中國電力行業硫、氮、碳協同減排的環境經濟路徑分析

毛顯強,邢有凱,胡 濤,曾 桉,劉勝強 (.北京師范大學環境學院,北京 00875；.環境保護部環境與經濟政策研究中心,北京 0009)

電力行業一直是我國能源消耗、大氣污染物和溫室氣體排放的重點行業.“十一五”期間中國電力行業得到了快速發展,2010年中國電力行業總裝機容量為 96219萬 kW,總發電量 42280.15億 kW×h[1],相比 2005年分別增長約 86.04%和69.29%[2].“十一五”期間,中國電力行業采取了大量的節能減排措施,并取得了一定的成效.2009年供電標準煤耗為340g/(kW×h),相比2005年減少30g/(kW×h);2009年中國電力行業SO2排放量為948萬t,相比2005年下降14.67%;另一方面,“十一五”期間NOx未列入總量控制指標,CO2減排仍處于起步探索階段.據測算,2009年中國電力行業NOx和CO2排放量分別為865萬t和27億t,相比2005年分別增加16.89%和42.11%[3].

為繼續推進節能減排工作,《國民經濟和社會發展“十二五”規劃綱要》設定了一系列目標:非化石能源占一次能源消費比重達到 11.4%;單位國內生產總值能源消耗降低 16%;單位國內生產總值CO2排放降低 17%;主要污染物排放總量顯著減少,SO2排放減少8%,NOx排放減少10%[4].電力行業在全國節能減排規劃中仍將居于重要位置.

從電力行業“十一五”期間節能減排工作經驗來看,單純以末端治理為主的減排措施將面臨邊際減排成本遞增、減排難度加大的困境.而強化大氣污染物與溫室氣體的“協同控制”,則提供了統籌協調節能與減排,綜合控制多污染物,提高污染控制成效和經濟性的重要思路.

“協同減排”是指以具有協同效應的措施和方式同時減排局域大氣污染物(如 SO2、NOx、PM、CO、VOC及汞等)和全球大氣污染物(CO2、CH4、NO2等).國際上對協同效應的研究最早起源于對溫室氣體減排效益的評估.IPCC最初的評估報告使用了次生效益(secondary benefits)、伴生效益(ancillary benefits)等概念[5-6],將協同效應描述為在控制溫室氣體的同時減排局域大氣污染物的效益.目前對協同減排或協同效應的理解通常包括兩個方面:一方面是在控制溫室氣體排放的過程中減少了其他局域污染物排放的效益,如:Wang等[7]研究了溫室氣體減排措施在短期內對人群健康的協同效應;Rypdal等[8]研究了歐盟 6種氣候變化政策情景下對大氣污染物和溫室氣體減排、環境質量、社會福利和人群健康等所產生的協同效應;另一方面是在控制局域污染物排放及生態建設過程中同時也可以減少或者吸收 CO2及其他溫室氣體排放[9],如 Tollefsen等[10]計算了歐盟實施大氣污染控制措施所產生的減緩氣候變化協同效益[10].此外,也有學者從兩個角度同時研究減排措施的協同效應并進行成本-效果評價.如 Dolf等[11]研究了能源環境政策對CO2、SO2和NOx的協同減排效應,并以上海為案例進行分析;Chae[12]分析了首爾地區空氣質量管理和溫室氣體減排策略的綜合效益.

雖然利用協同控制措施同時減排溫室氣體和控制大氣污染物排放的理念已得到認同[13-14],但國內關于協同效應評價的研究還處于起步階段,相關研究較少,僅見李麗平等[15]以攀枝花市為例開展的初步研究.

本文構建了大氣污染物協同減排當量指標,并對電力行業技術減排措施和結構減排措施進行成本-效果評價和敏感性分析,估算電力行業技術減排和結構減排的潛力,繪制適合中國電力行業的硫、氮、碳協同減排路徑圖.

1 電力行業協同控制措施

電力行業協同控制措施包括技術減排、結構減排和規模減排三個方面.目前我國仍處于快速發展階段,短期內電力行業難以實現絕對的規模減排.因此,本文著重探討燃煤火電行業技術減排和電力行業結構減排兩大類協同控制措施.電力行業SO2、NOx和CO2排放主要來源于燃煤火電,因此本文的“技術減排措施”主要指現有燃煤火電行業的技術升級改造和末端治理;而“結構減排”主要指高效、清潔發電方式對傳統燃煤發電的替代.

1.1 燃煤火電行業技術減排措施及屬性

燃煤火電行業技術減排措施可根據生產環節分為3類:前端控制措施(潔凈煤技術)、過程控制措施和末端治理措施.主要減排技術措施的選取來源于:發改委推出的《國家重點節能技術推廣目錄》[16-17]、火電行業的清潔生產技術及末端治理技術[18-22].本研究通過大量行業調研、文獻查詢、數據分析比對,獲取各項措施的技術屬性和適用潛力,經過分析和篩選,最終確定 12項火電行業技術減排候選措施,各項技術減排措施及其屬性見表1.

1.2 電力行業結構減排措施及屬性

電力行業結構減排主要是針對目前尚在運行的小火電替代和新建電廠的技術優選,根據我國電力行業現狀和未來的發展預期,可將電力行業結構減排措施劃分為火電結構調整、新建電廠技術選擇和需求側管理3個子類.其中,火電結構調整特指“上大壓小”措施;新建電廠技術選擇指以新型燃煤火電技術[23-24]、天然氣發電[25]、水電[26]、核電[27],以及風電、生物質能、太陽能等新能源發電[28-31]替代傳統燃煤火電,實現電力結構的優化,進而實現SO2、NOx和CO2的協同減排(按2008年火電平均水平計算); “虛擬電廠”[32]指加強需求側管理以節約能源.電力行業結構減排措施及其屬性見表2.

表1 燃煤火電行業技術減排措施及其屬性匯總表Table 1 Technological emission-reduction measures in coal-fired thermal power industry and their properties

2 電力行業協同減排措施成本-效果評價

2.1 構建大氣污染物協同減排當量指標

為了評估電力行業各項減排措施對于SO2、NOx和CO2的綜合減排效果,特構造大氣污染物協同減排當量指標APeq,將減排效果歸一化以反映多污染物協同減排的線性累積效果.計算公式如下:

式中: S、N、C分別代表SO2、NOx和CO2的減排量; α、β、γ分別為SO2、NOx和CO2的效果系數(或權重值);其取值可以是基于污染物的化學、物理、生物、健康影響大小,也可以是基于外部性影響的價格化評價值,甚至是決策者對污染物控制的緊迫性的認識和判斷:α、β、γ實際上是賦予SO2、NOx和CO2的權重值.對多污染物,特別是局地大氣污染物與溫室氣體,進行協同控制的決策傾向可以通過權重取值得到充分體現.

本文擬通過“污染物價格”獲取 3種污染物的權重值:參考排污權市場交易價格和基于CDM 的碳交易價格,以 SO2的價格為基準,以NOx和CO2價格與之相比較,構建了大氣污染物協同減排當量指標的基準情景及APeq的計算式:

SO2價格:基于2009年山西[37]和2010年陜西[38]等地的SO2排污權交易案例,取SO2的交易價格為5000元/t.

NOx價格:“十二五”之前,NOx不是總量控制指標,暫無排污權交易案例,假設其交易價格與 SO2相當,即5000元/t.

表2 電力行業結構減排措施及其屬性匯總表Table 2 Structure-adjustment emission-reduction measures in power industry and their properties

CO2價格:2008年我國CDM項目碳交易價格平均約為 10~12€/tCO2,本文暫采用 100元/tCO2為溫室氣體的價格參數.

則有:

賦予SO2、NOx和CO2貨幣化的價格權重不同,其歸一化為 APeq的結果也將不同.可設置不同價格權重情景對分析結果進行敏感性分析.

2.2 電力行業協同減排措施成本-效果評價

采用單位污染物(SO2、NOx、CO2、APeq)減排成本指標對技術減排措施和結構減排措施進行成本-效果評價,計算公式如下:

式中:Ci,j為i措施減排單位j污染物的成本,元/kg; CCi為i措施的減排總成本,元; Qi,j為i措施可減排j污染物的量,kg.

根據表1和2,采用公式(3)可以計算出所有技術減排措施和結構減排措施的單位污染物減排成本并對計算結果進行排序,結果見表3.

2.3 電力行業協同減排措施成本-效果敏感性分析

將前文述及的基準情景作為情景一,本文還設置了兩種相對價格情景進行敏感性分析:

情景一(基準情景):APeq=S+N+0.02C;

情景二:保持 CO2價格(100元/tCO2)不變,SO2、NOx價格選取現行排污收費標準0.6316元/kg[39],即APeq=S+N+0.1583C;

情景三:SO2、NOx價格保持0.6316元/kg不變,將CO2價格定義為0,即APeq=S+N.這實際上意味著不將CO2納為控制對象.

根據公式(3),對上述3種情景下電力行業協同減排措施單位APeq減排成本進行計算并排序,其排序結果見表4.

表3 電力行業協同減排措施單位污染物減排成本排序結果Table 3 Unit pollutant reduction cost and priority ranking of emission-reduction measures in power industry

由表4可以看出,上述3種情景下單位APeq排序結果總體變化不大;相比情景一,情景二加大了CO2相對于SO2和NOx的價格權重,因此CCS排序前移,煙氣脫硫和煙氣脫硝排序則基本處于最后;相比情景一,情景三忽略了 CO2減排要求,此時定向減排SO2和NOx的末端治理措施排序前移.

3 電力行業多污染物協同減排路徑分析

根據 “十二五”期間,各技術減排措施可能的推廣比例和結構調整潛力,以及各措施的減排系數,可計算出在電力行業實施技術減排措施和結構調整減排措施的前提下,2015年電力行業單污染物(SO2、NOx、CO2)和多污染物(APeq)的減排潛力.同時,結合各種減排措施的多污染物單位(邊際減排)成本,即可繪制如圖 1所示的單污染物和多污染物單位(邊際)減排成本(縱坐標)及潛力(橫坐標)曲線.循此曲線,即可獲得單、多污染物減排路徑:以單位(邊際)減排成本較低的減排措施為優先,減排措施的選取和組合以單位(邊際)減排成本由低到高進行.電力行業單污染物(SO2、NOx、CO2)和多污染物(APeq)的減排路徑如表5和圖1所示.

應用于減排規劃時,規劃者可以根據“減排總量(即橫坐標上從原點向右截取的長度)”,“邊際減排成本(即縱坐標高度)”,“總減排成本(即邊際成本曲線與橫軸包圍的面積)”等目標約束,選擇適當的減排路徑.

從圖1可以看出:若以SO2、NOx、CO2為特定減排對象時,減排路徑各有不同.若考慮3種污染物協同減排時,則在情景一和公式(2)計算的 APeq為協同減排指標時,最佳的技術與結構減排綜合路徑為:低耗能點燃—結焦預警—洗選煤技術—高壓變頻—熱電聯產—虛擬電廠—空氣預熱器改造—水電—汽封改造—低氮燃燒—汽輪機通流改造—核電—IGCC—煙氣脫硫—煙氣脫硝—風電—超超臨界—超臨界—上大壓小—生物質發電—天然氣發電—CCS—CFB—光伏發電.

表4 單位APeq減排成本排序敏感性分析表Table 4 Sensitivity analysis of unit APeq reduction cost

4 討論

為體現減排措施對SO2、NOx和CO2的“協同減排”效果,本文借助“污染物價格權重”構建了大氣污染物協同減排當量指標(APeq),這一指標的應用,特別是權重值的確定,可充分體現決策者對于局域和全球性污染物各自相對重要性的認識.雖然 APeq利用污染物價格實現了多種污染物減排效果的歸一化,但是此定義也存在一定的局限性.在現實中,排污收費及碳市場交易價格未必是其影子價格;此外,對于顆粒物、汞等目前不存在排污收費或交易價格的污染物進行類似分析時,就會遇到困難.如何確定多污染物權重,不僅是科學問題,也是經濟與政治問題,尚需要在今后的研究中從多角度、多情景進行深入的分析.

另外,除SO2、NOx和CO2外,其他局域大氣污染物(如PM、CO、VOC及汞等)和其他全球大氣污染物(CH4、NO2等)也需要在今后的研究中納入協同減排對象進行研究.

表5 電力行業SO2、NOx、CO2及APeq減排潛力及路徑Table 5 Potential and the paths of SO2, NOx, CO2 and APeq emission reduction in power industry

5 結語

本文的分析表明:末端治理措施在削減某一特定污染物的同時,由于耗能將增加其它污染物的排放;以節能增效為主的技術措施,以及上大壓小和以水電、核電、新能源發電、燃氣發電、新型燃煤火電技術、虛擬電廠等替代傳統燃煤火電的結構性減排措施也可以實現多種污染物的協同減排.

“十二五”期間,在電力行業開展技術減排和結構減排仍具有較大的減排潛力,結合電力行業總量減排目標、減排總成本控制目標等因素,繪制單污染物或APeq減排路徑圖可以協助決策者制定適宜的減排規劃方案.

本文所提出的思路和方法不僅僅適用于電力行業,也同樣適用于其他行業和區域的協同減排研究及規劃工作.

圖1 電力行業SO2、NOx、CO2及APeq減排潛力路徑Fig.1 Potential and the paths of SO2, NOx, CO2 and APeq emission reduction in power industry

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