城市電力行業碳排放測算方法及減碳路徑

胡壯麗, 羅毅初, 蔡 航

(1.廣東電網公司佛山供電局,廣東 佛山 528011;2.中國移動通信集團廣東有限公司佛山分公司,廣東 佛山 528315)

碳排放是溫室氣體排放的總稱或簡稱,隨著全球溫室效應現象加劇,應對氣候變化的重要性提升,國際氣候談判工作也越來越重要.中國是最大的能源生產與消費國,也是CO2排放大國.2020年中國CO2排放量9.89×109t,占全球CO2總排放量30.93%[1].降低我國碳排放,對應對全球溫室效應具有重要意義[2].我國在第七十五屆聯合國大會宣布:“中國CO2排放力爭2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”[3].我國能源消費產生的CO2排放占總排放量約88%,其中電力行業占能源行業CO2排放總量約42.5%.作為我國碳排放占比最大的單一行業,電力行業減排進程將直接影響碳達峰、碳中和整體進程[4-5].因此,準確的城市電力行業碳排放測算方法必不可少.

目前,針對碳排放的測算已有大量研究,部分研究針對工業領域碳排放[6]、建筑領域碳排放[7-8]、交通領域碳排放[9-10]、農業農村領域碳排放[11]測算.在我國,能源消費產生的CO2占比最大,測算能源領域的碳排放是當前的熱點.不同于能源領域碳排放的測算,電力行業碳排放作為單一行業碳排放,測算要求更加精細.電力行業碳排放主要方法有3類:宏觀統計法、全生命周期法和碳排放流方法[12-14].文獻[15]中采用基于情景分析的方法,開展我國電力行業碳排放趨勢預測,識別碳減排的主要驅動因素.文獻[16]中提出一種電力碳排放核算范圍和核算方法,但電力碳排放僅考慮火力發電碳排放部分.文獻[17]中使用三階段數據包絡線分析法模型對區域電力行業的碳排放效率進行測算.文獻[18]中提出一種新的碳排放流量分析模型,用于量化電力從發電側到需求側產生的碳排放.文獻[19]中提出一種碳流量追蹤方法,該方法跟蹤整個電網的電力消耗能源來確定電力消費的碳排放.然而,關于城市電力行業碳排放測算的研究較少.

電力行業減碳措施方面,文獻[20]中基于電力平衡的電力行業長期規劃與短期運行聯合優化模型,研究碳約束條件下電力行業低碳轉型路徑.文獻[21]中采用雙重差分模型量化碳交易政策對電力行業碳減排的作用.文獻[22]中從發電側、需求側、電網側對各減排措施的應用和發展進行分析和評價,并提出電力行業碳減排綜合優化模型.文獻[23]中提出以新能源為主體的新型電力系統的現存挑戰,并綜述新型電力系統碳減排的關鍵技術.文獻[24]中提出新型電力系統“碳視角”的研究框架及低碳化解決方案.文獻[25]中從政策、技術、機制協同等方面提出電力低碳轉型建議.

本文提出一種不同于上述研究的城市電力行業碳排放的測算方法,該方法綜合考慮城市本地電源發電和凈調入電力,從發電側、電網側、負荷側和儲能側提出城市電力行業減碳措施并建立減碳措施的效果評估模型.利用算例驗證所提碳排放測算模型對城市電力行業碳排放測算的準確性;同時,評估減碳措施對該市2030年碳達峰情景電力行業減碳的效果.在準確測算城市電力行業碳排放數據后,可采用所提減碳措施減少電力行業碳排放,為城市碳達峰、碳中和提供理論基礎.

1 城市電力行業碳排放測算模型

1.1 測算方法偏差分析

珠三角地區城市碳排放計算方法分為能源供應側和消費側.能源供應側分別統計煤品、油品、天然氣、凈調入電力碳排放;消費側分別統計工業、建筑、交通和農業農村領域碳排放.能源供應側和消費側的計算存在一定的偏差[26],以珠三角典型城市F市為例,近10年能源供應側和消費側碳排放數據[27]如表1所示.由表可見,能源供應側和消費側測算出的碳排放存在約10%的偏差.

表1 珠三角F市2010—2020年能源供應側和消費側碳排放[27]

將能源供應側碳排放細分為煤品、油品、天然氣、凈調入電力4個維度,可得到近10年F市能源供應側碳排放細分數據[27],如表2所示.

表2 F市2010—2020年能源供應側碳排放細分數據[27]

當前電力行業碳排放測算方法測算一定周期內碳排放的總量用于宏觀測算.城市電力行業的碳排放主要計算凈調入電力的碳排放,缺少對于本地電源產生的碳排放的測算.為準確測算城市電力行業的碳排放,針對城市本地電源發電碳排放和凈調入電力碳排放建立城市電力行業碳排放測算模型.

1.2 本地電源發電碳排放模型

本地220 kV及以下電源計入本地區發電量,因此,所有本地電源產生的碳排放計入城市碳排放.本地電源碳排放量計算公式為

(1)

式中:Fi為第i種發電機組統計期內全部發電量,包括煤炭發電(煤電)、天然氣發電(氣電)、非化石能源電力;Efi為第i種發電機組化石燃料的CO2排放因子.

1.3 凈調入電力碳排放模型

城市電力調入調出間接碳排放量依據電力調入或調出的正負分別采用不同測算方法.采用下式判斷正負值:

ELQ=ELC-ELG

(2)

式中:ELQ為電力調入量或調出量;ELC為地級以上市全社會用電量;ELG為市轄區范圍內不同類型電源的發電量.其中,電力生產總量為

(3)

式中:ELGi為第i種發電機組的電力生產量,電源類型包括煤電、石油發電、氣電、核能發電(核電)、不含抽蓄的水力發電(水電)、風力發電(風電)、光伏發電,垃圾焚燒、生物質及其他發電.

對于ELQ為負值的電力調出地級以上市,間接碳排放量為

Eise=EseEFe

(4)

式中:Ese為電力調出;EFe為本市電網平均CO2排放因子,表示為

(5)

式中:FCEi為第i種發電機組統計期內全部發電量所耗用的化石燃料消費量,包括發電耗用的煤品消費量、油品消費量、天然氣消費量等.

對于ELQ為正值的電力調入地級市,間接碳排放量為

Eiin=EinELf

(6)

式中:Ein為電力調入;ELf為電力平均CO2排放因子.

2 城市電力行業減碳措施

城市電力行業碳排放集中在發電側、電網側、負荷側和儲能側等環節.發電側碳排放是電力行業碳排放的主要來源.電網內部設備高能耗、線損等會引起電網內部產生碳排放,負荷側的不合理使用會間接增加碳排放.儲能雖然增加了電網的可調節性,但儲能系統在存儲和釋放電力過程中會損耗電力,從而增加碳排放.因此,城市電力行業減碳措施可從發電側、電網側、負荷側和儲能側分析.

2.1 發電側減碳措施

2.1.1燃煤機組退出或煤改氣 電力平衡是電力近零碳排放進程中的難題,煤電機組退出過快易造成電力短缺、限電等現象.中短期煤電依舊是保證電力供應的主力電源,應科學謀劃煤電退出路徑,逐步實施燃煤機組退出或煤改氣,同時退役煤電可轉為應急備用機組等保證電力的供應.

2.1.2增加凈調入電力中綠電比例 對于電力凈調入城市,碳排放主要來源之一是凈調入電力碳排放.凈調入電力間接碳排放取決于調入電量和凈調入電力碳排放因子.構建以新能源為主體的電力系統,提升新能源發電量占比,增加凈調入電力中綠電比例,則凈調入電力碳排放可隨之下降.

2.1.3增加本地電源非化石能源發電量 優化本地電源結構,加快建立安全可靠、經濟高效、綠色低碳的能源體系.在統籌平衡、功能互補的前提下,應實現氣電、水電、核電、光伏、風電、生物質等電源協同發展,逐步推動新能源成為本地主體電源.針對城市能源結構優化調整,短期內應加大氣電、水電、光伏、風電等發電.中遠期,可結合城市資源稟賦發展核電、海洋能等電源.

2.2 電網側減碳措施

優化電網結構,推廣應用節能設備,強化節能調度,提高電網節能水平.推動綠色采購,引導供應商產品符合綠色制造標準.實施綠色電網建設和評價標準,實現全過程節能、節水、節材、節地和環境保護,推動電網設施與環境融合發展.深入挖掘電網自身潛力,實現線損管理精益化,通過降低線損降低電網內部電能傳輸損耗,從而降低碳排放.

2.3 負荷側減碳措施

2.3.1加強電力需求側響應管理 推動電力需求側管理實施,引導用戶科學用能,鼓勵引導供需互動、節約高效的能源消費方式.以市場化手段調動負荷側資源靈活性,引導用戶優化用電負荷.加快推動充電設施、用戶側儲能等柔性負荷主動參與需求響應等新業態,促進源網荷儲友好互動,促進高比例清潔能源消納,從而間接減少電力行業CO2排放.

2.3.2大力開展電能替代 加快推動“新電氣化”進程,提高電能占終端能源消費比例,電能占終端能源消費比例每提升1%,單位GDP能耗可下降約4%.對于城市電力行業可推廣成熟電能替代產品,如推動電鍋爐、電窯爐、電磁廚房等成熟領域的電能替代改造.

2.3.3全面拓展節能服務業務 圍繞新型電力系統優化調整產業布局,從源網荷儲、市場、技術、建設等領域積極拓展市場空間.大力拓展一體化智慧能源項目,提升節能服務技術水平,對客戶用能系統進行“建、運、管、售”一體化服務,拓展能源托管、數字配電房、樓宇節能、氫能、區域綜合能源系統等項目.統籌用戶電、熱、冷、氣等用能需求,實現多種能源互補運行,提高能源綜合利用效率.

2.4 儲能側減碳措施

2.4.1儲能與清潔能源配套建設 電池儲能與光伏發電、風電等配套建設,儲存太陽能和風力發電多余能量,可最大限度利用清潔能源,使用儲存的清潔能源可以替代更高成本的化石燃料發電,降低發電成本,減少碳排放.

2.4.2智能調峰促進清潔能源消納 儲能可以提升電網的調節靈活度,減小電網的峰谷差,是增加可再生能源發電并網規模的有效手段.通過智能調峰,優化儲能調度,可提高電力系統運行效率和消納新能源,減少棄風棄光,是實現碳減排的措施之一.

2.4.3減少儲能充放電損耗電量 電能在充放電過程中發生損耗,目前國內已建成的儲能電站,綜合效率在65%～91%之間,效率差距較大[28].通過優化儲能運行環境的溫度、電池管理水平、優化儲能變流器、電芯一致性等技術手段可以提升儲能的充放電效率,從而降低電量損耗.

2.5 碳減排效果評估模型

城市電力行業碳減排測算,主要測算發電側、電網側、負荷側、儲能側等減排措施對減排的效果,期望在滿足用電需求的情況下碳減排最大,即

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中:fCO2為采取減碳措施后城市電力行業碳減排量;y、Y分別為年份和計算的總年數;E1～E4分別為發電側、電網側、負荷側、儲能側減少的碳排放;Cy、Cry分別為本地電源發電碳排放和采取措施后的本地電源碳排放;ELfy為第y年電力平均CO2排放因子;Ly、Lry分別為當前線損和減少損耗后的線損;Ey為供電量;Di為負荷側節能、用戶側提升能效等減少的碳排放;Ry為儲能側增加儲存的清潔能源的電量;Ii為減少的儲能充放電損耗等減少的碳排放.

3 案例分析

3.1 碳排放測算

3.1.1凈調入電力碳排放測算 為驗證所提出城市電力行業碳排放測算模型的準確性,選用珠三角典型城市F進行測算,依據式(1),不同發電機組化石燃料CO2排放因子不同,煤電、氣電和非化石能源電力排放因子分別為2.66、1.73、1.56[29].

如表3所示,用所提模型測算F市2010—2020年電力碳排放數據,F市為電力調入地級市,根據式(6)可計算得到2010—2020年F市凈調入電力碳排放.

表3 F市2010—2020年凈調入電力碳排放

3.1.2本地電源發電碳排放測算 依據測算模型,測算本地電源發電產生的碳排放,需統計本地電源的發電量,且因不同發電機組所用化石燃料的不同其CO2排放因子不同,所以需統計本地電源的類型.根據文獻[30],F市本地電源發電量如表4所示.

表4 F市2010—2020年本地電源發電量[30]

根據式(1)和不同發電機組化石燃料CO2排放因子,可計算得到本地2010—2020年每年電源發電碳排放量分別為1.02×107、1.23×107、1.41×107、1.41×107、1.05×107、0.88×107、0.82×107、0.96×107、0.93×107、0.91×107、1.05×107t.

將2010—2020年F市本地電源發電碳排放和凈調入電力碳排放兩者相加,可計算得到F市電力行業碳排放數據,2010—2020年每年碳排放量分別為2.97×107、3.24×107、3.22×107、3.28×107、2.96×107、2.90×107、2.84×107、3.21×107、3.20×107、3.07×107、3.21×107t.

由此可知,用本模型測算得到的電力碳排放數據趨勢與2010—2020年F市能源供應側碳排放數據趨勢一致,本模型可細分測算城市電力行業碳排放,效果良好.

3.2 碳達峰情景電力行業碳減排測算

3.2.1碳達峰情景能源消費量預測 對F市2025和2030兩個關鍵年煤品、油品、天然氣和凈調入電力量預測,假設關鍵年間各能源品種消費數量按照線性增長,得到F市“十四五”“十五五”期間能源消費折算為標煤(msc)的預測結果,如圖1所示.

圖1 F市能源消費趨勢預測

3.2.2電力行業減碳預測 城市電力行業減碳措施分為發電側、電網側、負荷側和儲能側.根據碳減排效果評估模型,可測算2021—2030年F市每年減少的碳排放.

發電側方面,F市部分煤電廠實施煤改氣,預計2025年起可減少CO2排放量9.94×105t.據測算,“十四五”末F市天然氣累計新增發電量可達2.03×1010kW·h/a,新增光伏發電量累計可達5×108kW·h/a,新增生物質發電量累計可達8×108kW·h/a,合計新增約2.16×1010kW·h/a.據文獻[29],“十四五”末F市新增的清潔能源發電可每年減少CO2排放7.56×106t.“十五五”期間,假設本地電源結構沒有發生重大調整,每年新增1×108kW·h光伏發電量,則“十四五”至“十五五”期間,發電側每年減排的CO2將增加3.5×104t/a.

電網側方面,F市線損預計每年下降約0.1%,線損率下降0.1%可減少約0.8×108kW·h電量損耗,根據式(9)和文獻[29],“十四五”期間每年減少CO2約2.8×104t.“十五五”期間每年減少CO2約2.4×104t.

負荷側方面,通過引導用戶節能等可減少電力消費.文獻[31]表明,負荷側節能可減少能源消費5%～15%.若到2030年F市通過負荷側節能減少電力消費逐漸增加到5%,則到2030年負荷側節能可減少CO2排放1.3×106t.

儲能側方面,根據電網規劃F市“十四五”期間完成電網側配置儲能電站配置容量不低于70 MW或儲能電量達到209 MW·h.到2030年,推動集中式新能源場站配置裝機容量的10%～20%儲能.若到2030年F市集中式新能源場站配置的儲能逐漸增加到10%,儲能充放電效率逐步由80%提高到85%,則根據式(11),到2030年儲能側可減少CO2約5.63×105t.

根據式(7)～(11),可計算得到2021—2030年發電側、電網側、負荷側和儲能側每年分別減少的碳排放量(mCO2),如圖2所示.

圖2 發電、電網、負荷和儲能側年度減碳量

將發電側、電網側、負荷側和儲能側每年分別減少的碳排放相加,可計算得到2021—2030年通過發電側、電網側、負荷側和儲能側減碳措施每年減少的碳排放,分別為0.017×107、0.031×107、0.045×107、0.059×107、0.928×107、0.975×107、0.997×107、1.018 ×107、1.040×107、1.062×107t.

電網各側對CO2減排貢獻情況如圖3所示,2025年減排CO2為9.28×106t,發電側、電網側、負荷側和儲能側分別占比92.16%、0.30%、7.54%、0%.2030年減排CO2為1.06×107t,發電側、電網側、負荷側和儲能側分別占比82.22%、0.23%、12.25%、5.31%.

圖3 發電側、電網側、負荷側和儲能側減碳貢獻

3.2.3減碳措施效果對比 依據圖1,可以繪制到2030年碳達峰年電力行業電量按照線性增長產生的碳排放曲線.依據所提碳排放測算模型和減碳措施,可以繪制采取減碳措施后,到2030碳達峰年電力行業碳排放曲線,如圖4所示.

圖4 F市減碳措施效果對比

4 結論

提出一種城市電力行業碳排放測算方法和城市電力行業減碳的措施與減碳措施的效果評估模型.結論總結如下:

(1) 從模型測算結果看,本模型綜合計算本地電源發電碳排放和凈調入電力碳排放,可細分測算城市電力行業碳排放,效果良好.

(2) 從碳減排結果看,到2030碳達峰情景年,F市電力行業至少可減少碳排放1.06×107t,所提碳減排措施效果良好.

(3) 從減碳措施的效果評估結果看,發電側、電網側、負荷側和儲能側減碳措施對電力行業碳排放的減少均有一定效果,發電側效果最為顯著,負荷側和儲能側具有較大潛力,值得深入研究并推廣實施.本文未針對氫能、碳捕集和封存技術等措施開展研究與量化,在后續研究工作中,將更加全面考慮減碳措施對城市電力碳減排的作用.