典型电能替代技术的成本效益分析

袁兴宇，梁俊宇，王达达，舒杰，刘梦华，王浩，吴昌宏

（1.云南电网有限责任公司 电力科学研究院，昆明 650214；2.中国科学院 广州能源研究所 可再生能源重点实验室，广州 510640）

0 引言

目前，电能替代推广的难点在于替代的电气设备或用电方式成本较高，导致用户实施电能替代的积极性不高。为此，各地政府对电能替代都给予一定补贴。如何补贴及补贴额度，即具体的补贴方案，值得深入探讨，以实现既使用户有实施意愿，又不会造成财政资金浪费的目标。

现有研究大多从兼顾多方利益的角度给出电能替代实施建议，但其中有关电能替代的经济性分析很具参考价值。文献［1］对电能从生产、使用到设备报废处理的整个运转链条进行分析，得出非常全面和客观的节能减排效果评估。文献［2—3］对岸电建造、运营成本从经济学角度进行分析，并构建了相应模型，研究如何确定港口电价以使电网公司、港口、航运公司和政府4方成本效益最优。文献［4］对燃气锅炉等老式采暖设备和蓄热式电锅炉、热泵、分散式电采暖等新型采暖设备从经济性和不同场合的适用性上做对比分析，得出了一些具有参考价值的结论。文献［5］研究了蓄热式电锅炉的成本模型，据此提出了年度电费和投资成本最少的应用方式。文献［6］讨论在集成电锅炉和地源热泵的情况下，以经济性为指标，二者的最优化联合使用策略。文献［7］以学校为例，针对不同场合，采用负荷分解方式建立各种电能替代设备的选型模型，给出集中式和分布式设备的配置方案。文献［8］主要以实测数据对全电厨房和传统厨房进行了对比，显示全电厨房在各方面都较优。文献［9］分析石油钻机的电能替代综合效益，并用实例证实电能替代后的综合效益更高。文献［10］从用户角度构建了电能替代效益评估模型，以3个实例的分析得出适合地方特点的电能替代实施方案。

应该指出，电能替代的落脚点是让尽可能多的用户用电能替代之前的化石能源。因此，首先必须抓住电能替代的主要矛盾，即用户实施的意愿，其核心在于电能替代的经济性；再者，电能替代前后的成本分析应简洁明了，因为其一方面用于指导政府部门如何补贴，另一方面也要让用户认可；其次，政府部门在对电能替代补贴时，可适当让利于用户，从而提高用户的积极性。鉴于文献中鲜有提及具体的电能替代补贴方案，以致电能替代不便于推广落实，从用户使用经济性需求出发，对如表1所示国家发布的5大领域中20项技术进行成本分析，并提出补贴方案［11］。

基于上述思想，首先根据国家发布的20项电能替代技术的特点，将其分为5类，分别进行成本分析，提出补贴方案，并随之提出电能替代实施中的一些建议，之后计算若干实例，最后，总结全文。

1 新旧设备使用成本和补贴方案

本节将表1所示的20项技术分为5类，并逐一进行成本分析。人们对化石能源、电能等的利用主要是为了获取热能（含制冷）和动能，对应的能量转换设备包括锅炉、电加热器、内燃机、电动机等。就使用成本分析而言，制取热能（动能）的各设备有一定的相似性，故本文将制取热能和动能的相关技术各归为一类进行分析；电动车技术是当下的研究热点且应用普遍，其使用方式和场景也较一般的动能输出设备特殊，因此将其单独列为一类；在关于自备/地方电厂的电能替代前后，负荷都是使用电能，只是电能来源不同，故成本分析较为特殊，也单独列为一类；岸电等航海/航空相关的电能替代涉及多方成本分析，且互相关联，也作为一类技术单独分析。

表1 典型电能替代技术和适用领域Table 1 Typical electric energy substitution technology and applicable fields

此外，本文中老设备指目前使用化石燃料的设备，新设备指提倡使用的电气设备，计算的使用成本和补贴皆指一年的数额。

1.1 热能生产相关技术电能替代

本节所述领域/技术包括居民采暖领域、工业电锅炉、建材电窑炉、冶金电炉、农产品加工（热）、电保温设备、电厨炊技术、电洗浴技术等。

在具体分析之前，先给出如下定义（本文中折旧费采用较简洁的年限平均法计算，不考虑成本和补贴的时间价值）

式中：上标old和new分别为老设备（方式）和新设备（方式）；Cdoeldp/rncew为老/新设备每年折旧费，万元；Cpolcdh/snew为老/新设备购入（含装建、电力增容）成本，万元；rroelsdd/new为老/新设备残值率，意为设备使用期限到后的价值占购入成本的比例；Lold/newuse为老/新设备寿命，年；Coldloss为老设备年均折损费，万元，描述电能替代后老设备剩余寿命使用价值的损失，同时对应用户投资损失；k为老设备折损系数（0＜k≤1），指电能替代后老设备剩余寿命使用价值损失的比例；Lormld为老设备剩余寿命，年。

其中，k的具体取值与老设备被替代后的使用情况有关。老设备被替代后，之前对其的投资必然有一定的损失，这里的投资损失以老设备剩余寿命里的全部或部分折旧费表征，即kCdoeldprcLormld。如果被替代后老设备已不能使用，表明老设备剩余寿命的使用价值全部丧失，k取1；如果老设备可作为备用或转售，表明老设备还有使用价值，只有部分投资损失，k可取一个较小的数值，如取0.5。由于需要计算一年的使用成本和补贴，故将老设备的投资损失按新设备的使用寿命均分，即式（2）的形式，后文会将这部分损失计入新设备每年的使用成本，以避免该损失削弱用户对电能替代的积极性。式（1）是常见的折旧费计算公式，指设备购入成本除去残值后折算至使用寿命里平均每年的费用。

1.1.1 老设备改造改造前成本［4，6，8，10］

式中：Colduse为老设备每年使用成本，万元；Qfuel为老设备年均煤/油/气用量，kg或m3；Pfuel为煤/油/气单价，元/kg或元/m3；Coldlabor为使用老设备的年均人工成本，万元；Coldmntn为老设备年均维护成本，万元。

在居民采暖领域，参照文献［4］，有

式中：Sht为供暖面积，m2；Q1Sfuel为单位面积年均煤/油/气用量，kg/m2或m3/m2。

在生活电器领域，为与电厨炊技术和电洗浴技术进行对比，类似也有［4］

式中：Nfml为家庭人数，个；Q1Nfuel为人均每年煤/油/气用量，kg或m3。其它应用场合，必须调研生产规模和Qfuel间的关系，据此，对一个确定的用户，可根据其生产规模估计Qfuel。

为使成本计算更加简捷和对广大用户更加公平，计算中的一些参数应该在当地经过大量数据调研得到，如Q1fuSel、Q1fuNel、Cloalbdo/nrew、Cmolndt/nnew、Cdoeldp/rncew，尤其像Cloalbdo/nrew、Cmolndt/nnew这种只具有参考意义的数值。当然，如Qfuel也可直接由用户提供，但为了准确性和可信性，调研还是很有必要的。另外，如果是家庭自供热采暖，可认为没有Cloalbdo/nrew和Cmolndt/nnew，但如果采用电气设备，便利程度显然更高。预计改造后成本如下，不同于文献［4］、文献［6］、文献［8］和文献［10］，本文将Coldloss计入，考虑到了改造后老设备剩余寿命使用价值的损失，从而在补贴中将这部分计入，以满足用户的改造经济型意愿

式中：Cnewuse为新设备每年使用成本，万元；qfuel为煤/油/气热值，MJ/kg或MJ/m3；ηold/newth为老/新设备热效率，即设备有效输出能量与所消耗能量之比；Pelc为电价，元/kWh；Cnewlabor为使用新设备的年均人工成本，万元；Cnewmntn为新设备年均维护成本，万元。

其中，Cdneepwrc（以及Cpncehws）包含电力增容产生的费用。通过无功补偿等手段可以降低电力增容额度，但对无功补偿设备的投资必须计入和中。

关于ηothld和ηnthew，考虑到市场上产品性能间的差异，可通过调研获得一个同类产品效率的中间值。

若Sfina≤0，表明电能替代后使用成本已降低或持平，不需要补贴。另外，考虑到Cloalbdo/nrew、Cmolndt/nnew所占成本比例较小，若其具体数据难以获取或评估，为大体求取Sfina，可认为

1.1.2 新设备投建

预计老设备成本：同式（3）。

按照式（3），利用已有数据或通过调研计算评估老设备的使用成本。

预计新设备成本［4，6，8，10］

同式（7），可得每年财政补贴为

1.2 机动车电能替代

机动车是大众常用工具。与其它工具不同的是，用户在购入电动车后，若之前拥有燃油车，燃油车一般并不会因此闲置（比如出售），故不存在“老设备改造”。由于电动车中动力电池占整车成本比重较高，约为40%，而其使用寿命（确保车辆具有良好动力性能的寿命）只有约5～8年，因此，必须考虑电动车生命周期内的电池更换成本。此外，关于非运营机动车，现在已没有使用年限的规定，即只要能通过年检，就可以继续使用，但就车辆性能而言，实际是有使用年限的，本文约定（寿命）为20年；而运营机动车则为8年使用年限。电动车必须与同等功率下的燃油车进行成本对比，方可得出较合理的补贴额度。由于机动车商品化程度较高，即便是相同的功率等级，价格相差也很大，这将直接影响车辆的折旧费。因此，为了使补贴公平合理，在计算某一功率的燃油车和电动车成本时，各选一种市场主流且价格中等的车辆为参照车辆；此外，车辆行驶年里程数应该通过调研统计获得一个平均值。由于车辆功率等级较多，建议将其分为若干功率段，各段计算一个补贴值，每辆电动车即按其所在功率段进行相应补贴。

在电动车生命周期内，预计会更换两次动力电池。于是仿照式（1），有［12］

式中：old和new分别为燃油车和电动车；Sold/newscrap为燃油/电动车辆报废补贴，万元；Cbatpchs为电池成本，万元。

必须说明，上式中燃油车Coldpchs必须将购置税计入，电动车目前无该税。

燃油车成本［10，12］

式中：Mve为年里程数，km；Vfuel为百公里油耗，L；Pv_fuel为机动车燃油单价，元/L。

电动车成本［10，12］

式中：Eelc为百公里电耗，kWh。

于是同上，可得每年补贴额度为

1.3 动力输出相关技术电能替代

本节所述领域/技术包括辅助电动力、矿山采选、农业电排灌、电动制氧机、电动喷淋机、油田钻机、油气管线加压机；电蓄冷空调；轨道交通，轨道式、轮胎式电动集装箱起重机，港口码头电动皮带廊装卸等。

1.3.1 老设备改造

改造前成本：同式（3）。

预计改造后成本：同式（6）。

其中，Cdoeldprc和Cdneepwrc可根据当地法规和实际情况按式（1）、式（12）或式（13）计算。于是，可得如式（7）所示补贴值Sfina。

另外，由于这些设备多为单人操作或有固定的操作模式，可认为式（8）和式（9）是成立的。关于ηothld和ηnewth，由于市场上产品众多，同类产品的效率很可能并不一致，故可通过调研获得一个中间值，或者更简单地，以内燃机效率/电动机效率代表ηothldηnthew。

1.3.2 新设备投建

预计老设备成本：同式（3）。

可通过调研获得所需功率大小的老设备成本。

预计新设备成本：同式（10）。

同样，可得如式（11）所示的补贴额度Sfina。

1.4 地方/自备电厂电能替代

地方/自备电厂电能替代是用公共电网电力代替地方/自备电厂电力，以减轻负荷区的环境污染问题。

1.4.1 地方/自备电厂改造

地方/自备电厂运营成本：同式（3）。

预计电网用电成本如下，这里参照了式（6），但电网的运维无需用户参与，故无人工和维护费用。

式中：Eload为负荷年均用电量，kWh。

如果使用电网电能，则不存在人工成本、日常维护成本，但向电网公司申请工业用电会涉及设计、施工和设备投资（均计入Cnewpchs）。应该说明，在这里，Colddeprc是对整个地方/自备电厂而言，为计算Cloolsds，由式（2），应根据地方/自备电厂内设备的现状进行评估，进而确定k和Loldrm，或者直接评估地方/自备电厂的总折损，即kCdoeldprcLormld；此外，由于电网没有使用寿命的概念，故Lnewuse可取为政府部门对用户的补贴年限，而补贴年限可由地方政府根据财政实力确定。于是，政府部门每年补贴额度为

1.4.2 电网用电方式评估

预计地方/自备电厂运营成本：同式（3）。

地方/自备电厂运营成本可通过调研满足负荷需求电厂的相应数据获得。

预计电网用电成本如下，与1.4.1小节所述的电厂改造相比，此处没有Coldloss，因为本小节实际是对地方/自备电厂和电网用电成本的比较，并不涉及电厂改造

同样，补贴年限仍由地方政府根据财政实力而定，每年补贴额度为

1.5 航海/航空相关技术电能替代

本节所述领域/技术包括船舶靠港岸电、岸电入海、机场桥载辅助动力装置（auxiliary power unit，APU）等。船舶岸电和机场APU的电气化形式相同，简单起见，后文均以岸电表述。由于航运公司和港口一般属于不同的运营主体，故其只能从自身角度评估使用岸电或投建岸电系统的经济性。

岸电与前述的几种电能替代类型有所不同。首先，为了便于实施，地方政府可只对港口公司进行补贴，再由港口公司调控输出电价，进而使船舶的岸电使用成本低于燃油发电；其次，港口公司投建岸电后有盈利需求，政府部门进行补贴时应有所顾及，这与前述几种电能替代类型可接受替代前后成本持平是不同的。

（1）航运公司

使用老设备成本［3］

预计使用岸电成本［3］

式中：Pportelc为港口输出电价，元/kWh；Coldmntn可按船舶全年靠岸时间占发电系统全年运行时间的比例折算；Qfuel和Eload分别为靠岸期间船舶的用油量和用电量；Cnewdeprc为船舶因接入岸电而新安装的电气设备的折旧费，例如接入高压电，则需要配备降压变压器。此外，因为船舶在航行过程中仍需要使用燃油辅机发电，无论使用岸电与否，辅机发电都存在相同的人工成本和折旧费，所以Colduse中不计入人工成本和折旧费。

政府部门通过补贴港口公司间接降低Pportelc，使Cunseew＜Cuoslde，从而使航运公司愿意使用岸电，也即要求

（2）港口

港口电力属于大工业用电，一般实行两部制电价，故需要考虑配电变压器增容产生的容量电费。

岸电收益［2—3］如下

式中：PFport为港口岸电年收益，万元；Eout为港口年输出电量，kWh；ηconv为岸电系统效率；Strans为配电变压器因岸电增加的容量，kVA；Ptrans为变压器容量电价，元/（kVA·月）；Cportlabor为岸电系统年均人工成本，万元；Cmponrttn为岸电系统年均维护成本，万元；Cdpeoprtrc为岸电系统每年折旧费，万元。

其中，参照式（1），有

式中：Cppcohrts为岸电总建设成本，万元；rrpeosrdt为岸电系统残值率；Lportuse为岸电系统寿命，年。

对港口公司而言，配置岸电并非其经营所必须，所以，其希望在配置岸电后是有收益的，且有一定的利润率，即要求

式中：rPF为期望岸电利润率。

再根据式（24），则要求岸电超出期望的利润部分（万元）ΔPFport有

其中，有

式（27）可另写为

该式成立的必要条件是

式（28）和式（23）可共同用于指导港口公司设定Peplocrt。在满足式（28）的情况下，Eout越大，使用岸电的船舶越多，式（27）越可能满足，PFport也越大。只有当式（27）不成立时，才需要政府部门对港口公司进行补贴，每年补贴额度为

此外，在国际航运中，由于航运公司所属国别不同，其物价可能差别较大，也即，Colduse有较大不同。为此，在投建岸电系统之前，政府部门和港口公司应调研相应港口船舶的用电成本和岸电使用意愿，根据调研数据确定一个航运公司接受的Pportelc；然后预估初期Eout的值，再根据式（27）确定是否需要补贴及补贴额度。后期可根据港口每年的运营情况，调整补贴额度，如Eout增加，则可适当降低补贴。

根据前文推导所得的各技术类别补贴额度，为高效发挥财政补贴对电能替代的促进作用，应优先鼓励新投建用户进行电能替代，并推荐使用效率更高的电气设备；在电动车和岸电等领域，可定期调整峰谷电价，以利于和浮动煤/油/气价的竞争。

2 电网企业收益分析

电网企业在电能替代中会配合进行配电网改造，也会尽可能寻求盈利。下式中的PFgrid为电网企业在电能替代片区的年收益，这里在文献［2］中模型基础上增加了配电网改造及营运费用，因为如果电能替代导致区域负荷大增，可能产生费用如下

式中：Etotal为配电网改造后所供应片区的年总用电量；Pg为各种能源发电的加权平均上网电价；rloss为输电线损率；Ctr为配电网改造及运营费用（折算为每年）。一般能够确保Pelc＞Pg/（1-rloss），否则电网企业无法盈利。于是，根据式（30），Etotal越大，即配电网改造后服务的电能替代用户越多，PFgrid越大。当Etotal足够大时，电网企业就能够实现盈利。这要求政府部门一方面做好调研，选取用户较集中、电能替代意愿较强的片区进行电能替代试点；另一方面做好试点效果宣传，吸引更多用户进行电能替代。

3 应用实例分析

3.1 供暖实例

本小节实例中的数据均取自文献［4］、文献［7］。另外，文献［4］中未计及电力增容费，但因和文献［2］中的负荷相当，故电力增容费根据文献［2］估出。

3.1.1 空气源热泵替代燃气锅炉

空气源热泵替代燃气锅炉相关费用如表2所示。

表2 供暖实例（空气源热泵）相关费用Table 2 Relevant cost of the heating case（air source heat pump）

这里，可认为Clnaebwor和Cloalbdor大体相当，故根据式（1）、式（4）、式（7）和式（2），有

在取k=1，Loldrm=5年的情况下，由式（31）可绘出图1。由图1可见，当ηnewth＞2且电价Pelc＜1元/kWh时，是可以做到不补贴的，即Sfina≤0。目前，只有热泵能做到热效率高于1，所以，非常推荐使用热泵替代燃气（煤、油）锅炉。

图1 财政补贴与电价和新设备热效率间的关系（空气源热泵替代燃气锅炉）Fig.1 Relationship between financial subsidies and electricity price and thermal efficiency of the electrical equipment（replacing gas boiler with air source heat pump）

将表2中的Pelc、ηnewth值代入式（31），得到

可见，即便k和Loldrm取最大值，上式结果也小于零。这表明，在用空气源热泵代替燃气锅炉后，使用成本必然会降低，不必进行补贴。

3.2 电动车实例

本例中，燃油车数据取自重庆某厂商一款乘用车的公开参数，标称最大功率94 kW；电动车数据取自广州某厂商一款纯电动乘用车的公开参数，标称最大功率100 kW；另有一些数据来自文献［12］。此外，电动车使用民用电充电和充电桩充电的电价是不同的，地区间电价也有差异，本文约定为广东地区常见的充电桩电价，相关费用如表3所示。

表3 电动车实例相关费用Table 3 Relevant cost of the electric vehicle case

由式（12）、式（13）和式（16），可求得每年补贴额度为

由此，可绘得图3。当油价下跌时，补贴应该增大，但事实上，油价是波动的，而补贴一般是购车时一次性全部发放。为避免因此降低用户购置电动车的积极性，可定期调整峰谷电价，使低谷电价能确保使用电动车的经济性。

图2 财政补贴与电价和油价间的关系（电动车替代燃油车）Fig.2 Relationship between financial subsidies and electricity price and gasoline price（replacing gasoline car with electric car）

将表3中的Pelc、Pv_fuel值代入式（33），得到

于是，整个生命周期（20年）这款电动车共需补贴6.48万元。根据已经出台的2021年新能源车补贴方案，这款车只补贴1.8万元，显然，就经济性而言，2018年之前的补贴额度更为合理。

3.3 岸电实例

本例数据来自文献［13］，如表4所示。

表4 岸电实例相关费用Table 4 Relevant cost of the shore power case

（1）航运公司

Cmolndtn对应船舶燃油发电系统一年累计靠岸期间的维护费，而船舶上增加的岸电受电设备也只在靠岸期间使用，故这里认为Cmolndtn和Cmnenwtn大体相同。则由式（1）、式（23）和式（28），并取Pfuel=4.5元/kg［13］，可选定

但应注意，由于Pfuel是波动的，Pportelc最好也设计有调整机制。

（2）港口

这里参照文献［13］中的方式，Clpaobrotr和Cmponrttn因较小而将其忽略。则根据式（25）和式（27），可得

据此，可绘得图3。可见，为避免港口年输出电量越多，收益越少的情况，一定要根据式（23）和式（28）确定Peplocrt，必要时，Peplocrt也可实行峰谷电价。

图3 电网电价和港口输出电价对港口收益的影响Fig.3 Effect of the grid electricity price and harbor output electricity price on the harbor profit

将表4中的Pelc和前面确定的Pportelc代入式（34），可得

故政府部门每年需补贴36万元。

4结束语

促进电能替代的关键是用户具有实施意愿，故而要求电能替代后经济性更优，地方政府和电网企业不会也不应以短期经济效益的最大化为目标［14］。基于此，本文将国家公布的20项电能替代技术分为5类，从用户视角分别分析了其在电能替代前后的成本，据此得出政府部门的补贴方案。该方案形式简洁，有利于被用户接受，可作为用户和地方政府作为成本分析和补贴计算的依据。

在采用上述补贴方案的基础上分析得出电能替代实施建议：优先鼓励新投建用户使用电气设备，次之鼓励使用年份较长的老设备用户换用电气设备；推荐用户使用效率更高的电气设备；优先选取用户较集中，电能替代意愿较强的片区进行电能替代；定期调整峰谷电价，以使电动车能参与和燃油车的竞争，而港口公司对输出电力也可实施峰谷电价；此外，政府部门应对电能替代效果进行推广宣传，以提高用户的接受度。这些建议可高效发挥财政补贴对电能替代的促进作用，政府部门可参考采用。D