基于环境外部性的风电经济性评价

闫风光，赵晓丽

(1.华北电力大学经济与管理学院，北京　102206；2.中国石油大学(北京)工商管理学院，北京　102249)



基于环境外部性的风电经济性评价

闫风光1，赵晓丽2

(1.华北电力大学经济与管理学院，北京102206；2.中国石油大学(北京)工商管理学院，北京102249)

0　引　言

根据国家统计局《2014年国民经济和社会发展统计公报》可知，2014年中国火电装机达9.16亿kW，占总装机容量的67%，火力发电量为4.2万亿kWh，占总发电量的76.92%。以煤为主的资源禀赋，决定了中国火力发电中燃煤发电占了绝大部分比例。随着环境问题的日益严峻，近年来中国极力推进清洁能源发电。其中，风电在中国获得了快速发展。2000～2005年，中国风电装机容量平均每年以20%的速度递增。2007～2010年4年间，中国风电装机容量由126万kW增长到1 217万kW，以每年翻一番的速度发展[1]。国家能源局《2014年风电产业监测情况》指出，2014年风电上网电量1 534亿kWh，占全部发电量的2.78%，成为继火电和水电之后的第三大电源。

目前，随着风电的快速发展，风力发电的一些问题逐渐被暴露出来。由于风力发电单位投资成本高、风力发电随机性和间歇性的问题，有许多人对风力发电的经济性提出了质疑。此外，在不考虑环境外部成本的情况下，风电发电成本仍高于煤电发电成本，为了促进风电发展，国家每年要拿出大量的财政补贴，这无疑不利于风电的大规模发展。因此，在考虑环境外部性情景下，研究风电和煤电发电成本，进而分析基于环境外部成本内部化的风电与煤电的竞争力问题是本文的研究目的。

目前针对电厂环境外部性的问题，已经有不少学者做出了相关研究。郝丽芬等[2]、晓彬等[3]、狄向华等[4]、刘敬尧等[5]运用生命周期评价方法，通过对燃煤电厂各个阶段的排放物计算和分析，研究了燃煤电厂在整个生命周期污染排放的环境外部性问题。邹治平等[6]、祝伟光等[7]、高成康等[8]、邵潇等[9]运用生命周期评价方法，通过对风电场各个阶段的排放物计算和分析，研究了风电场在整个生命周期阶段与燃煤火电相比各污染物减排量的问题。王晓天[10]运用生命周期评价方法，对风电和燃煤火电的生命周期环境的环境外部性进行了比较分析。但是，上述文献只分析了煤电厂或风电场的环境外部性，没有对这些环境影响进行经济分析。周浩等[11]、孙可[12]和丁淑英等[13]对燃煤发电过程中排放污染物的环境外部性做出了经济性的计算，但是他们只是计算了发电环节火电的环境外部性问题。赵晓丽等[14]采用生命周期方法，在考虑CO2环境外部成本和发电的经济成本条件下，对风电和煤电单位发电的综合成本进行了比较分析。但是，这一研究没有考虑粉尘(PM)、二氧化硫和氮氧化物的排放。本文研究的创新之处是：基于生命周期方法，综合考虑温室气体排放和污染排放，对风电和煤电的环境影响进行分析，并进一步对环境影响的经济成本进行了估算，在此基础上，对风电场和燃煤电厂的综合发电成本(含经济成本和环境外部成本)进行了比较。

1　研究方法与模型

1.1生命周期法

电力系统的各个生产阶段，都会对于外部环境带来一定的影响。因此，我们在分析电力系统的环境外部性时，宜采用生命周期评价方法进行分析。生命周期评价(LAC)是一种用于评估产品在其整个生命周期内，即从原材料的获取、产品的生产直至产品使用后的处置，对环境影响的技术和方法[15]。按照生命周期特点，电力系统的生命周期评价分为如下阶段：原料获取阶段、建设阶段、运行阶段、废弃处置阶段。

原料获取阶段主要包括燃料获取阶段和建筑原料获取阶段。在该阶段燃料的获取包括燃料的开采和运输，原料的获取包括建材、水泥、铁、铝、钢等建筑原料的生产和运输。建设阶段包括电场及辅助设施建造、厂房的建设、相关设备的安装等。电厂运行阶段指电力生产，主要涉及相关原料的消耗和相关废物的处理。电场报废回收阶段包括相关设备的回收及厂房的解体。相关阶段如图1所示。

图1　电厂生命周期阶段图

1.2研究模型

1.2.1电厂环境外部性的核算模型

针对电力系统的环境外部性特点，对于污染物及温室气体的排放我们主要考虑PM、SO2、NOx、CO2等。电厂生命周期环境外部性的核算主要考虑3个方面：生命周期所处阶段、不同阶段材料的消耗量、材料的污染物排放因子。通过计算某种污染物不同阶段的产出量之和，得出生命周期内污染物的排放总量。具体模型如下式(1)所示。

(1)

式中：Emission为生命周期内某种污染物排放；Emissioni为第i阶段某污染物的排放;Consumptionij为第i阶段第j种材料的消费量；EmissionFactori j为第i阶段第j种材料的某污染物排放因子。

1.2.2电厂环境外部性的经济核算模型

对环境外部性的经济核算，我们需要依次得出单位发电量不同污染物的排放、单位发电量的不同污染物的环境外部性成本、单位发电量污染物总的环境价值。具体模型如下式(2)所示。

(2)

式中：C表示总环境外部成本；Emissionm表示生命周期内第m种污染物单位发电量的排放量；Pm表示第m种污染物的单位环境价值；n表示要核算污染物的种类。

2　风电与煤电环境外部性的核算与比较

2.1风电环境外部性核算

为了选择具有代表性的风电场，我们对2013年中国风电的总的装机情况进行了统计。根据《电力工业统计资料汇编2013》可知：2013年中国新开工的风电场总数为202座，其中装机容量在47.5～50MW的风电场为176座，占总开工风电场的比例为87.13%。因此，选取49.5MW的风电装机容量来分析其生命周期的环境外部性具有较好的代表性。本文以大唐扎鲁特旗风电场一期工程为研究对象，该风电场设计装机容量为49.5MW，风机及塔架选取东汽FD77-1500型风力发电机组，风电场设计使用年限为20a，年设计上网电量1.175 7亿kWh。

2.1.1风电场原料获取阶段核算

风电场原料获取阶段的环境外部性的核算，包括风机制造和风机运输阶段。对于风机制造阶段的相关排放计算，首先需要明确风机各部件质量及组成材质。由东汽FD77-1500型风力发电机组的发电机组结构和技术参数可确定风机各部件质量，结合文献[16]我们可知各主要部件的材料组成，具体数据如表1和表2所示。

表1　单个风力发电机组主要部件及质量　t

表2　单个机组各主要部件的材料组成　t

为了计算风力发电机的各部件在生产过程中的环境外部性，我们首先得出各种材料单位产量的环境外部性。根据表2机组各部分材料组成，结合文献[17-21]中各材料生命周期环境外部性数据，我们可得到风电机组在制造阶段的排放量，具体结果如表3所示。

表3　单个机组制造阶段总的排放量　t

根据赵晓丽等[14]可知，风机原料运输需要2 500km 铁路和400km的公路。假设风机原料30%采取铁路运输，70%采取公路运输[8]。结合铁路和公路运输过程排放量数据[22]，可知风机原料运输过程中的排放如表4所示。

表4　单风机原料运输阶段排放量　t

根据表3和表4的计算结果，我们可知该风电场33台机组在风机原料获取阶段总的排放量，具体核算结果如表5所示。

表5　33台风机原料获取阶段排放量　t

2.1.2风电场建设阶段核算

风电场建设阶段主要包括风电场基础工程施工、风机安装、电气设备安装、变电所施工等。参考文献[18-19]和[23-26]关于材料生命周期环境外部性研究，结合赵晓丽等[14]对该电场建设过程中原料消耗计算，可知风电场建设过程主要材料的消耗及排放量如表6所示。

表6　主要原材料的消耗量及排放量　t

2.1.3风电场运营阶段核算

在运行与维护阶段，主要的环境外部性来源于损坏零部件的更换和维修。同时也包括由于运营与维护的目的往返于风电场的材料和人员的运输。假设风力发电场有效使用寿命20a，赵晓丽等[14]计算得出大唐扎鲁特旗风电场一期在该阶段需要耗费柴油1 495.44L，郭敏晓[27]认为在整个寿命运行期间风力发电场要更换1个叶片和15%的机组。根据表5单个机组获取阶段排放，结合Mart nez E等[16]确定的叶片质量及组成，参考文献[19]和[21]材料生命周期环境外部性可知，该阶段的环境外部性如表7所示。

表7　电场运行与维护阶段排放量　t

2.1.4风电场废弃处置阶段核算

在风电场的报废回收阶段，主要包括风电机组组件的拆解和回收，相关废弃物的运输和循环处理、掩埋等。在该阶段一般认为叶片的98%，机舱的90%和塔架的90%将被回收利用[8]。因此，根据估计可知整个废弃处置阶段环境外部性排放为生产阶段的10%。通过上述核算，该阶段的环境外部性如表8所示。

表8　电场废弃处置阶段排放量　t

2.1.5风电场各阶段排放强度核算

根据上述各阶段的统计结果，结合该风电场的运行年限20a，电场每年的发电量为1.175 7亿kWh，可以算出风力发电场整个生命周期的排放量如表9所示。

表9　风力发电单位电力排放量　g/kWh

表9显示：基于生命周期角度,风电场的SO2排放主要集中于风机制造阶段和电厂建设阶段，分别约占单位发电排放量的57.14%和24.29%；NOx在风机制造阶段和电厂建设阶段排放量较大，分别约占单位发电排放量的58.62%和26.90%；CO2的排放主要集中于制造阶段和电厂建设阶段，分别约占单位发电排放量的56.99%和30.80%；PM的排放在电场建设阶段和风机制造阶段较多，分别约占单位发电排放量的75.24%和17.62%。

2.2煤电环境外部性核算

为了有效计算燃煤电厂的生命周期环境外部性问题，我们选取目前具有代表性的燃煤机组进行计算。根据《2013年电力工业统计资料汇编》，全国单机6 000kW及以上的火电机组共有7 223台，其中超过600MW的机组有522台，占总机组数量的7.2%，这说明600MW及以上的发电机组具有较高的技术水平，分析该类型机组的生命周期环境外部性具有较好的代表性。

本文选取的煤电厂分析对象为华能九台二期工程。该二期工程设计机组容量为2×660MW，年利用小时数为5 500h，年耗煤量4.213×106t。烟气除尘效率约为99.7%，脱硝效率82.3%，脱硫效率为90%。为了不失一般性，我们选取机组运行煤耗为全国平均煤耗率302g/kWh。

2.2.1煤原料获取阶段排放核算

火电厂原料获取阶段主要包括燃料获取和主要发电设备获取。燃料的获取主要指煤炭的获取，煤炭的获取包括煤炭的开采和运输。主要发电设备获取包括发电设备的生产和运输，发电设备主要包括锅炉、汽轮机、发电机等。结合狄向华等[4]计算的煤炭获取排放强度和该电厂的年耗煤量4.213×106t，煤炭获取阶段的相关排放量如表10所示。

表10　煤炭获取相关排放物排放量　t

燃煤电厂主要发电设备包括锅炉、汽轮机、发电机等。电厂主要设备的材料消耗均以耗钢量来估算，各部位钢材需求量可以根据《上海600～660MW级发电机说明书》确定。根据王腊芳等[17]钢材生产过程的生命周期排放核算，可知发电设备生产过程中排放量如表11所示。

表11　主要发电设备生产排放量　t

为了和风电保持一致，假定发电设备30%采取铁路运输，70%采用公路运输[8]。根据《中国统计年鉴(2014)》可知，2013年全国铁路运输的平均距离为735km，公路平均运输距离为181km。根据郜晔昕[22]所做的铁路和公路运输过程中单位质量距离的排放强度，结合发电设备的运输距离与质量，该运输阶段的排放如表12所示。

表12　发电设备运输阶段排放量　t

由表10至12可知，原料在获取阶段的排放量情况(表13)。

表13　原料获取阶段的排放量　t

2.2.2燃煤电厂建设阶段排放核算

燃煤电厂建设阶段的环境外部性排放主要包括主要设备(锅炉、汽轮机、发电机)安装过程中的排放和厂房建设过程中的排放。其中，参考《2×660MW电厂厂区工程施工组织设计》和《2×600MW燃煤发电厂建设标准》可以分别确定主要设备安装过程和厂房建设中的材料消耗量。参考王腊芳等[17]、阮仁满等[18]、周晓霞等[25]、胡志远等[26]的材料生产环境外部性研究，可知电厂厂房建设过程相关排放量如表14所示。

表14　燃煤电厂建造阶段排放量　t

2.2.3燃煤电厂运营阶段排放核算

燃煤电场运营阶段的排放主要来源于燃煤过程中排放，及废弃物处置阶段的运输产生的排放。燃煤过程中相关排放物的核算，可参考狄向华等[4]的各种排放物的排放强度，结合中国燃煤火电行业清洁改造后脱硫90%、脱硝82.3%、除尘99.7%情况计算；九台电厂脱硫石膏生产量为4.86万t/a，灰渣量为41.04万t/a，灰场距离4.5km，结合郜晔昕[22]公路运输阶段排放强度可计算废弃物处置阶段产生的排放。结合上述计算结果可知，煤电厂运营阶段的排放强度如表15所示。

表15　煤电厂运营阶段排放强度　g/kWh

2.2.4电厂煤废弃处置阶段排放核算

对于报废回收阶段的环境外部性，假设此阶段的排放是火电厂建设阶段排放的10%[5]。根据建设阶段排放情况，可知该阶段的排放量如表16所示。

表16　煤电场废弃处置阶段排放量　t

2.2.5燃煤电厂各阶段排放强度核算

综合上述各阶段的计算结果，结合该燃煤电场的年发电量7.26亿kWh，我们可知火力发电生命周期的排放物的排放强度，具体如表17所示。

表17　煤炭发电单位电力排放污染物量　g/kWh

表17显示：基于生命周期角度,燃煤发电厂的SO2排放主要集中于煤炭获取阶段和电厂运营阶段，分别约占单位发电排放量的55.84%和41.56%；NOx在煤炭获取阶段和设备获取阶段排放量较大，分别约占单位发电排放量的94.67%和5.33%；CO2的排放主要集中于电厂运营阶段和煤炭获取阶段，分别约占单位发电排放量的93.99%和5.60%；PM的排放在电厂运营阶段和煤炭获取阶段较多，分别约占单位发电排放量的50%和39.58%。

2.3风电和煤电环境外部成本的比较

为了有效解决环境外部性的问题，需要量化环境外部性的经济成本。对于环境外部成本的经济性评估，目前比较流行的方式主要有两种：一种主要侧重于对环境的损害价值的估计，如ExternE模型方法、国际原子能机构的UWM(the uniform world model)方法。其中，ExternE模型已经在欧洲相关领域得到了广泛的认可与应用；另一种主要侧重于对人们为避免环境损害的支付意愿的评估，如条件价值评估法(CVM)和选择模型法(CM)。该类方法在中国处于刚刚起步阶段，目前研究应用比较少。考虑到两种方法的特点与应用程度，本文采用ExternE模型方法来作为环境外部性的经济成本评估方法。

ExternE模型方法来源于欧盟的EcoSense China/Asia计划，该方法将环境外部性的影响分为3类：环境影响、全球变暖、意外事件[28]，将煤电行业的不同污染物的外部性影响转换为货币价值。它是一种自下而上的方法，采用影响路径方法(IPA)，按照污染物的排放、传播、影响、成本损害的顺序对环境影响进行量化分析。

目前已有学者采用ExternE模型方法，对中国煤电行业的环境外部成本进行了相关研究。Kypreos S等[29]运用ExternE模型方法在2003年对山东省火电行业的单位大气污染物的环境外部性损害成本进行了评估，运用ExternE模型的人口密度调节方式，得到在中国SO2、NOx、PM的单位质量外部成本分别为：1 602＄/t，1 039＄/t，1 142＄/t。文献[30]指出CO2的单位治理成本约为19＄/t。参考2003年美元对人民币平均汇率为8.28可知，CO2和其他污染气体的环境价值如表18所示。

表18　单位排放的外部成本

表18确定了在2003年价格水平下，CO2和其他污染气体的环境成本。我们需要将2003的环境成本根据中国消费者价格指数折算成2013年的成本。根据《国家统计局统计年鉴2014》，2013年与2003年中国消费者价格指数水平之比为1.36。由此，我们得到2013年SO2、NOx、CO2、PM的单位环境成本。具体结果如表19所示。

表19　单位排放的外部成本　元/kg

根据上述核算的火电和风电生命周期各阶段排放量，结合污染物单位环境价值的估算，可得出燃煤发电和风电生命周期的环境外部性成本分别为0.20元和0.003元。计算公式分别为(3)和(4)。

(3)

(4)

本文燃煤发电环境外部性的研究结果0.20元/kWh与已有的研究相比，略偏高。周浩等[11]和孙可[12]根据电力行业环境价值标准，计算了煤电发电过程中SO2、NOx、CO2、CO等外部成本分别为0.139元/kWh和0.109元/kWh；丁淑英等[13]应用ExternE模型的环境价值评估方法，对中国不同地区燃煤机组发电过程SO2、NOx、CO2、PM的外部性进行了计算，得出外部成本在0.14～0.20元/kWh之间。这是由于上述研究没有基于生命周期方法，他们只计算了发电阶段煤电的外部性。因此，本文的研究结果具有合理性。

3　风电和煤电综合成本比较与分析

3.1风电和煤电经济成本核算

为了对风电和煤电生命周期成本进行比较，我们还要考虑风电和煤电单位发电的经济成本。电场经济成本包括建设投资成本和运营成本，其中建设投资成本包括机组购置成本、电场基础建设成本、建设期利息等；年运营成本包括材料费、管理费、修理费用、工资及福利费用等。根据发电成本构成，电场单位发电经济成本如公式(5)所示。

(5)

式中：C为单位发电经济成本，C1为单位发电建设投资成本，C2为单位发电年运营成本。C1和C2的计算分别如公式(6)和公式(7)。

式中：I0为总投资额；IC为装机容量；r为自有资金比率，一般为20%；h为电场运营期内年平均利用小时数；i为年利率；T1为电场建设期；T2为电场折旧年限；T3为电场有效使用年限。

(7)

式中：IC为装机容量；h为电场运营期内年平均利用小时数；F1为年运行燃料费；F2年运行管理费、F3为年运行修理费、F4为年运行工资及福利费。

针对煤电和风电单位发电经济性的核算，已有相关研究采取类似方法得到相关计算结果[14]。为避免重复计算，本文采取该研究结果。即煤电单位发电量的经济成本为0.307元/kWh，风电单位发电量的经济成本为0.44元/kWh。

由于风电出力的随机性和间歇性特点，我们在计算风电的经济成本时还要额外考虑由于风电并网导致的系统辅助服务成本的增加。风电的辅助服务成本主要包括调峰成本、调频成本和旋转备用成本[31]。根据何洋等[32]可知，大规模风电接入系统时需要电力系统额外提供的辅助服务成本为0.084元/kWh。由此可知，考虑到风电的使用成本，风电单位发电量的经济成本为0.524元/kWh。

3.2风电和煤电综合成本核算

风电和煤电单位发电量的综合成本包括经济成本和环境外部成本。由上述计算结果及分析可知，风电和煤电的综合成本分别如式(8)与(9)所示。即在考虑环境外部成本的情形下，风电的发电成本仅高于煤电发电成本0.02元/kWh。

Cw=0.003+0.524=0.527元/kWh

(8)

Cc=0.20+0.307=0.507元/kWh

(9)

4　结论与政策建议

本文采用生命周期分析方法，计算了考虑环境外部性的风电和煤电单位发电的综合成本。通过本文研究，可以得到以下结论：

① 在整个生命周期中，风电和煤电的单位发电综合成本分别为0.527元/kWh和0.507元/kWh。其中：风电和煤电的单位经济发电成本分别为0.524元和0.307元，风电和煤电的环境外部成本分别为0.003元和0.20元。即在考虑环境外部成本的情形下，风电和煤电的发电成本基本相当。

② 风电的单位综合成本中，经济成本占主要部分，约占综合成本的99.43%。与风电相比，煤电的环境外部成本占总成本比例很高，可以达到总成本的39.45%。

③ 对于整个生命周期的环境外部性，风电主要集中于风机制造阶段和电厂建设阶段，而煤电主要集中于电厂运营阶段和煤炭获取阶段。由于风电整体的环境外部成本很低，其外部成本基本可以忽略；而煤电厂若减少环境外部成本，提高煤炭的清洁利用水平与煤炭使用效率是重点环节。

基于上述研究结论，为促进中国风电的大规模发展，本文提出如下政策建议：

第一，在考虑环境外部成本情形下，风电综合成本和煤电基本相当；未来随着风电成本的进一步降低，可以认为，促进风电的大规模发展，不仅具有社会价值，也具有一定的经济价值；即使从经济性的角度考虑，风电也应该成为中国未来能源战略中的一个重要内容。

第二，在考虑环境成本时，风电已经具有和煤电进行竞争的能力。因此，如果电力行业的环境管制政策能够充分体现环境外部成本，则可以减少或在时机成熟时取消对风电的补贴，风电可以凭借其综合成本的竞争优势获得快速发展机会。因此，以环境管制政策逐渐取代政府补贴政策，应该逐渐成为促进风电大规模发展的管制政策的重要选择。

第三，环境管制政策的制定一方面要反映环境外部成本，另一方面也要考虑燃煤电厂的承受能力。由于短期内风电等可再生能源发电还难以完全取代燃煤发电，因此，应在兼顾环境外部成本和企业技术进步条件下，制定合适的环境管制政策；既要促进可再生能源的发展，又要实现燃煤电厂向绿色生产方向的转变。

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(责任编辑：林海文)

Economic Evaluation of Wind Power Generation by Considering Environmental Externality

YAN Fengguang1，ZHAO Xiaoli2

(1.College of Economics and Management,North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.College of Business Administration,China University of Petroleum (Beijing),Beijing 102249,China)

中国实现经济可持续增长需要解决能源供应和环境约束问题。因此，促进可再生能源发展，是中国能源战略的一项重要内容。由于风力资源丰富性和风力发电相关技术比较成熟，近几年风电在中国获得快速发展，已成为继火电和水电之后的第三大电源。为了分析风电的竞争力问题，本文在考虑温室气体和污染气体环境外部性的条件下，对风电与煤电发电成本进行了比较。基于生命周期法等，得出在考虑环境外部成本情况下，风电每千瓦时综合成本只比煤电高0.02元。

环境外部性；风电；煤电；经济性评价；生命周期法

The energy supply and environmental constraints need to be solved for China’s economic sustainable growth.Therefore,it is an important energy strategy to promote the development of renewable energy.Duing to the abundant wind resources and relatively mature wind power generation technology,wind power develops rapidly in recent years,and becomes the third major power after the thermal power and hydropower.In order to analyze the competitiveness of wind power,the cost of wind power and coal power generation is compared by considering such environmental externalities as greenhouse gas and pollution gas in this paper.Based on the life cycle method,the overall cost of wind power is higher than coal power by only 0.02 yuan per kilowatt hour by considering environmental costs.

environmental externality; wind power; coal power; economic evaluation; life cycle assessment

1007-2322(2016)04-0079-08

A

TM-9

国家自然科学基金项目(71573273；71373078)

2015-10-17

闫风光(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为能源经济与环境政策，E-mail: 15101119759@163.com；

赵晓丽(1970—)，女，教授，研究方向为能源经济与政策，可再生能源发电，环境外部性评评价等，E-mail: email99zxl@vip.sina.com。