中国电力行业硫、氮、碳协同减排的环境经济路径分析

毛显强,邢有凯,胡 涛,曾 桉,刘胜强 (.北京师范大学环境学院,北京 00875；.环境保护部环境与经济政策研究中心,北京 0009)

电力行业一直是我国能源消耗、大气污染物和温室气体排放的重点行业.“十一五”期间中国电力行业得到了快速发展,2010年中国电力行业总装机容量为 96219万 kW,总发电量 42280.15亿 kW×h[1],相比 2005年分别增长约 86.04%和69.29%[2].“十一五”期间,中国电力行业采取了大量的节能减排措施,并取得了一定的成效.2009年供电标准煤耗为340g/(kW×h),相比2005年减少30g/(kW×h);2009年中国电力行业SO2排放量为948万t,相比2005年下降14.67%;另一方面,“十一五”期间NOx未列入总量控制指标,CO2减排仍处于起步探索阶段.据测算,2009年中国电力行业NOx和CO2排放量分别为865万t和27亿t,相比2005年分别增加16.89%和42.11%[3].

为继续推进节能减排工作,《国民经济和社会发展“十二五”规划纲要》设定了一系列目标:非化石能源占一次能源消费比重达到 11.4%;单位国内生产总值能源消耗降低 16%;单位国内生产总值CO2排放降低 17%;主要污染物排放总量显著减少,SO2排放减少8%,NOx排放减少10%[4].电力行业在全国节能减排规划中仍将居于重要位置.

从电力行业“十一五”期间节能减排工作经验来看,单纯以末端治理为主的减排措施将面临边际减排成本递增、减排难度加大的困境.而强化大气污染物与温室气体的“协同控制”,则提供了统筹协调节能与减排,综合控制多污染物,提高污染控制成效和经济性的重要思路.

“协同减排”是指以具有协同效应的措施和方式同时减排局域大气污染物(如 SO2、NOx、PM、CO、VOC及汞等)和全球大气污染物(CO2、CH4、NO2等).国际上对协同效应的研究最早起源于对温室气体减排效益的评估.IPCC最初的评估报告使用了次生效益(secondary benefits)、伴生效益(ancillary benefits)等概念[5-6],将协同效应描述为在控制温室气体的同时减排局域大气污染物的效益.目前对协同减排或协同效应的理解通常包括两个方面:一方面是在控制温室气体排放的过程中减少了其他局域污染物排放的效益,如:Wang等[7]研究了温室气体减排措施在短期内对人群健康的协同效应;Rypdal等[8]研究了欧盟 6种气候变化政策情景下对大气污染物和温室气体减排、环境质量、社会福利和人群健康等所产生的协同效应;另一方面是在控制局域污染物排放及生态建设过程中同时也可以减少或者吸收 CO2及其他温室气体排放[9],如 Tollefsen等[10]计算了欧盟实施大气污染控制措施所产生的减缓气候变化协同效益[10].此外,也有学者从两个角度同时研究减排措施的协同效应并进行成本-效果评价.如 Dolf等[11]研究了能源环境政策对CO2、SO2和NOx的协同减排效应,并以上海为案例进行分析;Chae[12]分析了首尔地区空气质量管理和温室气体减排策略的综合效益.

虽然利用协同控制措施同时减排温室气体和控制大气污染物排放的理念已得到认同[13-14],但国内关于协同效应评价的研究还处于起步阶段,相关研究较少,仅见李丽平等[15]以攀枝花市为例开展的初步研究.

本文构建了大气污染物协同减排当量指标,并对电力行业技术减排措施和结构减排措施进行成本-效果评价和敏感性分析,估算电力行业技术减排和结构减排的潜力,绘制适合中国电力行业的硫、氮、碳协同减排路径图.

1 电力行业协同控制措施

电力行业协同控制措施包括技术减排、结构减排和规模减排三个方面.目前我国仍处于快速发展阶段,短期内电力行业难以实现绝对的规模减排.因此,本文着重探讨燃煤火电行业技术减排和电力行业结构减排两大类协同控制措施.电力行业SO2、NOx和CO2排放主要来源于燃煤火电,因此本文的“技术减排措施”主要指现有燃煤火电行业的技术升级改造和末端治理;而“结构减排”主要指高效、清洁发电方式对传统燃煤发电的替代.

1.1 燃煤火电行业技术减排措施及属性

燃煤火电行业技术减排措施可根据生产环节分为3类:前端控制措施(洁净煤技术)、过程控制措施和末端治理措施.主要减排技术措施的选取来源于:发改委推出的《国家重点节能技术推广目录》[16-17]、火电行业的清洁生产技术及末端治理技术[18-22].本研究通过大量行业调研、文献查询、数据分析比对,获取各项措施的技术属性和适用潜力,经过分析和筛选,最终确定 12项火电行业技术减排候选措施,各项技术减排措施及其属性见表1.

1.2 电力行业结构减排措施及属性

电力行业结构减排主要是针对目前尚在运行的小火电替代和新建电厂的技术优选,根据我国电力行业现状和未来的发展预期,可将电力行业结构减排措施划分为火电结构调整、新建电厂技术选择和需求侧管理3个子类.其中,火电结构调整特指“上大压小”措施;新建电厂技术选择指以新型燃煤火电技术[23-24]、天然气发电[25]、水电[26]、核电[27],以及风电、生物质能、太阳能等新能源发电[28-31]替代传统燃煤火电,实现电力结构的优化,进而实现SO2、NOx和CO2的协同减排(按2008年火电平均水平计算); “虚拟电厂”[32]指加强需求侧管理以节约能源.电力行业结构减排措施及其属性见表2.

表1 燃煤火电行业技术减排措施及其属性汇总表Table 1 Technological emission-reduction measures in coal-fired thermal power industry and their properties

2 电力行业协同减排措施成本-效果评价

2.1 构建大气污染物协同减排当量指标

为了评估电力行业各项减排措施对于SO2、NOx和CO2的综合减排效果,特构造大气污染物协同减排当量指标APeq,将减排效果归一化以反映多污染物协同减排的线性累积效果.计算公式如下:

式中: S、N、C分别代表SO2、NOx和CO2的减排量; α、β、γ分别为SO2、NOx和CO2的效果系数(或权重值);其取值可以是基于污染物的化学、物理、生物、健康影响大小,也可以是基于外部性影响的价格化评价值,甚至是决策者对污染物控制的紧迫性的认识和判断:α、β、γ实际上是赋予SO2、NOx和CO2的权重值.对多污染物,特别是局地大气污染物与温室气体,进行协同控制的决策倾向可以通过权重取值得到充分体现.

本文拟通过“污染物价格”获取 3种污染物的权重值:参考排污权市场交易价格和基于CDM 的碳交易价格,以 SO2的价格为基准,以NOx和CO2价格与之相比较,构建了大气污染物协同减排当量指标的基准情景及APeq的计算式:

SO2价格:基于2009年山西[37]和2010年陕西[38]等地的SO2排污权交易案例,取SO2的交易价格为5000元/t.

NOx价格:“十二五”之前,NOx不是总量控制指标,暂无排污权交易案例,假设其交易价格与 SO2相当,即5000元/t.

表2 电力行业结构减排措施及其属性汇总表Table 2 Structure-adjustment emission-reduction measures in power industry and their properties

CO2价格:2008年我国CDM项目碳交易价格平均约为 10~12€/tCO2,本文暂采用 100元/tCO2为温室气体的价格参数.

则有:

赋予SO2、NOx和CO2货币化的价格权重不同,其归一化为 APeq的结果也将不同.可设置不同价格权重情景对分析结果进行敏感性分析.

2.2 电力行业协同减排措施成本-效果评价

采用单位污染物(SO2、NOx、CO2、APeq)减排成本指标对技术减排措施和结构减排措施进行成本-效果评价,计算公式如下:

式中:Ci,j为i措施减排单位j污染物的成本,元/kg; CCi为i措施的减排总成本,元; Qi,j为i措施可减排j污染物的量,kg.

根据表1和2,采用公式(3)可以计算出所有技术减排措施和结构减排措施的单位污染物减排成本并对计算结果进行排序,结果见表3.

2.3 电力行业协同减排措施成本-效果敏感性分析

将前文述及的基准情景作为情景一,本文还设置了两种相对价格情景进行敏感性分析:

情景一(基准情景):APeq=S+N+0.02C;

情景二:保持 CO2价格(100元/tCO2)不变,SO2、NOx价格选取现行排污收费标准0.6316元/kg[39],即APeq=S+N+0.1583C;

情景三:SO2、NOx价格保持0.6316元/kg不变,将CO2价格定义为0,即APeq=S+N.这实际上意味着不将CO2纳为控制对象.

根据公式(3),对上述3种情景下电力行业协同减排措施单位APeq减排成本进行计算并排序,其排序结果见表4.

表3 电力行业协同减排措施单位污染物减排成本排序结果Table 3 Unit pollutant reduction cost and priority ranking of emission-reduction measures in power industry

由表4可以看出,上述3种情景下单位APeq排序结果总体变化不大;相比情景一,情景二加大了CO2相对于SO2和NOx的价格权重,因此CCS排序前移,烟气脱硫和烟气脱硝排序则基本处于最后;相比情景一,情景三忽略了 CO2减排要求,此时定向减排SO2和NOx的末端治理措施排序前移.

3 电力行业多污染物协同减排路径分析

根据 “十二五”期间,各技术减排措施可能的推广比例和结构调整潜力,以及各措施的减排系数,可计算出在电力行业实施技术减排措施和结构调整减排措施的前提下,2015年电力行业单污染物(SO2、NOx、CO2)和多污染物(APeq)的减排潜力.同时,结合各种减排措施的多污染物单位(边际减排)成本,即可绘制如图 1所示的单污染物和多污染物单位(边际)减排成本(纵坐标)及潜力(横坐标)曲线.循此曲线,即可获得单、多污染物减排路径:以单位(边际)减排成本较低的减排措施为优先,减排措施的选取和组合以单位(边际)减排成本由低到高进行.电力行业单污染物(SO2、NOx、CO2)和多污染物(APeq)的减排路径如表5和图1所示.

应用于减排规划时,规划者可以根据“减排总量(即横坐标上从原点向右截取的长度)”,“边际减排成本(即纵坐标高度)”,“总减排成本(即边际成本曲线与横轴包围的面积)”等目标约束,选择适当的减排路径.

从图1可以看出:若以SO2、NOx、CO2为特定减排对象时,减排路径各有不同.若考虑3种污染物协同减排时,则在情景一和公式(2)计算的 APeq为协同减排指标时,最佳的技术与结构减排综合路径为:低耗能点燃—结焦预警—洗选煤技术—高压变频—热电联产—虚拟电厂—空气预热器改造—水电—汽封改造—低氮燃烧—汽轮机通流改造—核电—IGCC—烟气脱硫—烟气脱硝—风电—超超临界—超临界—上大压小—生物质发电—天然气发电—CCS—CFB—光伏发电.

表4 单位APeq减排成本排序敏感性分析表Table 4 Sensitivity analysis of unit APeq reduction cost

4 讨论

为体现减排措施对SO2、NOx和CO2的“协同减排”效果,本文借助“污染物价格权重”构建了大气污染物协同减排当量指标(APeq),这一指标的应用,特别是权重值的确定,可充分体现决策者对于局域和全球性污染物各自相对重要性的认识.虽然 APeq利用污染物价格实现了多种污染物减排效果的归一化,但是此定义也存在一定的局限性.在现实中,排污收费及碳市场交易价格未必是其影子价格;此外,对于颗粒物、汞等目前不存在排污收费或交易价格的污染物进行类似分析时,就会遇到困难.如何确定多污染物权重,不仅是科学问题,也是经济与政治问题,尚需要在今后的研究中从多角度、多情景进行深入的分析.

另外,除SO2、NOx和CO2外,其他局域大气污染物(如PM、CO、VOC及汞等)和其他全球大气污染物(CH4、NO2等)也需要在今后的研究中纳入协同减排对象进行研究.

表5 电力行业SO2、NOx、CO2及APeq减排潜力及路径Table 5 Potential and the paths of SO2, NOx, CO2 and APeq emission reduction in power industry

5 结语

本文的分析表明:末端治理措施在削减某一特定污染物的同时,由于耗能将增加其它污染物的排放;以节能增效为主的技术措施,以及上大压小和以水电、核电、新能源发电、燃气发电、新型燃煤火电技术、虚拟电厂等替代传统燃煤火电的结构性减排措施也可以实现多种污染物的协同减排.

“十二五”期间,在电力行业开展技术减排和结构减排仍具有较大的减排潜力,结合电力行业总量减排目标、减排总成本控制目标等因素,绘制单污染物或APeq减排路径图可以协助决策者制定适宜的减排规划方案.

本文所提出的思路和方法不仅仅适用于电力行业,也同样适用于其他行业和区域的协同减排研究及规划工作.

图1 电力行业SO2、NOx、CO2及APeq减排潜力路径Fig.1 Potential and the paths of SO2, NOx, CO2 and APeq emission reduction in power industry

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