǔ)能綜合價(jià)值概念

從ESG理念角度，儲(chǔ)能的綜合價(jià)值應(yīng)包含儲(chǔ)能在電力產(chǎn)供銷(xiāo)各環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)價(jià)值的總和，既有直接價(jià)值也應(yīng)體現(xiàn)間接價(jià)值。它應(yīng)既有儲(chǔ)能對(duì)社會(huì)和生態(tài)的影響，又有社會(huì)和生態(tài)變化對(duì)儲(chǔ)能直接價(jià)值的影響。其中，間接價(jià)值包括社會(huì)價(jià)值(social value,SV)和生態(tài)價(jià)值(ecological value,EV)(如圖1)。在綜合價(jià)值的評(píng)估中，投資決策的依據(jù)不再是資金流的凈現(xiàn)值，而是資金、社會(huì)和生態(tài)流動(dòng)的綜合現(xiàn)值。儲(chǔ)能投資商必須關(guān)注新型電池儲(chǔ)能的整體價(jià)值，而不僅僅是直接價(jià)值。

圖1 儲(chǔ)能綜合價(jià)值

儲(chǔ)能投資商要根據(jù)電力市場(chǎng)需求狀況，明確自身提供服務(wù)的能力，結(jié)合相關(guān)應(yīng)用價(jià)格體系，提供有償服務(wù)，創(chuàng)造綜合價(jià)值，形成收入來(lái)源。能夠被量化的價(jià)值稱(chēng)為直接價(jià)值，而不能直接被量化的價(jià)值為間接價(jià)值。很難用貨幣來(lái)量化的間接價(jià)值一般利用成本核算以及等效替代等手段進(jìn)行衡量。比如社會(huì)價(jià)值無(wú)法用貨幣等價(jià)衡量，可以通過(guò)碳減排量來(lái)量化評(píng)估。若碳交易市場(chǎng)成熟的話(huà)，則可以用參與碳交易市場(chǎng)獲取的收入來(lái)衡量。

(二)儲(chǔ)能直接價(jià)值分析

儲(chǔ)能直接價(jià)值是指能夠直接由交易或者價(jià)格來(lái)反映的儲(chǔ)能收入，具體包括：一是峰谷價(jià)差套利收入。儲(chǔ)能參與電能量套利市場(chǎng)，高峰時(shí)發(fā)電低谷時(shí)用電，實(shí)現(xiàn)“低買(mǎi)高賣(mài)”直接獲得收益即電能量市場(chǎng)套利收入。二是參與電力輔助服務(wù)市場(chǎng)收入。儲(chǔ)能系統(tǒng)快速響應(yīng)的特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、備用、電壓支撐以及黑啟動(dòng)等多項(xiàng)需求，為電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù)，直接獲得電力輔助服務(wù)收入。三是參與電力需求響應(yīng)收入。儲(chǔ)能電站通過(guò)自控制系統(tǒng)，能夠在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)從電力用戶(hù)(充電)到發(fā)電商(放電)的切換，根據(jù)電價(jià)信號(hào)或激勵(lì)措施參與需求側(cè)響應(yīng)獲得額外收入，如電費(fèi)節(jié)約和政策補(bǔ)貼等。

(三)儲(chǔ)能間接價(jià)值分析

儲(chǔ)能間接價(jià)值是指不能直接由交易或者價(jià)格來(lái)反映的，需要間接估算的儲(chǔ)能收入。間接價(jià)值包括替代投資、減少棄風(fēng)棄光、減少減排和燃料成本、減少系統(tǒng)停電損失電量等作用，進(jìn)而帶來(lái)相應(yīng)的收入或者成本的節(jié)約。還包括降低網(wǎng)損、提高用戶(hù)供電可靠性、節(jié)約容量電費(fèi)等價(jià)值，這些價(jià)值難以量化。

一是社會(huì)價(jià)值。社會(huì)價(jià)值是衡量?jī)?chǔ)能給其他利益相關(guān)者造成的影響。首先，替代電網(wǎng)投資價(jià)值。當(dāng)輸配電線路出現(xiàn)過(guò)載時(shí)，儲(chǔ)能作為輸配電線路擴(kuò)建的替代，能夠延緩對(duì)輸配電線路的升級(jí)計(jì)劃，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，從而延緩了輸配電線路的投資，可以減少一部分輸配電設(shè)施投資。其次，替代系統(tǒng)機(jī)組裝機(jī)容量?jī)r(jià)值。當(dāng)參與調(diào)峰、備用等時(shí)，儲(chǔ)能裝置取代火電機(jī)組裝機(jī)容量，或者作為新能源發(fā)電的備用容量，從而節(jié)省固定投資。再次，減少棄風(fēng)棄光產(chǎn)生的價(jià)值。運(yùn)用儲(chǔ)能減少發(fā)電側(cè)的棄風(fēng)和棄光，在這期間會(huì)多存儲(chǔ)過(guò)剩電量在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，可后續(xù)利用，增加系統(tǒng)出力穩(wěn)定性，由此獲得收入。最后，提升供電可靠性產(chǎn)生的價(jià)值。幫助發(fā)電廠黑啟動(dòng)、輸配電支撐、保障獨(dú)立電網(wǎng)和微電網(wǎng)運(yùn)行以及減少擁塞而提高線路傳輸容量、減少用戶(hù)停電損失等配置的儲(chǔ)能能夠提高電網(wǎng)的可靠性。安裝儲(chǔ)能可以有效地提升電力系統(tǒng)對(duì)故障的抵御能力，避免發(fā)生用電中斷帶來(lái)的嚴(yán)重后果，能夠獲得可靠性收入。二是生態(tài)價(jià)值。生態(tài)價(jià)值是衡量?jī)?chǔ)能對(duì)物理環(huán)境的影響。儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生正效益，比如環(huán)境價(jià)值、節(jié)煤價(jià)值、脫碳價(jià)值等。

總之，儲(chǔ)能能夠靈活多樣地應(yīng)用在發(fā)電、輔助服務(wù)(調(diào)度交易機(jī)構(gòu))、輸配電、新能源以及用戶(hù)領(lǐng)域，獲得多種收入，從而產(chǎn)生儲(chǔ)能價(jià)值疊加收益。激發(fā)多維度的價(jià)值創(chuàng)造能夠?qū)?chǔ)能產(chǎn)生積極影響，應(yīng)是儲(chǔ)能投資商決策的長(zhǎng)期目標(biāo)。因此，研究?jī)?chǔ)能綜合價(jià)值測(cè)算及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估十分必要。

三、新型電池儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型構(gòu)建

動(dòng)態(tài)LCC視角的儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型主要包括綜合價(jià)值測(cè)算和成本測(cè)算模型，其中，綜合價(jià)值測(cè)算考慮儲(chǔ)能的直接和間接價(jià)值，而成本測(cè)算考慮不同壽命階段的電池成本隨儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步的動(dòng)態(tài)變化。依據(jù)李湘旗等、韓良智的研究，采用投資邊界值方法對(duì)儲(chǔ)能投資的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估，為儲(chǔ)能投資商明確儲(chǔ)能在各種應(yīng)用場(chǎng)景中的成本收益水平和投資價(jià)值提供依據(jù)。

(一)儲(chǔ)能綜合價(jià)值測(cè)算模型

在新型電力系統(tǒng)中，儲(chǔ)能有多種功能，從而產(chǎn)生多重價(jià)值。其中，一部分價(jià)值可以直接量化，另一部分儲(chǔ)能價(jià)值難以通過(guò)貨幣量化。因此，儲(chǔ)能綜合價(jià)值測(cè)算主要考慮其目前在現(xiàn)行電價(jià)、電力輔助服務(wù)和電力需求側(cè)響應(yīng)相關(guān)政策下的應(yīng)用價(jià)值。

1.儲(chǔ)能直接價(jià)值。一是峰谷價(jià)差套利收入。儲(chǔ)能在低谷價(jià)格時(shí)段充電，在高峰或尖峰價(jià)格時(shí)段放電，根據(jù)電網(wǎng)峰谷差價(jià)進(jìn)行套利。其計(jì)算公式為：

=(,-,)Δ

(1)

式(1)中，為峰谷價(jià)差套利收入；為儲(chǔ)能系統(tǒng)放電效率；,為放電功率；,為充電功率；為電網(wǎng)實(shí)時(shí)峰谷電價(jià)差。

二是調(diào)峰補(bǔ)償直接收入。按照國(guó)家《關(guān)于推動(dòng)電儲(chǔ)能參與“三北”地區(qū)調(diào)峰輔助服務(wù)工作的通知》等政策規(guī)定，儲(chǔ)能電站聯(lián)合參與調(diào)峰或作為獨(dú)立主體參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)交易，可以按照放電電量獲取輔助服務(wù)補(bǔ)償收入。其計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中，為全年調(diào)峰補(bǔ)償收入；為第天的調(diào)峰電量；為合同電價(jià)；為一年內(nèi)調(diào)峰天數(shù)。

三是參與電力輔助服務(wù)市場(chǎng)收入。儲(chǔ)能處于備用狀態(tài)，通過(guò)參與電網(wǎng)調(diào)壓調(diào)頻等取得收入；或者在新能源和水電富集地區(qū)平抑波動(dòng)，改善并網(wǎng)能力取得收入，其計(jì)算公式為：

(3)

式(3)中，為輔助服務(wù)市場(chǎng)收入；為儲(chǔ)能備用補(bǔ)償電價(jià)；為備用容量；為社會(huì)貼現(xiàn)率。

四是電力需求響應(yīng)收入。當(dāng)滿(mǎn)足一定條件的電力用戶(hù)的儲(chǔ)能設(shè)施參與電力需求響應(yīng)后，電網(wǎng)會(huì)給予其一定補(bǔ)償。儲(chǔ)能由于參與需求響應(yīng)而獲得補(bǔ)償收入的計(jì)算公式為：

=××

(4)

式(4)中，為電力需求響應(yīng)收入；為年響應(yīng)次數(shù)；為響應(yīng)高峰負(fù)荷的單位獎(jiǎng)勵(lì)金額；為需求響應(yīng)的電量。

2.儲(chǔ)能社會(huì)價(jià)值。一是替代電網(wǎng)投資價(jià)值。儲(chǔ)能電站能夠在短時(shí)間內(nèi)為電網(wǎng)提供負(fù)荷支撐，減少電網(wǎng)因時(shí)段性缺點(diǎn)進(jìn)行容量建設(shè)的投入。替代價(jià)值計(jì)量可以根據(jù)電網(wǎng)擴(kuò)容所需投入變壓器、變電站及輸電線路等設(shè)備平均造價(jià)確定，其計(jì)算公式為：

=

(5)

式(5)中，為替代電網(wǎng)投資價(jià)值；為能源轉(zhuǎn)換效率；為電網(wǎng)設(shè)備單位容量造價(jià)；為儲(chǔ)能的額定功率。

二是替代系統(tǒng)機(jī)組裝機(jī)容量?jī)r(jià)值。該部分收入包括替代火電機(jī)組調(diào)峰、旋轉(zhuǎn)備用、新能源機(jī)組備用的裝機(jī)容量而減少的輸配電投資。用等效的儲(chǔ)能對(duì)火電機(jī)組裝機(jī)容量進(jìn)行替代，其計(jì)算公式為：

=

(6)

式(6)中，為替代系統(tǒng)機(jī)組裝機(jī)容量?jī)r(jià)值；為系統(tǒng)機(jī)組單位容量造價(jià)；為儲(chǔ)能的額定功率。

三是提高供電可靠性?xún)r(jià)值。供電可靠性是難以直接量化的，實(shí)務(wù)中多采用缺電損失評(píng)價(jià)方法進(jìn)行間接估算。根據(jù)孫偉卿等的方法，采用用戶(hù)的缺電損失衡量供電可靠性，其計(jì)算公式為：

=min {,}

(7)

式(7)中，為儲(chǔ)能提高供電可靠性?xún)r(jià)值；為用戶(hù)停電補(bǔ)償價(jià)格；為用戶(hù)停電時(shí)間內(nèi)可能的平均用電負(fù)荷；為儲(chǔ)能的額定功率；為停電時(shí)間。

3.儲(chǔ)能生態(tài)價(jià)值。一是環(huán)境價(jià)值。儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組調(diào)峰，可降低火電機(jī)組調(diào)峰功率，進(jìn)而減少燃料成本，相當(dāng)于儲(chǔ)能額外獲得一部分收入。將儲(chǔ)能的等效減少火電機(jī)組排污成本的收入稱(chēng)為環(huán)境價(jià)值。其計(jì)算公式為：

(8)

式(8)中，為環(huán)境價(jià)值；為污染物總數(shù)；為第種污染物排放密度；price,為第種污染物的單位排放費(fèi)用。

二是節(jié)煤價(jià)值。實(shí)際上，儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組調(diào)峰，可以降低火電機(jī)組的調(diào)峰功率，進(jìn)而減少燃料成本。將儲(chǔ)能的等效減少火電機(jī)組燃料成本的收入稱(chēng)為節(jié)煤價(jià)值。其計(jì)算公式為：

(9)

式(9)中，為節(jié)煤價(jià)值；為單位發(fā)電燃料量；為燃料單價(jià)。

(二)基于動(dòng)態(tài)全壽命周期成本的儲(chǔ)能成本測(cè)算模型

目前，發(fā)展規(guī)模(市場(chǎng)需求)和研發(fā)投入(技術(shù)成本)是影響儲(chǔ)能生產(chǎn)成本的兩個(gè)關(guān)鍵因素，因此，構(gòu)建雙因素學(xué)習(xí)曲線，得到儲(chǔ)能生產(chǎn)成本演變模型。其計(jì)算公式為：

(10)

式(10)中，(,)、(,)分別為儲(chǔ)能初始單位成本和第年單位成本；、分別為初始和第年累計(jì)生產(chǎn)規(guī)模；、分別為初始和第年累計(jì)研發(fā)投入；、分別為累計(jì)產(chǎn)量和研發(fā)投入彈性系數(shù)。根據(jù)秦云甫研究的相關(guān)參數(shù)，儲(chǔ)能的成本變化函數(shù)可表示為：

(11)

進(jìn)一步將儲(chǔ)能全壽命周期分為建設(shè)期、試運(yùn)營(yíng)期、穩(wěn)定期和衰退期4個(gè)階段，而每階段成本由投資成本、運(yùn)維成本、更換成本、故障成本和報(bào)廢成本構(gòu)成，則第階段的儲(chǔ)能計(jì)算公式為：

=(+++)+(+)+

[(+)]+-[1-

(12)

式(12)中，為電池儲(chǔ)能電站全壽命周期成本；為電池儲(chǔ)能電站所處壽命周期階段；為建筑工程費(fèi)用；為設(shè)備購(gòu)置成本；為安裝工程費(fèi)；為其他費(fèi)用；為能耗費(fèi)；為人工費(fèi)；為日常設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用；為計(jì)劃?rùn)z修費(fèi)用；為每次更換電池的年均成本下降比率；為更換次數(shù)；為單位容量的更換成本；為儲(chǔ)能額定容量；為充放電效率；為儲(chǔ)能平均每次發(fā)生故障單位時(shí)間修復(fù)成本；為發(fā)生故障的次數(shù)；為儲(chǔ)能平均修復(fù)時(shí)間;為平均每次故障單位時(shí)間的懲罰成本；為故障持續(xù)時(shí)間；為報(bào)廢處理費(fèi)用；為初始價(jià)值；為在第年末的剩余價(jià)值;為全壽命周期。

(三)儲(chǔ)能投資邊界值模型

儲(chǔ)能投資邊界值是指儲(chǔ)能投資商將投資資金全部回收時(shí)所有考慮因素的臨界值。常見(jiàn)考慮因素主要有投資回收期、平準(zhǔn)化成本(levelized cost of energy，LCOE)和電池生產(chǎn)成本。采用貼現(xiàn)現(xiàn)金流分析方法，分別從投資回收期邊界、邊界和生產(chǎn)成本邊界三方面指標(biāo)分析儲(chǔ)能投資的經(jīng)濟(jì)性。

1.投資回收期邊界值模型。儲(chǔ)能投資回收期邊界值是指將儲(chǔ)能的所有投資全部收回的時(shí)間期限的臨界值。一般來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能投資回收期越長(zhǎng)，其投資風(fēng)險(xiǎn)也就越高。其模型可表示為：

(13)

式(13)中，為儲(chǔ)能第年收入；為儲(chǔ)能第年投入成本；為儲(chǔ)能投資回收期邊界年限。儲(chǔ)能收入可用與當(dāng)年電力生產(chǎn)量乘積后的貼現(xiàn)值之和來(lái)表示，則式(13)可進(jìn)一步表示為：

(14)

2.邊界值模型。目前，常用指標(biāo)衡量?jī)?chǔ)能成本，可用于不同發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。是將儲(chǔ)能在其生命周期內(nèi)發(fā)生的所有成本折現(xiàn)，再除以其生命周期內(nèi)累計(jì)放電量。儲(chǔ)能邊界值是指在全壽命周期內(nèi)，收回儲(chǔ)能投資資金所需的。假設(shè)儲(chǔ)能的使用壽命為10年，根據(jù)式(13)可得：

(15)

3.生產(chǎn)成本邊界值模型。儲(chǔ)能生產(chǎn)成本邊界值是指在全壽命周期內(nèi)，根據(jù)當(dāng)前值收回投資資金所能接受的最高生產(chǎn)成本值。此處為簡(jiǎn)化運(yùn)行，假設(shè)儲(chǔ)能使用壽命為10年，當(dāng)前值約為0.7元/(kW·h)，每年運(yùn)行維護(hù)等成本相等，則根據(jù)式(13)可得：

(++)]

(16)

式(16)中，為儲(chǔ)能生產(chǎn)成本邊界值。

由于具有較好的全局搜索和快速收斂能力，改進(jìn)遺傳算法被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)模型求解中。以上三種模型求解采用改進(jìn)遺傳算法。

四、新型電池儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的實(shí)例測(cè)算

(一)實(shí)例測(cè)算的基本參數(shù)

以江蘇某儲(chǔ)能電站為例，采用兩充兩放方式，一年充放電270天，調(diào)峰輔助服務(wù)基本補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為2元/MW，深度調(diào)峰140天，深度調(diào)峰補(bǔ)償價(jià)格為0.5元/(kW·h)。輔助服務(wù)240天，輔助服務(wù)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)約為0.5元/(kW·h)。儲(chǔ)能執(zhí)行電力需求響應(yīng)補(bǔ)貼12元/kW/次，每天執(zhí)行1次電力需求響應(yīng)。全壽命周期中建設(shè)期、試運(yùn)營(yíng)期、穩(wěn)定期和衰退期分別為1年、1年、6年和2年。儲(chǔ)能電池運(yùn)行的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 儲(chǔ)能電池基本參數(shù)

根據(jù)江蘇省最新銷(xiāo)售電價(jià)表，大工業(yè)和普通工業(yè)的削峰填谷時(shí)段分時(shí)電價(jià)水平見(jiàn)表2?；痣姍C(jī)組的粉塵和SO的排量均為0.5 kg/(MW·h)，NO、CO、CO的排量分別為0.75 kg/(MW·h)、0.3 kg/(MW·h)和0.05 kg/(MW·h)。其相應(yīng)的粉塵、SO、NO、CO、CO排量的成本分別為2.92元/kg、6.24元/kg、8.03元/kg、0.03元/kg 和1.01元/kg。由于替代價(jià)值與可靠性?xún)r(jià)值難以衡量，實(shí)例主要測(cè)算目前影響儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性較大的價(jià)值。

表2 分時(shí)電價(jià)的時(shí)段與價(jià)格情況

(二)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

實(shí)例測(cè)算采用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行模型求解，考慮儲(chǔ)能自然老化、充放電次數(shù)和深度等因素對(duì)儲(chǔ)能可用容量和充放電效率的影響，從動(dòng)態(tài)LCC和綜合價(jià)值角度分別計(jì)算儲(chǔ)能生產(chǎn)成本變化影響、投資回收期邊界值、邊界值和生產(chǎn)成本邊界值，分析儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性。

1.儲(chǔ)能成本影響分析。儲(chǔ)能固定成本模型中考慮的儲(chǔ)能成本是不變的，即初始成本固定，后期每年只需運(yùn)營(yíng)成本，且充放電效率和容量保持不變，為額定值。固定成本參數(shù)初始投資成本為7048萬(wàn)元，年運(yùn)營(yíng)成本為85萬(wàn)元。為了定量分析儲(chǔ)能成本對(duì)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型和邊界值的影響，通過(guò)與固定成本模型進(jìn)行對(duì)比分析可得儲(chǔ)能成本變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖2)。隨著儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展，儲(chǔ)能成本將逐漸降低，至2030年，儲(chǔ)能成本將降至3000元/kW左右。

圖2 儲(chǔ)能成本變化趨勢(shì)

儲(chǔ)能充放電效率與儲(chǔ)能盈利邊界值為負(fù)相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)圖3)，即效率每增加5%，邊界值降低約0.05元/(kW·h)，這說(shuō)明在儲(chǔ)能投資決策時(shí)，需充分考慮儲(chǔ)能充放電效率的影響。固定成本模型下儲(chǔ)能的削峰填谷、需求響應(yīng)和輔助服務(wù)收入分別為772.22萬(wàn)元、432萬(wàn)元和504萬(wàn)元，而LCC模型下儲(chǔ)能的削峰填谷、需求響應(yīng)和輔助服務(wù)收入分別為752.22萬(wàn)元、422萬(wàn)元和490萬(wàn)元。根據(jù)兩種模型下儲(chǔ)能各項(xiàng)年收入對(duì)比結(jié)果可知，基于LCC的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型，年收益更低，這是因?yàn)樵诮ㄔO(shè)期、衰退期的充放電效率和利用率明顯下降，與圖3的結(jié)論對(duì)應(yīng)。

圖3 儲(chǔ)能充放電效率與LCOE邊界值的關(guān)系

考慮儲(chǔ)能成本變化趨勢(shì)，固定成本和LCC模型下儲(chǔ)能邊界值隨著儲(chǔ)能成本的降低而降低(見(jiàn)圖4)。由于LCC模型考慮了電池儲(chǔ)能自然老化等因素，儲(chǔ)能邊界值大于固定成本模型的儲(chǔ)能邊界值。相比固定成本模型，儲(chǔ)能在LCC模型下更容易回收全部投資資金。

圖4 不同成本模型下儲(chǔ)能LCOE邊界值

2.儲(chǔ)能投資邊界值分析。在儲(chǔ)能成本影響分析中，上文重點(diǎn)研究了儲(chǔ)能成本對(duì)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型和邊界值的影響。儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性還受儲(chǔ)能充放電功率和儲(chǔ)能初始成本影響。因此，為提高可信度，主要用基于LCC經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型分析儲(chǔ)能投資邊界值。

(1)投資回收期邊界值分析。投資回收期由初試投資及項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期凈現(xiàn)金流量決定，在項(xiàng)目投資確定的情況下，運(yùn)營(yíng)期凈收入越大項(xiàng)目成本回收時(shí)間越短。假設(shè)儲(chǔ)能初始成本為6000元/kW，=0.7元/(kW·h)，儲(chǔ)能投資回收期邊界值為10.86年，說(shuō)明在全壽命期內(nèi)收回投資成本較困難。從圖5的結(jié)果可知，隨著儲(chǔ)能成本降低，投資回收期邊界值不斷縮短。2024年儲(chǔ)能成本降低至4900元/kW時(shí)，回收期邊界值約為9.25年，儲(chǔ)能投資商能在壽命期內(nèi)基本收回投資成本。而六年后當(dāng)儲(chǔ)能成本降至2900元/kW時(shí)，投資回收期縮短至4.8年。在項(xiàng)目壽命周期內(nèi)，回收全部投資后，項(xiàng)目剩余壽命越長(zhǎng)，儲(chǔ)能創(chuàng)造的凈收益就越大。

圖5 儲(chǔ)能投資回收期邊界值

(2)邊界值分析。假設(shè)儲(chǔ)能壽命為10年，則邊界值與儲(chǔ)能成本變化趨勢(shì)關(guān)系如圖6所示。從分析結(jié)果看， 2022年儲(chǔ)能邊界值為0.8元/(kW·h)。在深圳市現(xiàn)行電價(jià)的峰谷價(jià)差為0.688元/(kW·h)情況下，儲(chǔ)能是不具備盈利能力的。在居民用戶(hù)電價(jià)的最大峰谷價(jià)差達(dá)0.8154元/(kW·h)，35千伏工業(yè)用戶(hù)峰谷價(jià)差最大可達(dá)0.89元/(kW·h)的江蘇，儲(chǔ)能具有盈利的可能。北京1-10千伏工商業(yè)用戶(hù)峰谷價(jià)差最大可達(dá)1.14元/(kW·h)，儲(chǔ)能的盈利概率很大。隨著生產(chǎn)成本不斷降低，邊界值不斷降低，儲(chǔ)能的盈利能力將得到改善。2021年7月26日，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布文件《關(guān)于進(jìn)一步完善分時(shí)電價(jià)機(jī)制的通知》(發(fā)改價(jià)格〔2021〕1093號(hào))，要求將峰谷電價(jià)價(jià)差提高到4倍，這將進(jìn)一步擴(kuò)大儲(chǔ)能套利收益，提高投資可行性。

圖6 儲(chǔ)能LCOE邊界值

(3)生產(chǎn)成本邊界值分析。隨著國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)不斷制定和發(fā)布的峰谷電價(jià)價(jià)差政策，對(duì)儲(chǔ)能生產(chǎn)成本邊界值隨邊界值變化進(jìn)行研究。假設(shè)儲(chǔ)能壽命為10年，若=0.7元/(kW·h)，此時(shí)成本邊界值為4900元/kW。儲(chǔ)能生產(chǎn)成本邊界值和邊界值的關(guān)系如圖7所示。根據(jù)圖7可知，儲(chǔ)能成本邊界值與值成正比例關(guān)系，與圖6相對(duì)應(yīng)。2020年江蘇、浙江、湖北和山東省等陸續(xù)調(diào)整了輸配電價(jià)和銷(xiāo)售電價(jià)水平，主要是對(duì)峰谷價(jià)差水平和時(shí)段進(jìn)行調(diào)整，并拉大工商業(yè)及其他用戶(hù)峰谷價(jià)差，為儲(chǔ)能提供套利空間。根據(jù)電價(jià)新規(guī)，江蘇、湖北、浙江、山東省工商業(yè)及其他用戶(hù)(35千伏及以上)高峰低谷電價(jià)差分別將達(dá)0.7486元/(kW·h)、0.6116元/(kW·h)、0.568元/(kW·h)和0.503元/(kW·h)以上。從這些省份的價(jià)差可知儲(chǔ)能僅依靠“削峰填谷”賺取峰谷差價(jià)收益而實(shí)現(xiàn)盈利，需要將儲(chǔ)能成本降至3500元/(kW·h)以下。結(jié)合圖2儲(chǔ)能生產(chǎn)成本預(yù)測(cè)，2028年儲(chǔ)能收入可以滿(mǎn)足投資需求。未來(lái)充分發(fā)揮儲(chǔ)能的功能價(jià)值，不斷增加儲(chǔ)能獲取收益渠道，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能綜合價(jià)值最大化，進(jìn)一步提高儲(chǔ)能未來(lái)的經(jīng)濟(jì)性。

LCOE/[元/(kW·h)]

五、研究結(jié)論

基于ESG理念，根據(jù)儲(chǔ)能生產(chǎn)成本隨技術(shù)發(fā)展不斷降低，利用雙指數(shù)學(xué)習(xí)曲線函數(shù)模擬成本動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，構(gòu)建基于LCC和綜合價(jià)值的儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型，通過(guò)改進(jìn)遺傳算法對(duì)模型求解。通過(guò)實(shí)例測(cè)算，可得出以下結(jié)論：

第一，相比固定成本模型，構(gòu)建的儲(chǔ)能全壽命周期經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型，考慮了儲(chǔ)能成本動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，其投資回收期和邊界值均有所增加?？紤]到儲(chǔ)能在不同壽命階段的充放電效率和可用容量均有所下降，測(cè)算結(jié)果與實(shí)際情況相符，提高了儲(chǔ)能投資決策可靠性。第二，根據(jù)儲(chǔ)能電池實(shí)際生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)，利用雙指數(shù)學(xué)習(xí)曲線函數(shù)構(gòu)建成本變化模型，能有效預(yù)測(cè)未來(lái)儲(chǔ)能成本變化趨勢(shì)，進(jìn)一步完善了儲(chǔ)能全壽命周期經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型，為儲(chǔ)能投資商制定投資決策提供可靠依據(jù)。第三，基于ESG理念的儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型中考慮了儲(chǔ)能綜合價(jià)值，能全面評(píng)估儲(chǔ)能的多重價(jià)值，準(zhǔn)確評(píng)估其經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)前儲(chǔ)能投資僅靠“削峰填谷”獲得峰谷差價(jià)收入難以在全壽命周期內(nèi)回收成本。隨著儲(chǔ)能成本的降低、峰谷價(jià)差的拉大和儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景的增加，儲(chǔ)能的綜合價(jià)值能夠明顯提高，其投資回收期能有效縮短。2030年，當(dāng)儲(chǔ)能成本降低至2900元/kW時(shí)，投資回收期縮短至4.8年，儲(chǔ)能凈收益增加，僅需0.42元/(kW·h)，此時(shí)儲(chǔ)能的盈利空間較大，具備較大投資價(jià)值。

啟示：首先，政府部門(mén)和投資商在進(jìn)行儲(chǔ)能綜合價(jià)值測(cè)算及經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)能實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景及時(shí)調(diào)整投資策略，合理制訂投資方案。其次，應(yīng)充分考慮儲(chǔ)能電池的充放電次數(shù)、深度和自然老化等因素對(duì)儲(chǔ)能電池可用容量和充放電效率的影響，更準(zhǔn)確預(yù)估儲(chǔ)能電池實(shí)際可用容量，對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行及時(shí)更換和維修。再次，要結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步影響，更加準(zhǔn)確預(yù)測(cè)儲(chǔ)能的未來(lái)成本趨勢(shì)，尤其是生產(chǎn)成本和配套設(shè)施成本的變化，準(zhǔn)確分析儲(chǔ)能成本動(dòng)態(tài)變化對(duì)投資決策的影響。最后，儲(chǔ)能投資應(yīng)根據(jù)當(dāng)前政府政策、市場(chǎng)行情及發(fā)展前景制訂投資計(jì)劃，充分利用儲(chǔ)能“閑時(shí)復(fù)用”特性，提高其利用率，發(fā)揮儲(chǔ)能的各項(xiàng)功能，逐步擴(kuò)大多應(yīng)用場(chǎng)景的收入，縮短投資回收期，提高其盈利性。