王勃

(山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250002)

碳捕集條件下電網(wǎng)低碳效益模型及靈敏度分析

王勃

(山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250002)

我國能源基地與負(fù)荷中心分布不協(xié)調(diào)，決定了我國必須要進(jìn)行大規(guī)模的能源轉(zhuǎn)運(yùn)，輸煤與輸電是兩種主要的方式。二氧化碳捕集與封存技術(shù)是一項(xiàng)具有光明前景的低碳電力技術(shù)。充分考慮各種低碳要素和低碳電力技術(shù)，建立低碳效益模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同能源傳送方式的量化分析與靈敏度判別。算例分析部分，根據(jù)我國典型的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并依照現(xiàn)行發(fā)展趨勢，對(duì)未來兩者進(jìn)行預(yù)測，并分析關(guān)鍵因素的靈敏度。

低碳電力;CCS;碳稅;能源轉(zhuǎn)運(yùn)

0 引言

全球氣候變化是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展所要面臨的重大挑戰(zhàn)，科學(xué)研究表明，溫室氣體排放的不斷增加，是引起全球氣候變暖的主要原因。其中二氧化碳(CO2)的溫室效應(yīng)占到總溫室效應(yīng)的70%［1］，能源生產(chǎn)與使用的低碳化已成為實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必要條件。其中，電力行業(yè)碳排放是我國碳排放的重要組成部分，2005年，我國電力行業(yè)碳排放占所有化石燃料碳排放的38.73%［2］。

二氧化碳捕集與封存技術(shù)(Carbon Dioxide Capture and Storage，CCS)指CO2從工業(yè)或相關(guān)能源的源分離出來，輸送到一個(gè)封存地點(diǎn)，并且長期與大氣隔絕的一個(gè)過程［3］。碳稅，即對(duì)二氧化碳排放進(jìn)行征稅的稅種，哥本哈根會(huì)議之后，我國確定2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量(碳強(qiáng)度)比2005年下降40%～50%，由此看來，CCS技術(shù)無疑具有巨大的意義和光明的前景［4－5］。

我國煤炭資源豐富，貧油少氣。煤炭資源主要分布在西北，能源需求卻主要集中在中東部地區(qū)，化石能源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不協(xié)調(diào)，決定了我國必須要進(jìn)行以“西電東送”和“北煤南運(yùn)”為主的能源大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送。其中，運(yùn)輸煤炭至負(fù)荷中心電廠發(fā)電稱為輸煤，坑口電廠發(fā)電后電網(wǎng)輸電至負(fù)荷中心稱為輸電，這兩者是當(dāng)前主要的能源轉(zhuǎn)運(yùn)方式。

本文綜合電能產(chǎn)生與輸送的整個(gè)過程，充分考慮各種低碳要素，利用碳稅量化分析，建立了詳盡的模型。模型對(duì)輸煤與輸電進(jìn)行低碳效益分析，并預(yù)測未來兩者的發(fā)展趨勢，得出相應(yīng)結(jié)論，最后給出重要參數(shù)的靈敏度計(jì)算。

1 基本思路

輸電方式，電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生輸電網(wǎng)損，在受端電量一定的情況下，相當(dāng)于要多發(fā)電，增加了碳排放。水電，核電等近零碳排放的發(fā)電方式的發(fā)展，減少了煤炭發(fā)電在總發(fā)電量中的比例，有力的減少了輸電的碳排放。此外，CCS設(shè)備安裝運(yùn)行后，會(huì)消耗一部分能量，這些能耗將增加整個(gè)系統(tǒng)的碳排放，但是碳捕集過后，絕大部分CO2會(huì)被收集并相對(duì)長久的儲(chǔ)存起來。另外，CO2的儲(chǔ)存成本以及CCS設(shè)備建設(shè)費(fèi)用等都將增加輸電的總成本。

輸煤方式，除發(fā)電會(huì)產(chǎn)生碳排放以外，主要是交通工具運(yùn)輸煤炭時(shí)消耗化石能源，產(chǎn)生碳排放。

首先，本文比較當(dāng)前條件下輸煤與輸電的碳稅效益，然后，根據(jù)未來發(fā)展趨勢，調(diào)整關(guān)鍵因數(shù)，將兩者進(jìn)行預(yù)測，最后，靈敏度分析部分，給出關(guān)鍵因數(shù)的敏感度分析。

2 低碳模型建立

2.1 輸電成本分析

2.1.1 計(jì)入非化石能源發(fā)電的輸電總碳排放

非化石能源發(fā)電，如風(fēng)電與核電，均可看成CO2近零排放。則電網(wǎng)總碳排放Hs:

式中:p為化石能源發(fā)電占全部發(fā)電量的比例;δL為網(wǎng)損率;M0為負(fù)荷端最終的受電量;Tc為坑口電廠的單位發(fā)電量耗煤;f0為單位標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的碳排放量。

2.1.2 不考慮CCS技術(shù)的碳稅

不考慮CCS技術(shù)且受端電量一定時(shí)，相應(yīng)碳稅是一個(gè)定值。碳稅Fn:

式中:C為當(dāng)前情況下的單位碳排放應(yīng)繳碳稅。

2.1.3 計(jì)及CCS技術(shù)的輸電碳稅

采用CCS技術(shù)后的碳排放Hc，與碳捕集設(shè)備所消耗的電量，以及碳捕集效率有關(guān)。

式中:qc為碳捕集系統(tǒng)所消耗的能量占總發(fā)電量的比例;Ec為CCS系統(tǒng)的碳捕集率。

所以，考慮CCS技術(shù)后的系統(tǒng)總碳稅Fc:

2.1.4 計(jì)及CCS技術(shù)后的輸電總成本

除碳稅外，儲(chǔ)存捕集到的CO2所需的成本，CCS設(shè)備的建設(shè)費(fèi)用。另外，發(fā)電、輸電等所需的成本均需考慮在內(nèi)，電能送至負(fù)荷中心的落地電價(jià)可以將其表示。

CCS技術(shù)捕集的CO2的運(yùn)輸與儲(chǔ)存成本Q0:

式中:Y為單位CO2的運(yùn)輸與儲(chǔ)存成本。

輸電總成本Qc:

式中:σ為電廠安裝CCS設(shè)備的一次性費(fèi)用;Nc為未考慮CCS技術(shù)的電網(wǎng)輸電成本電價(jià)。

2.2 輸煤成本分析

2.2.1 交通工具碳排放分析

交通工具的碳排放與交通工具類型，運(yùn)輸距離和交通狀況等有關(guān)。本文對(duì)其作如下簡化:

式中:He為交通工具所產(chǎn)生的碳排放;Hg為負(fù)荷中心電廠發(fā)電所產(chǎn)生的碳排放;Tt為負(fù)荷中心電廠單位發(fā)電量耗煤，一般情況下，可近似認(rèn)為Tt=Tc。2.2.2 輸煤碳稅分析

輸煤總碳排放Hf:

輸煤總碳稅Ff:

2.2.3 輸煤成本

加入其他成本，輸煤成本Qf:

式中:Nf為輸煤后負(fù)荷中心電廠的上網(wǎng)電價(jià)。

3 算例分析

3.1 不考慮CCS的輸煤與輸電碳稅經(jīng)濟(jì)性比較

網(wǎng)損率參照以前研究成果，δL取5.7%［6］。考慮三峽工程與其他風(fēng)電項(xiàng)目，p取值為70%。兩地電廠的單位發(fā)電煤耗均為310g/kW·h，單位電力碳排放強(qiáng)度均為0.76kg/kW·h［8］，單位碳排放所需繳納的碳稅80元/t［3］，γ取值為2.45%。

單位發(fā)電量電網(wǎng)輸電所節(jié)省的碳稅ψ:

數(shù)據(jù)計(jì)算:ψ=1.76×10－2元/kW·h

假設(shè)用電量為500億kW·h/a，則節(jié)省的碳稅為8.8億元/a。這將對(duì)生態(tài)環(huán)境以及電力企業(yè)運(yùn)行產(chǎn)生巨大影響。

3.2 對(duì)未來的預(yù)測

未來數(shù)年，隨著特高壓輸電工程和其他非火力發(fā)電方式的大力發(fā)展，輸電的網(wǎng)損率和火電所占比例必將大幅降低。根據(jù)中電聯(lián)最近五年的數(shù)據(jù)，網(wǎng)損率δL的下降速度大約為每年0.2%，火電比率P下降速度大約為每年1.5%。碳稅定價(jià)目前也有逐年上升的趨勢，公認(rèn)為150元/t時(shí)才能發(fā)揮較好作用。本文以十年為周期，假定其他數(shù)據(jù)不變，對(duì)上述例子分析，此時(shí)，δL變?yōu)?.59%，P變?yōu)?0.2%。

未來單位發(fā)電量輸電節(jié)省碳稅:

數(shù)據(jù)計(jì)算:ψ1=4.44×10－2元/kW·h

此數(shù)據(jù)比基態(tài)時(shí)增加了152%，顯示在未來輸電相對(duì)于輸煤仍具有巨大的優(yōu)勢。

3.3 輸煤與輸電經(jīng)濟(jì)性分析

本部分的研究已經(jīng)較為深入，依據(jù)文獻(xiàn)［9］，在充分考慮各種交通工具運(yùn)力和最佳運(yùn)輸路線的情況下，輸電的落地電價(jià)比輸煤成本電價(jià)低0.03～0.1元/kW·h，即Nc比Nf低0.03～0.1元/kW·h。

由此可得出，輸電相對(duì)于輸煤，具有碳稅效益和實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 靈敏度分析

對(duì)于不考慮CCS技術(shù)時(shí)兩者的碳稅經(jīng)濟(jì)性模型靈敏度，文獻(xiàn)［6］已經(jīng)分析的較為全面，因此，本文僅分析采用CCS技術(shù)和碳稅后的總體模型靈敏度。由于通過CCS技術(shù)捕集來的CO2還可用于強(qiáng)化采油等創(chuàng)收，以此費(fèi)用Y影響相對(duì)較小，為簡化模型，此處忽略其影響，σ，qc同樣可以忽略。

認(rèn)為坑口電廠電價(jià)和負(fù)荷中心電廠電價(jià)相同，取值范圍85%～95%［3］，對(duì)模型進(jìn)行簡化。

單位電量電網(wǎng)輸電節(jié)省的成本:

固定其他量，對(duì)C，p，Ec進(jìn)行靈敏度分析，分析結(jié)果見圖1。

圖1 不同碳稅、化石燃料發(fā)電比率、碳捕集效率條件下單位發(fā)電量節(jié)省費(fèi)用

分析圖1可發(fā)現(xiàn)在其他量固定時(shí)，η與碳稅C和碳捕集效率Ec正相關(guān)，與化石燃料發(fā)電比率P負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步計(jì)算其各自相對(duì)于η的彈性系數(shù)絕對(duì)值，得出Kc＞Kp＞KEc，即碳稅因素對(duì)于輸電節(jié)省費(fèi)用的影響最大，化石燃料發(fā)電比率次之，碳捕集效率對(duì)其影響最小。因此，提高碳稅和減少非化石燃料比率是增加電網(wǎng)低碳效益的主要途徑。

4 結(jié)語

采用電網(wǎng)低碳效益模型，將二氧化碳捕集與封存技術(shù)加入到模型當(dāng)中，以碳稅這一工具，量化輸煤與輸電兩種能源轉(zhuǎn)運(yùn)方式的低碳效益。模型適應(yīng)性良好，在當(dāng)前和未來兩種條件下進(jìn)行計(jì)算，得出了輸電相對(duì)于輸煤在低碳效益上的優(yōu)勢。該研究對(duì)低碳環(huán)境下CCS技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，以及我國能源轉(zhuǎn)運(yùn)方式的優(yōu)化起到一定的推動(dòng)作用。

［1］IPCC.Intergovernmental panel for climate change fourth Assessment report［M］.USA:Cambridge University Press，2007.

［2］魏一鳴，劉蘭翠，范 英，等.中國能源報(bào)告(2008):碳排放研究［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［3］IPCC.Special report on carbon dioxide capture and storage［M］.Cambridge，UK:Cambridge University Press，2005.

［4］Committee on Climate Change UK.Building a low carbon economy in the UK is contribution to taking climate change［M］.London，UK: The Stationary Office，2008.

［5］黃斌，許世森，郜時(shí)旺.華能北京熱電廠CO2捕集工業(yè)試驗(yàn)究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(17):14－22.

［6］康重慶，周天睿，陳啟鑫，等.電網(wǎng)低碳效益評(píng)估模型及其應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(17):1－7.

［7］陳啟鑫，康重慶，夏 清，等.低碳電力調(diào)度方式及其決策模型［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(12):18－22.

［8］中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).2008年全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)快報(bào)［EB/OL］.http://tj.cec.org.cn/test1.asp?id=269，2009-01-06.

［9］王耀華，張風(fēng)營，白建華.輸煤輸電經(jīng)濟(jì)性比較［J］.中國電力，2007，40(12):6－9

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Assessment model on low carbon effects of power grid and its sensitivity analysis considering CCS technology

Considering the unreasonable energy distribution of China，large－scale energy delivering is necessary，coal transportation and power transportation are the main forms.CCS is a promising emerging technology.Considering a lot of low－carbon factors，a assessment model on low carbon effects of power grid is built to implement the quantized analysis and sensitivity judgment for the two ways.Then，based the typical data in China，model is checked.After predicting the both，the sensitivity of key factors is analysed.

low－carbon electricity;CCS;carbon－tax;energy delivering

X32

B

1674－8069(2012)03－005－03

2012-01-29;

2012-05-12

王勃(1991-)，男，山東菏澤人，本科，主要研究方向?yàn)榈吞茧娏?。E－mail:love_wangbo@126.com