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        充電基礎(chǔ)設施全生命周期經(jīng)濟性研究
        ——以海南省為例

        2021-07-06 10:49:58馮乾隆康凱王軍雷吳松
        汽車文摘 2021年7期
        關(guān)鍵詞:充電站經(jīng)濟性海南省

        馮乾隆 康凱 王軍雷 吳松

        (中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)

        主題詞:充電基礎(chǔ)設施 經(jīng)濟性 全生命周期 新能源汽車

        1 前言

        充電基礎(chǔ)設施作為7 大新基建的重要領(lǐng)域之一,近年來受到國家、各級政府及企業(yè)的高度重視[1]。發(fā)展新能源汽車是我國由汽車大國邁向汽車強國的必由之路,而加快建設充電基礎(chǔ)設施,是助推我國汽車產(chǎn)業(yè)向電動化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ),是實現(xiàn)充電便利性的支撐,是推動交通運輸領(lǐng)域提前實現(xiàn)碳中和的保障。目前,各級政府在規(guī)劃充電基礎(chǔ)設施時,多以固定比例的車樁比為基礎(chǔ),結(jié)合純電動汽車保有量,進而以一定比例折算充電樁數(shù)量,未充分考慮充電基礎(chǔ)設施建設和運營的經(jīng)濟性,容易導致充電樁建設數(shù)量和新能源汽車推廣契合度不足,且當充電基礎(chǔ)設施建設功率和數(shù)量與需求不匹配時,致使運營商經(jīng)營過程中不能實現(xiàn)合理收益,影響充電站點的可持續(xù)發(fā)展。

        為合理規(guī)劃和建設充電基礎(chǔ)設施,科學研判各功率充電樁建設數(shù)量,亟需在建設、運營、回收等全生命周期范圍內(nèi),科學測算各功率充電設施全生命周期的經(jīng)濟性,進而規(guī)劃充電樁數(shù)量或比例,確保充電樁數(shù)量和新能源汽車保有量契合發(fā)展,從而推動運營商在盈利的情況下合理經(jīng)營充電樁,實現(xiàn)充電領(lǐng)域的可持續(xù)性,帶動行業(yè)良性發(fā)展。

        文獻[2]從能耗角度分析了直流充電樁運營的經(jīng)濟性,為電動汽車充電節(jié)能降耗提供支撐;文獻[3]基于有序充電,通過聚類分析優(yōu)化了新能源汽車充電時間,以最大程度利用電網(wǎng)谷期充電降低充電成本;文獻[4]基于當前充電運營商的經(jīng)營模式,測算了未來充電市場的前景。

        海南省是全球首個提出所有細分領(lǐng)域車輛清潔能源化目標和路線圖的地區(qū)[5]。鑒于未來海南省龐大的新能源汽車市場和充電需求,以海南省為例,結(jié)合新能源汽車充電場景,從充電基礎(chǔ)設施建設、運營和回收全生命周期出發(fā),分析充電運營商成本投入與盈利情況,在確保運營商盈利情況下測算各功率充電樁數(shù)量,支撐充電基礎(chǔ)設施的運營和推廣,并為相關(guān)政策的制定提供參考。

        2 海南省充電服務市場測算

        截至2020 年底,海南省汽車保有量150 萬輛,其中新能源汽車6.4 萬輛,占比4.3%。從細分領(lǐng)域看,截至2020 年底,海南省私人領(lǐng)域新能源汽車保有量約3.4 萬輛,其中2020 年新增2.3 萬輛,實現(xiàn)較快增長;新能源公務車約700 輛;新能源巡游出租車和網(wǎng)約出租車共約2.3 萬輛;新能源環(huán)衛(wèi)車約0.3 萬輛;新能源客車(包括公交車、旅游客車、班線車)約0.47 萬輛;新能源輕型貨車約0.5 萬輛。隨著新能源汽車推廣力度的加大和全面禁售燃油車時間表的趨近,未來海南省新能源汽車將繼續(xù)保持較快增長,其中公務車、公交車、巡游出租車等公共服務領(lǐng)域車輛有望在2025 年前實現(xiàn)全面電動化,環(huán)衛(wèi)車、網(wǎng)約出租車、旅游客車、班線車、輕型貨車等社會運營領(lǐng)域車輛將加速電動化進程,將在2030 年實現(xiàn)全面禁售燃油車目標。

        從充電基礎(chǔ)設施建設進程來看,截至2020 年底,海南省累計建設充電樁26 402 個,其中公共充電樁11 020 個,專用充電樁1 639 個,自用充電樁13 743個,總體車樁比達到2.4:1,達到國內(nèi)領(lǐng)先水平,基本實現(xiàn)“車樁相伴、協(xié)同發(fā)展”的格局。未來,海南省將根據(jù)新能源汽車的推廣情況,繼續(xù)加快充電樁建設進程,車樁比將進一步實現(xiàn)優(yōu)化,解決新能源汽車充電難題,充電服務市場也將進一步擴大。

        為合理測算2025年海南省充電服務市場,在已測算得到的未來新能源汽車保有量基礎(chǔ)上,需結(jié)合應用場景對各領(lǐng)域車輛電耗情況進行預估。因此,本文首先做出如下假設。

        (1)2025 年保有的私人電動乘用車平均100 km電耗約12~14 kW·h;

        (2)其余車輛100 km電耗和行駛里程結(jié)合工信部公告統(tǒng)一估測;

        (3)結(jié)合海南省當前充電市場情況,預設2025 年充電服務費平均為0.75 元/kW·h;

        (4)因私人車輛以自建充電樁充電為主,且未來自建充電樁力度將持續(xù)提升,取2025年私人車輛僅有25%采用公共充電樁充電;

        (5)結(jié)合當前市場調(diào)研情況,2025年公務車、環(huán)衛(wèi)車、貨車采用公共充電樁充電比例為80%,出租車(包括巡游出租車和網(wǎng)約出租車)、客車采取公共充電樁充電比例為95%。

        基于以上假設,得到2025年海南省充電市場情況如表1所示。

        表1 海南省2025年充電市場服務費測試

        因此,預測2025年海南省全年充電服務費市場規(guī)模將達到19億元左右,在新能源汽車強勢帶動下,充電服務市場將得到較快發(fā)展,未來市場空間廣闊。

        3 充電基礎(chǔ)設施投入與收益模型

        為分析充電基礎(chǔ)設施建設的經(jīng)濟性,為后期合理規(guī)劃充電樁提供支撐,本文以海南省某配備38 臺60 kW 直流快充樁的充電站為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),從充電站設計、施工、運營到設備報廢回收全生命周期出發(fā),進行經(jīng)濟性測算,從而實現(xiàn)充電基礎(chǔ)設施運營經(jīng)濟性評估。全生命周期內(nèi)充電站的投入包括前期建設投資和日常運營投資,收益在不考慮增值的情況下,主要包括用戶充電服務費收益、政府補貼和設備報廢回收收益等。

        3.1 建設與運營投資模型

        充電基礎(chǔ)設施建設投資成本Cic包括充電設施及設備購置成本Cep、安裝工程成本Cin和其他成本Cot。其相應計算如式(1):

        其中,設施及設備購置成本Cep是與充電相關(guān)的所有設備購置費,包括充電樁體、通信系統(tǒng)、配電設備、調(diào)度設備等;安裝工程成本Cin主要包括配電系統(tǒng)、消防設施和雨棚、站內(nèi)調(diào)度亭和基礎(chǔ)配套的建設與安裝投入成本;其他成本Cot是指充電站施工設計、技術(shù)服務、管理、驗收監(jiān)測等費用。

        日常運營投資Cop主要包括充電樁土地租金Cso、站點管理與調(diào)度成本Cman、設備維護成本Ceq、充電電量損耗成本Clo、納稅成本Ctax和其他日常運營成本Cel。

        其中土地租金成本因站點選址不同將會產(chǎn)生較大差異,而為提升充電樁利用率和充電便利性,運營商傾向于選址交通流較為密集的區(qū)域布站[6]。而交通熱點區(qū)域由于用地緊張且價格浮動較大,土地租金較難準確預估,本文依據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù),選取建有38個充電樁的充電站年土地租金為28萬元/年。站點管理與調(diào)度成本主要為人工成本,為車主提供良好充電服務;設備維護成本包括常規(guī)維護和意外維護成本,由于意外維護存在偶然性,因此將總維護成本分攤到每一年,扣除第1年設備保修期外,假設第2年維護成本為設備購置成本的6%,今后每年以遞增5%預估;電量損耗成本以充電量的10%計算;納稅成本按充電服務費3%計算;其他日常運營成本主要包括調(diào)度亭水電費、站點宣傳支出等費用,以設備購置成本的5%進行計算。

        由于充電站運營及使用周期較長,在充電樁全生命周期經(jīng)濟性計算時,需考慮通貨膨脹對總成本的影響,本文假設折現(xiàn)率r為8%[7]。因此未來n年日常運營成本的凈現(xiàn)值如式(2)所示,根據(jù)計算得到某充電站投入情況如表2所示。

        表2 某充電站投入情況

        根據(jù)充電樁利用率和充電情況,得到運營商需承擔的電量損耗如圖1所示。

        圖1 充電樁利用率與電量損耗關(guān)系

        3.2 充電站運營收益模型

        由于目前充電基礎(chǔ)設施增值收益模式和方法尚不明確,因此運營商仍主要以收取用戶充電服務費和政府補貼獲取收益。其中海南省為加快充電樁建設并確保良好充電服務,因此分別給予充電基礎(chǔ)設施建設補貼和運營補貼,建設補貼中,規(guī)定2020 年前建設的充電樁以每千瓦200 元予以補貼,上限不超過設備投資的15%;2021~2025 年建設的充電樁以每千瓦100 元予以補貼,上限不超過設備投資的10%;運營補貼中,2020 年前給予度電0.2 元補貼,2021~2025 年度電以0.1 元補貼,且年補貼上限不高于每千瓦200 元[8]。因此充電基礎(chǔ)設施獲得的政府補貼與充電樁利用率和充電量密切相關(guān),其關(guān)系如圖2 所示。

        圖2 充電基礎(chǔ)設施補貼關(guān)系

        基于政府財政補貼和充電樁服務費收益情況,得到充電基礎(chǔ)設施運營收益,如式(3)所示。

        式中,Pop為運營收益凈現(xiàn)值;Pse,n為第n年用戶充電的總服務費收益;Psu,n為第n年政府財政補貼。

        3.3 充電設施殘值收益

        由于充電站點調(diào)度亭的殘值收益較難預估,因此只考慮充電基礎(chǔ)設施及設備報廢回收的殘值收益。充電站使用壽命一般可以達到7~9年,由于海南省屬于高溫、高濕、高鹽霧和多雨的“三高一多”氣候,對充電設備內(nèi)部器件的腐蝕較為嚴重,因此海南省充電基礎(chǔ)設施使用壽命普遍偏低,本文選取海南省充電設施使命壽命為6年。

        假設站內(nèi)所有充電基礎(chǔ)設施統(tǒng)一報廢回收,設備回收時收益的凈現(xiàn)值為設備及其配套購置成本的5%,則得到的殘值收益如式(4)所示。

        式中,Pre,n為設備在第n年報廢后回收的凈現(xiàn)值。

        4 全生命周期經(jīng)濟性分析模型

        以海南省某充電站2020年建設的充電樁為例,分析充電基礎(chǔ)設施經(jīng)濟性情況。首先假定充電樁服務費為0.75 元/kW·h,且每年服務費暫不變化。針對充電基礎(chǔ)設施特點,選取經(jīng)濟性評價指標為投資回報期和平準化充電成本及收益。

        其中,投資回報期是設備投資過程中,投入成本與盈利實現(xiàn)收支平衡的時間點。期間投資成本與運營收益相當,其計算公式如式(5)所示[9]。

        在評估充電基礎(chǔ)設施全生命周期經(jīng)濟性時,對于投資規(guī)模不同的運營商,投資回報期不足以全面展示充電基礎(chǔ)設施的盈利能力,而平準化充電成本和收益是設備全生命周期內(nèi)平均每單位用電量成本c和收益r,可表示為式(6)和式(7)。

        式中,En為充電基礎(chǔ)設施在第n年的總售電量。因此,結(jié)合充電樁利用率,得到充電基礎(chǔ)設施日均充電量、經(jīng)營年份及收益關(guān)系,經(jīng)濟性圖如圖3所示。

        圖3 充電設施運營經(jīng)濟性

        根據(jù)分析結(jié)果可以看出,若確保此充電站在2 年內(nèi)實現(xiàn)盈利,在確保所有充電樁正常工作情況下,每個充電樁日均供電量需不低于208 kW·h,若實現(xiàn)3年內(nèi)盈利,每個充電樁日均供電量應高于176.3 kW·h。

        考慮到用戶充電習慣,多選擇在新能源汽車電池電量下降至30%以下開始充電,同時綜合充電效率和充電安全等因素,快充情況下多在電池電量達到95%左右時斷開充電,因此以載有60 kW·h動力電池的車輛為例,平均單車每次充電電量約為32 kW·h[10]。因此,為確保充電站經(jīng)營2年開始實現(xiàn)盈利,單樁日均需服務純電動乘用車6.5輛,若3年內(nèi)實現(xiàn)盈利,單樁日均服務車輛5.6輛。

        同理,對于功率為120 kW的直流充電樁,若期望2年內(nèi)開始實現(xiàn)盈利,每個充電樁日均供電量應達到272 kW·h,即日均服務純電動乘用車8.3輛;若3年開始盈利,每個充電樁日均供電量應達到220 kW·h,日均服務車輛需多于6.8輛。

        運營商在規(guī)劃和建設充電站時,不但需要綜合考慮充電設施全生命周期經(jīng)濟性,同時還需要考慮用戶充電效率和便利性。根據(jù)分析,120 kW充電樁在3年回本周期內(nèi),每天服務車輛需比60 kW 充電樁多1 輛車,但具有較高充電效率,充電高峰期可極大節(jié)約用戶充電時間,同時服務更多車輛。因此,運營商在規(guī)劃充電站時,應基于各功率充電基礎(chǔ)設施的經(jīng)濟性,綜合考慮用戶里程焦慮和等待成本,合理規(guī)劃充電基礎(chǔ)設施功率,提供高質(zhì)量充電服務。

        5 結(jié)論

        本文基于海南省未來各領(lǐng)域新能源汽車保有量,測算了2025年充電服務市場,預期未來充電市場空間廣闊。進一步基于全生命周期分析方法,以海南省某充電站為例,根據(jù)充電基礎(chǔ)設施建設和運營投資成本、運營收益、殘值收益等,搭建了全生命周期經(jīng)濟性測算模型,并對功率為60 kW和120 kW的直流快充樁進行經(jīng)濟性測算。通過分析,得到60 kW和120 kW直流充電樁分別在2年和3年內(nèi)實現(xiàn)盈利需服務純電動乘用車的數(shù)量,為政府和企業(yè)規(guī)劃充電樁功率和數(shù)量提供數(shù)據(jù)和理論支撐,從而在確保運營商可實現(xiàn)盈利情況下建設與新能源汽車推廣高度契合的充電基礎(chǔ)設施數(shù)量,助力充電市場可持續(xù)發(fā)展。

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