智能电网的低碳效益分析

符力文

（华北电力大学经济管理学院，北京市，102206）

0 引言

随着市场化改革推进、气候变化加剧、环境监管要求日趋严格与国家能源政策最新调整等一系列变化的出现，电网与电力市场、用户间的关系日益紧密。用户对电能质量的要求逐步提高、可再生能源等分布式电源数量不断增加，传统电网已难以应对这些变化。为此人们提出了发展智能电网（Smart Grid）的设想，对传统电网进行升级换代[1-13]。本文结合智能电网的技术水平，分析智能电网低碳效益，为智能电网建设提供参考。

1 智能电网技术现状和发展前景

1.1 技术现状

目前，智能电网技术[2]主要包括4方面：（1）高级精确的计量技术与设备；（2）先进的智能调度和防护系统；（3）完善、灵活、坚强的网络构造技术；（4）开放友好的通信及决策支持系统。既涉及了机械制造、软件程序开发、拓扑优化等自然科学技术，也包含了电力市场、需求侧管理等社会科学技术。其中，我国已在大容量交/直流输电技术、交流柔性输电技术等方面取得了一些成果。从世界范围来看，我国的智能电网发展还处于起步阶段：配电和用电端的设备还比较陈旧；先进通信体系没有大范围推广；技术标准和指标体系方面也比较欠缺，未形成一套公认准则等。这些既是智能电网发展的障碍，也是未来重点研究的方向。

1.2 应用前景

智能电网不仅是现代电网的结构升级，更是全球电力行业的深刻变革。各个国家均制定了适应本国特点的智能电网发展规划，不同电力企业也进行了相关研究。研究表明，由于能源战略需求和负荷分布的特殊性，我国的智能电网建设必须结合特高压电网和电力体制改革来进行[3-5]。宏观政策方面，电力行业应在建设资源节约型和环境友好型社会的要求下合理发展；市场化改革层面，电能交易手段与定价方式正在改变，市场供需双方的互动将日趋频繁，电网必须能够灵活地支持多类型电能交易[6]。智能电网所具备的诸多优点，能够成为提高能源效率，推动我国经济可持续发展的有效途径。

2 低碳经济分析

2.1 低碳经济的意义

我国温室气体排放总量已居世界第2位。尽管《京都议定书》中未规定包括中国在内的发展中国家在2012年前的具体减排量，但作为一个负责任的大国，我国正面临着巨大的减排压力。经济规模的逐年增加以及煤炭主导的能源结构，将使我国CO2排放快速增长（年均增长2.6%），2020年将达到81.45亿t。届时，将超过美国成为世界第一大CO2排放国。低碳经济的提出，预示着一场国际新工业革命来临。未来各国经济体的竞争必然是低碳技术、低碳产业、低碳规则的竞争，甚至在国际经济贸易中将可能形成“低碳壁垒”。作为最大的发展中国家，中国面临社会经济发展与节能、应对气候变化的多重任务，这种低碳经济新模式的提出将带来多方面的挑战。

2.2 低碳经济国内外发展现状

在低碳经济理念的影响下，英国政府为达到“2010年CO2排放量在1990年水平上减少20%，到2050年减少60%”的目标，采取了4项措施：（1）优化能源结构，大力发展可再生能源，到2010年可再生能源的比例达到10%。进一步降低化石能源消耗量，并寄希望于“可控核聚变”技术突破，以获得更多的清洁能源和无碳能源。（2）调整能源政策，准备征收气候变化税和能源产品税，以促使从事化石能源开发和使用的公司改善能源利用效率，减少温室气体排放。（3）强调科技创新，发展低碳能源技术。（4）全方位节能减碳。推动家庭节能减碳，实现建筑节能、家电节能、低碳交通等。以发展低碳经济为目标的能源政策，不仅涉及生产和流通领域，而且涉及到消费领域；不仅对政府企业提出要求，而且需要对社会公众进行舆论引导。德国政府提出实施气候保护高技术战略，先后出台了5期能源研究计划。欧盟于2008年12月最终就欧盟能源气候一揽子计划达成一致，形成了低碳经济政策框架。澳大利亚在2007年新政府成立之后，批准了《京都协定书》，于2008年发布了酝酿已久的《减少碳排放计划》政策绿皮书，对碳减排确立明确目标。日本政府资助的研究小组于2008年5月，发布了《面向低碳社会的12大行动》。著名的“福田蓝图”，是日本低碳战略形成的正式标志。美国政府在寻求一个综合、平衡和对环保有利的能源安全长期战略中，把低碳经济的发展道路视为可能成为美国未来重要战略的选择。联合国也于1988年与世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）建立了政府间气候变化专业委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）[7]。

我国政府将发展低碳经济作为中国未来经济发展的客观要求及战略选择，于2006年首次在国家“十一五”发展规划中提出了“节能减排”的要求。2007年颁布了《中国应对气候变化国家方案》和《节能减排综合性工作方案》，所推行的循环经济以及建设资源节约型和环境友好型社会等举措，揭开了低碳经济序幕，显示出政府在节能减排和发展低碳经济等方面的决心与信心。

2.3 我国电力行业的碳排放特性

从我国的能源资源结构来看，煤炭、石油天然气等高碳常规能源储量大、应用广泛，相比于水能、太阳能、风能等低碳能源，处于绝对优势地位，供应大部分的社会用能。统计资料显示：中国能源消费结构一直呈现高碳特点，2007年煤炭消费占全球的30%左右，化石能源占整体能源结构的92.7%，其中高碳排放的煤炭占了68.7%，石油占21.2%。电力中，水电比例只有20%左右，“高碳”的火电比例高达77%以上，电力部门90%的燃料是煤炭。据估算，未来20年中国电力投资将达1.8万亿美元，火电的大规模发展仍将对环境构成巨大威胁。高碳化的能源结构已使中国的CO2排放占全球的18%，发展低碳经济刻不容缓。

以1997—2007年间的我国发电量为研究对象，分析其发电量及发电类型的发展趋势，可以发现我国电力行业的发展足迹，所需数据来源于1997—2007年间的中国能源统计年鉴。图1表明，由于经济发展，11年来我国电力供应量大幅上升。图2显示，水电、核电等清洁电力的供应量正在逐步上升，但火电增量较大。由图3可知，11年间，核电增幅明显，提高了1%；但是火电仍然占据较大比重，由82%升为83%。可见，火电排放的CO2也在逐步增加。虽然已经有节能环保意识，但火电依然是主要电源，也是主要的CO2排放源头。

图1 1997—2007年我国电力年产量Fig.1 Annual power output of China from 1997 to 2007

若按火电的发电量来计算碳排放量，则会发现电力一直以来都是“排碳大户”。统计资料表明，2009年平均发电标煤煤耗为342 g，标煤的含碳量为85%。根据CO2的反应式可得，每发1 kW·h电排放的CO2为：342 g×0.85/12×44＝1 065.9 g，即1.065 9 kg。11年间，粗略估算，仅由电力生产排放的CO2就达到181.632 3亿t。若由清洁能源来供电，则可使CO2排放量大幅度减少。据欧洲光伏产业协会（European Photovoltaic Industry Association，EPIA）提供的信息显示，综合考虑到多晶硅冶炼等因素，1 kW·h的光伏发电可以减排CO20.6 kg。因此，发展清洁能源技术成为节能减排的主要措施。

图2 我国各类发电的年产量Fig.2 Annual power output of China

图3 1997年和2007年我国各类发电结构比例Fig.3 Power generation mix of China in 1997 and 2007

结合上述分析，我国电力行业碳排放的特点如下：

（1）CO2排放呈现增长迅速且总量上升的趋势。2007年，电力行业的碳排放量相对1997年增加了2.95倍。

（2）火电发电装机比例较大。由图3（b）可知，火电机组占总装机容量的比例为83%，清洁电源比重较小；在11年的发展之后，火电比例反而提升了1%。

（3）电力碳排放系数较高。我国的碳排放系数远高于发达国家，2005年为222.95 g/（kW·h），同期发达国家多为100～150 g/（kW·h）。

2.4 低碳电力对低碳经济的影响

作为经济发展中的支柱产业，电力工业的低碳化将对经济发展产生重大影响。只有大力发展低碳电力，才能实现国民经济向低碳经济的转变，低碳电力至少有3点益处：（1）利于改善电源结构，改变过度依赖化石能源（如煤炭）的状况，实现多元化的清洁能源供应体系；（2）利于促进发电技术更新换代，提高能效，降低污染；（3）利于提高电能生产、传输与消费的效率，减缓能源消耗。

为响应低碳经济的号召，电力行业已经采取了低碳化措施。2007年，国务院下发了《节能发电调度办法》，针对我国以火电为主的特点，通过节能调度，降低全行业的CO2排放；《可再生能源发展“十一五”规划》中提出：到2010年可再生能源在能源消费中的比重由现有的不到1%增长到10%。这种约束性的规定，将会从发电结构上实现低碳；华能发电集团实施的“绿色煤电”计划，分阶段研究各种清洁发电技术与降低CO2排放技术，尤其是碳捕捉与储存技术（carbon capture and storage，CCS），将对低碳技术发展起到重要作用；我国是世界最大的清洁发展机制（Clean Development Mechanism，CDM）项目减排国，核准减排量（Certified Emission Reduction，CERs）占全球的50%，有利于获得大量的CO2减排额度，并实现低碳技术与资金的引进。2009年，电力行业节能减排成效继续显现。经核实，全年关停小火电机组容量2 617万kW，“十一五”关停小火电任务提前完成。热电联产机组大幅增加，全年共投产1 614.7万kW；6 000 kW及以上电厂供电标准煤耗为342 g/（kW·h），比2008年降低3 g/（kW·h）；电网输电线路损失率为6.55%，比2008年下降0.24个百分点[8]。

3 智能电网下的低碳策略

3.1 智能电网发电侧的低碳分析

电网是连接发电与售电环节的枢纽，通过引入智能电网的技术，可以有效地控制发电和售电侧所产生的能源浪费，降低碳排放。发电侧，结合新技术，对某些能耗低的机组及清洁电源提供的电能，实行优先上网，鼓励其推行节能及清洁技术；实现激励电厂使用能效高的机组，积极进行技术创新的目的。另外，由智能电网衍生出的大容量储电技术、碳捕捉及封存技术，均可应用于发电企业的低碳电力生产。

3.2 智能电网输电侧的低碳建议

智能电网主要优点为电网的智能化，具有了自愈功能，电网自身的坚强性有所增强，大停电的概率也会减少。当出现故障时，可以有效确定故障地点，准确维修，减少了以往逐线排查所增加的成本。同时，可靠性的提高，将使用户侧的经济损失减少。其先进技术，可以有效降低网损，提高输电效率。可以说，智能电网无论从自身还是对周围环境来讲，都是低碳的。因为其优良的特性，减少了各类成本的支出，从而在一定程度上降低了碳排放。在输电网建设方面，提高其自愈水平，降低故障率，是实现低碳的捷径。

3.3 智能电网配电侧的低碳措施

智能电网配电侧的低碳措施较多，其中较为理想的是网源协调。通过智能调度为特高压、大煤电、大水电、大核电、大可再生能源及分布式能源接入提供技术支撑。在低碳目标的约束下，智能调度应从2方面做起：（1）尽可能地调度清洁能源；（2）根据网络特性，尽可能地降低输电损耗。第1个方面，强调外部影响条件。要求调度在选择调用电力时，应该多支持水电、核电等清洁能源，从源头上实现低碳。第2个方面，侧重内部影响条件。由于电网结构复杂，在具体的电力调度中，针对不同的用户需求，应该选择网络最优路径，尽可能地降低输电成本和损失。这2方面能否实现，将取决于高效的的智能调度。

3.4 智能电网售电侧的低碳策略

智能电网的低碳用电策略不仅包括了需求侧响应，也体现在高级量测技术和双向互动等方面。需求侧响应方面，智能电网依托于电价和技术手段调节和设计大用户直供电及电力批发及零售。在完善的电价体系的支持下，引导并实现用户的理性用电，减少能源浪费。高级量测方面，主要体现在高级智能测量设备的应用，如智能电表、智能家电等，实现电价的可视化，使用户降低能耗。双向互动则通过分布式能源的上网来进一步深化，如太阳能屋顶、小型风机等，在智能电网的支持下，不仅可以满足自身用电需求，还可以将多余的电能通过电网输送给其他用户，实现资源的优化配置。这些措施，在一定程度上降低了碳排放，实现电网和用户侧的友好互动，以及能源的合理调配。

4 低碳电力的成本效益分析

4.1 未来电力行业的碳排放成本分析

4.1.1 建模背景

智能电网将使得电网互动性提高，推动整个电力行业的升级。在提高能源效率，降低碳排放方面会显示出巨大的作用。例如：以特高压为骨干网架的坚强智能电网，能够促进大型坑口电站和大型高效清洁燃煤机组发展，有利于清洁煤技术和碳捕集存储技术等先进低碳技术的规模化应用，减轻对自然气候环境的影响。由于智能电网具有包容各种随机性和间歇性电源的能力，能够接入分布式清洁能源，促进电源结构低碳化，优化电源装机结构，促进电力供应结构多元化发展。

本节结合1997—2007年间的火电生产数据，应用E-views软件，建立线性平滑模型，预测未来火电电量，据此对未来的火电生产中排放的碳总量进行估算。结合国际碳交易市场中的碳排放权价格，计算出碳排放成本，量化智能电网的低碳效益。

4.1.2 建立模型

由于火电生产数据为平滑曲线，呈现递增趋势，所以选用线性平滑模型模拟其趋势，得到模拟结果如表1所示。

表1 线性平滑模型检验表Tab.1 Holter-Winter model check list

参数表明，该模型通过各项相关检验，且具有较高的拟合度，能够较合理地预测未来值。实际值与模拟值的对比如图4所示。

图4 1997—2007年间火电产量实际与预测值对比Fig.4 Comparison of actual and predicted thermal power outputs from1997 to 2007

图4表明，所建模型的预测程度较高，能够较好地与原始数据吻合，由此模型得到的预测值具有一定的可信度。相应地，得到预测期内使用的预测公式：

4.1.3 模型预测

根据预测原理及模型特点，将预测区间定位于2008—2015年。经验表明，这个时期内的模型预测能力较高。由相关文件可知，这一时期也是我国智能电网迅速发展的阶段，从而使得模型的预测更有实际意义。结果如表2所示。

表2 2008—2015年间火电量的预测值Tab.2 Predicted thermal power output from 2008 to 2015

根据中国电监会已发布的2008与2009年火电发电量27 857.37亿kW·h和29 810.42亿kW·h，可以发现其分别为预测值的90.56%和86.92%，平均预测精度达到了88.74%，说明该预测值有一定的参考意义。

4.1.4 碳排放成本计算

根据火电的CO2排放系数1.065 9 kg/（kW·h），未来5年，CO2排放量将达到298.425 2亿t。以国际碳排放权交易市场的核证减排量（Certification Emission Reduction，CER）和欧盟碳排放配额（European Union Allowances，EUA）两类碳排放权价格107.5元/t和125.2元/t计算，其碳排放的成本分别为32 080.71亿元、37 362.84亿元。如果发展智能电网，则会尽可能地减少这部分成本。

4.2 智能电网的成本分析

由于涉及到许多新技术、新设备，智能电网前期投入及后期的运行维护必然会产生大量成本。据专家估算，为实现电网数字化，2009年起，我国需要更新百万个以上变电站，将3 000万块至5 000万块电表更换为智能电表。参考美国智能电网相关情况，按照当时的物价水平，换1块智能电表，单成本费用就要143美元。奥巴马上台5天之后，美国白宫即发布了《经济复兴计划进度报告》，宣布未来3年内，将为美国家庭安装4 000万个智能电表，同时投资40多亿美元推动电网现代化。可见我国的智能电网建设中的投资也不是一笔小数目，仅电表1项按就需要5 000多亿人民币的投资（按每个电表143美元，我国一半人口约6亿人计算）。除此之外，其他的技术研发费，设备制造费等都会比较巨大。

4.3 智能电网的低碳效益

虽然投资巨大，但效益也不容忽视。可概括为：推进技术进步、实现绿色环保、增强经济合作、完善电力市场四大方面。仅从环保效益来看，智能电网的发展推动了清洁汽车、清洁家用电器、清洁发电技术等环保措施的发展，促进了能源结构的低碳。本节仅从其低碳效益来分析，立足电源结构及输电过程，量化智能电网的部分效益值。据专家介绍，若实现电网信息化，将可直接减少“配输用”电等环节的能源损耗，每年节省5%～10%的电力资源；实现低碳电源结构后，也将替代2%的火电。可以推断，实现智能电网建设后，5年间火电总产量将减少279 974.9亿kW·h× 0.07=19 598.24亿kW·h（假设智能电网能减少7%的火电电能供应及损耗），减排CO2量为（19 598.24亿kW·h×1.065 9 kg/kW·h）÷1 000=20.889 8亿t。

因此，在CER市场中节约的碳排放权的交易价值为20.889 8亿t×107.5元/t=2 245.65亿元（或相当于EUA市场中的20.889 8亿t×125.2元/t=2 619.36亿元），其低碳效益可见一斑。

5 结论

未来，随着国家节能减排步伐的加快，智能电网的建设也会日趋完善。其提高能源输送和利用效率、实现大规模、远距离、低损耗的电力输送和跨大区、跨流域的能源调配，有利于统筹配置区域间环境容量，构建资源节约型和环境友好型社会等优势也会更加明显。坚强智能电网为低碳技术研发和利用提供了发展平台，将从战略高度扶持新能源和可再生能源的开发利用；培育持续稳定增长的可再生能源市场，同时改善健全可再生能源发展的市场环境与制度创新，逐步形成完善的低碳经济体系。低碳经济和新能源革命是不可逆转的趋势，在发展过程中，有智能电网的推动，必会实现其良好发展。

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