碳中和目标下天然气发电产业发展前景优化

龚承柱 贾维东 吴德胜 潘 凯

1. 中国地质大学（武汉）经济管理学院 2. 中国石油规划总院

0 引言

天然气因其清洁、高效、低污染的优势，成为支持能源转型和缓解气候变化的理想过渡能源[1]，在国家清洁能源替代计划和严格的生态环境保护政策下得到了快速发展。特别是在“十三五”期间，因其碳排放低于煤炭和石油，使用成本低于可再生能源，顺理成章地成为能源转型的现实依靠，迎来了黄金发展期。

天然气虽然相对清洁，但其大规模生产和消费带来的碳排放问题仍不容忽视[2]。随着碳中和目标的确立，未来减排力度将发生深刻变化，促使远期能源供需结构深度脱碳，绝大部分化石能源消费都将转变为可再生能源，为天然气产业的发展带来了诸多不确定性[3]。从短期来看，由于油气体制机制改革关键性政策落地[4]，天然气资源供应宽松且价格处于相对低位，加之国家实施清洁低碳发展战略和严格的生态环境保护政策，天然气作为清洁能源的短期需求刚性还将增长，从而推动天然气短期需求持续增长。从长远来看，随着风能、光伏等可再生能源以及氢能等新能源技术的进步，使用成本的降低，将会明显挤压天然气的需求空间，对天然气产业构成挑战[5-6]。值得关注的是，由于风能、光伏等可再生能源在供给稳定性方面存在先天不足，从能源系统的稳定性和韧性来看，天然气在能源转型中的桥梁作用和在电力中的支撑作用长期内不会快速改变，意味着天然气在需求达峰后仍可能发挥重要作用，特别是天然气发电产业，由于具备低排放、快调峰特征[7-8]，将在电力系统减排和系统调度韧性中发挥特殊作用，具有良好的发展前景[9]。

目前关于天然气发电产业的研究，大多集中在气电系统技术和天然气产业协调方面[10]，针对天然气发电产业未来发展的量化分析较少。为此，笔者基于平准化电力成本（LCOE），考虑天然气供应和电力需求多期经济环境下的最大化收益问题，构建气电产业收益动态优化模型，对比分析维持现状（即基准情景）和碳中和两类情景下气电产业的发展前景，尤其是对碳中和目标下气电产业的发展前景进行多情景量化分析。

1 气电产业发展前景分析

随着碳中和情况下环保政策的持续推进以及天然气行业的改革完善，全球天然气市场从长期来看供大于求，而我国具有加快气电产业发展的条件[11]。目前针对碳中和下天然气行业的量化分析较少，且主要针对天然气的消费与需求预测[12-13]。其中，较多的研究用基于灰色模型及改良模型进行数据上的预测[14-15]。系统动力学可以更多地考虑到市场及经济发展中的现实情况，纳入更多实际条件来预测天然气的消费情况。李君臣等[16]利用系统动力学模型，将天然气消费量拆分为第二产业、第三产业、居民天然气消费量，通过预测各产业内部的投资发展以及人口增长因素导致的这三个部分的各自增长值，加总得到天然气消费增长。进一步，Xiao等[17]通过人口与产业来预测电力消费量，通过天然气市场的国内外成本价格关系及投资关系来预测天然气生产、进出口与消费总量，并引入政策因素，利用电力市场、天然气市场、政策因素三者的交互关系构建系统动力学模型，从而预测天然气市场消费。

具体到气电产业则较少有量化模型分析。笔者认为对于气电产业而言，本质为一个单一主体的利润收益问题，即最小成本或最大收益问题，这适用于单一主体优化模型。单一主体优化模型被广泛使用，例如在电力市场中用于确定电力基础设施规划的最优策略选择[18-19]，针对可再生能源配额制下的发电厂商多区域发电约束的发电、配送及交易策略的最优策略优化[20-21]，针对气电公司对于天然气供应组合的最优选择策略[22]。在低碳发展新形势下，有学者提出考虑天然气系统与电力系统耦合情况来研究低碳需求下的最优能源调度策略优化问题[23]，构建投入产出线性规划模型，优化电力结构以减少二氧化碳的排放[24]。优化问题可以用于行业利润最大化分析，例如对于供应链中库存的管理进行利润函数的搭建，构建其约束函数后再进行优化分析[25]，再如考虑核心企业单方决策的供应链情形中，对于不同决策和供应选择下的利润优化模型[26]。

气电企业耦合于天然气市场与电力市场，其一方面受到天然气市场中天然气价格及资源量的影响，另一方面在电力市场中获取收益并受到其他能源发展的影响，两方市场的客观约束构成了气电企业的约束条件，价格因素则构成了气电企业的利润函数。故笔者针对多期经济环境下气电行业的最大化收益问题，构建非线性动态优化模型来分析气电市场的发展前景。

2 气电产业动态优化模型

2.1 模型假设

1）假设整个气电产业供应链中存在同类型天然气发电企业，或者将所有的天然气企业视为一个整体。

2）气电企业成本由天然气市场决定，即由国内天然气价格与进口天然气价格共同决定。

3）政府给予的补贴随着可再生能源的发展分阶段增加至不变。

4）气电企业利润来源于两个方面：①与电力市场发电总量相关的上网电价；②由于可再生能源发电调峰需要所获得的政府补贴。

5）天然气企业发电量受天然气市场的资源约束以及电力市场的比例约束。

2.2 模型建立

对于气电产业，天然气市场中天然气的价格等因素决定了产业发电成本，电力市场中上网电价和政府给予的补贴则决定了产业的收益，产业技术进步及管理效率提升也会增强企业的获利能力，最终产业整体效益由以上三者共同决定。这里将天然气发展产业多期利润（U）在折现率（r）条件下进行折现：

其中

式中Ut表示当期气电产业的收益情况，亿元，Ut即气电产业当期绩效函数，收入来源于上网电价与上网补贴，成本表现为发电成本；Pft表示当期平均标杆上网电价，元；St表示当期政府给予的补贴，元；Cft表示当期气电的发电成本，元；Qet表示当期天然气发电量，108kW·h。

Pft与电力市场总需求相关，可以根据历史上网电价与电力总需求（Qelc）拟合得出，其关系式为：

式中a表示拟合曲线的斜率；b表示截距项。

设气电产业当期购买天然气发电的成本为Cgt，购气成本来源为两个方面：国内天然气价格Pg,d和国外进口天然气价格Pg,f，α表示天然气发电中来源为国内天然气的比例。气电产业天然气发电成本Cft与购气成本Cgt从平准化发电成本（LCOE）角度看[27]，二者存在一个比例关系β，关系式如下：

在模型中，Qet代表当期气电企业的发电量，气电企业生产消耗天然气量设为Qgt，二者在发电上网过程中数量存在转换系数关系h。考虑技术进步率δ（百分数）情况下的函数关系式为：

式中T表示时间，a；T0表示基准期，a。

气电产业主体对于下一期发电量的愿望来源于以往发电所获得的利润情况：

以2020年为基准（t=1），5年为一个时间周期，最终构建气电产业发展动态优化模型如下：

式中t=1,2,…,9，表示从2020—2060年，一共9个周期，Qgas,t表示当期天然气供给总量，108m3；Qelc,t表示当期电力需求总量，108kW·h。γ、η分别表示天然气市场中用于发电的最大比例限制及电力市场中天然气发电最小比例限制。通过求解该模型，可以得到不同时间节点的天然气最优发电量，从而进一步判断天然气产业发展前景。

3 碳中和目标下气电产业发展前景优化

3.1 参数设定

气电产业的收益来源于电力市场中的上网电价收入及补贴收入。有学者就经济合作与发展组织（OECD）国家对于石油和天然气生产商的补贴进行了研究[28]。在我国，气电产业发展主要受限于成本过高，气电厂综合发电成本介于0.59～0.72元/(kW·h)，远高于煤电[0.3～0.5元/( kW·h)]，政府补贴主要作用于弥补这种成本差[29]。本文假定基准情况下补贴分阶段增长至2040年为0.2元，碳中和情况下政府投入补贴增加至2040年为0.3元。基于2007—2017年上网电价与总发电量关系，通过拟合得出发电量与上网电价的关系式为：

基于LCOE研究[27]，天然气发电成本Cft与购气成本Cgt的关系式为：

考虑技术进步的情况下[17]，天然气发电效率随着时间不断提升：

假定基准情景下上限γ区间为[0.2，0.3]，随着时间增加；2012—2018年，我国天然气发电占比仍较低，全国电力总装机和总发电量中所占的比重仍然较小，分别仅占4.4%和3.1%[30]，据此本文对于基准情景和碳中和情景下设定了两种情景下的最小发电比例。基准情景下发电最小比例δ区间为[0.030，0.035]，经历先增加后减少过程，即可再生能源发展较快且其他调峰手段发展未成熟时气电调峰增加。碳中和情境下上限γ区间仍为[0.2，0.3]，上限的确定由天然气市场资源总量及天然气消费行业间分配决定；发电最小比例区间为[0.030，0.045]，经历了先增加以满足可再生能源尤其是光伏发电快速发展的调峰需要，约2050年后，其他调峰手段发展较为成熟，发电最小比例保持在0.045不变。2020—2060年天然气资源总消费量及全国总发电量预测数据来源于《2050年世界与中国能源展望》[31]，对比多模型比较框架下中国天然气消费量预测[32]，数据具有一定的可靠性。

3.2 基准情景和碳中和情景结果分析

研究发现，在基准情景下，气电产业在2020—2025年发展向好，2025—2035年间用气量呈下滑趋势，2035年以后根据预测按照假定最小比例发电，如图1-a所示。2020—2025年，政府的环保政策力度较大，即补贴力度相对较大，加上上网电价收益激励了气电产业的快速发展；由于天然气资源有限的约束，导致气电产业在2025年用气量达到最大值后并不能再继续扩大；2025—2035年，在非碳中和情景下，政府对于调峰和脱煤的需求补贴增加相对不大，气电产业的单位利润持续下滑导致气电产业生产欲望持续下降；2035年以后，气电产业在收益增加值不大的情况下成本不断提高，导致出现亏损，但由于电力调峰存在一个最低限度，气电产业主体按照最小用气量进行发电。

在碳中和情景下，气电产业在2020—2025年表现为按照政策要求的最低发电量进行生产，2025—2030年快速发展达到资源约束下最大用气量，2030—2055年按照天然气资源约束下最大用气量进行生产，2055—2060年用气量下降，到2060年以后气电产业开始按照最小用气量进行生产，如图1-b所示。这是因为在起初五年，气电产业尽管有一定利润，但限于可再生能源发展的调峰需求补贴并不大，表现为气电产业有增加生产的欲望但增加值仍低于假定最小发电值，所以在起初五年气电产业以最小用气量生产；2025—2030年，随着可再生能源的快速发展及脱煤的需求，政府给予的气电补贴增加，导致气电产业发展较为迅速；2030—2055年，前期政府增加补贴激励了气电产业的快速发展，但气电发展受限制于天然气市场资源总量情况；2055年以后，由于外部可再生能源发展较为成熟和其他调峰手段成本日渐降低，同时气电产业内部天然气成本的增加导致气电竞争力日渐下降。

由图2可以看到，在基准情景下气电市场在2020—2035年具有正利润，此时其用气量大于最小用气量。2035年以后，当天然气价格维持平稳或降低时，气电市场仍有利润；假设天然气市场价格上升时，气电企业生产单位利润为负，气电企业选择按照最低的用气量生产。在碳中和情境下，由于补贴上限的增加，天然气企业在中长时间内都具有正利润，在较长时间内处于维持最大生产量生产的平台期。2055年以后，随着调峰技术的进步及可再生能源的更为普及，气电企业利润逐渐转负。

不同情景对气电产业发电量与用气量占比的影响见图3。基准情景下，气电产业发电量在2025年后持下降趋势，并在后期按最小发电量进行发电；碳中和情景下前期气电企业发电量缓慢增加，2030年以后发电量大幅度上升，在后期开始有所下降。

3.3 碳中和情景下敏感性分析

在碳中和情景下，又根据不同的电力市场补贴额度、天然气市场购气成本、气电产业技术创新分为多种情景，通过对于不同因素变化的敏感性分析，深入探讨了在电力市场和天然气市场及气电企业不同发展情景中气电产业的发展前景，具体情景设定见表1。

表1 两种情景下参数设定表

在碳中和情境下，笔者模拟了天然气市场价格、电力市场发电补贴变动对于气电企业生产的影响，如图4-a所示。研究发现当补贴与发电成本改变时，补贴的增加及成本的降低均会导致气电产业增大发电量和用气量。以补贴额增加为1.2倍与0.9倍生产成本的情况为例，在碳中和情景下，2055年气电产业主体由于利润下降甚至亏损，会选择减少用气量，当补贴增加或成本减少后气电企业则会选择持续按照最大用气量生产；当发电成本增加或补贴降低力度不大时，以碳中和Sub=0.8和C=1.1情景为例，气电企业的收益整体上有所下降，2035—2045年会按照最大约束量进行生产，2045年以后由于利润出现下降至亏损而选择最小用气量生产。

进一步研究了当补贴与发电成本同时发生改变时的情景，见图4-b。补贴的上升（下降）与成本的下降（上升）对于气电企业的单位利润具有同向的影响。重点研究了当补贴和发电成本对于利润造成不同影响时，二者的变动幅度对于利润的影响大小。在1.1倍发电成本、1.2倍补贴额度情境下可以发现，补贴上升比例大于发电成本上升的比例时，相较于碳中和情景，气电企业2050年后会减少生产；在0.9倍发电成本、0.8倍补贴额度情境下可以发现，当补贴下降比例大于发电成本上升比例时，相较于基准情景，气电企业在2055—2060年仍然保持最大用气量生产。

技术进步对于气电企业未来的发展也有一定的影响。假设基准情况下技术进步效率为1%，设定5%的技术进步情景，其影响如图4-c所示。对比基准情景和碳中和5%技术进步情景可以发现，气电企业的用气上限没有发生改变，而随着技术进步气电企业的用气下限发生了下移，这是因为同等发电量比例约束的情况下技术进步导致用气量下降。气电企业的选择趋势并未发生大的改变，但在最小生产的情况下使用天然气量减少，最大生产的情况下同等用气产生电力增加，技术进步可以使气电企业利润增加。

利润决定了气电企业的收益及生产。从图5可以发现，发电成本下降、补贴增加，技术进步都会导致气电企业的利润增加，同比例变动情况下发电成本对气电利润的影响大于政府补贴。不同情景中，气电企业都在2035—2045年间利润达到最大值。在碳中和1.2倍补贴情况下，气电企业的利润大于碳中和基准情景下气电企业利润且始终产生收益，政府补贴对于碳中和下气电企业的发展十分重要。较低比例的生产成本下降会使气电企业的收益增加较大，同比例天然气成本的减少产生的收益大于补贴的增加。在其他因素不变时，企业自身的技术进步及效率创新也会带来单位气利润（单位气利润=利润总额/用气量）的增加，这是因为同量天然气的发电量增加带来了发电收入和补贴的增加。

综合以上，对于气电企业而言，天然气价格和使用成本对其影响最大。在碳中和目标下，天然气作为一种过渡能源，在天然气成本价格过高时，政府应当适当提升补贴来促进气电市场发展。在中期，可再生能源占比不断上升、调峰技术不断发展的情况下，补贴值应合理调整，使市场合理调控气电市场规模。长期来看，天然气发电作为由煤炭转向可再生能源发电的桥梁，最终会逐步退出电力市场。整个过程中，技术进步可以提高同等用气量下的发电量，气电企业应在适当的经济考虑下增加技术投入。

4 结论

1）在基准情景下，气电产业在短期内向好，长期持续亏损、营业情况较差。政府补贴是气电产业的主要利润来源，补贴总额在短暂上升后趋平。气电企业在这种情况下会选择先增加生产至最大约束，2025年以后产量下降至最小约束并保持不变。在碳中和情景下，气电企业发电前中期持续向好，2035—2045年间利润最大后利润递减至亏损。在这种情况下，2025年以后气电企业趋于最大量生产，并保持最大量生产至2050—2055年，2055年以后下降至最小量生产。在电力市场中，气电企业发电量一直增长至2055年，后出现下降；在天然气市场中，气电企业发电用气占比下短暂下降后持续增长至2050年，然后下降。

2）为完成碳中和目标，政府需要给予适宜的补贴值。政府的补贴是气电企业发电的主要利润来源，是气电企业在电力市场的主要竞争力，如果政府的补贴过低，气电企业会选择最小电量生产，不利于气电企业的正常发展。政府保持补贴最大值不变后，由于可再生能源的发展规模较大，催生其他调峰手段成本降低，加之气电的成本变高，气电的竞争力逐渐降低。在向可再生能源发展的过程中，由于气电具有调峰、脱煤的天然属性优势，将发挥较大的作用。

3）市场因素中，天然气价格对于气电企业来说尤为关键，较低的天然气价格有利于气电企业发展，而相对较高的天然气价格可能导致气电企业最终选择最低生产。若想保证气电企业的合理发展，政府应当关注天然气市场中价格的变化，当天然气价格变高时，适当增加补贴来弥补气电企业的基本收入。

4）长期来看，2055年以后可再生能源已成为主要发电能源、可再生能源调峰手段已逐渐成熟的情况下，政府应当降低或取消天然气发电企业发电最小约束，使气电企业合理发展及发电与调峰更加市场化。同时在碳中和进程中，天然气发电技术手段的科技研发及创新可以提高同等用气量下的发电量，有利于资源的节约利用，同时也有利于减排。