计及碳捕集技术的电网低碳经济性分析

王 勃 瞿寒冰

山东大学电气工程学院 山东 济南 250002

0 引言

科学研究表明，温室气体排放的不断增加，是引起全球气候变暖的主要原因。其中二氧化碳（CO2）的温室效应占到总温室效应的70%［1］。电力行业碳排放是我国碳排放的重要组成部分，2005年，我国电力行业碳排放占所有化石燃料碳排放的38.73%［2］。电力行业的碳排放主要是由火电厂产生，具有排放地点集中、排放量大等特点，便于收集和管理，因此我国电力行业具有巨大的碳减排潜力。

二氧化碳捕集与封存技术 （Carbon Dioxide Capture and Storage，CCS）指CO2从工业或相关能源的源分离出来，输送到一个封存地点，并且长期与大气隔绝的一个过程［3］。此项技术可以显著降低火电厂的碳排放，在当前低碳经济越来越受到人们关注的情况下，CCS技术无疑具有巨大的意义和光明的前景。目前，作为为数不多的几种二氧化碳处理技术之一，CCS技术发展迅速，2009年，英国政府与欧盟政府相继公布了声明，规定2010年之后新建的燃煤电厂必须具备碳捕集资质［4］，北京华能热电厂的碳捕集示范系统也已经投产运行［5］。

我国化石能源分布与经济发展不协调，决定了我国必须要进行能源的大规模输送，以煤炭为主和以电能为主（以下简称输煤和输电）是当前主要的能源传输方式。

对于两种能源传输方式的低碳性，文献［6］给出了较为详细的模型，但其未考虑CCS技术和碳税问题。文献［10］分析了输煤与输电的经济性，得出了具体数据，但并未加入低碳因素。文献［11］也仅仅分析了CCS电厂的收支情况，并未从电力系统全局考虑其影响。本文综合考虑我国能源输送的两种方式，使用碳税这一衡量碳排放多少的有力工具，从全局的角度，对以煤炭为主和以电能为主的能源输送方式进行低碳经济性分析，并对采用CCS技术前后的电能传输经济性进行了分析比较。

1 基本思路

以电能为主的能源输送方式，由于输电网损，在受端电量一定的情况下，相当于发电厂要多发电，产生了相应的碳排放，近年来我国特高压输电工程的建设，会使网损率明显降低。风电，核电等近零碳排放的发电方式的发展，减少了煤炭发电在总发电量中的比例，有力的减少了输电的碳排放。由于CCS技术会对电网运行及其低碳效益产生巨大影响（碳税开征后更是如此），因此本文将CCS技术带来的影响计入电网输电部分。CCS设备运行会消耗一部分能量，这些能耗会相应的增加整个系统的碳排放，但是碳捕集过后，大部分的CO2会被收集并相对长久的储存起来。另外，CO2的储存成本以及CCS设备建设费用等都将增加输电的总成本。

以输煤为主的能源输送方式，运输过程存在遗撒，遗撒煤炭的缓慢氧化会增加碳排放，另外，参与煤炭运输的交通工具，一般都是以消耗化石能源为主，因此产生的碳排放也计入输煤过程。

可以预见，即使在不考虑CCS技术的情况下，两者在碳税经济性（应缴碳税总金额）和实际经济性（本文定义其为不考虑低碳因素时的经济成本）上将有巨大差别，本文将借助所建模型，首先对不考虑CCS时两者的碳税经济性以及实际经济性进行比较分析。当输电过程考虑进CCS技术时，碳税会相应减少，但发电成本以及CCS运行相关成本会增加。这种情况便较为复杂，需借助模型来详细比较。

本文电网低碳经济效益模型，假定所有的碳排放都能够精确计算，并以碳税的方式定量直观的表现出来。模型建立之后，从多个角度，对模型所表达的信息进行分析与算例计算，力求较为全面的分析CCS技术，输电，输煤三者的内在联系与相互影响。

2 低碳模型建立

2.1 电网输电能源输送方式成本分析

2.1.1 计入非化石能源发电的输电总碳排放

非化石能源发电，如风电与核电，均可看成CO2近零排放。则电网总碳排放Hs。

其中p为化石能源发电占全部发电量的比例，δL为网损率。M0为负荷端最终的受电量，Tc为坑口电厂的单位发电量耗煤，f0为单位标准煤燃烧时产生的碳排放量。

2.1.2 不考虑CCS技术的碳税

不考虑CCS技术且受端电量一定时，相应碳税是一个定值。碳税Fn

其中C为当前情况下的单位碳排放应缴碳税。

2.1.3 计及CCS技术的输电碳税

采用CCS技术后的碳排放Hc，与碳捕集设备所消耗的电量，以及碳捕集效率有关。

其中qc为碳捕集系统所消耗的能量占总发电量的比例；EC为CCS系统的碳捕集率。

所以考虑CCS技术后的系统总碳税FC为：

2.1.4 计及CCS技术后的输电总成本

除碳税外，储存捕集到的CO2所需的成本，CCS设备的建设费用。另外，发电输、电等所需的成本均需考虑在内，电能送至负荷中心的落地电价可以将其表示。

CCS技术捕集的CO2的运输与储存成本Qo为：

其中Y为单位CO2的运输与储存成本。

输电总成本为：

其中σ为电厂安装CCS设备的一次性费用，Nc为未考虑CCS技术的电网输电成本电价。

2.2 煤炭运输能源输送方式成本分析

2.2.1 运输遗撒碳排放分析［6］

总遗撒率为：

其中n为参与煤炭运输的交通工具数量，为第i种交通工具的单位里程遗撒率，Li为第i种运输工具的运输里程。

运输遗撒所产生的碳排放Ht

其中Tt为负荷中心电厂单位发电量耗煤，一般情况下，可近似认为Tt=Tc。k为遗撒煤炭的自然氧化率。

2.2.2 交通工具碳排放分析

交通工具的碳排放与交通工具类型，运输距离和交通状况等有关。本文对其作如下简化。?

其中He为交通工具所产生的碳排放，Hg为负荷中心电厂发电所产生的碳排放，两者的比值为γ。

2.2.3 煤炭为主能源运输方式碳税分析

煤炭为主运输能源方式总碳排放Hf为：

煤炭为主能源运输总碳税Ff为：

2.2.4 煤炭为主能源输送成本

加入其他成本，煤炭为主能源输送成本Qf为：

其中Nf为输煤后负荷中心电厂的上网电价。

3 算例分析

3.1 不考虑CCS技术时，输煤与输电碳税经济性比较

本文以西北地区作为煤炭输出地，华东地区作为负荷中心。

网损率参照文献［8］取值，并考虑交流变电站、直流换流站的损耗，参照1000 kV交流损耗率为0.277%/100km；±800kV直流损耗率为0.592%/100km；500kV交、直流损耗率0.7%/100km，0.8%/100km计算，取值范围为2.5%~8.8%，取平均值5.7%［6］。考虑三峡工程与其他风电项目，p的取值不妨定为70%。两地电厂的单位发电煤耗均为310g/kWh，单位电力碳排放强度均为0.76kg/kWh［9］。单位碳排放所需缴纳的碳税80元/t［3］。

参照表1，遗撒率经计算取为4.92%，自然氧化率k取为5%，γ取值为2.45%。

表1 常用交通工具煤炭遗撒率

单位发电量电网输电所节省的碳税ψ为：

数据计算

假设华东地区用电量为500亿kWh/a，则节省的碳税为8.8亿元/a。这将对生态环境以及电力企业运行产生巨大影响。

3.2 忽略CCS技术及碳税，现实条件下输煤与输电经济性分析

本部分的研究已经较为深入，依据文献［10］，特高压输电技术大幅降低了网损率；目前随着物价上涨，各种交通工具的运输成本大幅上升，在充分考虑各种交通工具运力和最佳运输路线的情况下，得出，输电的落地电价比输煤的成本电价低0.03~0.1元/kWh，即 Nc比 Nf低0.03~0.1元/kWh。

由此可得出，输电具有低碳经济性和实际经济性，可以保护我国环境，减少资源浪费，协调区域发展。因此加快发展输电，尤其是加快特高压输电工程的建设，是优化我国能源结构的重要措施。

3.3 计及CCS技术输电经济性分析比较

依据目前的技术水平，碳捕集成本以及捕集效率随捕集方式、地区、燃料结构的不同而有较大差异，根据文献［1］，碳税取80元/t，CO2储存成本取40元/t，CCS技术会使产电成本增加0.01~0.05美元/kWh。

3.4 对于碳税的思考

在现阶段碳税条件下，安装CCS设备是不合算的。依据上文有关输电成本的模型Qc可看出，当碳税提高到一定程度时，采用CCS技术的经济性才会显现出来，大多数模拟表明，当碳税达到25~30美元/t时［5］，CCS技术才开始出现显著地部署规模。

因此，提高碳税将会提高电力企业参与碳减排的积极性，可成为我国未来制定节能减排战略时考虑的方面。

4 结语

碳捕集技术是一项具有光明前景和较高实用价值的技术，本文将碳捕集部分计入电网，通过细化模型，详细分析了输煤与输电过程中的低碳效益以及实际经济效益问题。模型适应性良好，可以对多种不同情况进行评估分析，揭示了输煤、输电、CCS技术三者在低碳背景下的关系，较为全面的分析了低碳大环境下的能源输送问题。

算例分析部分，结合西北到华东的输电现状，定量的分析了输电与输煤，指出输电相对于输煤具有的优越性。并讨论了碳税和CCS技术对发电成本的影响，定量的给出了不同条件下的各项数据，指出了提高碳税可促进CCS普及。希望本文的研究能对CCS的普及与进步，以及我国能源传输方式的优化起到一定的推动与借鉴作用。

［1］IPCC.Intergovernmental panel for climate change fourth Assessment report.Cambridge ［M］.MA，USA：Cambridge University Press，2007.

［2］魏一鸣，刘兰翠，范英等.中国能源报告（ 2008）：碳排放研究［M］.北京： 科学出版社，2008.

［3］IPCC.Special report on carbon dioxide capture and storage［M］.Cambridge，UK：Cambridge University Press，2005.

［4］Committee on Climate Change UK..Building a low carbon economy in the UK is contribution to taking climate change［C］.London，U K：The Stationary Office，2008.

［5］黄斌，许世森，郜时旺.华能北京热电厂CO2捕集工业试验究［J］.中国电机工程学报，2009，29（17）：14-22.

［6］康重庆，周天睿，陈启鑫等.电网低碳效益评估模型及其应用［J］.电力系统及其自动化，2009，33（17）：1-7.

［7］陈启鑫，康重庆，夏清等.低碳电力调度方式及其决策模型［J］.电力系统自动化，2010，34（12）：18-22.

［8］中国电力科学研究院.100kV级及±800kV级交直流系统技术经济性分析［R］.北京，2005.

［9］中国电力企业联合会.2008年全国电力工业统计一览表［EB/OL］.http：//tj.cec.org.cn/test1.asp？ id=269.

［10］王耀华，张风营，白建华.输煤输电经济性比较［J］.中国电力，2007，40（12）：6-9.

［11］田牧，安恩科.燃煤电站锅炉二氧化碳捕集封存技术经济性分析［J］.锅炉技术，2009，40（03）：37-41.