刘家峡水电站对火电站的氧气生态补偿效益

张泽中，李小龙，刘建厅，齐青青

(华北水利水电大学，河南郑州450008)

刘家峡水电站对火电站的氧气生态补偿效益

张泽中，李小龙，刘建厅，齐青青

(华北水利水电大学，河南郑州450008)

氧气生态补偿效益完善了水电对火电生态环境补偿效益计算。运用CDM方法学得出水库的二氧化碳减排量，然后计算出水电站代替火电发电时减少的氧气的消耗量。黄河刘家峡水电站2020年调度计算结果显示，刘家峡水电站在2020水平年的氧气生态补偿效益为5 156万元，为科学制定水电价格提供依据。

水电工程；碳交易；氧气；补偿效益；刘家峡水电站

0 引 言

截至2015年12月底，我国的电力装机约15亿kW。其中，火电占66%，水电占21%。可以看出，我国的电力资源主要由火电供应。火电发电厂以燃煤为主，且在近期内这一现状很难改变。火电站发电过程中不仅产生污染性气体，而且会消耗氧气。一直以来，氧气给人的印象是“取之不尽，用之不竭”，但实际情况绝非如此。陈一文指出氧气枯竭带来的危害比温室效应更加严重[1]。化石燃料的燃烧使氧气在大气中的浓度变得越来越少，而人类和其他生物的生存都要处于一定的氧气浓度中，氧气浓度的下降直接威胁到生物的生存。水电作为清洁能源，在发电过程中不消耗氧气，不产生污染性气体，但水电在发展的过程中却遇到不公平待遇[2]。本文以水电对火电进行电量补偿时减少的氧气消耗为研究对象，计算水电对火电进行电量补偿时产生的氧气生态补偿效益，为科学制定水电的价格提供依据，以保证水电的健康发展。

1 氧气生态补偿效益量化

1.1 氧气生态补偿效益定义

火电站在发电过程中会产生污染物污染大气，消耗氧气，造成环境污染和破坏，火电的这些经济外部性以经济损失的形式转嫁给社会。作为一种清洁能源，水电能节约能源，降低污染气体排放，避免了部分污染经济损失。水电站产生的环境代价的节约定义为水电站的环境效益[3]。氧气生态补偿效益是指因水电对火电进行电量补偿时减少燃煤消耗氧气产生的经济效益。

1.2 氧气生态补偿效益量化

由于氧气的减少还没有带来明显的社会影响，现阶段氧气的各种价值很难度量。但可采用间接的方法求得氧气的生态补偿效益。如何衡量水电代替火电发电时氧气生态补偿的价值，需要选取合适的标准和依据。虽然氧气的经济价值目前无法核算，但煤炭在燃烧的过程中会消耗氧气，产生二氧化碳。现在国际上关于碳交易的研究已经开始起步，并取得了一定的成果。世界上许多国家，尤其是在欧洲，如瑞典、荷兰、意大利等多个国家已开始征收碳税[4]。征收碳税是将企业排放二氧化碳外部成本内部化，而碳排放交易权是利用市场机制实现碳排放权利的交接。征收碳税和碳排放交易权的实行是通过改变企业赢利函数而影响企业决策的行为[5]。碳交易是在市场条件下进行碳排放权的交易，旨在减少全世界温室气体特别是二氧化碳的排放。1997年12月《京都议定书》的通过标志着全世界对环境保护达成共识。《京都议定书》引进了市场机制，决定把二氧化碳当成一种商品进行交易，开辟了减少温室气体排放的新路径，将二氧化碳的排放权进行交易形成了碳交易市场。

本文采用CDM方法学定量计算二氧化碳的价格。取二氧化碳相对分子质量中氧元素的质量分数为折减系数λ，将折减系数与二氧化碳价格相乘，定量计算出氧气的单位价格，计算公式如下

PO2=λPCO2

(1)

式中，PO2为单位氧气的生态效益价格；λ为二氧化碳相对分子质量中氧元素的质量分数，取0.73；PCO2为采用CDM方法学定量计算出的二氧化碳的价格。

2 氧气生态补偿效益的计算

2.1 计算方法选定

水电作为清洁能源，被国际组织确定为CDM项目的重要组成部分[6]。经过CDM执行理事会(EB)批准后的项目都可以参与碳交易市场出售温室气体排放量。因此，可以用CDM方法学定量计算出二氧化碳的价格，然后计算出氧气生态补偿效益的价格。在EB批准的97种方法学中[7]，适用于水电项目的有AMS-I.D法和ACM0002法，这2种方法有不同的适用范围。各自的适用范围以功率密度ω作为阈值，计算公式为

(2)

不同水电站使用不同的计算方法。当ω4W/m2，且电站的装机容量小于15MW时，使用AMS-I.D法；当4W/m2ω10W/m2时，使用ACM0002法，且计入水库的二氧化碳排放量，二氧化碳排放因子为90g/(kW·h)；当ω≥10W/m2时，应用ACM0002法，忽略水库的二氧化碳排放量。

2.2 减少二氧化碳排放量

根据CDM方法学的计算方法，水电站减少的二氧化碳应计算以下几个方面：水力发电产生的二氧化碳排放量PEy；水力发电基准线排放量BEy；水电二氧化碳的泄漏量Ly；水电二氧化碳减排量ERy。

(1)水力发电产生的二氧化碳排放量PEy。黄河上游水电站的装机容量都比较大，故不考虑装机容量小于15MW的电站，采用ACM0002法计算。当4W/m2ω10W/m2时，PEy=90g/(kW·h)；当ω≥10W/m2，PEy=0。

(2)水力发电基准线排放量BEy。在某一电网中，假如没有水电项目加入。为了满足电网的正常运行及用户的需求，并入电网中的水电电量全部由火电来代替，这时的火电项目被称为基准线项目。水电项目相对于基准线(即火电项目)所减少的二氧化碳的排放量就是水电的减排量，由此得出水电减少氧气的消耗量。采用ACM0002法计算，方法如下

BEy=EGy×0.5×(OM+BM)

(3)

CM=ωOM×OM+ωBM×BM

(4)

式中，EGy为y年水电并入电网的电量；CM为水电项目所在电网的排放因子；OM为电量排放因子；BM为容量排放因子；ωOM、ωBM为OM和BM的取值权重，本文中，ωOM=ωBM=0.5。我国关于排放因子的取值是以区域为基准的，2013年不同区域的基准线排放因子见表1。

表1 2013年各电网基准线排放因子 t/MW·h

(3)水电二氧化碳的泄漏量Ly。本计算方法中忽略不计，即Ly=0。

(4)水电项目二氧化碳减排量ERy。可按下式计算

ERy=BEy-PEy-Ly

(5)

2.2 水电代替火电减少氧气的消耗量

在基于碳交易机制下，采用ACD0002法，计算出水电代替火电减少的二氧化碳的排放量。在煤炭燃烧时，会产生二氧化碳及二氧化硫等气体，这些气体的产生消耗氧气。在煤炭的组成成分中，碳所占的比例高达80%，其他元素的耗氧量可忽略不计。用碳和氧气反应产生的二氧化碳的量来定量的计算火电发电过程中的耗氧量。1kg煤炭平均含碳量为0.8kg，故1kg煤炭大约消耗2.13kg氧气，产生2.93kg的二氧化碳。

2.3 二氧化碳价格

本文采用我国碳交易市场深圳排放权交易所碳交易市场价格作为碳交易价格。根据深圳排放权交易所2015年7月6日～2015年7月13日碳交易成交价格的平均值(见表2)，得出碳交易的价格，记为PCDM。

表2 碳交易价格 元/t

本文碳交易价格PCDM的计算公式如下

(6)

由式(6)和表1计算可得，碳交易的价格为24.75元/t。

2.4 氧气生态补偿效益价格

氧气生态效益计算步骤为：①选取水电站某一年的发电量EGy；②用计算年水电站的发电量代替火电的发电量，计算出每年减少的二氧化碳的排放量。③根据本文拟定的碳交易的价格计算出氧气生态补偿效益。本文碳交易价格为24.75元/t，由公式(1)计算出氧气生态补偿效益的价格为18.07元/t。

3 实际应用

刘家峡水电站总装机容量为116万kW，保证出力48.99万kW，水库正常蓄水位1 730m，对应水库淹没面积为106.7km2，据此计算出刘家峡水库的功率密度为10.87 W/m2。根据式(3)计算出基准排放量BEy；再根据式(4)计算出二氧化碳减排量ERy。水电代替火电发电时减少氧气的消耗量Sy为

Sy=0.73×ERy=0.73EGy×0.5×
(OM+BM)-PEy-Ly

(7)

基于碳交易价格机制下，氧气的生态补偿效益为水电站补偿火电站发电时减少的氧气消耗量与氧气生态补偿效益价格的乘积，即

BO2=Sy×PO2

(8)

文献[8]给出2020水平年水电站优化调度后，刘家峡水电站的发电量为54.31亿kW·h。

刘家峡水电站位于西北地区，电量进入西北电网中，由表1可知，OM=0.972 9，BM=0.511 5，水力发电产生的二氧化碳排放量PEy=0。计算出2020年刘家峡水电站二氧化碳年减排量为3 908 691t，减少氧气的消耗量为2 853 342t。由此得出，刘家峡水电站2020水平年的氧气生态补偿效益为5 156万元。

4 结 语

(1)本文运用一种间接的方法求出氧气的生态补偿效益，计算出2020水平年刘家峡水电站的氧气生态补偿效益为5 156万元。旨在说明水电在国民经济的发展中有着极为重大的作用。同时，提醒人们关注氧气枯竭，积极保护环境。

(2)水电对火电氧气生态补偿效益巨大，在节能减排的环境下，水电在电网的比例还需上调，水电的氧气生态补偿效益将更为显著。呼吁国家出台有利于水电可持续发展的相关政策，以促进水电健康发展。

(3)本文所用的方法只是对氧气生态效益的一种尝试，关于氧气的生态价值还需进一步研究。

[1]陈一文. 对人类持续安全健康生存，大气 “氧气枯竭” 造成比 “全球温室效应” 更为严重恶果[C]∥2008中国可持续发展论坛论文集. 北京：中国可持续发展研究会，2008：287-290.

[2]潘家铮. 水电与中国[J]. 水力发电，2004，30(12)：17-21.

[3]郑志宏，张泽中，薛小杰，等. 龙刘梯级水库群对黄河生态基流补偿效益[J]. 水力发电学报，2009，28(4)：13-17.

[4]EuropeanEnvironmentalAgency(EEA).EnvironmentalTaxesImplementationandEffectivenessEnvironmental[M].Copenhagen：EEA，1996.

[5]PIGOUAC.TheEconomicsofWelfare[M].London：Macmillian，1992.

[6]李欢，杨仁斌，陈亮，等. 中国水电项目CDM开发现状与趋势展望[J]. 中国农村水利水电，2007(8)：92-93.

[7]张一博，李林红. 云南电网类CDM项目适用的方法学研究[J]. 网络财富，2008(6)：45-48.

[8]张泽中，王义民，齐青青，等. 黄河上游梯级水库群大气环境补偿效益计算[J]. 水力发电学报，2010，29(3)：56-62.

(责任编辑 杨 健)

Oxygen Ecological Compensation Benefits of Liujiaxia Hydropower Station to Thermal Power Plant

ZHANG Zezhong, LI Xiaolong, LIU Jianting, QI Qingqing

(North China University of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450008, Henan, China)

The study of oxygen ecological compensation benefits can improve the computation of eco-environment benefit of hydropower station to thermal power plant. The CDM method is firstly used to derive the carbon dioxide emission reduction of reservoir, and then the reduction of oxygen consumption is calculated when instead of thermal power generation with hydropower station. The calculation results of Liujiaxia Hydropower Station show that the oxygen ecological compensation benefit of Liujiaxia Hydropower Station in the year of 2020 will be 51.56 million RMB. The quantitative calculation provides a basis for scientific pricing of hydropower station.

hydropower engineering; carbon trading; oxygen; compensation benefit; Liujiaxia Hydropower Station

2016-07-12

国家自然科学基金项目(51309098)

张泽中(1978—)，男(满族)，河北唐山人，副教授，博士，主要从事水库调度和资源系统工程研究；李小龙(通讯作者).

TV7；X171(242)

A

0559-9342(2016)12-0013-03