電力行業(yè)溫室氣體排放情景分析

張 莉，王俏麗，李 偉1，，李素靜

（1.浙江大學(xué) 環(huán)境工程研究所，浙江 杭州310058；2.浙江大學(xué) 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境研究所，浙江 杭州310027）

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，我國的能源需求逐年增加，導(dǎo)致二氧化碳大量排放.截止2010年底，全球二氧化碳排放量中有25.1%來自中國，其中的37.2%來自電力行業(yè)［1］.據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國電網(wǎng)的發(fā)電量約80%由燃煤鍋爐提供［2］.國際能源署對(duì)1971～2011年不同國家和地區(qū)的二氧化碳排放統(tǒng)計(jì)顯示，我國二氧化碳排放量正以最快的速率在增長(zhǎng)［3］.因此，我國正大力發(fā)展可持續(xù)和可再生技術(shù)來改善能源結(jié)構(gòu)，并設(shè)定了一系列的目標(biāo)以逐步改善二氧化碳排放現(xiàn)狀［4］.2014年11 月12日，中美氣候變化聯(lián)合聲明提出：中國計(jì)劃在2030年左右使二氧化碳排放達(dá)到峰值，并將努力早日達(dá)峰；同時(shí)計(jì)劃到2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重提高到20%左右.

國內(nèi)主要研究尚停留在化石能源燃燒過程的溫室氣體（greenhouse gas，GHG）排放，但電力生產(chǎn)過程中并非只有燃燒過程會(huì)排放GHG.國際上的研究主要通過對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行全生命過程的評(píng)價(jià)來獲得GHG 排放量.我國尚未建立電力行業(yè)不同發(fā)電形式下全生命周期的二氧化碳排放因子（life cycle carbon dioxide emission，LCE）推薦值.

本文從全生命周期評(píng)價(jià)（life cycle assessment，LCA）的視角考慮，提出電力行業(yè)中不同發(fā)電形式（包括燃煤發(fā)電、燃油發(fā)電、天然氣發(fā)電、核電、水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電以及生物質(zhì)能發(fā)電）的LCE選值，并利用提出的推薦值，綜合分析不同能源結(jié)構(gòu)情景下全國電力行業(yè)的GHG 排放量.同時(shí)，通過建立不同能源結(jié)構(gòu)發(fā)展的情景來分析未來電力行業(yè)的GHG排放量.

1 方法和數(shù)據(jù)

1.1 生命周期評(píng)價(jià)方法

通過LCA 方法全面計(jì)算我國實(shí)際發(fā)電系統(tǒng)的LCE推薦值，才能真實(shí)表現(xiàn)電力行業(yè)對(duì)溫室效應(yīng)的影響.本文選擇包括燃煤發(fā)電、燃油發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電的化石能源發(fā)電系統(tǒng)以及包括生物質(zhì)發(fā)電、核電、水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電在內(nèi)的非化石能源發(fā)電，形成如圖1所示的系統(tǒng)邊界圖.系統(tǒng)邊界包括各電力系統(tǒng)的材料、運(yùn)輸、建設(shè)、操作維護(hù)過程以及每個(gè)階段產(chǎn)生的廢棄物處置或排放.本文旨在計(jì)算電力生產(chǎn)過程中的GHG 排放情況，不包括產(chǎn)品（電力）的使用和最終處置階段.

圖1 不同電力系統(tǒng)的全生命周期評(píng)價(jià)（LCA）系統(tǒng)邊界Fig.1 Life cycle assessment（LCA）system boundary of different power systems

生命周期評(píng)價(jià)方法可以評(píng)價(jià)多種環(huán)境影響，本研究關(guān)注GHG 的排放情況.采用歸一化方法，并采用政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）推薦的GHG 全球變暖效能（global warming potential，GWP）作為歸一化因子.采用二氧化碳當(dāng)量（CO2-eq）綜合表示各種GHG 排放量的綜合影響.

1.2 LCE及GHG 排放量核算

以LCE 衡量電力系統(tǒng)全生命周期內(nèi)GWP 強(qiáng)度（即每產(chǎn)生1kWh的電力所造成的CO2-eq排放量）.LCE 越低，說明生產(chǎn)過程造成的GHG 排放越少.參考Hondo［5］在其研究中提出的計(jì)算方法，則某發(fā)電形式下的LCE可表示為式 中：G 為GWP 強(qiáng) 度；t為GHG 的 種 類；j 為 該 發(fā)電系統(tǒng)中不同的生命階段；E 為該發(fā)電系統(tǒng)中某生命階段內(nèi)某GHG 的排放量；Q 為該發(fā)電系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的凈能源輸出.

當(dāng)綜合考慮電力行業(yè)CO2-eq 排放量時(shí)，不得不考慮不同能源結(jié)構(gòu)對(duì)CO2-eq排放量的影響.整體電力行業(yè)的年總CO2-eq排放量（total carbon，TC）為

式中：k表示不同能源形式的發(fā)電系統(tǒng).

電力行業(yè)平均單位發(fā)電量的LCE表示為

1.3 電力系統(tǒng)LCE數(shù)據(jù)確定決策

在對(duì)現(xiàn)有研究結(jié)果進(jìn)行整理、篩選和綜合分析的基礎(chǔ)上，確定適用于我國電力行業(yè)的LCE 推薦值.由于不同數(shù)據(jù)來源的參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)原料和技術(shù)水平等不盡相同，統(tǒng)計(jì)的結(jié)果將存在較大偏差，通過如圖2所示的決策圖對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并確定最終的排放因子取值.由于很難獲得一個(gè)系統(tǒng)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)各自的LCE取值，且由組合而得的數(shù)據(jù)大大增加了最終結(jié)果的不確定性，僅當(dāng)途徑①和②不能收集到數(shù)據(jù)時(shí)才選擇途徑③和④.

圖2 全生命周期的二氧化碳排放因子（LCE）數(shù)據(jù)決策圖Fig.2 Life cycle carbon dioxide emission（LCE）data decision path

案例和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選擇都會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成較大的影響.為方便LCE 數(shù)據(jù)的應(yīng)用，并體現(xiàn)電力行業(yè)排放的平均水平，將篩選出的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理，以l表示，獲得適用于我國生產(chǎn)實(shí)際的LCE 取值.同時(shí)，將各個(gè)LCE取值與IPCC［6］和美國能源信息署［7］（Energy Information Administration，EIA）給出的推薦范圍進(jìn)行比較.燃油發(fā)電系統(tǒng)的LCE 值直接選擇2種國際組織推薦值范圍的中間值進(jìn)行平均.最終確定的推薦值難免與實(shí)際情況有所不同，但燃油發(fā)電的比重很小，對(duì)結(jié)果敏感性相對(duì)極小，允許燃油發(fā)電LCE值存在較大不確定性.化石能源發(fā)電系統(tǒng)LCE獲取途徑均來自途徑①，結(jié)果如表1所示.

表1 化石能源發(fā)電系統(tǒng)LCE數(shù)據(jù)匯總表Tab.1 LCE data summary of fossil power system g CO2-eq·kWh-1

我國的生物質(zhì)發(fā)電原料均采用農(nóng)業(yè)或工業(yè)生產(chǎn)廢棄的生物質(zhì)，并沒有利用直接種植生物質(zhì)，因此在建立LCA 系統(tǒng)邊界時(shí)不包括生物質(zhì)的生長(zhǎng)階段，生物質(zhì)發(fā)電LCE明顯高于IPCC 推薦范圍亦合理.非化石能源發(fā)電系統(tǒng)LCE 獲取途徑來自于途徑①和②，結(jié)果如表2所示.

2 情景設(shè)立及預(yù)測(cè)分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不同發(fā)電形式的LCE也處在不斷的變化中.相比發(fā)電形式變化所引起的LCE 變化（1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)的差異），由技術(shù)革新或規(guī)模變化等引起的LCE變化產(chǎn)生的影響很小［23］.在2012年以前，由于技術(shù)革新或規(guī)模變化而新建的電廠所占份額較小，在進(jìn)行現(xiàn)狀分析時(shí)忽略LCE變化的影響，而在情景預(yù)測(cè)時(shí)根據(jù)對(duì)先進(jìn)發(fā)電設(shè)備份額的變化綜合考慮LCE的變化.

表2 非化石能源發(fā)電系統(tǒng)LCE數(shù)據(jù)匯總表Tab.2 LCE data summary of non-fossil power system

2.1 電力行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展

據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2000 年到2012 年，我國總發(fā)電量（total power production，TPP）以每年11.37%的平均速率（v）增長(zhǎng).單位GDP總發(fā)電量呈逐年下降的趨勢(shì)，如圖3所示.2000～2006年，C／G 在0.130～0.140浮動(dòng)；而2007～2012年，C／G 從0.120逐年下降到0.096.

圖3 我國GDP與總發(fā)電量（TPP）的關(guān)系Fig.3 Relationship of GDP and total power production（TPP）in China

根據(jù)不同能源發(fā)電系統(tǒng)的LCE推薦值，結(jié)合每年的發(fā)電量計(jì)算GHG 排放量，如表3所示.統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中并沒有區(qū)分火力發(fā)電的不同形式，而按照燃煤發(fā)電的LCE值計(jì)算.未列出的其他發(fā)電形式主要利用其他清潔能源發(fā)電，其LCE值一般較低，因此，該部分GHG 排放量不計(jì)入結(jié)果.燃煤發(fā)電形式的LCE明顯高于其他發(fā)電形式，對(duì)火力發(fā)電和其他發(fā)電形式的處理最終將導(dǎo)致計(jì)算所得的GHG 排放量偏大.結(jié)果顯示，2000～2012年，電力行業(yè)每年排放的GHG 持續(xù)增加，12年間增加了2.5倍.2012年，總CO2排 放 因 子（total carbon dioxide emission，TCE）呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì).相比2012年的實(shí)際GHG 排放量，若以2000～2011年的TC 平均值計(jì)算，2012年的GHG 排放量可達(dá)到44.55億噸，減排GHG 1.75億噸.

表3 2000～2012 年電力行業(yè)生命周期溫室氣體（GHG）排放量Tab.3 Life cycle greenhouse gas（GHG）emission of power sector from 2000to 2012 g CO2-eq·kWh-1

一般認(rèn)為，“十三五”期間我國經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)出從高速增長(zhǎng)階段向中高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)，GDP增速處于6.20%～7.80%，年均增速約為7.00%［24］.進(jìn)入“十四五”，GDP增速將進(jìn)一步減緩至5.00%～7.00%，年均增長(zhǎng)約為6.00%.到2025年，GDP 增速將降至5.60%；到2030 年，GDP 增速則會(huì)降至5.00%；“十五五”期間的年均GDP增速將為5.24%左右［25］.通過對(duì)英國石油（BP）公司的預(yù)測(cè)結(jié)果［26］進(jìn)行分析可知，2010～2030年我國能源強(qiáng)度將穩(wěn)步下降約46.00%，年均下降約2.30%.利用能源強(qiáng)度變化預(yù)測(cè)2013～2030年的單位GDP 發(fā)電量，并利用GDP增速預(yù)測(cè)每年的TPP，2014年和2015年的GDP增速分別以7.52%和7.24%［25］計(jì)算，最終確定以單位GDP 發(fā)電量為2.30%的年均下降確定TPP預(yù)測(cè)值，結(jié)果如表4所示.

表4 2013～2030年總發(fā)電量預(yù)測(cè)表Tab.4 Prediction of TPP from 2013to 2030

2.2 情景建立

結(jié)合文獻(xiàn)［24，27-28］及當(dāng)前我國提出的系列政策目標(biāo)，設(shè)定基準(zhǔn)情景、約束情景及優(yōu)化情景.3 種情景的年發(fā)電量均利用GDP 推算結(jié)果，能源結(jié)構(gòu)均以2012年為基準(zhǔn)，其中煤電、氣電、生物質(zhì)發(fā)電、水電、核電、風(fēng)電、光電的占比分別為74.9%、3.6%、0.2%、16.5%、1.9%、2.5%、0.1%，其他發(fā)電形式占比為0.3%.

A）基準(zhǔn)情景.不改變?nèi)魏伟l(fā)電形式的占比.但假設(shè)在評(píng)價(jià)年限內(nèi)新增煤電系統(tǒng)的LCE 為859g CO2-eq／kWh［9］，基準(zhǔn)LCE不變.

B）約束情景.2020年的非化石能源占比已達(dá)到21.5%.設(shè)定將電力行業(yè)2020年的非化石能源占比達(dá)到30.0%、2030年達(dá)到35.0%作為約束條件.其中，水電裝機(jī)容量在2020年后基本不再增加.核電和風(fēng)電是非化石能源比重增加的主要貢獻(xiàn)者.截至2030年，核電和風(fēng)電的發(fā)電量均達(dá)到萬億千瓦時(shí)水平.同時(shí)，假設(shè)每年以2012年的煤電發(fā)電量為基準(zhǔn)的系統(tǒng)LCE 下降2g CO2-eq／kWh.其他發(fā)電系統(tǒng)因發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，LCE 可提高空間較小，故不考慮其LCE變化.

C）優(yōu)化情景.進(jìn)一步提高非化石能源發(fā)電量的比重并降低煤電系統(tǒng)的LCE 預(yù)測(cè)值.設(shè)定將2020年非化石能源提高到33.0%、2030年非化石能源提高到40.0%作為優(yōu)化限制條件.其中，水電的占比基本與約束情景等同，核電和風(fēng)電表現(xiàn)為更長(zhǎng)足的發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)占比分別達(dá)到12.0%和11.5%.同時(shí)，假設(shè)每年以2012年的煤電發(fā)電量為基準(zhǔn)的系統(tǒng)LCE下降3g CO2-eq／kWh.

2.3 不同情景下排放量的計(jì)算和討論

根據(jù)對(duì)3種情景的設(shè)定計(jì)算不同情景下每年的LCE預(yù)測(cè)值.以燃煤發(fā)電為例，利用每年的燃煤電力占比計(jì)算每年的燃煤發(fā)電量：

式中：Qi為第i年燃煤發(fā)電量，i表示年份，指2013～2030年；wi為第i年煤電發(fā)電量占當(dāng)年總發(fā)電量的比重；QT，i為第i年的總發(fā)電量：

以2012年燃煤發(fā)電量為基準(zhǔn)計(jì)算每年新增燃煤發(fā)電量，則可以計(jì)算每年新增燃煤發(fā)電量占當(dāng)年燃煤發(fā)電量的比重：

式中：αi為第i 年新增燃煤發(fā)電量占當(dāng)年燃煤發(fā)電量的比重；Q2012為2012年的燃煤發(fā)電量.

3種情景設(shè)定下每年煤電系統(tǒng)的LCE 預(yù)測(cè)值計(jì)算公式如下：

式中：LA，i、LB，i、LC，i分別表示第i 年A、B、C 情景 下燃煤發(fā)電系統(tǒng)的LCE；αA，i、αB，i、αC，i分別表示第i 年A、B、C情景下新增燃煤發(fā)電量占當(dāng)年燃煤發(fā)電量的比重.

利用計(jì)算所得不同情景預(yù)測(cè)年限內(nèi)的LCE 值，結(jié)合其他發(fā)電形式的排放因子從當(dāng)前至2030年的預(yù)測(cè)值，應(yīng)用式（2）和（3）分別計(jì)算不同情景下的預(yù)測(cè)年限內(nèi)每年的總GHG 排放量和平均LCE 值.計(jì)算結(jié)果如圖4和5所示.

圖4 不同情景下電力行業(yè)GHG 排放比較Fig.4 Comparison of GHG emission of power sector under different scenarios

圖5 不同情景下電力行業(yè)的平均LCE比較Fig.5 Comparison of average LCE of power sector under different scenarios

當(dāng)按照2000～2012年電力行業(yè)GHG 排放量趨勢(shì)外延時(shí)，即保持2012 年平均技術(shù)水平持續(xù)發(fā)展，則到2030年GHG 的年排放量已超過90億噸.基準(zhǔn)情景不改變現(xiàn)有電力行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)，但要求每年新增燃煤發(fā)電系統(tǒng)全部采用GHG 排放量較少的先進(jìn)技術(shù)機(jī)組，這一改變將在2030年這一年內(nèi)減排GHG 約7.4億噸.約束情景在控制新增燃煤電廠技術(shù)的基礎(chǔ)上，逐步減少現(xiàn)有燃煤系統(tǒng)的GHG排放因子，同時(shí)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，加大非化石能源在電力行業(yè)的比重，該情景下到2030年GHG 排放量?jī)H為63.5億噸，但GHG 排放量仍表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì).在約束情景的基礎(chǔ)上，又提出優(yōu)化情景，設(shè)定更嚴(yán)格的減排目標(biāo)，控制更嚴(yán)格的燃煤系統(tǒng)GHG排放因子以及更嚴(yán)苛的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整.到2030年，該情景下GHG 的排放量?jī)H為58.9 億噸.雖然GHG 排放量仍逐年增加，但GHG 年排放量明顯趨于平緩，在末5年內(nèi)GHG 年排放量?jī)H增加3.1億噸.此時(shí)，相比2030年外延結(jié)果，優(yōu)化情景下2030年的GHG 年排放量減少了33.0 億噸.在此情景下，可以認(rèn)為，我國有望在2030年以后的幾年內(nèi)達(dá)到GHG排放峰值.在評(píng)價(jià)年限內(nèi)，與保持2012年平均技術(shù)水平而不作任何改變所得的結(jié)果相比，3種情景下的總GHG 減排量將分別達(dá)到66.6、255.6和297.0億噸.

當(dāng)比較不同情景設(shè)定下電力行業(yè)的平均LCE時(shí)，基準(zhǔn)情景僅控制新增燃煤發(fā)電系統(tǒng)的GHG 排放因子，雖然減緩了GHG 總量的排放，但GHG 排放總量將隨著總發(fā)電量的增加而成比例增加，因此，不可能在保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情況下達(dá)到減排效果.約束情景和優(yōu)化情景下平均LCE均有明顯的下降，而優(yōu)化情景下更嚴(yán)苛的目標(biāo)導(dǎo)致平均LCE 更為顯著的下降，從而有助于在保證總發(fā)電量的情況下早日達(dá)到GHG 年排放量的峰值.

單位GDP的GHG 排放總量是目前較受關(guān)注的參數(shù)，我國提出了2020 年GHG 排放強(qiáng)度相比2005年降低40%～45%的目標(biāo).計(jì)算單位GDP 的總GHG 排放量，獲得GHG 排放強(qiáng)度，如圖6所示.2000～2006年，我國單位GDP的GHG 排放強(qiáng)度基本在120g附近波動(dòng)；2006～2012年，我國GHG 排放強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)，這主要是由于在2007年我國單位GDP 耗電量開始出現(xiàn)明顯下降.相比2005年，截至2012年我國GHG 排放強(qiáng)度就已經(jīng)下降了30.7%，這是一個(gè)非常可觀的結(jié)果.根據(jù)3種情景設(shè)定的計(jì)算結(jié)果可知，優(yōu)化情景下的GHG 排放強(qiáng)度最低，而基準(zhǔn)情景下的GHG 排放強(qiáng)度最高.在基準(zhǔn)情景下，相比2005年，截至2020年我國GHG 排放強(qiáng)度下降約43.6%，達(dá)到了降低40%～45%的目標(biāo).電力行業(yè)是GHG 排放和能源消耗的主導(dǎo)行業(yè)，又是全國減排的重點(diǎn)行業(yè)，僅僅達(dá)到全國目標(biāo)的水平顯然是不夠的.在約束情景和優(yōu)化情景下，2020年我國GHG 排放強(qiáng)度相比2005年分別下降52.3%和54.3%，可以超額完成全國GHG 減排的總體目標(biāo)，是更為理想的選擇.

綜合以上分析可知，在設(shè)定的3種情景中，基準(zhǔn)情景不能達(dá)到既定的政策目標(biāo)，約束情景基本可以達(dá)到目標(biāo)，而優(yōu)化情景是更為合理的選擇.

圖6 不同情景下GHG 排放強(qiáng)度比較Fig.6 Comparison of GHG emission intensity under different scenarios

3 結(jié) 論

（1）本文提出了3種化石能源發(fā)電系統(tǒng)和5種非化石能源發(fā)電系統(tǒng)的LCE現(xiàn)狀.化石能源發(fā)電系統(tǒng)的LCE明顯高于非化石能源發(fā)電系統(tǒng)的LCE.化石能源發(fā)電系統(tǒng)的LCE 范圍為676～1084g CO2-eq／kWh，而非化石能源發(fā)電系統(tǒng)的LCE 范圍為15～289g CO2-eq／kWh；

（2）在明確應(yīng)用先進(jìn)發(fā)電技術(shù)時(shí)，基準(zhǔn)情景不改變?nèi)魏伟l(fā)電形式的占比，年平均LCE 維持在842 g CO2-eq／kWh，并不能滿足發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)減排的要求.約束情景以現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)目標(biāo)為約束條件，電力系統(tǒng)年平均LCE呈現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)，但GHG排放總量仍呈現(xiàn)較為明顯的上升趨勢(shì).優(yōu)化情景下提出更為嚴(yán)苛的能源結(jié)構(gòu)目標(biāo)作為優(yōu)化約束條件，與保持2012年平均技術(shù)水平持續(xù)發(fā)展時(shí)的結(jié)果相比，2030年GHG排放量將減少33億噸，電力系統(tǒng)年平均LCE 呈現(xiàn)更為顯著的下降，并且到2030 年GHG年排放量已趨于穩(wěn)定，有望達(dá)到減排目標(biāo).

（3）與保持2012年平均技術(shù)水平而不做任何改變所得的結(jié)果相比，3種情景分別可達(dá)到減排66.6、255.6和297.0億噸GHG 的效果.3種情景下的排放強(qiáng)度都可以達(dá)到排放強(qiáng)度目標(biāo)，但相比而言，優(yōu)化情景是更合理的選擇.

（

）：

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