江苏省工业用户配置储能的经济性研究

柴明哲，高赐威，陈涛，胡楠，管永丽

（1.东南大学 电气工程学院，南京210096；2.国网江苏省电力有限公司 南通供电分公司，江苏 南通226006）

0 引言

随着电力市场建设的日益推进和储能技术的不断发展，储能建设的重要性和必要性逐渐被人们所认同［1—2］。储能一般可以分为物理储能、电化学储能以及电磁储能，其中物理储能是将电能转化为机械能进行存储，如飞轮储能、抽水蓄能以及压缩空气储能等；电化学储能是将电能转化为化学能进行存储，如锂离子电池、液流电池、铅酸电池、钠硫电池等；电磁储能是将电能转化为电场或磁场获得能量，如超级电容、超导储能等。不同种类的储能配置适合的场景也不同，工业用户侧主要配置的是电化学储能，大规模应用的主要有锂离子电池，锂离子电池具有充放电效率高、循环寿命长的优点，以及不耐受过充过放、安全性较差等缺点；而液流电池由于其具有安全稳定性高、寿命长、放电深度高等优点而发展迅速。本文重点讨论这2种储能电池。

1 江苏省工业用户侧储能发展情况及政策

截至2020年5月底，江苏省已建成71座用户侧储能电站，总容量125 MW/787 MWh，这是江苏提升电网调控能力的具体举措，同时也得到了政府政策的大力支持，政策梳理如表1所示。

用户侧储能主要是利用峰谷价差获得收益，由于工业用户的用电量较大，且许多工业用户在白天即电价高峰期用电量较大，在夜晚即电价低谷期用电量较小，由此产生的高峰电费和低谷电费差额巨大，而储能可在电价低谷期充电，高峰期放电，实现在峰谷电价间的套利。目前江苏关于储能的政策已相对比较完善，储能还可参加调峰辅助服务市场获得相应的收益，逐步降低的储能投资成本和日益完善的市场机制使得用户侧储能成本回收周期缩短，具备商业运营的可持续性。

表1 江苏推进储能建设发展的政策Table 1 Jiangsu’s policies for promoting energy storage construction and development

2 工业用户侧储能电池经济效益模型

2.1 成本模型

式中：C为用户侧储能的总成本；Cini为初始投资成本，包括全部设备投资成本Cequ以及土建成本Ccon；Crep为每年的设备维护、技术改进成本。

2.2 收益模型

（1）充放电收益

根据《国家发展改革委关于江苏省实施季节性尖峰电价有关问题的复函》（发改价格〔2015〕1028号），放电收益分为非夏季和夏季（7、8月）2类。

•非夏季每日放电收益

式中：Pf为江苏工业用电高峰时段电价；η为储能放电效率；tf为高峰时段放电时长；Pfmax为储能最大放电功率。

•夏季每日放电收益

式中：Pj为江苏工业用电尖峰时段电价；tj为高峰时段放电时长。

•每日充电收益

式中：Pg为江苏工业用电低谷时段电价；tg为低谷时段充电时长；Pp为江苏工业用电平段电价；tp为平段充电时长；Pcmax为储能最大充电功率，其值等于最大充电功率。

则全年充放电收益为

式中：d1为全年非夏季储能运行天数；d2为全年夏季储能运行天数。

（2）调峰辅助服务收益

式中：Qxf为储能削峰的收益；Qtg为储能填谷的收益；Pxf为储能参与削峰时的价格；txf为储能每次参与削峰的时长；dxf为储能参与削峰的天数；Ptg为储能参与填谷时的价格；ttg为储能每次参与填谷的时长；dtg为储能参与填谷的天数；Pmax为储能的最大充放电功率。

则每年的总收益为

式中:Qcf为储能全年的充放电收益；Qtf为参与调峰服务的收益。

2.3 经济性分析

（1）回收期计算

资金具有时间价值，计算储能项目投资回收期时需考虑将资金的时间价值，引入费用年值和费用现值。

•费用年值

费用年值是将储能项目的投资成本和经营成本分摊到储能项目周期内每一年的数值，初始投资成本的费用年值为

式中：C1为储能项目初始投资成本，即全部设备投资成本和土建成本之和；r为折现率，一般取5%；T为储能项目周期。

•费用现值

费用现值是将储能项目各年的收益折算到项目期初的数值，即

式中：Q为储能项目每年的收益；(1+r)-t为将第t年的收益折算到项目初期所乘的系数。

•静态回收期

静态回收期nj即不考虑资金时间价值时，收回投资成本的年限，即

•动态回收期

动态回收期nd即考虑资金时间价值时的回收成本的年限，即

式中：k为项目周期的第k年；(1+r)-k为将第k年的收益折算到项目初期所乘的系数。

根据动态回收期的计算，可得到储能项目在第几年可回收全部成本并开始创造收益，从而可知储能项目是否可以在寿命周期内获利并且可求得在整个项目周期内的收益现值，即

3 算例分析

假定在工业园区35 kV至110 kV以下的大工业用户侧配置10 MW/40 MWh的储能系统，非夏季和夏季的充放电策略如图1和图2所示。非夏季时，在每天谷时段0:00—4:00，平时段12:00—16:00对储能进行各4 h的充电，总共充电时长8 h，在每天峰时段8:00—12:00，17:00—21:00各进行放电4 h，总共放电8 h；夏季时，储能每天在谷时段0:00—4:00，平时段12:00—14:00、15:00—17:00进行充电，总共充电时长为8 h，每天在峰时段8:00—10:00、11:00—12:00、19:00—22:00以及尖峰时段10:00—11:00、14:00—15:00放电，总共放电时长为8 h。

按照江苏省制定的政策，35 kV至110 kV以下工业用电夏季和非夏季峰谷分时销售电价如表2所示。假设储能电站全年共运行300天，其中非夏季238天，夏季62天，假定秋冬季参与填谷60天，每天4 h，夏季参与削峰60天，每天4 h。

图1 非夏季的充放电策略图（2充2放）Fig.1 Charging and discharging strategy in non summer seasons（twice charging and twice discharging）

图2 夏季的充放电策略图（3充3放）Fig.2 Charging and discharging strategy in summer（three times charging and three times discharging）

表2 江苏省35 kV以下工业用电电价表Table 2 Electricity price of industrial power consumption of 35 kV in Jiangsu province

3.1 算例1锂离子电池储能

（1）成本分析

锂离子电池储能系统全部设备投资成本Cequ大致为1.2~1.6元/Wh，取中间值1.4元/Wh，土建施工成本Ccon为0.4元/Wh，则总的初始投资成本Cini为7 200万元，另外每年的运行维护、技术改进费用Crep为3%的设备投资成本，即168万元/年。

（2）收益分析

锂离子电池的充放电效率η设为90%，其全年充放电收益如表3所示。

表3 锂离子电池储能的充放电收益Table 3 Charging and discharging benefits of lithium-ion battery energy storage

按照江苏能源监管办印发的《江苏电力市场用户可调负荷参与辅助服务市场交易规则（试行）》，中长期可调负荷调峰交易的谷段报价上限为0.25元/kWh，峰段报价上限为0.9元/kWh，2021年一季度启动试运行。假定在市场初期储能以报价上限的90%的价格进入辅助服务市场进行调峰，即谷段价格Ptg为0.225元/kWh，峰段价格Pxf为0.81元/kWh，则每年调峰辅助服务收益Qtf为248.4万元。

则锂离子电池每年的收益Q为1 260.1万元。

（3）经济性分析

静态回收期nj为5.71年，而锂离子电池的寿命一般为8年，以下计算用户侧配置锂离子电池储能项目的动态回收期。

解得Tpayback=7，即在第7年能收回投资。

8年的总收益为1 351.51万元。每年的成本收益现值如表4所示。

表4 用户侧配置锂离子储能每年的成本收益现值Table 4 The annual cost and current value of benefits of configuring lithium-ion battery energy storage on the user side

3.2 算例2全钒液流电池储能

全钒液流储能技术商业化推广的关键难题之一在于成本高，电解液的成本占到了液流电池总成本60%~70%，根据电解液可循环利用的特点，考虑电解液租赁的商业模式，节省初始投资成本，用户只需每年交一定金额的电解液租赁费用，很大程度上减少了成本费用。

（1）成本分析

全钒液流电池储能系统全部设备投资成本Cequ为2.0~2.5元/Wh，取中间值2.3元/Wh，考虑租用电解液的商业模式可以节约1.2~1.5元/Wh的投资成本，取中间值1.3元/Wh，土建施工成本为0.6元/Wh，则总初始投资成本为6 400万元，租赁的电解液租金为1.0元/Wh，每年的运行维护、技术改进费用Crep为1%的设备投资成本，即40万元/年；假定电解液的租金费用考虑的年化利率为4.6%，将电解液的总租金分摊到全钒液流合同周期20年，则每年的电解液租金费用年值为310.2万元。

（2）收益分析

全钒液流电池的充放电效率η设为80%，其全年充放电收益如表5所示。

每年的调峰辅助服务收益Qtf与锂离子电池相同为248.4万元，则全钒液流电池储能系统考虑电解液租金后每年的收益Q为876.7万元。

（3）经济性分析

静态回收期nj为7.3年，动态回收期计算如下。

解得Tpayback=9，即在第9年能收回投资。

20年的总收益为4 724.96万元。每年的成本收益现值如表6所示。

4 针对江苏发展工业用户侧储能的建议

目前提出的碳达峰及碳中和的宏伟目标即到2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和，以及到2030年非化石能源占一次能源比重达25%，风电、太阳能发电总装机容量达12亿kW。可再生能源将实现跨越式发展，而发展用户侧储能是实现可再生能源稳定安全发展的必要条件。针对江苏发展工业用户侧储能提出如下建议。

表6 用户侧配置全钒液流电池储能每年的成本收益现值Table 6 The present value of the annual cost and benefit of the all-vanadium redox flow battery energy storage on the user side

（1）推进储能技术的创新研发，加快用户侧储能成本的降低，不断拓展用户侧储能的应用领域。

（2）完善用户侧储能的相关补贴政策，明确用户侧储能参与需求响应的优惠或奖励政策，将用户侧储能和可再生能源的消纳建立联动机制。

（3）创新合作模式。江苏目前用户侧储能的投资模式有用户自主投资方式、合同能源管理方式，以及综合能源服务公司和厂家及用户三方合作的方式，进一步加快创新合作方式，如全钒液流电池储能采用电解液租赁的方式等。

（4）积极吸引第三方投资发展用户侧储能项目。如安徽芜湖投放首笔世界银行可再生能源与电池储能促进项目贷款，积极引入国际资本服务芜湖绿色项目。

（5）加快建设智能化管理平台，将用户侧储能接入，方便获取数据，实现储能的运行监控和管理，进行储能状态的分析和提高利用效率等，同时也能为储能的补贴政策的制定和参与电网互动提供数据依据。

5 结束语

发展工业用户侧储能对于电网来说可以缓解高峰用电紧张和线路阻塞问题，通过用电负荷的时空转移延缓电网的建设升级；平抑负荷和可再生能源波动，增强电网可控性；改善电能质量，提高电网运行的安全性和稳定性；可以协调可再生能源电力，避免限电问题再现。同时，对于用户来说可以实现峰谷价差套利，获得政策补贴和利润，从而实现电网侧和用户侧双赢。

本文结合江苏现行的工业用户各时段电价和调峰辅助服务政策，对磷酸铁锂电池储能和全钒液流电池储能进行了成本和收益算例分析，通过计算投资回报年限以及总收益现值的大小，来判断2类储能的大规模推广和发展应用前景，并给出了江苏发展用户侧储能的一些建议，期望能为江苏用户侧储能的发展提供一些有益参考。