基于綠色低碳發展的區域發電能源結構優化

張宇超

基于綠色低碳發展的區域發電能源結構優化

張宇超

張宇超 劉正中 張成林 吳悅華

山東大學電氣工程學院

前言

研究背景

習主席在2014年6月13日主持召開中央財經領導小組會議，就推動能源生產和消費革命提出了五點要求，其中第三點要求指出：“推動能源技術革命，帶動產業升級。以綠色低碳為方向，分類推動技術創新、產業創新、商業模式創新，把能源技術及其關聯產業培育成帶動中國產業升級的新增長點。”就習主席提出的要求來看，以綠色低碳為方向的能源革命已刻不容緩，在此背景下，本文以中國區域發電能源的結構優化為導向，低碳排放為目標，具體數學模型為分析基礎，為我國電力發展提出合理的建議和措施。

研究意義

我國一次能源以煤炭為主，隨著經濟發展對電力需求的不斷增長，大量燃煤發電對環境的影響也越來越大。2005年，我國發電用煤10.75億t，如果保持該比例，2020年電煤需求將達20億t。近年來，我國利用清潔能源發電的技術日漸成熟，與火電相比，利用清潔能源發電不排放二氧化碳等溫室氣體，而且還可以減少煤炭的開采與燃燒總量。利用清潔能源發電不僅是電力工業追求低碳發展的有效途徑，也將是一項減緩溫室效應的重要措施。

發電能源分析

火電

目前，火電仍占據我國發電端的主導地位，然而火電發電量雖然在逐年遞增，但是每年的增長量卻是逐年遞減。由于在未來20年甚至更長時間內，煤電在我國發電能源中仍占主導地位，因此如何建立以火電為主的電力結構是火電企業可持續發展的必經之路。

水電

我國各地區水電近20年發展迅速，西南地區1995年到2012年水力發電量增幅達488.34％，達到3157.76億kW/h。中南地區增幅為273.43％，達到2663.14億kW/h。華北與華東總量最少，為65.85億kkW/h。我國水力資源豐富，技術可開發量巨大，但水力發電量比例與歐美等發達國家相比還是有差距。水電作為潛力巨大且十分清潔的可再生能源務必要受到重視。

風電

根據國家氣象局資料，我國在陸地上離地面10m高度風能資源儲量約為32.26億kW，可開發利用的資源量為2.5億kW，近海可開發和利用的風能儲量有7.5億kW，風能資源合計可開發量有10億kW以上其富集區主要在西北、華北北部、東北及西南等地區。由于風能是清潔可再生能源，風電的使用，相當于節省相同數量電能所需的礦物燃料。

核電

國家核電中長期發展規劃指出：到2020年，核電運行裝機容量爭取達到4000萬kW，核電年發電量達到2600-2800億kW/h，在目前在建和運行核電容量1696.8萬kW的基礎上，新投產核電裝機容量約2300萬kW。一般我們認為核電是零排放的，那么同等裝機容量下，以1300W裝機為例，煤電的CO2、SO2等溫室氣體排放量每年合計大約為990萬噸，而核電沒有溫室氣體的排放。

太陽能發電

我國蘊藏著豐富的太陽能資源，全國三分之二的國土面積年日照小時數在2200小時以上，年太陽福射總量大于每平方米5000兆焦，在陸地表面上每年接受太陽福射能相當于49000億噸標準煤，約等于上萬個三峽工程發電量的總和，若能充分有效地利用太陽能發電，對于減少燃煤碳排放將具有很大的意義。

電力結構優化模型

REAO模型

利用REAO模型對各類能源權重進行規劃，該模型有兩個部分：①基于層次分析法（AHP）的能源綜合評價部分，從經濟、技術、資源和環境方面設置核心指標，對不同能源發展進行綜合評價；②能源發展結構優化部分，基于綜合評價結果與線性規劃模型，以成本、技術、資源和碳排放為約束條件，目標函數為各種能源組合的綜合最大評分，運用線性規劃對發電能源的比例進行優化，尋求中國未來能源體系的最優配置。

綜合評價方法

1.評價指標設計

在最優能源配置目標層的約束下，設置經濟、技術、資源，環境4項準則層指標，設置裝機容量、發電成本、技術成熟度次準則層指標。指標分為定量指標與定性指標，選擇水電、風能、核能、火電、光電5種能源作為評價對象，在分析國內外權威機構和學者相關研究數據的基礎上對各項指標進行賦值。

2.指標界定及分析

a.經濟指標。包括兩個核心指標：發電成本和裝機容量。發電成本為定量指標，參考國內能源行業平均水平。裝機容量為定量指標，表征能源的利用現狀。

b.技術指標。主要指標包括：能源加工轉化效率和技術成熟度。能源加工轉化效率為定量指標，表征能源發電技術應用的效率，參考今年國內外相關研究結果來確定5種能源發電技術的能源加工轉化效率。技術成熟度為定性指標，決定了目前能源發電應用的情況，技術越成熟說明更容易規模化應用。

c.資源指標。包括資源可開發量和分布特征。資源可開發量為定量指標，是技術條件允許的條件下，某種能源可以被開發的總量，其決定因素是資源儲量。分布特征為定性指標，指能源的區域分布特點，好的資源分布應滿足能源豐富區距離電力負荷中心近的要求。

d.環境指標。主要指標為碳排放，是定量指標，新能源本身幾乎沒有任何碳排放，但在能源產業整個生命周期內，其他環節會導致碳排放，具體可參考國際相關機構中的報道數值加權平均作為不同新能源全生命周期的碳排放量。而化石能源碳排放則可由歷年數據得出。

3.指標賦值

對于定量指標，根據指標釋義計算或從數據庫中獲取；對于定性指標，通過專家咨詢及查閱文獻獲得，采取1～10分的評分制，相對條件最大的10分，最小的1分。

4.綜合評價結果輸出

本文采用單指標量化——多指標集成的評價方法對5種能源綜合利用進行綜合評價。

單指標量化主要是求單項指標的數值，有定性指標和定量指標。同一準則層中的指標用線性加權耦合，得到四個準則層總體綜合評價指數：能源利用經濟指數、資源指數、技術指數以及環境指數，公式：Ui= ∑j=1mAij×Vij式中 Vij是第i準則層下的第j個指標數值；Aij是該指標的權重，Ui是第i準則層總體綜合的評價指數數值。

多指標集成是用線性加權法把四個準則層總體綜合的評價指數最終耦合成能源利用綜合指數，以此作為5種能源總體綜合評價與對比的基準。U= ∑i=1nAi×Ui式中U為能源利用綜合指數；Ai是第i準則層指標對應權重；Ui是第i個準則層總體綜合評價指數的數值。最后根據5種能源利用綜合指數的大小進行總體綜合排序。

能源發展結構優化理念尋求經濟、能源與環境的綜合效益最大化，以綜合評價分值組合最大化為目標函數，成本、技術、資源和碳排放為四個約束條件，建立如下非線性規劃組合：

式中h為最優化的目標函數；Wi為不同能源比重；Eni為不同能源綜合評價分值；Ci，ti，Ti，Si，CO2分別為不同能源成本、技術發展前景、技術可開發量技術成熟度，以及二氧化碳排放的未來值為上述變量的現值。

展望

通過以上分析，對我國電力發展可提出如下建議：合理開發水電，大力發展我國水電技術可開發量大但已開發量所占比例不大的地區，如西南、西北地區，而在技術可開發量較大且開發比例也較大的地區建設小水電并增容擴機，如華東地區。大力發展核電，首要解決鈾礦供應問題，并提高我國核電站規模化制造、安裝、建設能力。大力開發風電，加強風電資源的勘探，促進機組大型化和海上應用，解決風電并網問題，逐步實現陸地風電向近海風電擴張。積極探索太陽能熱電技術，把提高效率和降低成本作為太陽能熱電技術的首要任務，為長期技術路徑提供選擇。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.018