基于煤炭消费视角的北京市以电代煤减排效益研究

王振宇,王 冰,吴培肇,李 薇*,刘 磊(.南瑞武汉能效测评中心,湖北 武汉 000；.华北电力大学环境研究院,北京 006)

基于煤炭消费视角的北京市以电代煤减排效益研究

王振宇1,王 冰2,吴培肇2,李 薇2*,刘 磊2(1.南瑞武汉能效测评中心,湖北 武汉 211000；2.华北电力大学环境研究院,北京 102206)

基于北京市2014年煤炭消费情况,采用等效能值法具体量化了北京市及各行业实施以电代煤所能带来SO2、NOx与CO2减排量,同时在此基础上,分析了同等替代比例下各行业实施以电代煤的减排贡献率.结果表明:实施以电代煤可以极大降低SO2、NOx与CO2的排放量,电能每替代100万t的煤炭,SO2、NOx与CO2减排量分别为5.61×103t、0.42×103t、0.57×106t;城镇居民生活消费实施以电代煤对SO2减排起主要作用,贡献率达到53.11%,而NOx与CO2减排贡献中,工业占据主导地位,贡献率分别为94.06%和68.36%;具体煤炭消费行业的减排贡献率与各行业煤炭消费总量有关,非金属矿物制造业实施以电代煤可取得较大的工业行业减排效益,而房地产业则对服务业的减排贡献较为突出.

以电代煤；等效能值；减排效益；贡献率

长久以来,人口增长与经济发展导致了北京市煤炭消费总量居高不下,煤炭在能源消费结构中占较高比例[1].然而,燃煤燃烧过程中释放的颗粒物、SO2、NOx等气体也成为北京市大气污染的重要来源[2-3].研究表明燃煤对北京市 PM2.5的贡献率达 16%,燃煤源和工业源对北京地区 SO2贡献率为66.1%[4-6].近年来频繁出现的雾霾天气严重影响了北京的城市形象,也暴露了北京市能源发展方式的不合理性.因此,为解决北京市大气污染问题,改善空气质量,必须改变以煤为主的能源利用结构.

电能替代作为转变能源发展方式、实现能源战略转型的重大举措引起了研究人员的广泛关注[7-11].牛东晓等[12]采用等效能值的折算方法从经济性和环境影响两方面分析多种终端生活用能,研究电能在终端能源中的替代可行性.张立辉等[13]基于系统动力学建立了以电代煤减排效益模型,核算了以电代煤的实施减排效果.刘俊等[14]通过分析甘肃省用户用能的结构、特点以及用户用能的趋势,明确了电能替代的潜力用户,为甘肃省实施电能替代战略提供参考.然而,关于电能替代方面的研究多集中在对其社会效益、经济效益和环境效益的评价上[15−19],针对具体研究区域实施电能替代所产生的实际减排效益缺乏深入的量化研究.因此,本研究采用等效能值法对北京市未来以电代煤的潜力进行分析,核算北京市整体以及具体行业实施以电代煤的减排效应,分析各煤炭消费行业的减排贡献率,以期为北京市制定以电代煤的相关政策提供科学的决策依据.

1 北京市煤炭消费概况

近年来,随着产业结构优化升级、节能减排压力加大及相关政策影响,北京市煤炭消费总量不断降低(图 1).2006年北京市煤炭消费总量为3056万吨,而 2015年下降至 1200万吨左右[20].由图1可以看出,北京市煤炭消费负增长大致可分为两个阶段:“十一五”期间的煤炭消费总量缓慢下降;进入“十二五”以来,面对日益严峻的大气污染形势,受政策规划及技术措施影响,煤炭消费量以较快的速率下降.

图1 北京市煤炭消费变化趋势Fig.1 Variation of the coal consumption in Beijing

除宏观政策影响外,北京市煤炭消费还与产业结构相关.统计数据表明,北京市煤的消耗以工业和居民生活为主,2014年68.36%和16.90%的煤炭用于工业生产与居民生活消费.在工业用户中,电力、热力的生产和供应业消费煤炭最多,占到了 55.54%,这说明 2014年北京市内火力发电依旧占据了电力结构的主导地位,然而,工业用煤比例与电力、热力的生产和供应业煤炭消费比例正呈现逐年下降的趋势.其他煤炭消费用户占比依次为居民生活消费、服务业与农林牧渔业(图2),分别占比 16.90%、12.74%与 2.00%.近年来,电炉炼钢、电磁炉、电采暖等技术措施的推广大大减少了工业、居民生活、服务业以及农林牧渔等行业的用煤量,北京市的煤炭消费需求有明显的下降趋势,电能替代空间巨大.

图2 北京市煤炭消费流向Fig.2 The flow-gragh of coal consumption in Beijing

2 核算方法学与情景设定

2.1 基于等效能值的以电代煤核算

实施电能替代的减排效益核算以等效能值为基础, C表示1单位某终端能源的燃烧值,t表示该能源的热效益值,E表示1单位该能源的等效电能值为:

已知1kg原煤的燃烧值为21000kJ,热效益值为50%,而1kW·h电能的燃烧值为3600kJ,热效应值为95%,利用公式(1)计算得出原煤的等效电能值约为3.07,即1kg原煤约等于3.07kW·h的电能.

2.2 排放因子

计算过程中,各行业单位煤炭的 SO2、NOx与 CO2排放因子按照文献[21-22]来确定,具体数值如表1所示.单位电力消耗的污染排放因子与发电能源结构有关,考虑北京市煤炭、天然气、新能源和可再生能源、外调电力等组成的电力结构,因此单位电量的污染排放因子作如下分解:

式中: p1、p2为本地发电和调入电量占总电量的比例(%), i为煤炭、天然气、新能源和可再生能源等4种能源种类; fi、EFi分别为对应能源在发电能源结构中占的比重和排放系数; EF’为火力发电的污染排放系数(外调电默认为燃煤发电).北京市 2016年将关闭最后一座大型燃煤电站,这些燃煤火电站将被天然气电站替代,因此,市内发电计算不考虑燃煤发电,而可再生能源与新能源发电不考虑污染气体排放.计算过程中,燃煤与燃气发电的污染物排放系数参考了相关研究成果[23-25],根据公式(2)可计算得到 1kW·h电能的SO2、NOx与 CO2排放量分别为 2.54g/kW·h、0.22g/kW·h与 0.48kg/kW·h.需要指出的是,计算出的单位电量 CO2排放系数相比华北电网的CO2排放系数有大幅降低.

表1 主要气体排放因子Table 1 Emission factors of main gases

2.3 减排效益核算

以电代煤的减排效益按消费煤炭所排放气体与对应替代电能所产生的气体减量计算,采用排放因子法,核算CO2及主要大气污染物SO2、NOx的减排量如式(3)所示:

其中:ERthj为 t时期 j行业以电代煤所产生的 h气体的减排量,(kg); CCtj为t时期j行业的煤炭替代量,(kg); CEFhj为j行业单位煤耗h气体的排放因子;EEFh为单位电能h气体的排放因子.

2.4 煤炭削减量与情景设定

根据《北京市2012-2020大气污染治理措施》、《北京市2013～2017年清洁空气行动计划》,通过关停三大燃煤电厂、锅炉清洁能源、控制低矮面源燃煤污染等措施,北京市 2016、2017及 2020年煤炭消费总量的控制目标分别为1100、1000与900万t,而肖宏伟[26]的预测结果表明,北京市 2016～2020年煤炭消费预测值分别为 1216、1076、987、929、891万吨.相比2014年煤炭消费量(1736.54万t),北京市煤炭消费控制目标与预测值均有大幅降低.因此,本研究将2016、2017及2020年煤炭消费总量控制目标与 2014年消费量的差值、文献[26]中2016～2020年预测值与2014年消费量的差值作为煤炭削减量进行电能替代,核算对应的减排效益.同时,在参考各行业煤炭消费量总体变化趋势的基础上,设定了20%、30%以及50%的以电代煤比例,分析各行业的减排效益及行业贡献率.

3 减排效益分析

未来5年,北京市的煤炭消耗量将持续降低,若削减的煤炭由等能值的电能进行替代,则2016～2020年以电代煤的气体减排量如图3所示.由图可以看出,实施以电代煤可以在一定程度上降低 SO2、NOx与 CO2等气体的排放量.由于2016、2017年煤炭消费预测值高于北京市煤炭消费总量控制目标,其对应的以电代煤气体减排量低于控制目标对应的减排量,而2020年的预测值低于控制目标,因此其减排量高于控制目标所对应的减排量.

图3 不同年份以电代煤气体排放与减排量Fig.3 Gases emissions and reduced emissions for electricity in place of coal under different years

随着煤炭削减量的增加,电能替代燃煤的SO2、NOx与CO2减排量不断上升(图3虚线所示).以2016、2017、2020年煤炭消费总量控制目标为例,2016、2017、2020三年削减燃煤若由等能值电能进行替代,对应的 SO2减排量分别为35.68×103,41.69×103和46.89×103t,NOx减排量分别为2.70×103,3.13×103和 3.55×103t,CO2减排量分别为3.64×106,4.21×106和4.78×106t.电能每替代100万吨的煤炭,SO2、NOx与CO2排放量分别降低 5.61×103t、0.42×103t、0.57×106t.由此可以看出,从能源消费视角来看,电能作为终端能源消费替代传统煤炭能显著降低 SO2、NOx与 CO2的排放量,未来提高电能消费的比例对于缓解北京市大气污染具有重要的推动作用.

以2014年北京市煤炭消费数据为基础,针对各行业煤炭消费设定3种电能替代比例,表2为不同电能替代比例下各行业 SO2、NOx与 CO2的减排量.整体来看,随着电能替代比例的提高,各行业内三种气体的减排量不断增加.例如,2014年农林牧渔业 20%的煤炭消费由电能替代后,产生的SO2、NOx与CO2减排量分别为391.02t、29.62t与39.88×103t,当电能替代比例增加到30%时,对应的气体减排量分别增加至586.54t、44.43t与 59.81×103t.替代比例增加 10%,SO2、NOx与CO2气体减排量分别增加 195.52t、14.81t与19.93×103t.而工业电能替代比例增加10%, SO2、NOx与 CO2气体减排量分别增加 1074.62t、6435.00t及 678.55×103t.电能替代比例增加相同值,各行业气体减排量的增加值不同,这是由于各行业的煤炭消费量不同所致.

各行业以电代煤气体减排贡献率如图 4所示.由图可以看出,电能替代煤炭作为终端能源消费时,不同行业对SO2、NOx与CO2气体减排的贡献率不尽相同.电能替代煤炭消费所带来的SO2减排量中,工业与城镇居民生活消费起主要作用,两者的贡献率达到 87.80%,农林牧渔与服务业的贡献率仅占12.20%,这与较高的煤炭消费量以及单位煤炭消费 SO2排放因子有关.两者的煤炭消费量占北京市终端煤炭消费的85.26%,而较高的污染排放因子导致了燃煤的高 SO2排放.NOx减排量中,工业行业占据绝对的优势地位,以电代煤带来了94.06%的NOx减排,服务业开展以电代煤的减排量超过了生活消费,两者的比例分别为 3.89%和 1.82%.CO2减排量中,工业依旧占据主导地位,贡献率达到了 68.36%,但生活消费与服务业开展以电代煤对于 CO2减排的贡献率差距不大,分别为 16.90%与 12.73%,这种差异主要是由于煤炭消费量以及燃煤排放因子差异所导致.通过以电代煤减排效益贡献率分析可知,为改善大气环境质量,在工业部门实施以电代煤能够极大降低SO2、NOx与CO2的排放量,同时,在居民消费端与服务业实施以电代煤也可以在一定程度上降低各种气体的排放,而农林牧渔业由于煤炭消费基数较低,实施以电代煤所带来的减排效益有限.

表2 不同替代比例下减排量Table 2 The reduced emissions under different substitute proportions

图5为工业各部门的气体减排贡献率,由图可以看出,电力、热力生产与供应行业实施以电代煤的减排贡献远大于其他行业,这是由于该行业的煤炭消费量较大所导致.据统计,2014年北京市电力热力生产与供应行业消耗964.51万吨煤炭,占工业煤炭消费的 81.25%,占北京市煤炭消费的 55.54%,为北京市第一大煤炭消费行业.然而,随着北京市四大燃气热电中心的投入运行,电力行业煤炭消耗量将会大幅下降,减排贡献率也将不断降低,而针对其他行业开展以电代煤将会是工业行业的重点.图5的三个图中,除电力、热力生产与供应行业以外,SO2、CO2减排贡献率顺序为非金属矿物制造＞其他行业＞酒、饮料与精制茶行业＞化学原料与制品行业＞农副食品加工行业;而NOx减排贡献率顺序为非金属矿物制造＞其他行业＞酒、饮料与精制茶行业＞农副食品加工行业＞化学原料与制品行业.非金属矿物制造、其他行业实施以电代煤的SO2、NOx与CO2减排效益大于酒、饮料与精制茶行业、化学原料与制品行业、农副食品加工行业的减排效益,这是因为两者的煤炭消耗量明显高于其他三个行业.因此,在非金属矿物制造与其他行业开展蓄热电锅炉代替燃煤锅炉等以电代煤举措,将极大地降低工业行业SO2、NOx与CO2的排放.

图4 不同行业以电代煤气体减排贡献率Fig.4 The contribution rates for electricity in place of coal under different industries

图5 工业部门气体减排贡献率Fig.5 The contribution rates of each industrial sectors

图6为服务业各具体行业的SO2、NOx与CO2减排效率.由饼状图可知,各行业减排贡献率的顺序依次为其他行业＞房地产业＞租赁和商务服务业＞教育＞住宿与餐饮业＞交通运输、仓储和邮政业,但整体的减排贡献率差距不大.考虑本研究使用的服务业燃煤排放因子为统一值,因此贡献率的大小仅与煤炭消费量有关.未来在服务业各具体行业中开展以电代煤,采取热泵替代燃煤锅炉、电锅炉代替燃煤锅炉以及电采暖代替燃煤锅炉等措施将大量削减服务行业的SO2、NOx与CO2排放.

图6 服务业气体减排贡献率Fig.6 The contribution rates of each service sectors

4 结论

4.1 在分析 2014年北京市煤炭消费情况的基础上,应用等效能值法核算了未来北京市及具体行业实施以电代煤的SO2、NOx与CO2减排效益,结果表明,实施以电代煤可以极大降低SO2、NOx与 CO2的排放量,电能每替代 100万吨的煤炭, SO2、NOx与 CO2减排量分别为 5.61× 103t、0.42×103t、0.57×106t.

4.2 工业与城镇居民生活实施以电代煤对 SO2减排起主要作用,两者的贡献率达到 87.80%,而NOx与CO2减排贡献中,工业行业占据主导地位,贡献率分别为94.06%和68.36%.

4.3 具体煤炭消费行业的减排贡献率与各行业煤炭消费总量有关,非金属矿物制造业实施以电代煤可取得较大的工业行业减排效益,而房地产业则对服务业的减排贡献较为突出.

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Research on reduction benefits of substituting electricity for coal in Beijing-Based on the perspective of coal consumption.

WANG Zhen-yu1, WANG Bing2, WU Pei-zhao2, LI Wei2*, LIU Lei2(1.NARI Wuhan Efficiency Evaluation Center, Wuhan 211000, China；2.Environmental Research Academy, North China Electric Power University, Beijing 102206, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1995～2000

Based on the analysis of coal consumption in Beijing in 2014, the equivalent energy value method was applied to specifically quantifies the reduced emissions of SO2, NOxand CO2resulting from the measure of electricity in place of coal in Beijing and specific industry. Meanwhile, the reduction contribution rates of different industrial sectors were analyzed under the same substitute proportion. The results show the implementation of electricity in place of coal indeed reduces emission of SO2, NOxand CO2. The reduced emissions of three gases were 5.61×103t、0.42×103t、0.57×106t when 100t coal was substituted by electrial energy. For SO2, the implementation of electricity in place of coal in resident life plays a leading role and the corresponding contribution rate was 53.11%. However, for NOxand CO2, the industy occupies a leading position with contribute rates of 94.06% and 68.36%. The contribution rate of each industrial sector is associated with the corresponding coal consumption. The implementation of electricity in place of coal in Nonmetal Mineral Products and Real Estate would make prominent contribution to the reduction emission of SO2, NOxand CO2in industry and service industry.

electricity in place of coal；equivalent energy value；emission reduction benefits；contribution rate

X321

A

1000-6923(2017)05-1995-06

王振宇(1984-),男,湖北潜江人,博士,研究方向为智能电网、电力需求侧管理、节能低碳研究.

2016-10-26

国家电网公司科技项目《智能用电环节低碳仿真与评价样关技术研究》;环保部公益项目(201509010)

* 责任作者, 副教授, liweihd1201@gmail.com