2020年中國發電行業碳減排目標規劃相符性分析

廖夏偉,計軍平,2,馬曉明,2* (.北京大學環境科學與工程學院,北京0087；2.北京大學深圳研究生院環境與能源學院,城市人居環境科學與技術重點實驗室,廣東 深圳 58055)

2020年中國發電行業碳減排目標規劃相符性分析

廖夏偉1,計軍平1,2,馬曉明1,2*(1.北京大學環境科學與工程學院,北京100871；2.北京大學深圳研究生院環境與能源學院,城市人居環境科學與技術重點實驗室,廣東 深圳 518055)

基于發電行業節能減排技術的現有應用規劃,預測3種不同的GDP增長情景,即減速發展,基準情景和高速發展情景下,若能實現我國現有關于發電行業節能減排技術的規劃目標,2020年發電行業的CO2排放量將達到35.32,39.15,43.20億t.同時基于中國2020年碳強度減排承諾,計算得國家2020年CO2排放目標在不同發展情景下將達到97.30～127.96億t不等.結合上述結果討論,發電行業規劃目標相符要求2020年的CO2排放比例為33.27%～36.82%.結果表明,若能實現我國現有關于發電行業節能減排技術的規劃目標,則對應于不同的GDP增長速度,發電行業總碳排放量能夠完成國家承諾碳強度減排的分解目標.

減排目標；規劃相符性；發電行業

為應對全球氣候變暖,2009年底哥本哈根會議前我國提出了自主減排目標,即到2020年單位國內生產總值CO2排放比2005年降低40%～45%.在中國鄭重做出碳排放強度減排承諾后,有許多學者對此進行了研究.劉小敏等[1]利用CGE模型對2020年中國的碳排放強度目標進行了定量分析,指出黑色金屬礦采選業、有色金屬礦采選業、塑料制品業、燃氣生產和供應業、建筑業面臨較大的減排困難.張友國[2]利用投入產出結構分解方法實證分析了 1987～2007年經濟發展方式變化對中國GDP碳排放強度的影響.李健等[3]認為第二產業是影響地區碳排放強度的主要因素.現有關于我國碳排放強度減排目標的研究主要通過GDP和產業結構等宏觀經濟指標,采用自上向下的模型進行,而較少采用自底向上模型,通過行業或部門的技術發展或規劃進行分析.

電力是由不同的一次能源轉換而成的,而發電過程中由于燃料的燃燒產生了大量的 CO2排放.本文所討論的發電行業部門排放是指發電行業作為一個部門的整體排放.根據計軍平等[4]的研究,發電行業是高碳排放部門.發電行業的減排對于全國減排目標的達成具有重要的影響和作用. 本文則將基于現有發電行業節能減排技術的相關規劃,通過各類減排技術的減排潛力核算,分析規劃目標與減排目標之間的相符性,即能否通過完成規劃目標達成減排目標.

1 研究方法

碳排放強度,即單位 GDP的 CO2排放.相關研究多根據《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[5](下文簡稱IPCC指南)中核算CO2的方法對總碳排放量進行核算,并除以當年GDP得到碳排放強度.

CO2排放量核算最基本的公式為活動數據(Activity Data,簡稱 AD)乘以排放因子(Emission Factor,簡稱 EF).對于發電行業,活動數據可以用發電量或燃料消耗量表示:

式中:E表示發電行業CO2排放量;ICi表示技術i的裝機容量;Ti表示技術i的年發電時間,可由歷年數據推測;ci表示技術i的排放系數;Fi表示發電過程各類燃料消耗量;c′i為不同燃料的碳排放系數.

表1 國家發改委氣候司公布的不同燃料的碳排放因子Table 1 Emission factors by the climate division,development and reform commission of China

發電行業的燃料來源主要包括煤炭、石油、天然氣等,其中以煤炭為主.對于 IPCC指南提供的燃料含碳量,國家發改委氣候司根據我國實際情況進行了調整[6].本文即以國家發改委氣候司公布的數據為基礎進行計算.

電力生產彈性系數是研究電力生產增長速度與國民經濟增長速度之間關系的指標,其計算式如下:

式中:C指電力生產彈性系數,其數值等于電力生產量的年平均增長速度A除以國民經濟年平均增長速度a.

假設我國在未來保持 GDP年均增速為a,根據電力生產彈性計算得2020年所需的發電量.根據現有各發電節能減排技術的規劃目標計算其發電量,新技術發電量不足部分由傳統燃煤技術發電補足.可得發電行業 2020年的預測 CO2排放量和目標CO2排放量計算公式(3)和(5):

式中:E2020為2020年CO2的預計排放量;P2011為2011年總發電量;P′為節能減排技術發電量;c煤表示傳統煤發電排放系數;e節表示節能減排技術發電排放量,由于清潔能源發電不排放CO2,此處e節主要表示提高燃煤效率的減排技術的發電排放量.其中:

本文根據現有對于節能減排技術利用的相關規劃總結出在2020年各項節能減排技術的裝機容量IC節i2020,再根據歷史數據推測各節能減排技術的年發電時間T節i2020.

式中:E′2020表示2020年的發電行業的目標碳排放量;a為GDP年均增長速度;I2020為2020年目標碳排放強度,可根據2005年碳排放強度和我國碳強度減排目標計算求得;R表示發電行業排放占全國總排放比例.

本文設定了國內生產總值不同增速的 3種情景GDP,代入式(3)得2020年預測發電量;最后將發電行業2020年的預測發電量與排放目標進行比較,并提出政策建議.

2 發電行業2020年CO2排放量預測

2.1 2020年發電量需求

根據吳敬儒等[7]綜合國內外的研究,指出當一國經濟結構變化不大時,電力彈性系數一般在1.0～1.1.根據中國的國家發展規劃,將對重工業比例進行縮減,電力生產彈性系數取在0.7～0.8之間.本文取電力生產彈性系數C為0.75,對2020年滿足不同國民經濟增長情景的發電量需求進行了核算,計算結果如下表所示.

表2 2020年發電量預測Table 2 Estimate on electricity production in 2020

2.2 發電行業主要減排技術

據《2050中國能源和碳排放報告》[9],2020年以前可投入使用的發電行業控制 CO2排放的技術,總體上可分為兩類:

一是提高煤轉化效率,對于發電過程來說,與CO2減排直接相關的主要有兩個途徑,一是提高用于推動汽輪機做功的主蒸汽的壓力和溫度來提高能效,例如超臨界和超超臨界發電技術;二是通過系統優化集成提高整體發電效率,典型代表是整體煤氣化聯合循環(IGCC)技術.本文即以這兩種技術作為提高煤轉化效率技術的典型代表.

二是采用清潔能源代替煤,從而減少CO2的排放.從發電行業發展情況可以看出,將來中國可能投入使用的新能源主要有火電、水電、風電、核電、生物質發電等.

2.3 2020年發電行業排放預測

2.3.1 CO2排放系數 根據 2008～2011年《中國能源統計年鑒》[10]中的“中國能源平衡表”列出的各年份火力發電各種能源的投入量,代入式(1)中計算得歷年火力發電碳排放量;并除以根據《中國統計年鑒2004～2011》[11]《中國電力企業聯合會2010年電力統計年報數據一覽表》[12]《中國電力企業聯合會全國電力工業統計快報(2011年)》[8]所得各年火電發電量,得到火力發電每度電的平均排放量,并和清華大學氣候政策研究中心[13]的研究結果進行對比如表3所示.

表3 1火電碳排放強度[gCO2/(kW·h)]Table 3 Carbon fuel intensity in coal-fired power[gCO2/(kW·h)]

由表3可見,火力發電度電碳排放逐年下降.但由于技術發展的不確定性,難以根據這些數據的變化趨勢直接預測2020年傳統燃煤技術發電的排放系數.根據IEA公布的2009年燃煤發電碳排放強度水平,歐洲為842gCO2/(kW·h),京都議定書附件一國家為804gCO2/(kW·h)[14],這些國家目前的技術水平可作為我國在未來一段時間內將要達到的目標,因此計算2020年我國傳統發電技術的 CO2排放系數取二者中間值 820gCO2/(kW·h).

超(超)臨界發電和IGCC等技術通過提高煤轉化效率,減少單位發電量的耗煤量,從而減少單位發電量的CO2強度.假定其他條件不變,可認為采用這些技術時發電效率提高的百分比等于CO2強度降低的百分比,也即采用這些技術時的單位發電量的減排量等于采用傳統技術單位發電量的CO2排放量乘以效率提高的百分比.

現在傳統的亞臨界燃煤技術熱效率大概在38%左右,該技術已很成熟,進一步發展的潛力很有限.綜合考慮超(超)臨界技術和IGCC技術的發展現狀及相關學者的研究[15-20],本文初步預測到2020年,超臨界和超超臨界技術的平均發電效率達到45%,IGCC技術的發電效率達到48%,那么相對于傳統燃煤技術,超臨界和超超臨界技術、IGCC技術發電效率分別提高7%和10%.即超臨界和超超臨界技術、IGCC技術的CO2排放系數能達到762.6 ,738gCO2/(kW·h).

CO2排放主要來自化石燃料燃燒,水電、風電、核電等新能源在電力生產過程中不涉及化石燃料,除了設備生產、電廠建設等過程中的生命周期排放外,可視為零排放.

2.3.2 減排技術發展預測及規劃 減排情景需要設定各減排技術在2020年的應用規模,本文根據不同技術的發展現狀及趨勢、規劃目標等對在2020年的利用規模進行設定.

截止到2009年9月,我國已建、在建和擬建超臨界、超超臨界機組共計約 3億 kW[19].目前我國已經或即將批準的 IGCC電廠達到315萬 kW[20],IGCC電站也將逐步走向商業化階段.考慮到電站建設周期和電力建設快速發展的需要,預測到2020年,我國超臨界、超超臨界機組裝機容量可達到 4億kW,IGCC裝機容量達到1億kW.我國發布了一系列關于清潔能源發電的發展規劃.2007年發布了《可再生能源中長期發展規劃》、《核電中長期發展規劃(2005～2020年)》,“十二五”初期發布了《“十二五”電力工業發展規劃》、《可再生能源發展“十二五”規劃》,近期《新興能源產業發展規劃》已通過國家發改委審批并上報國務院,預計即將出臺.各規劃對2020年新能源發電裝機容量的目標如表4所示.

表4 2020年規劃裝機容量(億kW)Table 4 Planning installed capacity in 2020 (×108kW)

由表 4可見,早期規劃基于當時的發展情況制定了較低的目標值,但近幾年我國新能源發展迅速,原有的規劃目標已落后于其實際發展速度,因而“十二五”初期發布的《“十二五”電力工業發展規劃》做出了的調整,近期通過國家發改委審批的《新興能源產業發展規劃》也有一定調整.因此按照目前的發展勢頭,本文對各類清潔能源發電裝機容量取這些規劃中的最高值.

綜上所述,根據我國現有發電行業節能減排技術的應用規劃或發展現狀及趨勢,預測到2020年超臨界和超超臨界機組裝機容量將達到 4 億kW,IGCC將達 1 億 kW.水電、風電、核電、光伏發電和生物質發電等新能源發電技術裝機容量將分別達到3.8,1.8,0.9,0.2,0.3億kW.

2.3.3 各技術發電小時數 根據《電力工業統計資料匯編(2010年)》[21],2005～2010年來火電設備利用小時數分別為5865,5612,5344,4885,4865,5031h.波動較大且并無明顯的上升或下降趨勢,平均為5267h.

超臨界和超超臨界機組相對于傳統亞臨界機組年運行時間并無太大不同.而 IGCC運行過程要求各種設備和系統合理配置和配合,以提高整體循環效率.但運行過程中各設備互相牽制,影響了IGCC機組的運行時間.目前, IGCC 發電系統的可用率一般為80%左右[22].考慮到IGCC機組可用率的問題,年有效運行時間將有所降低.按照美國能源部(DOE)、美國電力研究院(EPRI)等機構的預測,商業化的 IGCC電站性能將在未來不斷改善,到 2010年可用率達到 85%以上,2020年將超過90%[14].考慮到中國與美國在技術方面尚存在一定差距,預計中國2020年IGCC電站可用率達到85%.綜上,本文取超臨界和超超臨界機組年運行時間 5300h,IGCC機組運行時間為4505h.進而計算得這兩類技術在 2020年發電量分別為21200億kW·h和4505億kW·h.

2004～2010年水電、核電發電設備利用小時數如表5所示.

由表 5可見,水電、核電設備年利用小時數并無明顯的上升或下降趨勢,因此,對于 2020年水電和核電的設備利用小時數,取 2004～2010年統計數據的平均值,即分別為3491,7762h.

表5 2004～2010年水電、核電設備利用小時數(h)Table 5 Operational hours of hydroelectric and nuclear power installations from 2004 to 2010(h)

風電、太陽能和生物質發電等因易受自然條件影響,年運行時間不太穩定,且暫無設備利用小時數的統計數據,只能根據發展規劃中提出的目標做大致估計.根據國網能源研究院公布的“十二五”我國新能源發電發展目標[24],風電裝機容量達到 1億 kW,年發電量 1900億 kW·h;太陽能光伏發電將達到900萬kW,年發電量126億kW·h;生物質發電1300萬kW,發電量520億kW·h,由此計算得風電、太陽能光伏、生物質發電的年有效運行時間分別為1900,1400,4000h.2020年清潔能源發電量如表6所示.

表6 2020年清潔能源新增發電量Table 6 New electricity productions by clean energy in 2020

總的來說,各類技術按照預測和規劃在2020年的發電量表7所示.

2.3.4 2020年發電行業碳排放核算 以上通過新技術或者新能源發電不足電力需求的部分由傳統煤電補足.將所得數據匯為表8.

表7 2020年各新技術和清潔能源預測發電量Table 7 Estimated electricity productions by low-carbon techniques in 2020

表8 2020年各發電技術預計發電量及排放系數Table 8 Estimated electricity productions and emission factors of different techniques in 2020

將上文數據代入式(3),計算得在 2020年不同的國民經濟發展情景下的發電行業預測總碳排放量,如表9所示.

表9 2020年不同情景下發電行業總碳排放量Table 9 Total CO2 emission in different scenarios in 2020

3 發電行業2020年排放目標

3.1 2020年全國總CO2排放目標

根據《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》[25],今后五年我國國內生產總值的年均增長目標為7%,本文假設“十三五”期間基準情景的GDP年均增長目標仍是7%,對不同的經濟發展情況設置了3種情景. 根據美國橡樹嶺國家實驗室 CO2信息分析中心(CDIAC)[26]的中國CO2排放數據以及2005年中國 GDP,計算得中國 2005年碳排放強度為3.13tCO2/萬元.根據中國的減排承諾,2020年的目標排放強度應為 1.7215～1.878tCO2/萬元.結合上文所得發電行業排放比例數據,計算得到2020年發電行業目標CO2排放量如表10所示.

表10 2020年發電行業目標CO2排放量Table 10 CO2 emission target of power sector in 2020

3.2 發電行業排放比例

通過上文計算可得若實現發電行業現有節能減排技術相關規劃后,2020年預測產生的CO2排放量;以及根據我國碳強度減排承諾下的2020年總的CO2排放量.

表11 規劃相符對發電行業排放比例要求Table 11 Emission ratio of power sector required by consistency between technology plans and reduction target on CO2

國際能源署(IEA)的研究表明,電力、交通和制造行業是全球CO2排放的主要來源,其中發電行業排放的CO2約占總排放量的40%.[27]計軍平等[4]指出從生產角度看,電力、熱力的生產和供應業的直接排放量最大,占 2007年排放總量的36.24%.張雯[28]指出我國發電行業碳排放占總排放比例在35%～40%.

4 政策建議

根據我國現有規劃,對應于不同的GDP增長速度,發電行業都能夠完成國家承諾碳強度減排的分解目標.在 GDP增速過慢或過快時,發電行業減排貢獻尤其顯著.

由于GDP增長過慢不能滿足我國發展的需求,而增長過快既不符合實際,而且根據童抗抗等[29]的研究,應考慮由此帶來的排放總量增加.因此我國基于發電行業分解的 CO2減排強度目標在40%到45%之間可行.

根據本研究,我國現有發電行業的減排規劃能夠完成國家 GDP排放強度減排的分解目標.要達成 GDP減排強度目標,并不需要對于 GDP增速采取專門的控制.

5 結論

5.1 根據計算結果可知,若 2020年發電行業CO2排放量仍能保持35%～40%的占比,則發電行業的排放能夠達到國家碳排放強度減排分解目標要求,可以通過發電行業減排預測國家碳強度減排目標的可行性.

5.2 保持發電行業高于33%的某一排放比例不變,無論我國 GDP年均增速多少,發電行業的預測CO2排放量都能滿足國家GDP排放強度下降40%的分解目標;當 GDP增長過快或過慢時,甚至能夠滿足GDP排放強度下降45%的要求.該結果的可能原因是由于當GDP發展過慢時,發電行業新的減排技術和新能源的使用發揮了主要作用,減排效果明顯,相對應的總 GDP排放強度也較小;當GDP發展過快時,由于GDP總量大,相對于任意排放強度值,允許排放的額度都較多,而由于產業結構等的調整,電力生產增速慢于GDP增速,所以達標也較為容易.

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Consistency analysis between technology plans and reduction target on CO2emissions from China's power sector in 2020.

LIAO Xia-wei1, JI Jun-ping1,2, MA Xiao-ming1,2*(1.College of Environmental Science and Engineering, Peking University, Beijing100871, China；2.Key Laboratory for Urban Habitat Environmental Science and Technology, School of Environment and Energy, Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055, China).China Environmental Science, 2012,33(3)：553～559

Based on existing energy saving technology plans in the power sector of China, the CO2emissions in 2020 was projected to reach 3532,3915 and 4320 million ton respectively in 3 different scenarios, e.g. high-speed development,baseline scenario and low-speed development, provided that all the planning objectives were achieved. According to China’s CO2intensity reduction commitments, the CO2emission target in 2020 was expected to reach 9730～12796 million ton in accordance with different GDP growth rate. Combining the above results, consistency between technology plans and reduction target required the emission rate of power sector to be between 33.27% and 36.82%, which means the total carbon emissions of the power sector was able to complete the decomposition of national carbon intensity reduction target provided that all the energy saving technology planning objectives were achieved irrespective of the GDP growth rate.

emission reduction target；consistency analysis；power sector

X321

A

1000-6923(2013)03-0553-07

2012-07-05

教育部人文社會科學研究項目(10YJC790344)

* 責任作者, 教授, xmma@pku.edu.cn

廖夏偉(1989-),男,四川宜賓人,北京大學環境科學與工程學院碩士研究生,研究方向為環境規劃與管理.