基于外部性的火電與可再生能源發電的上網電價研究

牛紅星，蔣 艷 （上海理工大學 管理學院，上海 200093）

0 引言

近幾年，全國多地有嚴重霧霾現象，這是經濟迅猛發展所導致的環境和能源問題的外在表現形式，而正確應對這些問題的最優解決方案是優化我國的電源結構，不斷加快可再生能源發電的發展步伐，降低火電在電源結構中的比例是目前我國電源結構優化的主要方式。中國的上網電價一直偏低，不能體現能源的實際發電價格，同時外部因素的影響也沒有納入影響因素的范圍[1]。為了對各種發電方式所引致的環境影響進行合理衡量，以促進中國經濟的持續發展，分析并量化發電的全過程對環境的影響以得出考慮外部性的改進上網電價是非常必要的。

1 上網電價的分析與改進

當前我國的上網電價主要由發電成本、稅金和利潤三部分組成[2]。我國的常規火電的上網電價比可再生能源的上網電價低很多的原因主要有兩個：首先，我國的上網電價的計算方法只考慮了發電機組的建設和運行維護費用、燃料費用、財務費用以及稅費，沒有考慮發電所引致的社會成本，即相應的資源消耗和環境污染問題等。其次，在對不同形式的電能結構的發電活動做經濟性評價時未能完全體現出發電活動的總成本，因為其中僅考慮了發電部分。為了正確理解各種發電活動的實際成本和價格，我們需要改進其經濟性的評價，即要科學量化各種發電活動的發電成本和外部性社會成本。

基于傳統上網電價核算方式的局限，提出改進的上網電價的核算方式[3]，改進的上網電價對各發電模式的內部成本，外部成本以及收益都進行了科學具體的量化。可分別計算常規的化石能源和可再生能源的改進上網電價，以比較各發電活動的真實成本并解釋局限可再生能源的發展的經濟性影響。在現有的上網電價的外部性研究中[4]，主要涉及一種或兩只發電模式的研究，很少有涉及對多種主要發電模式的比較研究[5]。綜合已有的學者的研究成果，分別科學分析和量化火電、水電、風電及光伏發電的內、外部性成本和收益，得到各發電模式的改進的上網電價，并進行綜合比較分析。

2 電力價格的計算模型

2.1 假設條件

（1）從完整能源鏈的角度，分析燃料循環的整個生命周期，不僅包括發電環節，還包括燃料開采、轉換、運輸、發電、廢物處理和傳輸環節，得出各種能源發電活動的外部性影響[6]；

（2）運用影響路徑法，將能源鏈對人類和自然環境的影響進行科學量化，同時納入電價[7]；

（3）計算電力生產活動過程中消耗的燃料成本時，將不可再生能源的機會成本納入成本中考慮。

2.2 電價計算模型

各種不同能源的電力生產的過程中，發電成本由內部發電成本和外部發電成本組成，外部成本包括發電過程中對人類和自然環境產生的影響，同時也考慮可能存在的效益問題。記CG為總電力成本，則：

式中：CIN為內部發電成本，CEX為外部發電成本，BIN為內部其它效益，BEX為外部其它效益。內部發電成本考慮建設、燃料、運營和維護成本，不考慮稅收，是現行發電制度下實現10%內部收益率時的不含稅上網電價。

各種能源發電模式的外部發電成本包括兩部分：其一，基于全能源鏈因素的溫室氣體的排放量；其二，基于具體的技術分析確定的外部性因素。假設發電活動的總外部成本為TC1，年上網電量為Q，則外部發電成本CEX為：

發電企業除發電收益外，由于其他因素產生的收益即為內部發電效益。記發電過程中除電費以外的其他收益之和為TC2，則內部其它效益BIN為：

發電過程中，除發電企業以外的其他經濟體得到的無需付出成本的收益即為外部發電效益。記發電過程中除發電企業之外的經濟體得到的外部效益之和為TC3，則外部其它效益為BEX：

2.3 內部發電成本計算

內部發電成本為電廠年總成本除以年上網電量。電廠年總成本包括固定成本和變動成本兩部分。記固定成本為CF，變動成本為CV，則電廠年總成本CC為：

發電企業屬于投資密集型企業，折舊費用在固定成本中所占的比例較大，采用直線法計算折舊費以便于計算簡化。記固定資產原值為G，末期凈殘值為S，折舊年限為N，則折舊費D為：

則固定成本為CF=D+M，M為折舊費以外的其他固定費用。變動成本包括燃料費，水費，排污費等。其中燃料費所占的比例最大，按從前的定額收取排污費的標準，排污費與燃料成本相比均可忽略不計。燃料費C燃為：

則變動成本為：

式中：c為除燃料費之外的其他的單位變動成本，PC為天然煤價。則電廠年總成本CC為：

內部發電成本C為：

2.4 外部發電成本量化分析

2.4.1 外部發電成本量化。歐洲較早開展了大氣污染物環境外部性評價的相關研究，取得了令人信服的成果。歐盟的EcoSense China/Asia計劃中ExternE模型提供了一個將不同污染物的外部性影響化為統一貨幣價值形式的途徑。根據上述模型可得出我國單位大氣污染物的貨幣價值，見表1。

表1 單位大氣污染物貨幣價值 單位：元/噸

發電過程中，單位發電量的CO2排放量GCO2如式（11）所示：

式中：b為燃煤消耗率；r為燃煤過程中二氧化碳氣體釋放因子。

單位發電量的SO2排放量GSO2如式（12） 所示：

式中：b為燃煤消耗率；Sar為燃料煤的收到基含硫質量分數；t為煤燃燒后硫氧化生成二氧化硫的比例；φ為機組脫硫裝置脫硫效率；（32/1 ）6為二氧化硫與硫分子量之比。

單位發電量的NOX排放量GNOX如式（13） 所示：

式中：b為燃煤消耗率；N為煤中氮的平均質量分數；φn為燃料氮的轉化率；m為NOX排放量占燃料中氮生成的NOX的比例；φN為脫硝裝置的脫硝效率；（30.8/1 ）4為氮氧化合物中氮的分子量之比。

單位發電量的煙塵的排放量Gy如式（14）所示：

式中：w為煙塵的排放系數；b為燃煤消耗率；φc為除塵裝置的除塵效率。

2.4.2 外部發電成本分析。常規火力發電活動的外部發電成本主要包含三部分內容：其一，CO2、SO2、NOX以及煙塵等廢棄物排放所產生的外部性影響，每種廢棄物的排放量由相關數據計算得到；其二，火力發電成本的主要部分為燃料成本，火電電價受煤炭價格影響較大，則需考慮發電導致的資源耗減成本；其三，從全能源鏈角度，考慮全能源鏈CO2排放量的影響，具體排放系數如表2所示（對文獻[6]改進后的數據）：

表2 不同能源鏈二氧化碳排放系數 單位：g/kwh

水力發電活動的外部發電成本主要考慮全能源鏈CO2排放量的影響，排放系數如表2所示。水電項目對環境的外部性影響主要有兩個階段：建設期、運行期。建設期會對流域生態和河流流向產生影響；運行期會對生態環境和地質災害產生影響，但這兩方面影響當前均難以量化，所以暫不考慮。

風力發電活動的外部發電成本主要考慮全能源鏈CO2排放量的影響，排放系數如表2所示。風電項目對環境的外部性影響主要有兩個階段：建設期、運行期。建設期對環境的影響是臨時性的，以后會自行恢復；運行期會產生噪聲和生態影響，但這兩方面影響當前均難以量化，所以暫不考慮。

光伏發電活動的外部發電成本主要考慮全能源鏈CO2排放量的影響，排放系數如表2所示。光伏發電項目對環境的外部性影響主要有兩個階段：建設期、電池生產及廢棄處理期。其中建設期的影響并不顯著，且屬于可恢復型，可不予考慮；另廢棄電池處理成本已包含在設備制造成本之中。

2.5 內部其他效益量化分析

常規火力發電活動的內部發電效益主要考慮的是對發電活動過程中的固體廢棄物進行回收再利用時發生的額外收益，如果堆垛或者淹埋，會發生對應的處理和外部成本，不納入考慮。

水力發電活動具有發電、通航、蓄水、旅游等功能，水力發電活動的內部發電效益主要考慮這些功能產生的額外收益，同時具體的收益應該根據具體情況進行具體合理的分析。根據歷史數據，取發電收益的20%為水力發電活動的內部發電效益。

通常情況下，風力發電和光伏發電活動不會發生額外的內部收益，內部發電效益均取為0。

2.6 外部其他效益量化分析

水力發電活動具有發電、通航、蓄水、旅游等功能外，還有防洪抗旱等功能，會產生積極地社會效益，但對于這些方面的效益均難以具體量化。根據歷史數據，內部發電效益取發電收益的20%。

風力發電活動過程中，因為風電場基本都是建設在偏遠地區的，所以即使當風電場改變地貌產生特定的旅游景點價值時，其價值也難以具體進行實現量化，則內部發電效益取0。

通常情況下，常規火力發電和光伏發電活動不發生正外部效益，外部發電效益均取為0。火力發電、水力發電、風力發電及光伏發電的總成本分別如式（15）至式（18）所示。

3 實例分析

已知一個600MW超臨界火電廠、一個2 000MW的水電機組廠、一個100MW的風電場、一個10MW的光伏電場，假設取內部收益率為10%，分別計算各種能源發電模式的改進的上網電價（不考慮稅收影響）。財務模型相關假設見表3。

表3 600MW模擬火電廠、2 000MW模擬水電廠、100MW模擬風電場、10MW模擬光伏電場的財務模型的主要假設

假設：式 （11） 中b取321g/kwh，r取2.62；式（12） 中b取321g/kwh，Sar取1.5%，t取80%，φ取95%；式（13） 中b取321g/kwh，N取1%，φn取25%，m取80%，φN取85%；式（14） 中b取321g/kwh，w取642kg/t，φC取99%。

由上述參數及表1數據可分別計算出模擬火電站的相關數據如表4所示。

表4 模擬火電廠單位發電量的排放量、年排放量、年排放所造成的損害價值

利用式（1）至式（18）及表1至表4數據測算出，實現10%內部收益率及考慮外部性因素時，火力發電、水力發電、風力發電和光伏發電的改進后的合理的上網電價的相關數據如表5所示。

表5 各種能源發電活動改進的上網電價 單位：元

由表5及圖1可知，按照目前我國發電公司的上網電價計算方式，記Pi為不同發電模式的電價，各種能源發電方式的上網電價由低到高如式（19）所示，這一結果與現行電價基本一致：

在各種能源發電活動的外部性因素內部化的基礎上，可得到各種能源發電活動的改進后的上網電價如式（20）所示：

因為火電電價受煤炭價格影響較大，當煤炭的價格偏高時，例如為800元/噸，此時火電的改進后的上網電價為0.49元/千瓦時，那么各種能源發電活動改進后的上網電價如式（21）所示。

圖1 不同發電模式比較

按照目前的上網電價的衡量標準，根據各區域的情形的各不相同，常規燃煤火力發電的上網電價也各不相同，總體來說，和表5中的計算結果大致一樣。但是，當把火力發電活動的外部成本內部化后，目前火電的上網電價與改進后的上網電價便出現了不一致的情況。且計算中沒有考慮稅收的影響。

按照不同的水力發電項目需要分別計算水力發電活動的上網電價，一般情況下，各種水力發電項目還是存在比較大的差別的，同時最后確認的水電電價還需要將輸電距離的代價進行內部化，以得到真正合理的最終的水電上網電價。與上述表5中的數據結果相比，目前的水電上網電價可以獲得些許合理的利潤。

目前情況下，按照各區域的風能資源情況的各不相同，我國的風力發電活動的上網電價也各不相同，我國劃分了四個風能資源區，各個資源區的風電的上網的標桿電價分別為0.51元、0.54元、0.58元、0.61元。與上述表5中的數據結果相比，目前的風電上網電價均可獲得些許合理的利潤。

目前，按照各區域的太陽能資源情況以及各光伏電站的建設費用的各不相同，我國的光伏發電活動的上網電價也各不相同，我國劃分了三個太陽能資源區，各個資源區的光伏發電的上網的標桿電價分別為0.9元，0.95元和1元。與上述表5中的數據結果相比，在理論上，因為最近數年我國的光伏發電行業得到了快速發展，導致我國光伏發電企業的單位裝機費用也迅猛下降，所以我國目前的光伏發電的上網電價可以獲得超額的利潤。但是實際情況下，初期建設成功的一些光伏發電站無法獲取一定的利潤，更有甚者，其中有些光伏發電站目前處于虧損狀態。

4 結 論

在上述的各種發電模式中，火力發電項目居于不利地位。因此，大力發展可再生能源，改變當前的能源結構是十分必要的。從經濟性角度對各種可再生能源發電項目進行分析，其中水力發電項目最優，風力發電項目要優于水力發電項目，所以對于水力發電項目應盡量優先發展，而風力發電項目則是可再生能源發電的重要選項。最近數年雖然中國的風力發電項目得到了長足發展，但是風力發電項目的年發電量占我國可利用的風能資源的比例還是偏低的，所以風力發電項目的成長區間還是巨大的。當前，我國光伏發電項目的的發電規模偏低，同時其經濟性也不是很好，但是隨著我國光伏發電技術的不斷進步，以及光伏發電行業的不斷完善，這些經濟性障礙最終都能夠得到清除，其成長空間還是巨大的。但是光伏發電項目和風力發電項目存在同樣的特征，那就是都對于電力輸出具有不穩定的特性。

為了使得我國的可再生能源發電項目取得長足進步，同時使得在各種能源的不同發電活動過程中的污染廢棄物的排放得到減少，根據各種能源的不同發電方式的不同特征，在我國的各種電力發展進程布局中可以盡量遵循下述一些建議：要大力優先支持發展各種可再生能源發電活動，特別是其中的水力發電項目和風力發電項目；在光伏發電項目的經濟阻礙性問題得到合理解決的進程中，可以在一些條件比較完善的地區加強發展分布式光伏發電項目；為了有效減少火力發電過程中污染廢棄物的排放量，在新的火力發電機組建設時需盡可能的選擇高效率超臨界或超超臨界機組，同時需要盡量安設脫硫脫硝裝配。在科學合理地處理風力發電、光伏發電的高效并網問題的同時，應該在進行電力調度時，堅持優先調度可再生能源電力，對于可再生能源發電項目的經濟效益提升有重大意義。

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