双碳目标下电碳模型应用场景研究

2023-08-03叶鎏芳曾振坤

能源与环保 2023年7期

叶鎏芳,曾振坤

(国网福建省电力有限公司厦门供电公司,福建厦门 361000)

全球气候变化是21世纪人类发展最大的挑战之一,由全球变暖造成的自然灾害在今后数年内可能会海平面上升、更频繁的极端天气事件、森林火灾、能源短缺以及经济和政治动荡。中国是最大的碳排放国,2019年,我国二氧化碳排放总量约101.7亿 t,居全球首位。2020年12月的气候雄心峰会上,习总书记宣布“到2030年,中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消费比例将达到25%左右,风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿 kW以上”。中国的双碳承诺对世界应对气候变化非常关键,将在推动高质量发展中极大地促进经济社会发展全面绿色转型,进而推动全球可持续发展进程。

我国的碳排放中,能源行业占二氧化碳排放总量的88%,其中电力行业占比超40%,可见能源行业是降碳减排的主战场,电力行业是主力军。2021年3月,国家电网发布“碳达峰、碳中和”行动方案,旨在加快推进能源供给多元化清洁化低碳化、能源消费高效化减量化电气化,促进电力行业降碳减排。

实现电力行业双碳目标是一项复杂艰巨的系统工程,建立统一规范的碳排放统计核算体系是“双碳”工作的重要基础,亟须加快新型电力基础设施建设,推动电网向数字化、网络化和智能化方向转变。国网浙江电力依托大数据率先推出“碳效码”,评价企业碳排放水平;国网温州供电公司联合当地政府、银行推出碳资产交易、“碳易贷”等,推动企业主动承担用能成本;国网福建省电力有限公司、国网厦门供电公司建立专业分析模型,绘制了电碳生态地图,实现了从电量看碳排放的全景、动态展示。这一系列创新的电碳模型为省、市、县协同推进碳排放统计核算及工业领域碳达峰、碳中和提供了强大支撑。

1 国内外电力碳中和现状

要实现深度低碳转型,就必须从根本上解决可再生能源与传统煤电在电力系统中的矛盾。《2020年全球电力报告》指出,2015年—2019年全球电力生产结构中,燃煤发电比例均超过35%,为落实节能减排目标,减少温室气体排放,各国政府相继列出限制或禁止煤炭发电设定时间表(图1)。

图1 世界各国宣布关闭煤电发电厂的时间表Fig.1 Timetable for countries around the world to announce closure of coal-fired power plants

西班牙电力集团计划到2020年、法国计划到2021年、英国决定在2025年前完全关闭燃煤电厂;荷兰将从2030年起禁止使用煤炭发电。芬兰打算到2030年全面禁煤;德国宣布将最迟于2038年彻底放弃煤电;日本计划关停70%煤炭发电厂,在2030年度,将煤炭发电的比例在整个发电量中,减少到26%。与其他国家相比,我国的燃煤发电占比太高,且稳居全球第一。在2020年12月召开的联合国气候雄心峰会上,我国宣布非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右。世界能源领域加快呈现多元化、清洁化、低碳化转型发展趋势。

同时,随着碳中和目标的提出,全球未来能源转型发展的方向已经确定。能源绿色发展对电力碳排放强度下降起到重要作用。在2020年10月25日,日本政府公布了脱碳路线图草案,不仅书面确认了“2050年实现净零排放”,还提出了对日本海上风能、电动汽车、氢燃料等14个重点领域的具体计划目标和年限设定,旨在通过技术创新和绿色投资的方式加速向低碳社会转型。

2020年12月14日,英国政府出台能源白皮书,石油从46%降低至12%,天然气从29%降低至9%。目前已通过立法正式承诺将于2050年实现净零温室气体排放,并计划在2035年实现零碳或近零碳电力系统。

2019年12月11日,欧盟委员会发布了《欧洲绿色协议》,重点领域包括清洁氢能、燃料电池和其他替代燃料、储能以及碳捕集、封存和利用等,全面促进零碳电力发展。

2020年12月21日,《新时代的中国能源发展》白皮书公布,报告表示我国水电、风电、太阳能发电累计装机规模均位居世界首位。12月24日,能源研究院发布了《中国能源电力发展展望》,非化石能源占一次能源消费比例,2025年、2035年、2050年、2060年分别有望达到约22%、40%、69%、81%。

可以看出,全球越来越多的国家都极为重视电力系统低碳转型的需求与机遇,其中,推动电碳耦合的碳评估体系研究、技术创新有助于辨识全环节电能碳作用特性及减排机理,充分发挥电力大数据优势,以电力为纽带协调推进碳排放总量和强度“双控”,是实现电力系统碳中和目标与经济高质量发展协同的关键。

2 电碳模型

电碳核算方法是量化评价电力行业碳水平的关键依据,目前较常用、兼容性较好的核算方法包括实测法、质量平衡法和排放因子法,其中排放因子法是根据碳排放清单中的能源排放因子计算碳排放量,如式(1)所示[1]。

(1)

式中,E为碳排放量;MAC为燃料消费量;NNCV为燃料低热值;C为碳排放因子。其中碳排放因子(C)因能源品位与使用方式不同而不同,联合国政府间气候变化专门委员会和国际标准化组织给出了权威的排放因子。

电网评估体系需明确电力系统的动态运行特性、碳排放的复杂影响因素,进一步提炼总结电力系统各项关键要素,从而抓住实现电力系统降碳减排的技术途径。因此,如何准确分析各项关键指标,综合评估双碳背景下新型电力系统各项碳水平是完善电碳模型的重点和难点。翁格平等[2]充分考虑电碳因子的时变性,根据欧式距离确定Copula函数并求取秩相关系数,利用线性变换法对具有相关性的电碳价格数据模拟抽样,建立并完善了综合能源系统低碳经济多目标优化调度模型,通过不同时段的合理充放电能够有效降低整体运行成本,同步实现园区的低碳性和经济性。黄悦华等[3]基于电碳价格的波动,全面考虑电—气—热和氢储能的耦合关联,建立了综合能源系统模型,计算结果表明,氢储能的协同作用有助于减少系统碳排放。

nCO2(t)=nline,hd(t)βhd(t)/Pe(t)

(2)

式中,nCO2(t)为t时段耦合联络线碳排放数据后得到的电碳因子值;nline,hd(t)为t时段火电单位的碳排;βhd(t)为t时段联络线中火电功率;Pe(t)为t时段园区内总电量。

基于全生命周期的分析理念,孙彦龙等[4]从不同的关注范围出发设计了低碳电网综合评价指标体系,建立了低碳综合量化评价方法和模型(图2),并以江苏电网的具体统计和规划数据为评价对象,采用求倒数法、归一法对各项指标处理计算,综合分析了低碳能源、设备利用等对其低碳效益的贡献度,并给出了优化的电网规划方案。

图2 低碳电网综合评价流程Fig.2 Flow chart of comprehensive evolution of low-carbon power

电碳分析模型创新构建了“以电算能、以能算碳”的计算方法,依托电力行业与能源活动、工业生产碳排放量的相关性基础,发挥电力大数据实时性强、准确度高、分辨率高和采集范围广等优势,测算全国及分地区、分行业月度碳排放,具有理论和实践的可行性[5]。为进一步提升碳排放数据监测精准度,更好服务政府相关部门精准推进碳达峰、碳中和,2021年6月,国网福建省电力有限公司、国网厦门供电公司充分利用电力大数据“基础好、时效性强、覆盖面广”的独特优势,深入分析各能源品类碳排放量和结构特点,建立专业分析模型,创新绘制“电碳生态地图”,这也是国内首个电碳生态地图,实现了从电量看碳排放的全景、动态展示。

电碳生态地图”基于电、煤、油、气、热等能源消费数据,根据不同能源碳排放因子计算总排放量,以此得到区域、行业和企业碳电强度指数,其构建逻辑如图3所示。结合区域、行业和企业总碳排放、单位产值碳排放等信息进行综合展示,同时依托电力数据实时性特点,对各区、各行业、各企业的碳排放总量进行动态推算,全景、动态反映区域、行业、企业的碳排放水平和趋势,结合降碳绿色技术和绿色金融,构建新发展格局下碳产业生态集聚区。

图3 电碳生态地图的构建逻辑Fig.3 Building logic of electricity-carbon ecological map

在不进行重大工艺改进的情况下,企业各品种能源在生产中的占比比较稳定,由此可以构建碳电强度(碳排放/用电量)。

EF=(E燃烧+E电+E热)/EG总

(3)

式中,EF为企业碳电强度;E燃烧为企业化石燃烧排放量(化石燃料消耗量乘以对应的碳排放因子);E电为某行业用热产生的排放量(用电量乘以对应的碳排放因子);E热为某行业用热产生的排放量(热使用量乘以对应的碳排放因子);EG总为企业总用量。

通过厦门市 1 811 家规上工业企业碳排放热力图(图4),可清晰、直观反映出区域、行业的碳排放水平,充分发挥电力数据的普遍、实时、精准特性,进行动态更新;同时基于碳电强度,对比了2019年厦门市规上工业九大行业的“强度—碳排放—总产值”(图5),清晰展示了厦门市九大行业在能源消费端的碳排放情况。电碳地图在支撑优化产业结构、引导新型行业发展,指导企业选择最优降碳举措,推进碳资产开发、碳交易、碳融资、碳保险体系市场化等方面起到了重要作用。

图4 2020年厦门市1 811家工业企业的碳排放热力Fig.4 Thermal distribution of carbon emissions of 1 811 industrial enterprises in Xiamen in 2020

图5 九大行业“碳电强度—碳排放—总产值”对比Fig.5 Carbon power intensity-carbon emissions-total output value of nine industries

3 电碳模型的应用场景

3.1 电碳模型在降碳领域应用场景

3.1.1 精准反映区域、行业和企业电气化程度

实现降碳减排关键在于推动能源清洁低碳安全高效利用,在能源供给侧构建多元化清洁能源供应体系,在能源消费侧全面推进电能替代和节能增效。电网企业作为连接发电企业和电力用户的枢纽,是电能替代、节能增效工作的重要推动者和引领者。

为准确全面地落实“双碳”工作,对区域、行业和企业进行精准的碳排放统计核算。2021年,我国正式成立国家碳排放统计核算工作组,并印发了《计量发展规划(2021—2035年)》,旨在建立中国特色的碳排放核算体系,并有效推动多元化清洁能源替代、降碳减排进程。刘广一等[6-7]基于碳排放平衡方程和“电碳一张图”的建模理念(图6),构建了全景可视化的园区电力碳排放核算系统,起到了在线监控园区碳消耗、碳生产、碳流动的作用,为园区能源供应体系优化、降碳减排技术升级配置提供精确数据支撑。

图6 “电碳一张图”的整体建模理念Fig.6 The overall modeling concept of "one diagram combining electricity and carbon"

3.1.2 服务政府

目前,碳减排量依赖事后核查,现有的碳排放监测系统通常只监测二氧化碳的直接排放,采用相关仪器设备连续测量气体的浓度、体积等,无法监测间接排放的碳排放量,且存在干扰多、误差大、实时性差等问题,给环保、统计等相关部门开展数据监测工作带来较大困难。

针对以上问题,国网四川电科院建立动态排放因子测算模型,实现排放因子的动态测算和本地化测算,有效引导用户有序用电,促进清洁能源消纳,从而为政府控制与统筹碳排放量、合理规划产业布局、科学制定减排政策提供准确依据和智力支撑。与此同时,国网厦门供电公司的“电碳生态地图”通过深入分析各能源品类碳排放量和结构特点,把电力大数据融合链接煤、油、气、热等其他能源消费数据,从电量看碳排放的全景、动态展示,实现全口径碳排放的实时可视、可算、可控、可管,为政府科学施策和社会用能转型提供技术支撑。

(1)协助政府密切关注省/市各产业、重点用能企业或者重点行业碳排放状况,地方主管部门也可掌握行业或企业的碳排放变化趋势。

(2)通过数据分析识别某一行政区域、行业或企业排放水平,并以排放总量或排放强度为指标对区域、行业或企业进行排名,识别高排放体系,为政府部门进一步加强管控提供基础。

(3)基于历史与实时碳排放数据,绘制排放趋势图,预测地区、行业或企业的季度或年度排放总量,帮助政府对可能的超排行业或企业做好提前部署,尽早实现干预和引导,帮助地区经济保持稳定与可持续发展。

3.1.3 支撑降碳技术研发

电碳模型能够有效驱动电力行业工业设备转型升级与可持续发展,是构建清洁低碳安全高效能源电力体系的重要发展方向。从具体降碳技术上进行划分,主要包括以下3大类技术:①完善化石能源发电的高能效循环利用技术,在保证经济性条件下实现显著碳减排;②发展新能源+储能技术提高可再生能源的消纳水平,推动能源转型及碳零排电力发展;③发展弃电制氢及生物质发电耦合碳捕集等碳负排技术,进一步进行深度脱碳(图7)。

图7 电力系统降碳技术分析Fig.7 Carbon reducing technologies in electrical system

3.1.3.1 碳减排技术

根据国际能源署(IEA)可持续发展情景,2040年电厂碳捕集与封存(CCS)技术将解决全球65%的二氧化碳排放。CCS的部署对于中国的低碳能源而言显得尤为重要。电力行业的碳排放主要来自于大型火力发电厂,排放量大且排放源集中、固定,因此从烟道气中捕捉并分离二氧化碳具有前瞻性和可行性[8]。在燃煤电厂加装CCS装置可捕获90%的二氧化碳,实现火电机组的低碳化[9]。目前电厂的CCS技术主要分为燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧技术[10]。

(1)燃烧后二氧化碳捕集技术是将燃煤烟气中较低浓度的二氧化碳采用化学或物理方法选择性富集,该方法只需在电厂下游增加燃烧后二氧化碳捕集系统,对发电厂影响较小且具有较强适应性[11]。燃烧后捕集技术主要有化学吸收法、吸附法、膜分离法等,目前,化学吸附法被认为是当前最有市场前景的捕集方法,胺类溶液以其吸收效果好的特点被广泛应用。吸收法碳捕集技术在我国燃煤电厂已实现工业化应用,技术较为成熟,建有多个化学吸收法工艺燃煤电厂二氧化碳捕集工业型示范装置,捕集后的二氧化碳被广泛应用于食品、饮料及其他工业。

(2)燃烧前捕集是将化石燃料通过气化反应生成合成气,进一步将合成气转换成氢气和二氧化碳,再通过物理吸收将二氧化碳分离出来。因为变换器中二氧化碳浓度高,因而可以采用能耗较低的物理吸收工艺。整体煤气化联合循环(IGCC)技术是典型的可进行燃烧前碳捕集的系统。

(3)富氧燃烧技术是最具潜力的燃煤电厂大规模碳捕集技术之一。在此过程中,用纯氧气和循环烟气的混合物代替空气,因此烟道气中的二氧化碳浓度较高(90%～95%),更易于捕获[12]。

3.1.3.2 碳零排技术

可再生能源是指完全通过自然过程获得并以比枯竭更快的速度进行补充的那些能源[13]。从这个角度来看,国际能源署(IEA)将水力发电、太阳能,风能,地热能和生物质能视为可再生能源。水电在中国的可再生能源发电中占主导地位,可靠、经济、高效,维护成本低,存储容量大,我国水电的发展方向应注意优化机组调度运行方式[14],提升送电能力和消纳富余水电能力,同时推动水电设备朝着大型化、环保化、高效化以及智能化发展;中国的风能资源的季节分布与水力资源的季节分布是互补的,大规模的风力发电可以弥补干旱季节水电的不足,在未来布局中应不断扩大风电产业规模,凸显风电平价效应;我国每年地表吸收的太阳能,相当于2.4万亿 t标准煤[15],随着储能技术的进步,成本将进一步下降[16],太阳能发电与其他可再生能源互补潜力、储能技术开发[17],从而提高太阳能发电在电力系统中的渗透水平。

3.1.3.3 碳负排技术

2018年,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)《全球升温1.5 ℃特别报告》中提出,BECCS等相关的二氧化碳脱除技术是未来有望将全球排放稳定在低水平的关键技术[18]。BECCS是一种结合碳中和生物质燃料和二氧化碳捕集与封存(图7),从而实现碳负排的技术[19]。BECCS技术包括生物质利用和CCS两个主要的技术环节,各个环节的技术发展将决定BECCS技术的广泛实施。因此,生物质资源产量、生物质利用和CCS技术成熟度、项目经济性、政策推动情况这4个方面决定了该技术的发展空间和理论减排潜力。

3.2 电碳模型在“融碳”领域应用场景

碳金融泛指服务于旨在减少温室气体排放的各种金融制度安排和金融交易活动,而碳市场则是政府约束和市场行为双重作用的产物,体现了政府管制与市场调节的协同作用。碳金融的全球理念和基础源于1995年,自“京都议定书”签订后,碳金融市场才真正兴起,各国政府、国际组织等之后逐步参与碳金融活动。欧盟早在2005年建立碳交易市场,欧洲碳排放配额现货和期货也同步开始交易,实现了企业可通过参加碳市场交易或技术升级达到降碳减排的目的,已成为国际上制度最完善、规模最大的碳交易市场[20]。随着我国双碳政策的进程和绿色低碳转型的持续推进,碳交易市场规模逐渐扩大。2012年之前,中国碳金融市场缓慢发展;2013年深圳成为中国首个碳交易试点城市,随后上海、北京也逐步展开;2017年正式启动了全国统一的碳市场;2021年7月,全国碳市场正式启动交易,我国碳金融市场迎来了发展的重要时期[21]。根据生态环境部数据显示,中国碳交易覆盖排放量超过40亿 t,将成为全球覆盖温室气体排放量规模最大的碳市场。根据国信证券研报,预测全国碳交易市场初期年交易量约为4亿 t,成交额可达约100亿元。

3.2.1 碳交易

碳交易在我国已拥有一定规模且市场前景广阔,其中,碳交易市场的定价效率至关重要,碳交易价格能够引导投资者更好地利用碳排放交易市场进行投资,推动市场的理性发展。电碳模型对碳价格的预测和相关影响因素的研究起到了重要的作用。

Li Guohui等[22]通过对碳价格时间序列的分解、重组,分别对重组后的序列建立不同的模型进行碳交易价格预测。Xie Qiwei等[23]创新性地使用文本在线新闻来构建与气候相关的变量并结合其他变量,利用长短期记忆网络和随机森林模型对碳价进行预测。赵峰等[24]在传统碳交易价格预测模型的基础上综合考虑了碳交易价格本身和碳交易价格的相关影响因素,分别建立了 CEEMDAN-ARIMA指数平滑模型和改进的哈里斯鹰优化极限学习机的碳价格预测模型,结果表明该组合预测模型优于单一的分类模型。郭昭艺等[25]通过将大用户与分布式用户用电需求加入到电碳交易平台中,以促进新能源消纳为目标,对新能源交易市场构建、电能替代、电能跨领域消纳和能源多地区互补有着积极作用。吕书贺[26]创新性研究了碳价格对电力行业多元化能源结构的影响,碳市场的良性发展能够有效增加清洁能源的新增装机容量,绿证价格和碳价的协同作用可进一步优化能源结构,有利推动电力行业的降碳减排进程。王喜平等[27]基于建立空间双重差分(SDID)模型和中介效应模型,研究了碳交易政策对电力行业碳排放的影响,证明了碳交易政策对能够显著改善电力行业降碳减排,优化能源结构,降低电耗强度。

建设全国性碳交易市场是利用市场机制,控制和减少温室气体排放、推动绿色低碳发展的重大制度创新。碳交易市场建立过程中,最核心、最基础也是最难的一项工作是建立全国性的碳核算体系,能源数据是碳核算最重要的数据来源,而电力数据是能源数据的重要组成,相对其他能源数据,具有计量准确、获取实时和全局可观的特点。“电碳生态地图”利用实时电力大数据,结合具体地理信息,可展示全景碳排放数据,便于政府、企业加强排放预判,提升开展碳资产管理、电能替代和综合能源业务的精准度,服务政府双碳工作。

绿水青山就是金山银山,蓝碳(海洋碳汇)在应对全球气候变化和维持碳收支平衡中也起到了关键作用,同时在全球碳交易中也扮演着独一无二的角色。目前,蓝碳交易在国际上仍处于起步阶段,抢占蓝碳交易制高点无疑是国家战略。2021年4月,威海推出了《威海市蓝碳经济发展行动方案(2021—2025)》,是我国首个蓝碳经济发展行动方案;2021年7月,厦门产权交易中心率先推进“蓝碳交易”,设立了全国首个海洋碳汇交易平台,并完成了1.5万t的全国首宗海洋渔业碳汇交易;2021年,全国首个蓝碳基金成立,兴业银行厦门分行委托厦门产权交易中心通过蓝碳基金购入首笔海洋碳汇用以抵消兴业银行与厦门航空共同推出的首批“碳中和机票”旅客旅程的碳排放。2022年2月,海南国际蓝碳研究中心揭牌,进一步推进了蓝碳增汇试点示范。

3.2.2 碳融资

碳配额是碳市场交易的主要产品,具有价值、价格和产权属性,具备了较理想的融资应用条件,为企业融资开辟了一条崭新的道路[28]。在当前国家大力支持低碳经济发展的背景下,如何科学运用企业所拥有的碳配额来缓解自身融资难问题,将成为企业融资的新选择。

根据中国人民银行的公开数据,截至2022年第一季度,我国本外币绿色信贷已超过18万亿元,主要是瞄准碳减排项目以及投向电力行业相关项目。胡荣才等[29]研究了绿色信贷对电力行业的前段投入、发电过程、末端产出等全生命周期的影响,在绿色信贷的引导下,绿色资金实现高效配置,能够在一定程度上缓解低碳转型中行业、企业的降碳减排经济困境,最终促进整个电力行业实现低碳转型。国网浙江电力推出了碳金融产品“智网减排贷”,通过与商业银行合作,生产节能减排电力装备的物资供应企业在完成“碳账户”开立和碳能力评价后,可凭借物资中标合同直接申请供应链融资,满足采购、生产等经营需求。在国网温州供电公司指导下,国网永嘉县供电公司联合人民银行永嘉县支行出台《永嘉县创新推广碳资产融资工具促进企业绿色发展三年行动计划》,在永嘉县范围内推出温州市首个“碳易贷”产品,为具有碳资产企业提供贷款优惠。

结合电碳地图显示的数据,配合政府设立电力系统企业申请技术创新基金。2022年11月,福建厦门率先出台政策助力发展方式绿色转型,厦门市工信局、市财政局联合制定发布《关于厦门市电力系统企业申请技术创新基金有关事项的通知》,为能源低碳转型相关项目以及新型电力系统建设企业的研发投入提供低融资成本的技术创新基金扶持,使企业的融资成本低至2%/年。

3.2.3 碳保险

近年来,碳保险已逐渐成为区域、行业、企业低碳转型进程中风险管理的重要工具之一,能够起到有效降低碳市场风险的作用,从而进一步促进碳金融发展。根据金融行业标准《碳金融产品》(JR/T0244—2022),碳保险是为了规避减排项目开发过程中的风险,确保项目减排量按期足额交付的担保工具。瑞士再保险公司(Swiss Re-insurance Company)早在2007年就开发了碳交付担保保险,为碳减排行业、企业的碳信用额做担保补偿;2016年,平安保险也推出了碳保险业务,主要用于协助企业增加减排装备技术投入,减小超额排放的风险,降低碳配额缺口;国网湖州供电公司借助新能源云聚焦服务政府,推动双碳工作组织方式、手段工具等全方位优化,探索形成碳金融、碳保险等扶持机制,构建涵盖认证、积分、减排资产核证等多元形式的碳普惠机制;为切实保护“海岸卫士”红树林资源,中国人寿财险推出了全国首单红树林蓝碳生态保护保险,为福鼎全市红树林提供1 875万元损失风险保障。

我国碳市场已经从7个碳市场试点稳步过渡到了全国碳市场交易,但整体配额总量和交易活跃程度仍然有待提升,碳市场的法律制度、计量体系、市场建设等方面仍有待加强。现阶段全国碳市场的配额总量约为45亿t,预计全国碳排放权交易市场的交易换手率在3%左右。整体碳交易市场的规模和成熟度有待提升,保险机构参与碳市场的基础有待夯实。