中國(guó)西北地區(qū)光伏發(fā)電的環(huán)境影響評(píng)估

明言

【摘要】為了估計(jì)可再生能源對(duì)環(huán)境的影響，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)許多文獻(xiàn)主要是通過(guò)研究可再生能源發(fā)電對(duì)燃煤發(fā)電的替代效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估的。但是在本文中，我們將對(duì)這種方法予以質(zhì)疑，并且在考慮到邊際發(fā)電量改變這一事實(shí)以后，我們還會(huì)對(duì)中國(guó)西北地區(qū)光伏發(fā)電的環(huán)境影響進(jìn)行重新評(píng)估。經(jīng)過(guò)評(píng)估，2015年西北地區(qū)電網(wǎng)中光伏發(fā)電量高達(dá)17900GW·h，這相當(dāng)于1.5個(gè)核電站的發(fā)電量。那么相比2010年，這將減少0.36%的SO2排放以及0.25%的NO2排放。我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)如果用光伏發(fā)電代替水力發(fā)電來(lái)滿(mǎn)足西北電網(wǎng)高峰時(shí)期的用電需求，這并不會(huì)減少污染物的排放。這些結(jié)果顯示短期內(nèi)更具成本效益的發(fā)電方法還是采用脫硫脫硝技術(shù)的燃煤發(fā)電。

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電 減排 環(huán)境價(jià)值

一、引言

中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)經(jīng)過(guò)三十余年的快速發(fā)展，激發(fā)了對(duì)能源需求的更大幅度的增加，從2000年到2015年，中國(guó)電力消費(fèi)的平均年增長(zhǎng)率都保持在10%左右，但主要是依靠煤炭和水利發(fā)電，其中80%為燃煤發(fā)電，17%為水力發(fā)電。這種過(guò)度依賴(lài)燃煤發(fā)電的能源結(jié)構(gòu)，已經(jīng)引起了很大的環(huán)境問(wèn)題。中國(guó)從2006年以來(lái)積極尋求改變這種能源結(jié)構(gòu)的辦法，而且自從可再生能源法頒布以來(lái)，開(kāi)始大力發(fā)展光伏發(fā)電技術(shù)。

本文將重點(diǎn)評(píng)估光伏發(fā)電對(duì)西北地區(qū)電網(wǎng)的兩種潛在優(yōu)勢(shì)，即高峰用電互補(bǔ)和良好的環(huán)境影響，進(jìn)而獲得一些相關(guān)的環(huán)境政策啟示。由于電力需求在日間達(dá)到最高，并且當(dāng)日間有太陽(yáng)照射時(shí)，光伏發(fā)電比其他可再生能源發(fā)電有更大的峰值，這反過(guò)來(lái)使得光伏發(fā)電替代其他發(fā)電形式所帶來(lái)的污染減排效應(yīng)更加顯著。但是西北電網(wǎng)有一個(gè)明顯特征即部分高峰用電量是由水力發(fā)電來(lái)彌補(bǔ)的，因此為了更加準(zhǔn)確地評(píng)估光伏發(fā)電的潛在環(huán)境效益，本文將基于西北電網(wǎng)特定的能源結(jié)構(gòu)，負(fù)荷模式以及邊際發(fā)電量來(lái)展示幾種潛在的高峰發(fā)電替代情形，而不是像其他文章那樣僅僅假設(shè)光伏發(fā)電將要替代燃煤發(fā)電。

二、西北地區(qū)光伏發(fā)電現(xiàn)狀

中國(guó)西北地區(qū)在實(shí)現(xiàn)發(fā)電一體化的進(jìn)程中，由于光伏發(fā)電需要額外的傳輸容量和后備電源，所以青海省將其2012年的光伏發(fā)電裝機(jī)容量計(jì)劃從200MW減少到100MW，這和2011年的安裝容量相當(dāng)。如果將這個(gè)安裝速度看作是一個(gè)實(shí)際安裝速度，那么我們?cè)诒疚闹锌梢詫⒃搶?shí)際安裝速度假設(shè)為一個(gè)常數(shù)直到該地區(qū)各省份的安裝計(jì)劃實(shí)現(xiàn)。這意味著2011到2015年甘肅，青海，寧夏以及新疆地區(qū)每年光伏裝機(jī)容量分別為100MW，80MW，40MW，和20MW。

由于中國(guó)現(xiàn)有的光伏電站的實(shí)際光伏發(fā)電量數(shù)據(jù)很難獲得，所以我們利用美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)顧問(wèn)模型（NREL SAM）計(jì)算了甘肅，青海，寧夏，新疆地區(qū)2012～2015年光伏發(fā)電量。結(jié)果顯示，2015年中國(guó)西北地區(qū)光伏發(fā)電量將達(dá)到18000GW·h左右，這相當(dāng)于美國(guó)1.5個(gè)核電站的年發(fā)電量。

為了確定西北電網(wǎng)中太陽(yáng)能發(fā)電所替代的邊際發(fā)電量，我們需要確定光伏發(fā)電量增加對(duì)電網(wǎng)平均負(fù)荷曲線(xiàn)的影響。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)所提供的2005到2014年的數(shù)據(jù)來(lái)看，在夏季和冬季，負(fù)荷量隨著時(shí)間的推移存在著線(xiàn)性增長(zhǎng)。我們可以通過(guò)假設(shè)這種線(xiàn)性增長(zhǎng)一直持續(xù)來(lái)模擬出2015年的負(fù)荷資料，并且運(yùn)用一個(gè)簡(jiǎn)單的普通最小二乘法模型（OLS）來(lái)預(yù)測(cè)2015年夏季和冬季的負(fù)荷資料。

該模型為：PLi，j=β0+β1PLi-1，j+ωi，j

其中，PLi，j代表的是第i年j月的峰值負(fù)荷量，而PLi-1，j代表的是前一年i-1中j月的峰值負(fù)荷量，ωi，j為誤差值，它的的平均值為0，并且服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，β0和β1則是需要估計(jì)的參數(shù)值。我們可以用五月份到九月份的數(shù)據(jù)來(lái)估算夏季時(shí)的β1，用十一月到第二年三月份的數(shù)據(jù)來(lái)估算冬季時(shí)的β1.2015年的負(fù)荷數(shù)據(jù)是符合線(xiàn)性回歸分析的。

從測(cè)算出的數(shù)據(jù)中我們可以發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)光伏發(fā)電將會(huì)對(duì)西北電網(wǎng)七月上午9：00到晚上9：00以及十二月上午10：00到晚上7：00的邊際成本曲線(xiàn)產(chǎn)生影響。但是這種出現(xiàn)在兩個(gè)高峰之間的額外發(fā)電量只是使得七月和十二月峰谷比率下降到19.6%和21.4%，與原有的夏季21.8%和冬季22%峰谷比率數(shù)據(jù)相比，這種下降是比較小的。光伏發(fā)電在夏季可能會(huì)替代一些晚高峰發(fā)電量，因?yàn)樵谙募荆滋鞎r(shí)間很長(zhǎng)，但是它很難抵消當(dāng)天晚上到第二天上午之間發(fā)電機(jī)運(yùn)行所帶來(lái)的用電高峰。

三、西北電網(wǎng)中光伏發(fā)電的潛在減排效益

盡管西北電網(wǎng)的基礎(chǔ)負(fù)荷是由火力和水力發(fā)電所提供的，但是由于火力發(fā)電較低的靈活性，水力發(fā)電有時(shí)也是被用來(lái)進(jìn)行調(diào)峰的。而水力發(fā)電的調(diào)峰能力卻被限制在旱季，這是因?yàn)椋谟昙敬罅康乃仨毑粩啾会尫乓苑泪劤珊闉?zāi)，所以水力發(fā)電只是承擔(dān)起基礎(chǔ)負(fù)荷的作用，彌補(bǔ)高峰用電量的重任則落在了燃煤發(fā)電上。所以燃煤發(fā)電的高峰發(fā)電能力就變得非常重要。

根據(jù)報(bào)告稱(chēng)，到2015年，西北電網(wǎng)將要增加15.5GW的水力發(fā)電容量，從而使得水力發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)到36.5GW，考慮到水位的不確定性和預(yù)期火力發(fā)電峰值的增加，本文將用三種發(fā)電置換方案對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目的潛在環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（1）光伏發(fā)電替代燃煤發(fā)電。這是預(yù)期在冬季當(dāng)光伏發(fā)電出現(xiàn)在用電高峰時(shí)間，在夏季光伏發(fā)電自身處在峰值。在雨季，當(dāng)由水電提供基礎(chǔ)電力時(shí)，光伏發(fā)電取代火力發(fā)電彌補(bǔ)高峰發(fā)電能力的作用可以很容易被觀察到。

（2）光伏發(fā)電替代水力發(fā)電。考慮到西北電網(wǎng)未來(lái)幾年可能的供電能力增加，這種作用無(wú)論光伏發(fā)電處于高峰還是非高峰都會(huì)顯現(xiàn)。

（3）最后一種情況是光伏發(fā)電取代47%的水力發(fā)電和53%的火力發(fā)電。到2015年，火力發(fā)電將提供高達(dá)41.1GW的峰值容量，這相當(dāng)于西北電網(wǎng)41%的火力發(fā)電容量。如果滿(mǎn)足高峰用電需求的壓力按水電36.5GW，火電41.1GW的比例分配，那么火力發(fā)電將提供高峰用電時(shí)間中53%的發(fā)電量，而最終這些發(fā)電量將由光伏發(fā)電代替提供。

根據(jù)核算的污染因子，我么可以利用下面的公式來(lái)計(jì)算上述三種置換方案所引起的2015年西北電網(wǎng)光伏發(fā)電所減少的污染排放量：

Ei=EFi×Li×G

其中Ei代表的是i類(lèi)污染物總的減少量，EFi代表第i類(lèi)污染物的排放因子，Li代表光伏發(fā)電所減少的i類(lèi)污染物的排放比例，其數(shù)據(jù)是根據(jù)Fthenakis等人的估算得來(lái)，而G則代表2015年的光伏發(fā)電量。下表1展示了該估算數(shù)據(jù)。

四、潛在的減排量與政府目標(biāo)的比較

根據(jù)表1，我們可以看到最大的減排量可能出現(xiàn)在情形一，即用光伏發(fā)電替代燃煤發(fā)電。根據(jù)政府“十二五”減排目標(biāo)2015年火力發(fā)電中NOx和SOx的排放量將分別從2010年的1055萬(wàn)噸和956萬(wàn)噸減少到750萬(wàn)噸和800萬(wàn)噸，通過(guò)將2015年最好情形中經(jīng)測(cè)算的減排量除以2015年總的NOx和SOx的排放量，我們可以發(fā)現(xiàn)2015年西北地區(qū)光伏發(fā)電項(xiàng)目在NOx和SOx的排放中只能幫助減少實(shí)際減排量與目標(biāo)減排量差異的0.25%和0.36%。如此低的減排量可能主要是由以下三種因素影響的：

（1）與火力發(fā)電量相比，光伏發(fā)電量仍然太小了。

（2）由于煤是一種基礎(chǔ)能源，火力發(fā)電廠(chǎng)可以24小時(shí)不間斷工作，這也引起了相對(duì)比較高的污染量。而光伏發(fā)電由于受到日照時(shí)間的限制，所以不能24小時(shí)不間斷地發(fā)電。

（3）即使給火力發(fā)電廠(chǎng)設(shè)定高于工業(yè)部門(mén)兩倍的減排目標(biāo)，仍然會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)于總排放量60%的排放水平，因此相比加強(qiáng)工業(yè)部門(mén)減排，將重點(diǎn)放在火力發(fā)電減排上無(wú)疑是缺乏效率的。

除了增加可再生能源的份額，中國(guó)還計(jì)劃通過(guò)加快對(duì)火力發(fā)電站脫硫脫硝技術(shù)的升級(jí)換代來(lái)減少污染物的排放。按計(jì)劃燃煤機(jī)組脫硫有效率將達(dá)到達(dá)到95%，脫硝有效率為75%。這需要花費(fèi)1330億元并將減少277萬(wàn)噸的SO2和358萬(wàn)噸的NOx排放。相比較而言，在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的初始投資預(yù)計(jì)會(huì)從2009年的每瓦3.018美元降至2014年2.515美元每瓦特，這需要約38億至45億美元在中國(guó)西北建立15.1兆瓦的光伏發(fā)電。這意味著在短期，投資光伏發(fā)電所帶來(lái)的污染物減排效率只有采用脫硫脫硝技術(shù)的燃煤發(fā)電的1/5.盡管可再生能源技術(shù)的采用還會(huì)帶來(lái)除污染物減排外其他的好處，但是如果我們只是將目標(biāo)定位為環(huán)境和空氣質(zhì)量的改善，那么最有效益的方法提高脫硫脫硝技術(shù)的應(yīng)用范圍。

五、結(jié)論

經(jīng)過(guò)評(píng)估，2015年西北地區(qū)電網(wǎng)中光伏發(fā)電量高達(dá)17900GW·h，這相當(dāng)于美國(guó)1.5個(gè)核電站的發(fā)電量。但是光伏發(fā)電可能只會(huì)彌補(bǔ)兩個(gè)日間用電高峰之間的用電量，而且所帶來(lái)的環(huán)境影響主要依賴(lài)于所替代的發(fā)電模式，相比2010年，光伏發(fā)電將只減少0.36%的SO2排放以及0.25%的NO2排放。如果處于光伏發(fā)電只是替代水力發(fā)電這種最不利的情形中，那么光伏發(fā)電幾乎不會(huì)帶來(lái)任何的環(huán)境效益。短期來(lái)看，更加廣泛的推廣脫硫脫硝技術(shù)才是最具效益的減排辦法。

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