基于四元市場的分布式蓄熱電采暖消納棄風(fēng)棄光經(jīng)濟(jì)性評價研究*

李晴，周穎，李德智，李樹鵬，宮飛翔，韓凝暉

(中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

推動能源消費(fèi)革命、加強(qiáng)節(jié)能降耗是解決我國能源粗放利用所帶來高能耗、高污染問題的必由之路。為此，國務(wù)院印發(fā)的《大氣污染防治行動計劃》明確指出：“要通過政策補(bǔ)償和實(shí)施峰谷電價、季節(jié)性電價、階梯電價、調(diào)峰電價等措施，逐步推行以電替代煤炭。”截至2018年9月，北方地區(qū)“煤改電”項(xiàng)目累計完成確村確戶共223.83萬戶，覆蓋取暖面積約15897萬m2，涉及村(社區(qū))11278個，完成政府計劃任務(wù)的90.85%。其中蓄熱式電采暖確認(rèn)面積6370萬m2，占北方地區(qū)確村確戶總面積40%[1]。蓄熱采暖是減小電網(wǎng)運(yùn)行壓力、提高電網(wǎng)可再生能源消納的重要手段。具有很好的能源價值、環(huán)境價值和經(jīng)濟(jì)價值。國內(nèi)對風(fēng)、光、水電互補(bǔ)也進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析、研究與評價[2]。盡管蓄熱式電采暖在緩解配電網(wǎng)壓力，輔助可再生能源消納，緩解環(huán)境污染等領(lǐng)域具有重要優(yōu)勢。但由于目前未能大面積推廣，嚴(yán)重限制了電力企業(yè)綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)拓展，經(jīng)濟(jì)效益有待提升。吸取我國北方地區(qū)前期“煤改電”的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，探索蓄熱式電采暖運(yùn)營模式，深入分析各參與方的經(jīng)濟(jì)成本，發(fā)現(xiàn)制約因素，對引導(dǎo)各參與主體合理構(gòu)建商業(yè)模式、制定相關(guān)政策，促進(jìn)蓄熱電采暖可持續(xù)發(fā)展、運(yùn)營綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)有重要支撐作用[3]。

1 商業(yè)運(yùn)營模式

1.1 參與方分析

在分布式蓄熱電采暖棄風(fēng)棄光消納過程中， 首先應(yīng)分析負(fù)荷聚合商、可再生能源發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)和蓄熱電采暖四大主體的責(zé)任和義務(wù)：負(fù)荷聚合商整合響應(yīng)資源；可再生能源發(fā)電企業(yè)用于電源投資建設(shè)、電力生產(chǎn)等；電網(wǎng)用于結(jié)算交易、運(yùn)行調(diào)度等；分布式蓄熱電采暖用于電采暖建設(shè)、運(yùn)營等。

分布式蓄熱電采暖消納棄風(fēng)棄光發(fā)電是四方參與的過程，如何使各方利益得到保障并且實(shí)現(xiàn)棄風(fēng)棄光合理消納需要各方完成好各自職責(zé)，通過政策和補(bǔ)償機(jī)制實(shí)現(xiàn)效益最大化。從負(fù)荷聚合商角度來看，應(yīng)整合資源，制定規(guī)劃，讓新能源發(fā)展與整個發(fā)展相協(xié)調(diào)，不盲目上項(xiàng)目，保證優(yōu)化發(fā)展。各省政府應(yīng)打破條塊分割，優(yōu)先使用清潔能源，以實(shí)現(xiàn)減排承諾，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)[4]。與電網(wǎng)公司相比，各新能源企業(yè)的要求則更為迫切，電網(wǎng)公司應(yīng)以促進(jìn)新能源保障性全額收購為前提，優(yōu)化調(diào)度考核方式，降低限電比例， 緩解新能源企業(yè)消納壓力。對于蓄熱電采暖，應(yīng)承擔(dān)供熱設(shè)備設(shè)施建設(shè)運(yùn)營，保障用戶供熱需求。

1.2 經(jīng)營模式和補(bǔ)貼現(xiàn)狀

目前單純建設(shè)分布式蓄熱電采暖不具備經(jīng)濟(jì)效益，需要各方協(xié)作。為保證蓄熱電采暖項(xiàng)目推廣，一般需發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)對電采暖項(xiàng)目讓利，或政府對初投資、電價、熱價進(jìn)行補(bǔ)貼。各方補(bǔ)貼情況見表1。

表1 運(yùn)營及補(bǔ)貼現(xiàn)狀

1.3 典型商業(yè)運(yùn)營模式

可以將典型運(yùn)營模式總結(jié)為三種主要模式。

1)風(fēng)光新能源企業(yè)主導(dǎo)模式。風(fēng)光新能源企業(yè)在建設(shè)大量風(fēng)光發(fā)電場外，就地同步投資建設(shè)和運(yùn)營、管理蓄熱電采暖，通過消納棄風(fēng)棄光實(shí)現(xiàn)整體經(jīng)濟(jì)性效益。此種模式下發(fā)電企業(yè)能保證蓄熱電采暖用電需求，且自身作為投資運(yùn)營主體，具備風(fēng)光發(fā)電和蓄熱電采暖運(yùn)營技術(shù)管理的獨(dú)占優(yōu)勢，收益流向清晰。

2)供熱企業(yè)主導(dǎo)模式。供熱企業(yè)占有供熱市場，通過政策補(bǔ)貼捆綁風(fēng)光發(fā)電企業(yè)， 以低價購買電量，在供暖季消納部分棄風(fēng)棄光電量。此模式下供熱企業(yè)需支付更大成本，政府激勵政策需求較大[5]。

3)多方協(xié)作模式。由供熱企業(yè)投建分布式蓄熱電采暖，風(fēng)光電場、電網(wǎng)公司、蓄熱電采暖、供熱公司聯(lián)合參與，實(shí)現(xiàn)對棄風(fēng)棄光供暖項(xiàng)目利益的合理分配，是實(shí)現(xiàn)電采暖消納棄風(fēng)棄光的有效模式。此模式下電網(wǎng)公司及所屬的節(jié)能公司處于主導(dǎo)地位，通過建立四方協(xié)作機(jī)制，各方適度讓利實(shí)現(xiàn)蓄熱電采暖可持續(xù)運(yùn)行。

2 多方參與成本收益要素

再生電力能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展還處于初期，光伏發(fā)電相關(guān)補(bǔ)貼政策也相繼出臺，光伏發(fā)電也在積極示范之中。風(fēng)電、生物質(zhì)能已經(jīng)形成以可再生電力能源發(fā)展基金為主的補(bǔ)貼模式，部分小水電的稅收優(yōu)惠政策也已明確。我國以發(fā)電為主的可再生電力能源發(fā)展勢頭已經(jīng)確立，也已初具規(guī)模。可以說，財政的直接投入、補(bǔ)貼以及稅收的優(yōu)惠政策已成為我國可再生電力能源發(fā)展的積極動力。

分布式蓄熱電采暖消納棄風(fēng)棄光涉及多個參與主體，考慮多方協(xié)作參與模式，按照當(dāng)前發(fā)電、用電成本和經(jīng)濟(jì)要素分析電力生產(chǎn)方和電力消費(fèi)方之間要素成本關(guān)系，具體如表2所示。

表2 要素成本關(guān)系

2.1 風(fēng)光新能源發(fā)電企業(yè)

收益部分：風(fēng)電場、光伏電場等能源供應(yīng)的源頭企業(yè)，在棄風(fēng)棄光消納過程中，作為重要的參與方，應(yīng)進(jìn)行成本分析[6]。蓄熱電采暖項(xiàng)目未實(shí)施時，風(fēng)光電場的多發(fā)電量往往棄之不用，造成能源浪費(fèi)，棄風(fēng)棄光不產(chǎn)生任何收益。若利用蓄熱電采暖消納棄風(fēng)棄光的電量，此時風(fēng)光電場產(chǎn)生的收益由風(fēng)光電場的增量發(fā)電量及上網(wǎng)電價和補(bǔ)貼金額決定，收益為：Cif=Wf×(Ps+Pb)。式中：Cif為發(fā)電廠收益，Wf為風(fēng)光發(fā)電廠增量發(fā)電量，Ps為每度電上網(wǎng)價，該電價可以根據(jù)雙方交易確定，Pb為每度電政府補(bǔ)貼。

支出部分：由于蓄熱電采暖消納風(fēng)光電場的電量并不影響電廠的正常生產(chǎn)及運(yùn)營維護(hù)， 因此消納過程產(chǎn)生的支出費(fèi)用可忽略不計：Cof=0。式中：Cof為風(fēng)光發(fā)電廠支出費(fèi)用。

2.2 電網(wǎng)企業(yè)

收益部分：電網(wǎng)企業(yè)作為電源和負(fù)荷的中間方，承載著重要的輸電供電功能，這使得發(fā)電企業(yè)及負(fù)荷方對于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的要求不斷提高[7]。在消納棄風(fēng)棄光過程中，供電公司產(chǎn)生的收益由負(fù)荷方(分布式蓄熱電采暖)消納電量及電價共同決定：Cig=Wx×Psj。式中：Cig為電網(wǎng)企業(yè)收益，Wx為電網(wǎng)企業(yè)售電量，Psj為每度電價格，結(jié)合當(dāng)前輸配電價改革，每度電售電價格應(yīng)為上網(wǎng)電價加上輸配電價及政府性基金及附加。

支出部分：電網(wǎng)公司在消納風(fēng)光電量過程中產(chǎn)生的支出，由風(fēng)電廠的增量發(fā)電量決定。 由于存在網(wǎng)損，一般大型蓄熱采暖接網(wǎng)工程屬于電網(wǎng)企業(yè)業(yè)擴(kuò)工程，其接網(wǎng)工程投資由電網(wǎng)企業(yè)承擔(dān)。因此支出為：Cog=Wf×Ps+Cws+Cgt+(Cjw-Cbt)。式中：Cog為電網(wǎng)企業(yè)支出，Wf為上網(wǎng)電量，Ps為每度電上網(wǎng)價，Cws為線路網(wǎng)損費(fèi)，等于增量發(fā)電量、網(wǎng)損比例和電能上網(wǎng)單價三者的乘積，Cgt為管理維護(hù)費(fèi)，消納棄風(fēng)棄光并不增加電網(wǎng)企業(yè)運(yùn)維成本，該費(fèi)用為0，Cjw為電網(wǎng)企業(yè)接網(wǎng)費(fèi)用，Cbt為政府配套接網(wǎng)工程補(bǔ)貼。

網(wǎng)損比例取6%時收益部分采用負(fù)荷側(cè)消納電量，支出部分采用電源側(cè)增量發(fā)電量，由于網(wǎng)損等原因，兩者電量數(shù)據(jù)存在一定誤差，因此在后續(xù)分析中需考慮該部分電量差值成本的具體劃分[8]。

2.3 蓄熱電采暖

蓄熱電采暖的經(jīng)濟(jì)效益、成本涉及因素多，如投資建設(shè)、運(yùn)營維護(hù)、收益等，此以蓄熱電采暖消納計算。

收益部分：蓄熱電采暖消納過程的收益可看作是運(yùn)行中的現(xiàn)金流入，分為直接收益和間接收益，直接收益為用戶交的的供暖費(fèi)，間接收益包括節(jié)煤收益及減排收益等[9]。直接收益為供暖單位年均供暖費(fèi)用：Cigz=Sg×Pg。式中：Cigz為蓄熱采暖直接收益，Sg為供暖面積，Pg為供暖季單位面積供暖費(fèi)用，該費(fèi)用與各地供暖季長短、氣溫等情況有關(guān)，需因地制宜考慮取值。

支出部分：蓄熱電采暖工程實(shí)施過程中產(chǎn)生的支出費(fèi)用，包含項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施費(fèi)用、運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用等，項(xiàng)目建設(shè)投資費(fèi)用由供暖所需負(fù)荷決定。初始建設(shè)成本：Cogc=Cbt+Cxr+Cfz。式中：Cogc為蓄熱電采暖初始建設(shè)成本，Cbt為蓄熱電采暖本體成本，Cxr為蓄熱裝置費(fèi)用，Cfz為輔助設(shè)備及其他費(fèi)用。蓄熱電采暖初始建設(shè)成本一般與蓄熱電采暖裝置容量規(guī)模相關(guān)，可以估算：Cogc=Pxr×Qgt。式中：Pxr為蓄熱電采暖建設(shè)單價，Qgt為建設(shè)的蓄熱電采暖裝置容量。年運(yùn)維費(fèi)用及人員成本計算：Cogw=Cogc×β+Crgc。式中：Cogw為年運(yùn)維費(fèi)用及人員成本，β為維護(hù)費(fèi)用比例，蓄熱電采暖一般無需維護(hù)，因此僅考慮后期運(yùn)維成本并分?jǐn)偟矫磕辏珻rgc為人員工資成本。年運(yùn)營費(fèi)用，主要為購電費(fèi)用：Cogy=Pgd×Qdt。式中：Pgd為年購電平均單價(元/kW·h)，Qdt為采暖總購電電量，需考慮不同的運(yùn)行時段，其電價不同，因此取平均電價。蓄熱電采暖總支出成本計算：Cog=Cogc+Cogw+Cogy。

3 多方參與經(jīng)濟(jì)性分析

結(jié)合上述各參與方收益成本要素分析，建立經(jīng)濟(jì)性分析模型，對各參與方經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

(1)對于蓄熱電采暖，其成本主要包括初始投資成本、運(yùn)營成本及維護(hù)成本三部分，其接網(wǎng)費(fèi)用主要由電網(wǎng)公司承擔(dān)。蓄熱采暖建設(shè)運(yùn)營總費(fèi)用：Cgo=Cs+Ce+Cw。式中：Cs為蓄熱采暖等相關(guān)設(shè)備及安裝費(fèi)用，Ce為蓄熱采暖運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，Cw包括運(yùn)維費(fèi)用、工資等。蓄熱采暖的收益主要包括供暖收益，按照當(dāng)?shù)卣_定的供暖費(fèi)用向用戶收取。蓄熱采暖總收益費(fèi)用：Cdi=Cdj×Sc。式中：Cdj為采暖季單位供暖收費(fèi)，由政府制定供暖費(fèi)政策標(biāo)準(zhǔn)，單位為元/m2；Sc為采暖面積，單位為萬m2。

(2)對于風(fēng)光發(fā)電廠，考慮通過蓄熱電采暖消納棄風(fēng)棄光，消納棄風(fēng)棄光并不增加其運(yùn)維成本，因此其凈收益：Cjs=Cif-Cof>0。無論電價如何，風(fēng)光發(fā)電廠總能獲得穩(wěn)定的增量收益，則其經(jīng)濟(jì)性是可行的。

(3)對于電網(wǎng)企業(yè)，收取合理的過網(wǎng)費(fèi)，對于增量電量，電網(wǎng)企業(yè)可以獲得穩(wěn)定的過網(wǎng)費(fèi)收益，不考慮增量運(yùn)維成本等，其成本主要為接網(wǎng)配套電網(wǎng)工程投資。因此其凈收益：Cdwjsy=Wf×Pspd。式中：Cdwjsy為電網(wǎng)企業(yè)凈收益，Pspd為過網(wǎng)費(fèi)單價。成本主要為接網(wǎng)成本Cjw，一般可按蓄熱電采暖初始投資的30%估算接網(wǎng)配套電網(wǎng)投資成本。

4 典型算例分析

采用凈現(xiàn)值和動態(tài)投資回收期等指標(biāo)測算。相關(guān)參數(shù)據(jù)國家發(fā)改委和建設(shè)部確定，其中社會折現(xiàn)率為8%。

4.1 蓄熱電采暖項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性分析

以某鎮(zhèn)煤改電項(xiàng)目為例：該村居民332戶，供暖面積約19920 m2，配置電鍋爐2臺，總?cè)萘抗? MW，蓄熱水箱體積450 m3，分為兩套系統(tǒng)進(jìn)行供暖蓄熱，利用夜間(9:00 pm～6:00 am)9 h用電低谷時間加熱，白天利用蓄熱水箱儲存的熱能釋放。冬季供暖期為當(dāng)年11月至次年3月，合計采暖期天數(shù)約137天，執(zhí)行2017年煤改電峰谷電價，即9:00 pm～6:00 am電價0.3元/(kW·h)，其他時段電價0.49元/( kW·h)，政府補(bǔ)貼0.25元/(kW·h)。居民取暖費(fèi)約19.18元/m2。模擬10萬 m3供熱需求，根據(jù)采暖熱指標(biāo)分析所需蓄熱電采暖總功率為15 MW，共配置5臺3000 kW蓄熱采暖裝置，假定單臺設(shè)備及安裝費(fèi)為106.8萬元，蓄熱設(shè)備及安裝初始投資為1068萬元，按照某地供暖季通常為當(dāng)年11 月15日至來年3月15日，共計約120 d，電采暖設(shè)備每日蓄熱8 h，年用電量約為1440萬kW·h，一般蓄熱電采暖可實(shí)現(xiàn)無人值守，通常免維護(hù)，考慮后期設(shè)備運(yùn)維費(fèi)用，平均每年約支出5萬元，供暖費(fèi)用28元/m2。

該模擬蓄熱電采暖項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性采用凈現(xiàn)值和動態(tài)投資回收期進(jìn)行評價，當(dāng)蓄熱電采暖購電價格為0.3元/(kW·h)，社會折現(xiàn)率為8.0%時，凈現(xiàn)值為-2664.83元，動態(tài)投資回收年無法回收。從經(jīng)濟(jì)性分析的各項(xiàng)指標(biāo)來看，該模擬蓄熱電采暖工程項(xiàng)目在無初始投資補(bǔ)貼，并采用0.3元/(kW·h)的購電價格時，不具有經(jīng)濟(jì)性。但影響蓄熱電采暖經(jīng)濟(jì)效益的參數(shù)隨著時間和運(yùn)行情況不斷變化，建設(shè)投資和能源費(fèi)用是主要影響因素。因此，為全面評價蓄熱電采暖項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，需對主要影響因素進(jìn)行敏感性分析。

4.2 敏感性分析

從蓄熱電采暖項(xiàng)目的成本及收益來看，相關(guān)設(shè)備建設(shè)安裝費(fèi)用所占總體成本比例較大，運(yùn)維成本較固定，因此可以受政府補(bǔ)貼及政策影響的即為初始投資和購電價格，政府可以對初始投資給予一次性補(bǔ)貼。

而電量消納則直接影響項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，考慮集中供熱價格由政府定價，居民使用積極性和承受能力，該價格受影響較小，購電價格可以通過與新能源發(fā)電廠用較低價格購得棄風(fēng)棄光電量。

以第25年累計凈現(xiàn)值為例，對初始投資補(bǔ)貼和購電價格進(jìn)行敏感性分析，累計凈現(xiàn)值零界點(diǎn)為購電價格不超過0.15元/(kW·h)，初始投資700萬元左右。因此，當(dāng)蓄熱電采暖購電價格不超過0.15元/(kW·h)，初始投資不超過700萬元時，該項(xiàng)目具有經(jīng)濟(jì)性，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定盈利。

按照接網(wǎng)工程占蓄熱電采暖初始投資的30%考慮，配套電網(wǎng)投資成本約為320萬元，按照當(dāng)前核定的過網(wǎng)費(fèi)，利用財務(wù)分析方法測算其經(jīng)濟(jì)效益和投資回收期，當(dāng)年即可回收，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。按照配套電網(wǎng)25年回收期測算其累計凈現(xiàn)值，其過網(wǎng)費(fèi)與動態(tài)投資回收期關(guān)系如圖2所示。

可見，按照輸配電價模式，配套電網(wǎng)項(xiàng)目具有較好經(jīng)濟(jì)性。由于蓄熱電采暖項(xiàng)目運(yùn)行需消耗電能，因此經(jīng)濟(jì)性主要受電能價格影響。為進(jìn)一步降低成本，政府也可研究出臺分電壓等級的電能清潔供暖輸配電價(參考吉林模式)，也可單獨(dú)核定清潔供暖輸配電價，通過進(jìn)一步降低輸配電價來實(shí)現(xiàn)清潔供暖推廣。

4.3 多方參與邊界參數(shù)

根據(jù)上述分析，在本算例設(shè)定的場景中，可以采用蓄熱電采暖捆綁棄風(fēng)棄光電場的模式推進(jìn)供熱項(xiàng)目實(shí)施，按蓄熱電采暖購電價格不高于0.15元，過網(wǎng)費(fèi)不低于0.15元，棄風(fēng)棄光上網(wǎng)電價不高于0.1元，蓄熱電采暖初始投資小于等于700萬等界定邊界參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目整體順利實(shí)施和可持續(xù)發(fā)展。

圖1 凈現(xiàn)值敏感性分析 圖2 過網(wǎng)費(fèi)與動態(tài)投資回收期

蓄熱電采暖用電價遠(yuǎn)低于實(shí)際一般工商業(yè)用電價，主要是通過蓄熱電采暖與風(fēng)光發(fā)電場直接交易降低上網(wǎng)電價以及過網(wǎng)費(fèi)，從而獲得較低的用電成本，過網(wǎng)費(fèi)也遠(yuǎn)低于實(shí)際核定的輸配價。因而，多方協(xié)作，風(fēng)光可再生能源發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)適度讓利， 既滿足了棄風(fēng)棄光電量多發(fā)上網(wǎng)，又降低蓄熱電采暖用電成本。電網(wǎng)企業(yè)從中彌補(bǔ)成本獲得合理收益，增加過網(wǎng)電量，實(shí)現(xiàn)三方共贏， 提高整體經(jīng)濟(jì)性。

5 總結(jié)

本文總結(jié)了當(dāng)前蓄熱電采暖消納棄風(fēng)棄光商業(yè)運(yùn)營模式，對各參與方成本收益進(jìn)行分析，采取定性定量結(jié)合的方法，在多方參與模式下，對主要參與方經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評價，最后通過典型算例測算。結(jié)論如下：

(1)總結(jié)三種分布式蓄熱電采暖消納棄風(fēng)棄光典型商業(yè)化運(yùn)營模式，分別是風(fēng)光新能源企業(yè)主導(dǎo)、供熱企業(yè)主導(dǎo)及多方參與模式，其中，多方參與模式是推動分布式蓄熱電采暖可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

(2)風(fēng)光可再生能源發(fā)電企業(yè)通過棄風(fēng)棄光電量上網(wǎng)直接獲得增發(fā)電量收益，是直接受益方。電網(wǎng)企業(yè)通過收取過網(wǎng)費(fèi)彌補(bǔ)接網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)維成本。過網(wǎng)費(fèi)不小于0.05元/(kW·h)時，有一定經(jīng)濟(jì)效益。

(3)通過對典型算例進(jìn)行敏感性分析表明， 蓄熱式電采暖購電價格不超過0.15元/(kW·h)，棄風(fēng)棄光上網(wǎng)電價不超過0.1元/(kW·h)，初始投資不超過700萬元時，可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目穩(wěn)定盈利和可持續(xù)發(fā)展。