碳捕集条件下电网低碳效益模型及灵敏度分析

王勃

(山东大学电气工程学院，山东济南 250002)

碳捕集条件下电网低碳效益模型及灵敏度分析

王勃

(山东大学电气工程学院，山东济南 250002)

我国能源基地与负荷中心分布不协调，决定了我国必须要进行大规模的能源转运，输煤与输电是两种主要的方式。二氧化碳捕集与封存技术是一项具有光明前景的低碳电力技术。充分考虑各种低碳要素和低碳电力技术，建立低碳效益模型，以实现对于不同能源传送方式的量化分析与灵敏度判别。算例分析部分，根据我国典型的数据对模型进行了验证，并依照现行发展趋势，对未来两者进行预测，并分析关键因素的灵敏度。

低碳电力;CCS;碳税;能源转运

0 引言

全球气候变化是人类社会可持续发展所要面临的重大挑战，科学研究表明，温室气体排放的不断增加，是引起全球气候变暖的主要原因。其中二氧化碳(CO2)的温室效应占到总温室效应的70%［1］，能源生产与使用的低碳化已成为实现人类社会可持续发展的必要条件。其中，电力行业碳排放是我国碳排放的重要组成部分，2005年，我国电力行业碳排放占所有化石燃料碳排放的38.73%［2］。

二氧化碳捕集与封存技术(Carbon Dioxide Capture and Storage，CCS)指CO2从工业或相关能源的源分离出来，输送到一个封存地点，并且长期与大气隔绝的一个过程［3］。碳税，即对二氧化碳排放进行征税的税种，哥本哈根会议之后，我国确定2020年单位国内生产总值CO2排放量(碳强度)比2005年下降40%～50%，由此看来，CCS技术无疑具有巨大的意义和光明的前景［4－5］。

我国煤炭资源丰富，贫油少气。煤炭资源主要分布在西北，能源需求却主要集中在中东部地区，化石能源分布与经济发展不协调，决定了我国必须要进行以“西电东送”和“北煤南运”为主的能源大规模远距离输送。其中，运输煤炭至负荷中心电厂发电称为输煤，坑口电厂发电后电网输电至负荷中心称为输电，这两者是当前主要的能源转运方式。

本文综合电能产生与输送的整个过程，充分考虑各种低碳要素，利用碳税量化分析，建立了详尽的模型。模型对输煤与输电进行低碳效益分析，并预测未来两者的发展趋势，得出相应结论，最后给出重要参数的灵敏度计算。

1 基本思路

输电方式，电网会产生输电网损，在受端电量一定的情况下，相当于要多发电，增加了碳排放。水电，核电等近零碳排放的发电方式的发展，减少了煤炭发电在总发电量中的比例，有力的减少了输电的碳排放。此外，CCS设备安装运行后，会消耗一部分能量，这些能耗将增加整个系统的碳排放，但是碳捕集过后，绝大部分CO2会被收集并相对长久的储存起来。另外，CO2的储存成本以及CCS设备建设费用等都将增加输电的总成本。

输煤方式，除发电会产生碳排放以外，主要是交通工具运输煤炭时消耗化石能源，产生碳排放。

首先，本文比较当前条件下输煤与输电的碳税效益，然后，根据未来发展趋势，调整关键因数，将两者进行预测，最后，灵敏度分析部分，给出关键因数的敏感度分析。

2 低碳模型建立

2.1 输电成本分析

2.1.1 计入非化石能源发电的输电总碳排放

非化石能源发电，如风电与核电，均可看成CO2近零排放。则电网总碳排放Hs:

式中:p为化石能源发电占全部发电量的比例;δL为网损率;M0为负荷端最终的受电量;Tc为坑口电厂的单位发电量耗煤;f0为单位标准煤燃烧时产生的碳排放量。

2.1.2 不考虑CCS技术的碳税

不考虑CCS技术且受端电量一定时，相应碳税是一个定值。碳税Fn:

式中:C为当前情况下的单位碳排放应缴碳税。

2.1.3 计及CCS技术的输电碳税

采用CCS技术后的碳排放Hc，与碳捕集设备所消耗的电量，以及碳捕集效率有关。

式中:qc为碳捕集系统所消耗的能量占总发电量的比例;Ec为CCS系统的碳捕集率。

所以，考虑CCS技术后的系统总碳税Fc:

2.1.4 计及CCS技术后的输电总成本

除碳税外，储存捕集到的CO2所需的成本，CCS设备的建设费用。另外，发电、输电等所需的成本均需考虑在内，电能送至负荷中心的落地电价可以将其表示。

CCS技术捕集的CO2的运输与储存成本Q0:

式中:Y为单位CO2的运输与储存成本。

输电总成本Qc:

式中:σ为电厂安装CCS设备的一次性费用;Nc为未考虑CCS技术的电网输电成本电价。

2.2 输煤成本分析

2.2.1 交通工具碳排放分析

交通工具的碳排放与交通工具类型，运输距离和交通状况等有关。本文对其作如下简化:

式中:He为交通工具所产生的碳排放;Hg为负荷中心电厂发电所产生的碳排放;Tt为负荷中心电厂单位发电量耗煤，一般情况下，可近似认为Tt=Tc。2.2.2 输煤碳税分析

输煤总碳排放Hf:

输煤总碳税Ff:

2.2.3 输煤成本

加入其他成本，输煤成本Qf:

式中:Nf为输煤后负荷中心电厂的上网电价。

3 算例分析

3.1 不考虑CCS的输煤与输电碳税经济性比较

网损率参照以前研究成果，δL取5.7%［6］。考虑三峡工程与其他风电项目，p取值为70%。两地电厂的单位发电煤耗均为310g/kW·h，单位电力碳排放强度均为0.76kg/kW·h［8］，单位碳排放所需缴纳的碳税80元/t［3］，γ取值为2.45%。

单位发电量电网输电所节省的碳税ψ:

数据计算:ψ=1.76×10－2元/kW·h

假设用电量为500亿kW·h/a，则节省的碳税为8.8亿元/a。这将对生态环境以及电力企业运行产生巨大影响。

3.2 对未来的预测

未来数年，随着特高压输电工程和其他非火力发电方式的大力发展，输电的网损率和火电所占比例必将大幅降低。根据中电联最近五年的数据，网损率δL的下降速度大约为每年0.2%，火电比率P下降速度大约为每年1.5%。碳税定价目前也有逐年上升的趋势，公认为150元/t时才能发挥较好作用。本文以十年为周期，假定其他数据不变，对上述例子分析，此时，δL变为5.59%，P变为60.2%。

未来单位发电量输电节省碳税:

数据计算:ψ1=4.44×10－2元/kW·h

此数据比基态时增加了152%，显示在未来输电相对于输煤仍具有巨大的优势。

3.3 输煤与输电经济性分析

本部分的研究已经较为深入，依据文献［9］，在充分考虑各种交通工具运力和最佳运输路线的情况下，输电的落地电价比输煤成本电价低0.03～0.1元/kW·h，即Nc比Nf低0.03～0.1元/kW·h。

由此可得出，输电相对于输煤，具有碳税效益和实际经济效益。

3.4 灵敏度分析

对于不考虑CCS技术时两者的碳税经济性模型灵敏度，文献［6］已经分析的较为全面，因此，本文仅分析采用CCS技术和碳税后的总体模型灵敏度。由于通过CCS技术捕集来的CO2还可用于强化采油等创收，以此费用Y影响相对较小，为简化模型，此处忽略其影响，σ，qc同样可以忽略。

认为坑口电厂电价和负荷中心电厂电价相同，取值范围85%～95%［3］，对模型进行简化。

单位电量电网输电节省的成本:

固定其他量，对C，p，Ec进行灵敏度分析，分析结果见图1。

图1 不同碳税、化石燃料发电比率、碳捕集效率条件下单位发电量节省费用

分析图1可发现在其他量固定时，η与碳税C和碳捕集效率Ec正相关，与化石燃料发电比率P负相关。进一步计算其各自相对于η的弹性系数绝对值，得出Kc＞Kp＞KEc，即碳税因素对于输电节省费用的影响最大，化石燃料发电比率次之，碳捕集效率对其影响最小。因此，提高碳税和减少非化石燃料比率是增加电网低碳效益的主要途径。

4 结语

采用电网低碳效益模型，将二氧化碳捕集与封存技术加入到模型当中，以碳税这一工具，量化输煤与输电两种能源转运方式的低碳效益。模型适应性良好，在当前和未来两种条件下进行计算，得出了输电相对于输煤在低碳效益上的优势。该研究对低碳环境下CCS技术的发展与应用，以及我国能源转运方式的优化起到一定的推动作用。

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

［2］魏一鸣，刘兰翠，范 英，等.中国能源报告(2008):碳排放研究［M］.北京:科学出版社，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］黄斌，许世森，郜时旺.华能北京热电厂CO2捕集工业试验究［J］.中国电机工程学报，2009，29(17):14－22.

［6］康重庆，周天睿，陈启鑫，等.电网低碳效益评估模型及其应用［J］.电网技术，2009，33(17):1－7.

［7］陈启鑫，康重庆，夏 清，等.低碳电力调度方式及其决策模型［J］.电力系统自动化，2010，34(12):18－22.

［8］中国电力企业联合会.2008年全国电力工业统计快报［EB/OL］.http://tj.cec.org.cn/test1.asp?id=269，2009-01-06.

［9］王耀华，张风营，白建华.输煤输电经济性比较［J］.中国电力，2007，40(12):6－9

［10］田牧，安恩科.燃煤电站锅炉二氧化碳捕集封存技术经济性分析［J］.锅炉技术，2009，40(3):37－41.

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，山东菏泽人，本科，主要研究方向为低碳电力。E－mail:love_wangbo@126.com