基于減排約束下上海市電力結構多目標規劃研究

文_張東海 上海市經濟信息中心

當前上海市發電結構仍然偏重，在發電消費的能源中煤炭占比在80%左右，可再生能源僅占5%左右，而要轉向依靠核能和可再生能源能源發電又面臨成本、資金、技術等難題，因此如何通過發電結構的優化，確保經濟發展、環境目標都得以實現并達到最優，成為亟待解決的問題。

本文以發電成本最小化和污染治理成本最小化作為目標，綜合考慮上海市經濟增長、資源、溫室氣體減排、污染物減排等約束因素，并結合發電成本的變動趨勢，運用加權和多目標優化方法模擬優化了2025 年上海市的發電結構，進一步為上海市發電結構優化提供了相關決策建議。

1 模型構建及數據來源

1.1 模型構建

目標函數設定為總發電成本最小、二氧化硫污染治理成本最小和氮氧化物污染治理成本最小，發電成本和污染治理成本會直接影響到發電企業的營業利潤，進而影響到企業資金的正常運作。

成本、資源、環境和經濟發展等多種因素，從總發電成本最小化和污染治理成本的角度建立了如下電力結構優化模型：

其中：染治理成本， f3(x)為總發電排放氮氧化物污染治理成本，xi

式中：f1(x)為總發電成本， f2(x)為總發電排放二氧化硫污為各種發電能源發電量，ci為各種能源每發一度電的發電成本，si為各種能源每發一度電的二氧化硫排放治理成本（費用），ni為各種能源每發一度電的氮氧化物排放治理成本（費用），D 為滿足國民經濟和社會發展的電力需求，L 為考慮裝機容量和利用時間的發電技術和資源約束，Wi為各種能源每發一度電的二氧化硫排放系數，iλ 為各種能源每發一度電的氮氧化物排放系數，ps為二氧化硫排放控制目標，pn為氮氧化物排放控制目標。

1.2 數據來源

根據上海市電源發展趨勢判斷，煤機、燃油裝機容量將維持現狀，氣機裝機容量將在當前水平下持續增長，其他新能源發電裝機預計將實現翻番。傳統燃煤發電成本、新型超低排放燃煤發電成本、燃氣發電成本，考慮到因成本核算方式的差異和國家對上網電價的管制，采用上網電價替代發電成本進行計算。此外二氧化硫和氮氧化物污染物的平均治理成本分別按8 元/kg 和9 元/kg 計。隨著技術升級，新能源發電成本有持續下降的預期，火電發電煤耗也會下降。參考已有發電成本和擴散潛力測算結果，預計新能源發電成本將會下降10%～20%。

結合上海市“十三五”發電煤耗的變動趨勢分析，預計煤炭、柴油和天然氣的發電煤耗將會下降5%～10%。燃煤、燃油、燃氣電廠單位發電量二氧化硫排放、單位發電量氮氧化物排放的設定分別參考上海市同類燃料發電廠的平均水平。上海市燃煤電廠目前已全部完成超低排放改造后，燃煤電廠單位發電量二氧化硫排放、單位發電量氮氧化物排放均遠低于超低排放的績效。燃煤、燃油、燃氣的二氧化碳排放因子參考國家對地方考核計算的排放因子。具體2025 年不同發電技術主要參數假設如表1 所示。

表1

結合上海市“十二五”和“十三五”節能減排和控制溫室氣體工作方案，預計2025 年二氧化硫、氮氧化物排放控制目標較2020 年下降10%左右，發電行業二氧化碳排放增量可設定在1000 萬t。市外來電起到了東西部地區優勢互補、資源合理配置的作用，但也對上海市本地發電和輸配電帶來了一定沖擊，因此維持市外來電保持當前的水平，也即凈輸入市外來電的比重維持在45%左右。

2 運算結果及分析

2.1 運算結果

以上海市“十三五”經濟、能源發展規劃為基礎，參照劉世錦的研究成果，我國“十四五”時期 GDP 增長較“十三五”時期將進一步放緩，進入中速增長平臺，年均增速在5%～6%之間。上海市在經濟高質量發展要求下，預計“十四五”期間GDP增速略高于全國平均增速，進一步結合上海市近幾年電力彈性系數，預計到2025 年上海市用電量將在1850 億～1950 億kWh之間。本文根據不同電力需求情景進行分析，按1850 億kWh、1900 億kWh 和1950 億kWh 劃分為低、中、高三種情景，采用加權和法求解多目標優化模型，得出2025 年上海市電力結構優化結果如表2 所示。

表2

2.2 結果分析

煤電作為“壓艙石”的作用仍未改變。無論是低情景還是中情景，在以經濟成本作為目標的情況下，燃煤發電優勢明顯，燃煤發電量都達到裝機容量資源利用的上限，占比在80%左右。由于我國能源的自然稟賦特點，燃煤發電的經濟性相比較燃氣發電優勢依舊非常明顯，在傳統燃煤發電改造為超低排放后，燃煤發電在環保方面的劣勢有所減弱，許多超低排放的案例實踐證明，清潔煤技術使得燃煤發電污染物排放強度甚至可以超越燃氣發電。進一步結合對電力供應安全問題和未來用電規模的剛性增長約束的考慮，外來電比重需要維持在一定的水平，不宜過早大規模淘汰煤電。

在低情景和中情景下，可再生能源發電量也達到了其資源利用的上限，占比提高到了7%左右。這主要是由于隨著風電、光電等新能源發電技術的快速發展和進步，新能源和可再生能源發電成本持續下降，其在經濟性上越來越具有競爭力。但是，上海市受限于當地氣候環境等因素限制，風能、太陽能、生物質能和海洋能等新能源和可再生能源的開發利用還有待進一步提高。

無論是低情景還是中情景下，燃氣發電都沒有達到其資源利用的上限，占比在12%左右，這主要是受燃氣發電成本較高的制約。天然氣價格是影響燃氣發電企業經濟性最重要的因素，燃氣發電運營成本中燃料費占比較高，再加上折舊維修和人工等費用，已超過了現行燃機上網電價，這就導致近幾年燃氣發電企業主要依靠容量電價維持財務平衡，部分企業盈利微薄甚至虧損。

在高情景下，當用電量需求達到1950 億kWh，模型優化結果顯示為無可行解，原因是在于經濟發展需求和減排之間的互相沖突，在滿足經濟和社會發展需求的高情景用電量條件下，溫室氣體控制目標則無法實現，因此需要花費更高的成本來降低溫室氣體排放因子。

3 結論及建議

優化電源結構，提高可再生能源發電比例是應對環保約束的根本，隨著可再生能源發電成本的持續下降，其經濟性將會逐漸顯現，可有效解決污染物排放和碳排放問題。

加快形成天然氣與煤炭“協調發展、優勢互補”的新格局，提高能源利用效率、經濟效益和環境效益，推動天然氣進口來源多元化，多元化的天然氣對降低經濟成本、有效降低地緣政治風險、維護能源安全等都至關重要。

建立能源系統預警機制，充分估計各種不可抗力可能引發短期能源價格變化產生的經濟問題，研究制定能源供應保障、能源使用成本降低預案。