废弃煤炭井巷抽水储能的全生命周期成本研究

姚西龙，葛帅帅，郭 枝，栗继祖，韩云菲，刘 昕，AHMED Dulal，TACHEGA Mark Awe

(太原理工大学经济管理学院，山西 太原 030024)

废弃煤炭井巷抽水储能系统是在目前成熟的抽水储能技术、废弃煤炭井巷改造利用技术及多能互补技术基础上发展起来的，是风光水火等多种能源协同发展的一种储能系统[1-2]。废弃煤炭井巷抽水储能系统的开发不仅有利于废弃煤炭井巷治理及“弃风”“弃光”“弃水”等诸多问题的解决，而且也有利于煤炭资源型地区由单一的煤炭产业发展基地向多能协同发展基地的转变，推动煤炭资源型地区的能源革命。废弃煤炭井巷抽水储能的成本是影响该项技术推广的重要因素。因此，本文利用全生命周期成本分析的方法，以大柳塔煤矿地下水库为基础，建立了废弃煤炭井巷抽水储能的技术参数体系；通过与传统抽水储能电站进行对比，分析废弃煤炭井巷抽水储能的全生命周期经济成本和环境成本；利用敏感性分析，得出各影响因素对平准化发电成本的影响程度，并在此基础上，提出废弃煤炭井巷抽水储能的发展建议。

1 研究现状

从现有文献的结论来看，废弃煤炭井巷抽水储能具有一定的技术可行性和经济可行性。一方面，TAM等[3]和MICKEVICIUS等[4]从不同的角度论证了地下抽水储能技术和地下压缩空气储能技术的可行性；WINDE等[5]进一步探讨了南非远西兰德金矿田深层金矿用于地下抽水水力发电储能(UPHES)的可行性；BODEUX等[6]对地下水与循环充填和空腔的相互作用进行了数值研究，证明地下抽水储能的风险可控的。另一方面，PICKARD等[7]对地下井巷抽水储能的成本进行分析，研究表明装机容量为1 GW，有效高度为630 m的地下抽水储能电站的单位储能成本为85美元/(kW·h)，该成本在美国可再生能源发电成本范围之内，具有经济可行性；MADLENER等[8]对废弃煤炭井巷抽水储能的经济可行性进行了深入研究，研究成果表明随着井巷深度的增加，废弃煤炭井巷抽水储能的成本会显著下降，下水库扩建的成本在废弃煤炭井巷抽水储能总成本中比例较高。

此外，我国学者对废弃煤炭井巷抽水储能的可行性也进行了大量的研究，谢和平院士团队[9]总结了国内外废弃煤炭井巷抽水储能技术研究进展，论证了中国煤炭资源型地区充分利用废弃煤炭井巷发展抽水储能的潜在社会价值及可行性，在顾大钊院士[10]的矿井水井下储存利用的新理念及实践的基础上，提出了解决西部缺水地区的煤矿地下水库、矿井水循环利用与抽水储能发电一体化技术构想，使得废弃煤炭井巷抽水储能技术更加具有推广价值[11]，通过对内蒙古地区现有储层的采空区潜力分析，发现该地下系统的平均系统效率可以达到82.8%，进一步论证了利用废弃煤炭采空区进行抽水储能的可行性[12]。

本文重点关注的废弃煤炭井巷抽水储能效益研究而言，目前国内外相关文献并不多见。郭枝等[13]从经济、环境与社会角度出发，将废弃煤炭井巷抽水储能与传统抽水储能的效益进行了对比，发现社会效益偏好下的废弃煤炭井巷抽水储能的整体效益大于传统抽水储能电站，经济效益或环境效益偏好下的废弃煤炭井巷抽水储能电站的整体效益均小于传统抽水储能电站；葛帅帅等[14]利用结构路径分析模型分析了废弃煤炭井巷对山西省二氧化碳减排的作用，研究结果表明废弃煤炭井巷抽水储能会显著地降低二氧化碳排放，并通过火电、煤炭采选以及燃气的生产和供应等传统的高碳能源行业对二氧化碳造成影响。

以上的研究成果充分论证了废弃煤炭井巷抽水储能的可行性和实际价值，为废弃煤炭井巷抽水储能的后续研究奠定了基础。但是，由于废弃煤炭井巷抽水储能项目仍处于开发论证阶段，无法根据实际情况评估中国废弃煤炭井巷抽水储能的成本。为了解决这一问题，本文根据中国尤其是全生命周期成本的预测进行了研究。在大柳塔煤矿地下水库项目基础上，结合废弃煤炭井巷抽水储能的设计方案，提出中国废弃煤炭井巷抽水储能全生命周期的核算体系，并测算废弃煤炭井巷抽水储能的全生命周期成本。

2 研究方法及数据处理

2.1 方法与模型

从生命周期角度构建废弃煤炭井巷抽水储能的成本分析模型，研究边界为煤炭开采过后的废弃井巷至电站运行结束。其中，废弃煤炭井巷抽水储能全生命周期成本包括经济成本和环境成本，在度量废弃煤炭井巷抽水储能的环境成本时，将废弃煤炭井巷抽水储能的生命周期分为原材料生产阶段、抽水储能电站建设阶段、运行阶段和退役阶段(图1)，废弃煤炭井巷抽水储能的全生命周期经济成本包括投资成本、设备更换成本、运行维修成本及回收价值等。其中，投资成本包括上下水库的建设成本(土石开挖、土石回填和筑坝工程等)、能量转换成本和辅助设施成本等[8]。与传统抽水储能的相比，废弃煤炭井巷抽水储能利用现有的采空区建设水池，可以减少土石开挖和土石回填成本。但是，由于废弃煤炭井巷抽水储能设施在地表以下，施工难度大于传统抽水储能电站。在设备更换成本方面，若废弃煤炭井巷抽水储能设备的生命周期短于该电站的实际运行期限，则在项目周期内需要对部分设备进行更换，由此产生的成本为设备更换成本。运行维修成本指项目竣工后每年需要的各种经常性费用，包括材料费、燃料费、人工费和福利费等[15]。在回收价值方面，项目运行结束后，部分固定资产可以进行回收，产生的价值为回收价值。

图1 废弃煤炭井巷抽水储能的生命周期图Fig.1 Life cycle diagram of pumped energy storage inabandoned coal mine pits

基于以上成本构成要素，可得出废弃煤炭井巷抽水储能的平准化发电成本(LCOE)。平准化发电成本为收入的净现值等于成本净现值[16]，见式(1)。

(1)

式中：LCC为生命周期经济成本；CRF为资金回收系数；E为电站年发电量；i为折现率；N为项目运行年限。

SMALLBONE[17]的研究成果表明平准化储能成本更能直接反映储能过程中的成本变化，平准化储能成本(LCOS)计算见式(2)。

(2)

式中：PE为购电成本；η为发电过程中的能量转换效率。

作为可再生能源，抽水储能在发电过程中基本是零污染物排放。然而，考虑到全生命周期后，原材料的生产过程及电站的建设过程会产生大量污染物，本文选取CO2、SO2、NOX和粉尘作为衡量抽水储能电站的环境成本的污染物，并通过以上污染物的影子价格衡量污染物排放的环境成本，污染物的影子价格见表1。

2.2 数据处理

大柳塔煤矿位于陕西省榆林市神木县，该煤矿的1号水库正在使用，储水量为336.2万m3，4号水库正在建设，1号水库和4号水库的层间距为155 m。本文将1号水库作为地下抽水储能电站的上水库，将在建的4号水库作为地下抽水储能电站的下水库。此外，与1号水库相邻的还有两个较小的水库，三个水库总动态储水量为407.8万m3，这三个水库均通过钻井向4号水库注水。为了更好地实现抽水储能功能，本文假设下水库的库容为407.8万m3，图2是本文构建的废弃煤炭井巷抽水储能电站示意图。

表1 单位大气污染物排放的影子价格Table 1 Shadow price of per unit of air pollutant emission

资料来源：文献[18]

图2 废弃煤炭井巷抽水储能电站示意图Fig.2 Pumped hydro energy storage in abandonedcoal mine pits

参考已有的研究成果，本文结合神东集团大柳塔煤矿现有的地下水库技术，对废弃煤炭井巷抽水储能的参数做设定，见表2。

表2 参数设定依据Table 2 The foundation of parameter setting

3 废弃煤炭井巷抽水储能的全生命周期成本测算

3.1 废弃煤炭井巷抽水储能的全生命周期的经济成本

3.1.1 投资成本

地下水库的建设是废弃煤炭井巷抽水储能系统构建的重要环节。目前，大柳塔煤矿在煤矿采空区建立了地下水库，该地下水库前期规划，煤炭开采前设计好地下水库的坝体。因此，与传统抽水储能电站相比，该地下水库的建设过程中无土石开挖和土石回填阶段。同时，由于该电站位于地下，可以减少占用地上土地而引起的水土保持成本。通过对相关抽水储能电站环境影响报告书进行分析，可知现阶段传统抽水储能电站(1 200 MW)的投资成本约为5 149元/kW，土石开挖、土石回填和水土保持产生的成本约为745元/kW，施工成本约为1 365元/kW。因此，在不考虑施工难度的情况下，同等规模的废弃煤炭井巷抽水储能的投资成本为4 404元/kW。然而本文中电站的装机规模为200 MW，小于传统抽水储能电站。为了消除规模经济带来的投资成本的影响，本文采用了ATILGAN[24]的研究成果，计算公式见式(3)。

(3)

式中：E1为大电站的经济成本或环境影响；E2为小电站的经济成本或环境影响；C1为大电站的装机规模；C2为小电站的装机规模；规模因子为0.6。

根据式(3)，可得出200 MW的传统抽水储能电站的投资成本为10 543元/kW；在不考虑施工难度的情况下200 MW的废弃煤炭井巷抽水储能的投资成本为9 018元/kW。为了更好地分析废弃煤炭井巷抽水储能的投资成本，本文设置了不同情景，见表3。

表3 不同情景下废弃煤炭井巷抽水储能的投资成本Table 3 Investment cost of pumped storage in abandonedcoal mines under different scenarios

其中，在情景1中考虑规模经济但不考虑施工难度时的情景，该情景下的投资成本是利用传统抽水储能的投资成本和式(3)计算而来；情景2和情景3分别表示考虑规模经济下施工难度高于传统抽水储能10%和20%时的情景，这两种情景下的投资成本是在情景1的基础上分别增加10%和20%的施工成本。

3.1.2 运行维修成本及设备更换成本

参考曹飞等[15]的研究成果，传统抽水储能电站在运行期间所产生的修理费、材料费和设备检测费共39元/kW。运行期间需要的员工数为100人，按标准工资5万元/a，福利费40%计算，传统抽水储能电站的运维费用为45元/kW。废弃煤炭井巷抽水储能电站的运行需要同时满足地下水库的功能，得到该项目运行期间需要额外的人工注水费用20元/kW[20]。由此可得，废弃煤炭井巷抽水储能的运行维修成本为65元/kW。研究表明抽水储能由于具有较长的生命周期和较多的充放电次数，在生命周期内不需要更换主要设施。因此，废弃煤炭井巷抽水储能电站设备更换成本为0[25]。

3.1.3 回收价值

在废弃煤炭井巷抽水储能项目运行期结束后，可对部分固定资产进行回收，参考MADLENER等[8]的研究成果，本文假设回收价值为固定资产(除施工成本外的投资成本)的5%。结合表3分析，在考虑规模经济的情景下，可回收部分的价值为444元/kW。

3.1.4 平准化发电成本和平准化储能成本

废弃煤炭井巷抽水储能的电力来源于该地区电力需求低谷期时的剩余电力。因此，假设当地用电低谷期的电力价格作为废弃煤炭井巷抽水储能电站的购电成本。 大柳塔地下水库位于陕西省榆林市，该地区用电低峰期电价为0.163～0.177元/(kW·h)。因此，本文假设废弃煤炭井巷抽水储能电站的购电成本为0.17元/(kW·h)。

基于以上成本构成分析，废弃煤炭井巷抽水储能的平准化发电成本和平准化储能成本见表4。

表4 废弃煤炭井巷抽水储能的平准化发电成本和平准化储能成本Table 4 Levelized cost of electricity generation andlevelized cost of energy storage of pumped storagein abandoned coal mines

3.2 废弃煤炭井巷抽水储能的环境成本分析

在传统抽水储能基础上，充分考虑了废弃煤炭井巷抽水储能的差异性，估算了废弃煤炭井巷抽水储能生命周期各阶段的环境成本。与传统抽水储能电站相比，废弃煤炭井巷抽水储能的建设阶段无土石开挖和土石回填过程。因此，同等规模下，该废弃煤炭井巷抽水储能电站建设阶段的污染物排放量少于传统抽水储能电站。除此之外，两种抽水储能电站的不同之处在于废弃煤炭井巷抽水储能电站需要维持原有的地下水库功能。因此，在运行阶段需要更多的人力，从而产生更多的垃圾和废水。传统抽水储能电站生命周期各阶段的污染物排放来自相关抽水储能电站环境影响报告书，具体见表5。

生产阶段的污染物排放主要指钢材、水泥、电力和铝等原材料的生产产生的排放。由安徽桐城抽水储能电站环境影响报告书(2018)可知，传统抽水储能电站所需钢材35.17 kg/kW，水泥154.76 kg/kW，电力69.628 (kW·h)/kW，铝材料2.64 kg/kW。参考赵建安等[26]研究成果，本文设定了钢材、水泥和铝材料的生产过程中的污染物排放系数，电力生产过程中的污染物排放系数来自Ecoinvent Public数据库。

建设阶段的污染物排放指土石开挖、土石回填、电站相关工程建设和输电建设过程产生的污染物排放。其中，土石开挖和土石回填工程量来自抽水储能电站环境影响评价报告。参考李栋等[27]的研究成果，本文设定了排放系数和电站相关工程建设和输电建设过程中的污染物排放。运行阶段的污染物排放指电站运行过程中所产生的垃圾和废水处理过程中的污染物排放。传统抽水储能电站运行过程中，施工人数为100人，年生活垃圾产生量为50 t，生活废水3 000 m3。生活垃圾的处理方式为垃圾焚烧，生活垃圾和生活废水处理过程中的排放系数来自Ecoinvent Public数据库。回收阶段排放主要来自对剩余部分资产的回收。抽水储能电站期末可回收部分占固定资产的5%，所使用的运输方式为公路运输，平均距离为100 km，公路运输过程中的污染物排放系数参考Ecoinvent Public数据库。综上所述，本文将废弃煤炭井巷抽水储能建设阶段、运行阶段和回收阶段的环境成本进行汇总后，可以估算出废弃煤炭井巷抽水储能各种情景下的污染物排放，结果见表6。

表5 传统抽水储能电站生命周期污染物的排放Table 5 Emission of pollutants of the life cycle oftraditional pumped storage power stations

表6 不同情景下废弃煤炭井巷抽水储能的污染物排放Table 6 Pollutant emissions of energy storage ofpumped storage in abandoned coal minesunder different scenarios

通过污染物的影子价格，本文可以计算废弃煤炭井巷抽水储能的环境成本(影子价格见表1)。由图3可知，不同情景的废弃煤炭井巷抽水储能的环境成本具有较大差异。其中，在考虑规模经济下施工难度高于传统抽水储能10%的情景(情景2)时，废弃煤炭井巷抽水储能的环境成本最大；在考虑规模经济下不考虑施工难度的情景(情景1)时，废弃煤炭井巷抽水储能的环境成本最小。

图3 废弃煤炭井巷抽水储能的环境成本Fig.3 Environmental cost of energy storage ofpumped storage in abandoned coal mines

4 结果讨论及敏感性分析

4.1 结果讨论

本文结合大柳塔水库的现有技术条件对废弃煤炭井巷的全生命周期成本进行分析，所包含的指标有平准化发电成本、平准化储能成本、环境成本和全生命周期成本(表7)。

由表7可知，在情景1、情景2和情景3中，废弃煤炭井巷抽水储能电站平准化发电成本为0.621元/(kW·h)、0.627元/(kW·h)和0.633元/(kW·h)，均大于传统抽水储能电站的平准化发电成本，这个结果表明在装机规模相同的情况下，废弃煤炭井巷抽水储能不具有成本优势。因此，应该发展较大规模的储能电站，利用规模经济来降低平准化发电成本，同时将废弃煤炭井巷抽水储能的施工难度控制在传统抽水储能的26.7%以内。

目前，传统抽水储能电站的平准化储能成本为0.225元/(kW·h)，该结果表明在峰谷差价大于0.225元/(kW·h)的地区建设废弃煤炭井巷抽水储能电站具有经济可行性。 在考虑规模经济的情况下，废弃煤炭井巷抽水储能的平准化储能成本随着施工难度的增加而增加，适合建设废弃煤炭井巷抽水储能的地区也随着平准化发电成本的增加而减少。

若考虑废弃煤炭井巷抽水储能的环境成本，全生命周期内平准化储能成本比仅比经济成本高0.002～0.004元/(kW·h)。由此可见，废弃煤炭井巷抽水储能的环境成本较小。

4.2 敏感性分析

本文选取投资成本、购电成本、运维成本、年发电小时数、废弃煤炭井巷抽水储能的施工难度和环境成本对废弃煤炭井巷抽水储能的平准化发电成本做敏感性分析，计算过程中其他影响因素保持不变，敏感性分析结果如图4所示。

由图4可知，发电小时数与平准化发电成本之间呈负向变化，且该因素对平准化发电成本影响程度最大，发电小时数每变动10%，平准化发电成本变动范围为-17.81%～6.39%。然而随着发电小时数的不断增加，该曲线的斜率越来越小，表明随着发电小时数的增加，该因素对废弃煤炭井巷抽水储能平准化发电成本的影响越来越小。

表7 废弃煤炭井巷抽水储能的全生命周期成本Table 7 Life cycle costs of energy storage ofpumped storage in abandoned coal mines

图4 废弃煤炭井巷抽水储能平准化发电成本敏感性分析Fig.4 Sensitivity analysis of levelized cost of enectricitygeneration storage of pumped storage inabandoned coal mines

除发电小时数外，其余5种影响因素与废弃煤炭井巷抽水储能平准化发电成本之间呈正向变化。在这5种影响因素中，对平准化发电成本影响最大的因素为投资成本，投资成本每变动10%，废弃煤炭井巷抽水储能平准化发电成本的变化幅度为6.2%；其次为购电成本，购电成本每变动10%，废弃煤炭井巷抽水储能平准化储能成本变动3.31%；运维成本和施工难度对废弃煤炭井巷抽水储能平准化发电成本的影响程度相近，其变化10%时，对废弃煤炭井巷抽水储能平准化发电成本的影响程度均低于1%；对废弃煤炭井巷抽水储能平准化发电成本影响程度最小的为环境成本，表明废弃煤炭井巷抽水储能对环境影响较小，是一种环境友好型的储能方式。

5 结 论

1) 废弃煤炭井巷抽水储能具有较高的经济可行性。 当废弃煤炭井巷抽水储能的装机规模小于传统抽水储能电站时，在不考虑施工难度、施工难度高于传统抽水储能10%和20%三种情景中，废弃煤炭井巷抽水储能的平准化储能成本为0.395元/(kW·h)、0.401元/(kW·h)和0.406元/(kW·h)，均低于当地电力系统峰谷差价。因此，将规模经济和施工难度考虑在内时，废弃煤炭井巷抽水储能电站的建设仍具有经济可行性。

2) 废弃煤炭井巷抽水储能的施工难度是影响储能成本的关键因素。装机规模相同时，在不考虑废弃煤炭井巷抽水储能的施工难度情况下，即废弃煤炭井巷抽水储能施工难度与传统抽水储能施工难度相同时，废弃煤炭井巷抽水储能的投资成本为4 404元/(kW·h)，低于传统抽水储能电站的投资成本5 149元/(kW·h)；若考虑施工难度，当废弃煤炭井巷抽水储能的施工难度系数小于传统抽水储能的1.26倍时，废弃煤炭井巷抽水储能的成本小于传统抽水储能。

3) 废弃煤炭井巷抽水储能的环境成本低。将环境成本考虑在内时，平准化储能成本将提高0.002元/(kW·h)至0.004元/(kW·h)，在全生命周期发电成本中所占比重较小。废弃煤炭井巷抽水储能具有良好的环境效益，是一种值得推广的储能方式。