于溫方 闞中盛 時雨 辛昊闊 李昊

(國網(wǎng)吉林經(jīng)研院，吉林 長春 130000)

引言

隨著材料技術(shù)的創(chuàng)新和新能源發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，以電化學儲能為主的新型儲能技術(shù)得到了快速發(fā)展。電化學儲能具有響應速度快、發(fā)用電時移特性顯著等優(yōu)點，有利于電網(wǎng)調(diào)節(jié)。移動式儲能作為電化學儲能的創(chuàng)新應用形式，更具有空間可變的特點，對于臨時性、周期性優(yōu)化局部電網(wǎng)供需平衡具有重要作用。近年來，國內(nèi)外圍繞移動式電化學儲能開展了較為深入的研究和探索應用。李建林等[1]梳理了移動式儲能技術(shù)研究路線，對比了不同類型儲能系統(tǒng)的技術(shù)指標，總結(jié)了現(xiàn)有移動式儲能系統(tǒng)智能調(diào)度技術(shù)。張璐等[2]、王鈺山等[3]結(jié)合臺風災害對于配電網(wǎng)的影響，建立了移動儲能的優(yōu)化配置策略；其中，張璐等[2]建立了考慮臺風與暴雨的數(shù)據(jù)-機理聯(lián)合驅(qū)動的臺風下配電網(wǎng)故障率模型，以移動儲能容量為決策變量，構(gòu)建配電網(wǎng)經(jīng)濟性和恢復力均衡模型；王鈺山等[3]基于線路故障時空特性概率矩陣確定脆弱線路，提出了利用魯棒優(yōu)化尋找概率場景下移動儲能最優(yōu)配置與運行策略。李建林等[4]、李永剛等[5]針對移動式儲能的調(diào)度控制開展了總結(jié)和創(chuàng)新研究；其中，李永剛等[5]建立了包含配電網(wǎng)負荷峰谷差、新能源利用率、配電網(wǎng)運行成本的多目標模型，利用改進蝙蝠算法求解得到多類型移動儲能協(xié)同調(diào)度策略。宮川等[6]以經(jīng)濟效益最大為目標，利用改進遺傳算法分析了移動儲能的經(jīng)濟效益。黃博文等[7-9]創(chuàng)新打造移動儲能車，用于用戶側(cè)應急備用供電、電能質(zhì)量治理等場景。綜上，國內(nèi)外針對移動式儲能開展了一系列研究，然而相關(guān)研究側(cè)重于調(diào)度控制和配電網(wǎng)狀態(tài)改善，較少涉及農(nóng)村電網(wǎng)應用場景，對于農(nóng)網(wǎng)應用移動儲能的必要性和可行性論證較少。

1 吉林省農(nóng)網(wǎng)移動儲能應用基礎分析

1.1 不同類型電池技術(shù)特性分析

目前技術(shù)上相對成熟的電池類型主要包括磷酸鐵鋰電池、鈉離子電池、鈦酸鋰電池和鉛酸(炭)電池，各電池類型的參數(shù)性能對比如表1所示。

1.1.1 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池是一種使用磷酸鐵鋰作為正極材料，碳作為負極材料的鋰離子電池。磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長、安全性能好、自放電率小、無記憶效應的優(yōu)點。

1.1.2 鈉離子電池

鈉離子電池是一種二次電池(充電電池)，主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作，與鋰離子電池工作原理相似。鈉離子電池使用的電極材料主要是鈉鹽，相較于鋰鹽而言儲量更豐富，價格更低廉。由于鈉離子比鋰離子更大，所以當對重量和能量密度要求不高時，鈉離子電池是一種經(jīng)濟的替代品。

1.1.3 鈦酸鋰電池

鈦酸鋰電池是一種用鈦酸鋰作為電池負極材料的鋰電池。由于鈦酸鋰具有高安全性、高穩(wěn)定性、長壽命和綠色環(huán)保的特點，具備較廣闊的應用前景。

1.1.4 鉛酸(炭)電池

鉛酸(炭)電池是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。而鉛炭電池是一種電容型鉛酸電池，從傳統(tǒng)的鉛酸電池演進而來。鉛炭電池具有與傳統(tǒng)鉛酸電池相近的低廉價格優(yōu)勢及成熟的工業(yè)制造基礎，應用廣泛。

1.2 農(nóng)村電網(wǎng)應用移動儲能的必要性分析

近年來，隨著鄉(xiāng)村振興事業(yè)的穩(wěn)步推進，農(nóng)業(yè)農(nóng)村電能替代規(guī)模得到了顯著提升，分布式光伏、農(nóng)村綜合能源逐漸由城市向鄉(xiāng)村延伸。然而，農(nóng)村電網(wǎng)具有網(wǎng)架薄弱、季節(jié)性強、智能化水平低等缺點，農(nóng)村電網(wǎng)存在應用移動式儲能的必要性，具體表現(xiàn)為以下3方面。

表1 不同類型電池參數(shù)性能對比[10]

1.2.1 需要應對負荷急劇升高的情形

農(nóng)村電網(wǎng)一般較為薄弱，在季節(jié)性、節(jié)假日負荷急劇升高的情形下，往往會引起供需緊張的問題。然而，采用傳統(tǒng)的配電擴容建設模式，會增加不必要的固定資產(chǎn)投資，降低社會經(jīng)濟效益；在負荷率較低時，增加電力損耗，有悖于節(jié)能降耗的能源發(fā)展趨勢。

1.2.2 需要優(yōu)化農(nóng)村電網(wǎng)運行狀態(tài)

相較于城鎮(zhèn)電網(wǎng)，農(nóng)村電網(wǎng)的供電可靠率相對較低，難以有效應對突發(fā)停電、保證用戶持續(xù)可靠供電。同時，由于農(nóng)村電網(wǎng)線路普遍較長、用電負荷不集中，電能質(zhì)量、三相不平衡、電壓合格率等問題突出。存在提高電能質(zhì)量，靈活性應對突發(fā)停電的電力供應需求。

1.2.3 需要適應鄉(xiāng)村綠色電氣化發(fā)展

農(nóng)村具有可利用土地多、建設成本低等優(yōu)點，近年來，以農(nóng)村電網(wǎng)為載體的分布式光伏和綜合能源項目規(guī)模得到了快速增長。隨著可再生能源和節(jié)能降耗設備的進一步推廣應用，農(nóng)村電網(wǎng)的自給自足能力、節(jié)能降耗水平、清潔能源滲透率等相關(guān)指標存在進一步提升的需求。

1.3 實施農(nóng)網(wǎng)移動儲能的比較優(yōu)勢

1.3.1 吉林電網(wǎng)服務“井井通電”建設情況

近年來，吉林省農(nóng)機裝備總量持續(xù)增長，農(nóng)機作業(yè)水平快速提高。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已從主要依靠人力畜力轉(zhuǎn)向主要依靠機械動力，進入了機械化為主導的新階段。吉林省全省有效灌溉面積2020年為1934.1千hm2，其中，機電灌溉面積1236.2千hm2。為服務農(nóng)田排灌需求，已有9.3萬眼柴油機井完成通電改造，42.92萬hm2農(nóng)田灌溉模式發(fā)生改變，受益人群遍布吉林省白城、松原、四平、長春4個地區(qū)17個縣(市、區(qū))的1681個行政村，59.27萬戶農(nóng)民不再為澆地用水發(fā)愁，告別靠天吃飯的日子。

自吉林省西部地區(qū)推廣膜下滴灌技術(shù)以后，原有的柴油機井暴露出了動力不穩(wěn)等問題，灌溉機井“柴改電”需求日益凸顯。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2016年以來，吉林省“井井通電”工程共新建及改造66kV變電站36座，66kV線路420km，新增變電容量160.9MVA；新建及改造10kV線路18305.66km，新增配電變壓器19098臺；新建0.4kV線路26999km，總計新增配電容量151.94萬kVA，工程總投資52.93億元[11]。

按相關(guān)數(shù)據(jù)測算，預計仍有15萬眼以上的電機井推廣空間，而采取以往“井井通電”建設模式，投資規(guī)模將超過80億元。而傳統(tǒng)模式下的增容改造，僅僅緩解了生產(chǎn)用電負荷高峰問題，沒有實質(zhì)性推動農(nóng)村電網(wǎng)向智能化、低損耗方向發(fā)展。

1.3.2 農(nóng)村電網(wǎng)應用移動儲能的可行性分析

隨著電網(wǎng)接入新能源發(fā)電的占比不斷增高，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性將面臨挑戰(zhàn)。動力電池隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其功率密度和能量密度得到了顯著提升，面向電力系統(tǒng)應用的電化學儲能技術(shù)性能和經(jīng)濟效益均得到了較大進步。目前，多地電力公司已經(jīng)開始研發(fā)或使用移動式儲能設備并投入使用。移動儲能可將電力生產(chǎn)和消費在時間上進行解耦，使傳統(tǒng)實時平衡的“剛性”電力系統(tǒng)變得“柔性”，從而解決新能源發(fā)電和負荷用電時空不匹配的問題，助力新能源消納。

將農(nóng)村電網(wǎng)與移動儲能進行有機融合，可以探索形成“農(nóng)忙電力賦能”、“農(nóng)閑分布式儲能”的可行方案，其示意圖如圖1所示。

圖1 電動農(nóng)機與分布式儲能綜合應用示意圖

農(nóng)忙電力賦能。為減少不必要的配電增容，將移動儲能應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或周期性用電高峰時期，可以探索打造具有統(tǒng)一標準的農(nóng)機電池箱，通過靈活性拆卸，實現(xiàn)動力電池賦能不同類型的農(nóng)業(yè)機械；還可以探索形成可移動的儲能系統(tǒng)，滿足多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景，如機井灌溉、農(nóng)產(chǎn)品加工制作等。

農(nóng)閑分布式儲能。在非用電高峰時期，可以充分利用移動儲能的功率控制和能量搬移功能，以及調(diào)度響應快、配置靈活、控制精準、環(huán)境友好等特點，使其高效參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務。通過分布式儲能消納富余可再生能源出力，以“低充高發(fā)”降低電網(wǎng)負荷峰谷差，提高農(nóng)村電網(wǎng)電力調(diào)節(jié)的靈活性，提升移動儲能經(jīng)濟效益。

2 吉林省農(nóng)網(wǎng)移動儲能技術(shù)路線及商業(yè)模式分析

2.1 基于“循環(huán)利用”的農(nóng)網(wǎng)移動儲能技術(shù)路線分析

農(nóng)網(wǎng)移動儲能可分為農(nóng)閑和農(nóng)忙2個時期。在農(nóng)閑時期，電池全部應用于分布式儲能站進行集中充放電。在農(nóng)忙時期，電池放置于農(nóng)機設施的標準化電池箱中，由用戶自行充電。儲能系統(tǒng)的收益來源分為農(nóng)業(yè)應用與儲能2部分，農(nóng)閑時分布式儲能通過在購售電價差等模式獲得收益,在農(nóng)忙時同樣按購售電價差利潤對農(nóng)業(yè)用戶收取服務費。

2.2 農(nóng)網(wǎng)移動儲能多方案經(jīng)濟性對比

經(jīng)過對市場上常見的幾種動力電池進行綜合分析，對磷酸鐵鋰電池、鈉離子電池、鈦酸鋰電池、鉛酸(炭)電池等多種電池應用于儲能及農(nóng)網(wǎng)移動儲能方案開展經(jīng)濟測算。測算中以儲能建設初始投資上下浮動與已了解到的電池充放電次數(shù)期望作為變量范圍，得到在其壽命周期內(nèi)可以收回成本的儲能購售電價差。測算邊界條件如表2所示。

表2 磷酸鐵鋰電池測算邊界條件

2.2.1 磷酸鐵鋰電池方案

考慮該類型移動儲能單位成本為2000元·kWh-1，理論充放電次數(shù)4000次，則可得到不同造價和總充放電次數(shù)下需保證的購售電價差情況如表3所示。磷酸鐵鋰儲能存在2方面特征：在相同的初始投資下，理論充放電次數(shù)越高，項目經(jīng)濟效益越好，當磷酸鐵鋰電池的初始投資在2000元·kWh-1時，隨著理論充放電次數(shù)的增加，為保證電池壽命周期內(nèi)回收成本，購售電差需從0.838元·kWh-1水平逐漸降低至0.651元·kWh-1；在常規(guī)造價和充放電次數(shù)下，保證項目回收的購售電價差仍處于較高水平，當儲能的初始投資在1600～2000元·kWh-1，全壽命周期內(nèi)充放電次數(shù)在4000～3000次區(qū)間時，項目回收所需的購售電價差為0.494～0.838元·kWh-1，仍處于較高水平。

表3 不同造價和總充放電次數(shù)下需保證的購售電價差情況(磷酸鐵鋰)

2.2.2 鈉離子電池方案

考慮該類型移動儲能單位成本為1500元·kWh-1，理論充放電次數(shù)3000次，則可得到不同造價和總充放電次數(shù)下需保證的購售電價差情況如表4所示。鈉離子儲能雖然初始投資不高，但循環(huán)次數(shù)較低，從而導致2方面特征。鈉離子儲能的經(jīng)濟效益略優(yōu)于磷酸鐵鋰。按照相關(guān)文獻資料和網(wǎng)絡報道，鈉離子電芯相較于磷酸鐵鋰約降低20%～30%的購置成本，從而一定程度上降低了項目的初始投資；由于鈉離子電池總充放電次數(shù)較低，在相同年充放電次數(shù)的條件下，鈉離子電池的回收周期較短，項目收益率相對較高。鈉離子儲能的經(jīng)濟效益依賴于總充放電次數(shù)的提升。從當前鈉離子儲能技術(shù)來看，其總充電次數(shù)仍處于較低水平，即項目的初始投資在1200～1500元·kWh-1，全壽命周期內(nèi)充放電次數(shù)在3000～2000次區(qū)間時，項目回收所需的購售電價差為0.432～0.846元·kWh-1，仍處于較高水平。隨著電池性能和技術(shù)的進一步提升，以及鈉離子電池總充放電次數(shù)的提高，相關(guān)項目的經(jīng)濟效益將顯著提升。

2.2.3 鈦酸鋰電池方案

考慮該類型移動儲能單位成本為8000元·kWh-1，理論充放電次數(shù)20000次，則可得到不同造價和總充放電次數(shù)下需保證的購售電價差情況如表5所示。鈦酸鋰儲能雖然總充放電次數(shù)高，但由于初始投資較高，項目回收期較長，從而導致項目整體經(jīng)濟效益不佳。鈦酸鋰儲能較高的初始投資是影響項目經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。經(jīng)過文獻調(diào)研和廠家詢價，鈦酸鋰儲能的初始投資約為磷酸鐵鋰儲能的5倍左右，而且鈦礦資源相對緊缺，當前市場價格下降空間有限，總體導致項目的初始投資處于高位，經(jīng)濟效益較差；從當前測算邊界來看，項目的初始投資在6400～8000元·kWh-1，全壽命周期內(nèi)充放電次數(shù)在20000～15000次區(qū)間時，項目回收所需的購售電價差為0.788～1.150元·kWh-1。鈦酸鋰儲能充放電次數(shù)的變化對項目收益影響不大?？紤]到儲能年充放電次數(shù)有限，以及鈦酸鋰儲能具有總充放電次數(shù)較高的優(yōu)勢，但該優(yōu)勢僅有利于項目的運行時長，而考慮到資金折現(xiàn)等因素，遠期的項目收益對項目整體經(jīng)濟效益影響不大，加之，鈦酸鋰儲能初始投資過高，導致該類型儲能充放電次數(shù)的變化對于項目收益影響不大。

表4 不同造價和總充放電次數(shù)下需保證的購售電價差情況(鈉離子)

2.2.4 鉛酸(炭)電池方案

考慮該類型移動儲能單位成本為1000元·kWh-1，理論充放電次數(shù)1000次，則可得到不同造價和總充放電次數(shù)下需保證的購售電價差情況如表6所示。鉛酸(炭)儲能雖然初始投資不高，但由于總充放電次數(shù)過低，從而導致項目整體經(jīng)濟效益較差。從當前測算邊界來看，項目的初始投資在800～1000元·kWh-1，全壽命周期內(nèi)充放電次數(shù)在1000～800次區(qū)間時，項目回收所需的購售電價差為0.641～1.147元·kWh-1。相較于前述各類儲能，鉛酸(炭)儲能的優(yōu)勢僅在于初始投資較低，但經(jīng)濟效益相對較差。

表5 不同造價和總充放電次數(shù)下需保證的購售電價差情況(鈦酸鋰)

表6 不同造價和總充放電次數(shù)下需保證的購售電價差情況(鉛酸/炭)

2.2.5 小結(jié)

經(jīng)過測算得知，以上4種電池選型中，鈦酸鋰電池所需的初始投資最高，其次是磷酸鐵鋰電池和鈉離子電池，鉛酸(炭)電池初始投資相對較低。從購售電價差要求看，要使得壽命期內(nèi)收回投資，4種電池所需的購售電價差從低到高分別是鈉離子電池、磷酸鐵鋰電池、鉛酸(炭)電池，最后是鈦酸鋰電池。從安全性上看，磷酸鐵鋰與鉛酸(炭)電池已有較為廣泛的應用，但存在熱失控、環(huán)境污染等問題，鈦酸鋰電池與鈉離子電池作為新技術(shù)，雖然應用較少，但其安全性最好。需特別指出的是，由于鈦酸鋰電池標稱充放電次數(shù)大，即預期壽命較長，如果通過融資租賃等手段降低其初始投資的壓力，則該種電池類型將具有更為可觀的應用前景。

表7 各類電池經(jīng)濟效益及安全性對比表

3 吉林省農(nóng)網(wǎng)移動儲能實施方案

目前，吉林省內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電氣化正處于研究開發(fā)階段，在這個階段，電能替代的應用將主要集中在社會關(guān)注度較高，降低能耗、減少碳排放需求突出的領域。由于圍繞農(nóng)網(wǎng)分布式儲能應用，客戶認知度不高，商業(yè)模式仍處于初步階段。在此階段，相應的市場需求難以自發(fā)形成，需要通過多方主體進行宣傳、引導和補貼，共同激發(fā)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)撃堋?/p>

3.1 適宜推廣的商業(yè)模式

可采用合同能源管理的模式與用戶開展合作，本節(jié)以能源托管和融資租賃2種模式，分析農(nóng)網(wǎng)移動儲能的典型商業(yè)模式。

3.1.1 能源費用托管模式

用戶委托A公司出資進行能源系統(tǒng)的節(jié)能改造和運行管理，并按照雙方約定將該能源系統(tǒng)的能源費用交由A公司管理，系統(tǒng)節(jié)約的能源費用歸A公司所有。項目合同結(jié)束后，A公司改造的節(jié)能設備無償移交給用戶使用，以后所產(chǎn)生的節(jié)能收益全歸用戶。

3.1.2 融資租賃模式

C公司投資建設農(nóng)網(wǎng)分布式儲能，由B公司租賃儲能設施并負責運營維護，終端用戶向B公司支付租金或使用費用。其中，B公司也負責對農(nóng)網(wǎng)分布式儲能進行改造，并在合同期內(nèi)對節(jié)能量進行測量驗證，擔保節(jié)能效果。項目合同結(jié)束后，農(nóng)網(wǎng)分布式儲能設備無償移交給用戶使用，以后所產(chǎn)生的節(jié)能收益全歸用戶所有。

可以通過上述合同能源管理模式，由社會企業(yè)承擔設施的初始投資或租賃費用，從而減輕用戶的經(jīng)濟壓力，激發(fā)用戶應用移動儲能的熱情，從而推動農(nóng)網(wǎng)分布式儲能項目的商業(yè)化發(fā)展。

3.2 生態(tài)圈的相關(guān)主體

圍繞農(nóng)網(wǎng)移動儲能構(gòu)建健康、有序發(fā)展的生態(tài)圈，相關(guān)主體主要包括政府、投資運營企業(yè)和農(nóng)業(yè)農(nóng)村合作社。其中，政府在市場發(fā)展初期的主要職責是大力宣傳、制定政策引導農(nóng)網(wǎng)移動儲能項目的實施，促進項目的各方參與者在實施過程中均能夠獲取收益。投資運營企業(yè)主要負責設備采購、項目建設和運營服務，積極響應政府相關(guān)政策，不斷積累農(nóng)網(wǎng)移動儲能在推廣應用中的技術(shù)和管理問題，推動設備廠商的產(chǎn)品更迭，促進政府在該領域的政策優(yōu)化。農(nóng)業(yè)農(nóng)村合作社是農(nóng)網(wǎng)移動儲能的倡導者和使用者，對農(nóng)網(wǎng)移動儲能產(chǎn)品“先試先行”，積累豐富使用經(jīng)驗，并科學引導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者租賃、使用；為農(nóng)網(wǎng)移動儲能設備存放和運輸提供有利條件，保證其安全穩(wěn)定運行。

3.3 有力的政策支持

農(nóng)網(wǎng)移動儲能的初始投資較高，而農(nóng)業(yè)農(nóng)村合作社或農(nóng)民的收入較低，對儲能設備的高成本耐受度較差。因此，農(nóng)網(wǎng)移動儲能發(fā)展初始階段需要政府的大力支持，設置農(nóng)網(wǎng)移動儲能的購置專項補貼，降低農(nóng)網(wǎng)移動儲能購置成本。同時，針對于農(nóng)網(wǎng)移動儲能的分布式儲能應用，提供電價政策支持，保障該類設施優(yōu)先存儲富余可再生能源，以及在電網(wǎng)負荷高峰時優(yōu)先向電網(wǎng)送電。隨著動力電池成本的逐漸降低，在相關(guān)市場規(guī)模成熟后，設備購置補貼和電價優(yōu)惠政策可適度退坡。

4 總結(jié)與展望

本文從農(nóng)村電網(wǎng)角度分析了農(nóng)網(wǎng)移動儲能的技術(shù)路線，比對了不同電池類型的項目經(jīng)濟效益。得出鈦酸鋰電池、鈉離子電池的安全性最好，不存在熱失控、環(huán)境污染等問題?？紤]到鈦酸鋰電池的充放電次數(shù)大、初始投資高等特點，建議通過融資租賃等手段降低投資壓力，釋放其推廣應用的潛力。同時，考慮到農(nóng)網(wǎng)移動儲能市場需求難以自發(fā)形成，建議通過多方主體進行宣傳、引導和補貼，以適宜的商業(yè)模式、穩(wěn)定的生態(tài)圈和有力的政策支持，共同推進該產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電氣化水平提升。