基于外部性的火电与可再生能源发电的上网电价研究

牛红星，蒋 艳 （上海理工大学 管理学院，上海 200093）

0 引言

近几年，全国多地有严重雾霾现象，这是经济迅猛发展所导致的环境和能源问题的外在表现形式，而正确应对这些问题的最优解决方案是优化我国的电源结构，不断加快可再生能源发电的发展步伐，降低火电在电源结构中的比例是目前我国电源结构优化的主要方式。中国的上网电价一直偏低，不能体现能源的实际发电价格，同时外部因素的影响也没有纳入影响因素的范围[1]。为了对各种发电方式所引致的环境影响进行合理衡量，以促进中国经济的持续发展，分析并量化发电的全过程对环境的影响以得出考虑外部性的改进上网电价是非常必要的。

1 上网电价的分析与改进

当前我国的上网电价主要由发电成本、税金和利润三部分组成[2]。我国的常规火电的上网电价比可再生能源的上网电价低很多的原因主要有两个：首先，我国的上网电价的计算方法只考虑了发电机组的建设和运行维护费用、燃料费用、财务费用以及税费，没有考虑发电所引致的社会成本，即相应的资源消耗和环境污染问题等。其次，在对不同形式的电能结构的发电活动做经济性评价时未能完全体现出发电活动的总成本，因为其中仅考虑了发电部分。为了正确理解各种发电活动的实际成本和价格，我们需要改进其经济性的评价，即要科学量化各种发电活动的发电成本和外部性社会成本。

基于传统上网电价核算方式的局限，提出改进的上网电价的核算方式[3]，改进的上网电价对各发电模式的内部成本，外部成本以及收益都进行了科学具体的量化。可分别计算常规的化石能源和可再生能源的改进上网电价，以比较各发电活动的真实成本并解释局限可再生能源的发展的经济性影响。在现有的上网电价的外部性研究中[4]，主要涉及一种或两只发电模式的研究，很少有涉及对多种主要发电模式的比较研究[5]。综合已有的学者的研究成果，分别科学分析和量化火电、水电、风电及光伏发电的内、外部性成本和收益，得到各发电模式的改进的上网电价，并进行综合比较分析。

2 电力价格的计算模型

2.1 假设条件

（1）从完整能源链的角度，分析燃料循环的整个生命周期，不仅包括发电环节，还包括燃料开采、转换、运输、发电、废物处理和传输环节，得出各种能源发电活动的外部性影响[6]；

（2）运用影响路径法，将能源链对人类和自然环境的影响进行科学量化，同时纳入电价[7]；

（3）计算电力生产活动过程中消耗的燃料成本时，将不可再生能源的机会成本纳入成本中考虑。

2.2 电价计算模型

各种不同能源的电力生产的过程中，发电成本由内部发电成本和外部发电成本组成，外部成本包括发电过程中对人类和自然环境产生的影响，同时也考虑可能存在的效益问题。记CG为总电力成本，则：

式中：CIN为内部发电成本，CEX为外部发电成本，BIN为内部其它效益，BEX为外部其它效益。内部发电成本考虑建设、燃料、运营和维护成本，不考虑税收，是现行发电制度下实现10%内部收益率时的不含税上网电价。

各种能源发电模式的外部发电成本包括两部分：其一，基于全能源链因素的温室气体的排放量；其二，基于具体的技术分析确定的外部性因素。假设发电活动的总外部成本为TC1，年上网电量为Q，则外部发电成本CEX为：

发电企业除发电收益外，由于其他因素产生的收益即为内部发电效益。记发电过程中除电费以外的其他收益之和为TC2，则内部其它效益BIN为：

发电过程中，除发电企业以外的其他经济体得到的无需付出成本的收益即为外部发电效益。记发电过程中除发电企业之外的经济体得到的外部效益之和为TC3，则外部其它效益为BEX：

2.3 内部发电成本计算

内部发电成本为电厂年总成本除以年上网电量。电厂年总成本包括固定成本和变动成本两部分。记固定成本为CF，变动成本为CV，则电厂年总成本CC为：

发电企业属于投资密集型企业，折旧费用在固定成本中所占的比例较大，采用直线法计算折旧费以便于计算简化。记固定资产原值为G，末期净残值为S，折旧年限为N，则折旧费D为：

则固定成本为CF=D+M，M为折旧费以外的其他固定费用。变动成本包括燃料费，水费，排污费等。其中燃料费所占的比例最大，按从前的定额收取排污费的标准，排污费与燃料成本相比均可忽略不计。燃料费C燃为：

则变动成本为：

式中：c为除燃料费之外的其他的单位变动成本，PC为天然煤价。则电厂年总成本CC为：

内部发电成本C为：

2.4 外部发电成本量化分析

2.4.1 外部发电成本量化。欧洲较早开展了大气污染物环境外部性评价的相关研究，取得了令人信服的成果。欧盟的EcoSense China/Asia计划中ExternE模型提供了一个将不同污染物的外部性影响化为统一货币价值形式的途径。根据上述模型可得出我国单位大气污染物的货币价值，见表1。

表1 单位大气污染物货币价值 单位：元/吨

发电过程中，单位发电量的CO2排放量GCO2如式（11）所示：

式中：b为燃煤消耗率；r为燃煤过程中二氧化碳气体释放因子。

单位发电量的SO2排放量GSO2如式（12） 所示：

式中：b为燃煤消耗率；Sar为燃料煤的收到基含硫质量分数；t为煤燃烧后硫氧化生成二氧化硫的比例；φ为机组脱硫装置脱硫效率；（32/1 ）6为二氧化硫与硫分子量之比。

单位发电量的NOX排放量GNOX如式（13） 所示：

式中：b为燃煤消耗率；N为煤中氮的平均质量分数；φn为燃料氮的转化率；m为NOX排放量占燃料中氮生成的NOX的比例；φN为脱硝装置的脱硝效率；（30.8/1 ）4为氮氧化合物中氮的分子量之比。

单位发电量的烟尘的排放量Gy如式（14）所示：

式中：w为烟尘的排放系数；b为燃煤消耗率；φc为除尘装置的除尘效率。

2.4.2 外部发电成本分析。常规火力发电活动的外部发电成本主要包含三部分内容：其一，CO2、SO2、NOX以及烟尘等废弃物排放所产生的外部性影响，每种废弃物的排放量由相关数据计算得到；其二，火力发电成本的主要部分为燃料成本，火电电价受煤炭价格影响较大，则需考虑发电导致的资源耗减成本；其三，从全能源链角度，考虑全能源链CO2排放量的影响，具体排放系数如表2所示（对文献[6]改进后的数据）：

表2 不同能源链二氧化碳排放系数 单位：g/kwh

水力发电活动的外部发电成本主要考虑全能源链CO2排放量的影响，排放系数如表2所示。水电项目对环境的外部性影响主要有两个阶段：建设期、运行期。建设期会对流域生态和河流流向产生影响；运行期会对生态环境和地质灾害产生影响，但这两方面影响当前均难以量化，所以暂不考虑。

风力发电活动的外部发电成本主要考虑全能源链CO2排放量的影响，排放系数如表2所示。风电项目对环境的外部性影响主要有两个阶段：建设期、运行期。建设期对环境的影响是临时性的，以后会自行恢复；运行期会产生噪声和生态影响，但这两方面影响当前均难以量化，所以暂不考虑。

光伏发电活动的外部发电成本主要考虑全能源链CO2排放量的影响，排放系数如表2所示。光伏发电项目对环境的外部性影响主要有两个阶段：建设期、电池生产及废弃处理期。其中建设期的影响并不显著，且属于可恢复型，可不予考虑；另废弃电池处理成本已包含在设备制造成本之中。

2.5 内部其他效益量化分析

常规火力发电活动的内部发电效益主要考虑的是对发电活动过程中的固体废弃物进行回收再利用时发生的额外收益，如果堆垛或者淹埋，会发生对应的处理和外部成本，不纳入考虑。

水力发电活动具有发电、通航、蓄水、旅游等功能，水力发电活动的内部发电效益主要考虑这些功能产生的额外收益，同时具体的收益应该根据具体情况进行具体合理的分析。根据历史数据，取发电收益的20%为水力发电活动的内部发电效益。

通常情况下，风力发电和光伏发电活动不会发生额外的内部收益，内部发电效益均取为0。

2.6 外部其他效益量化分析

水力发电活动具有发电、通航、蓄水、旅游等功能外，还有防洪抗旱等功能，会产生积极地社会效益，但对于这些方面的效益均难以具体量化。根据历史数据，内部发电效益取发电收益的20%。

风力发电活动过程中，因为风电场基本都是建设在偏远地区的，所以即使当风电场改变地貌产生特定的旅游景点价值时，其价值也难以具体进行实现量化，则内部发电效益取0。

通常情况下，常规火力发电和光伏发电活动不发生正外部效益，外部发电效益均取为0。火力发电、水力发电、风力发电及光伏发电的总成本分别如式（15）至式（18）所示。

3 实例分析

已知一个600MW超临界火电厂、一个2 000MW的水电机组厂、一个100MW的风电场、一个10MW的光伏电场，假设取内部收益率为10%，分别计算各种能源发电模式的改进的上网电价（不考虑税收影响）。财务模型相关假设见表3。

表3 600MW模拟火电厂、2 000MW模拟水电厂、100MW模拟风电场、10MW模拟光伏电场的财务模型的主要假设

假设：式 （11） 中b取321g/kwh，r取2.62；式（12） 中b取321g/kwh，Sar取1.5%，t取80%，φ取95%；式（13） 中b取321g/kwh，N取1%，φn取25%，m取80%，φN取85%；式（14） 中b取321g/kwh，w取642kg/t，φC取99%。

由上述参数及表1数据可分别计算出模拟火电站的相关数据如表4所示。

表4 模拟火电厂单位发电量的排放量、年排放量、年排放所造成的损害价值

利用式（1）至式（18）及表1至表4数据测算出，实现10%内部收益率及考虑外部性因素时，火力发电、水力发电、风力发电和光伏发电的改进后的合理的上网电价的相关数据如表5所示。

表5 各种能源发电活动改进的上网电价 单位：元

由表5及图1可知，按照目前我国发电公司的上网电价计算方式，记Pi为不同发电模式的电价，各种能源发电方式的上网电价由低到高如式（19）所示，这一结果与现行电价基本一致：

在各种能源发电活动的外部性因素内部化的基础上，可得到各种能源发电活动的改进后的上网电价如式（20）所示：

因为火电电价受煤炭价格影响较大，当煤炭的价格偏高时，例如为800元/吨，此时火电的改进后的上网电价为0.49元/千瓦时，那么各种能源发电活动改进后的上网电价如式（21）所示。

图1 不同发电模式比较

按照目前的上网电价的衡量标准，根据各区域的情形的各不相同，常规燃煤火力发电的上网电价也各不相同，总体来说，和表5中的计算结果大致一样。但是，当把火力发电活动的外部成本内部化后，目前火电的上网电价与改进后的上网电价便出现了不一致的情况。且计算中没有考虑税收的影响。

按照不同的水力发电项目需要分别计算水力发电活动的上网电价，一般情况下，各种水力发电项目还是存在比较大的差别的，同时最后确认的水电电价还需要将输电距离的代价进行内部化，以得到真正合理的最终的水电上网电价。与上述表5中的数据结果相比，目前的水电上网电价可以获得些许合理的利润。

目前情况下，按照各区域的风能资源情况的各不相同，我国的风力发电活动的上网电价也各不相同，我国划分了四个风能资源区，各个资源区的风电的上网的标杆电价分别为0.51元、0.54元、0.58元、0.61元。与上述表5中的数据结果相比，目前的风电上网电价均可获得些许合理的利润。

目前，按照各区域的太阳能资源情况以及各光伏电站的建设费用的各不相同，我国的光伏发电活动的上网电价也各不相同，我国划分了三个太阳能资源区，各个资源区的光伏发电的上网的标杆电价分别为0.9元，0.95元和1元。与上述表5中的数据结果相比，在理论上，因为最近数年我国的光伏发电行业得到了快速发展，导致我国光伏发电企业的单位装机费用也迅猛下降，所以我国目前的光伏发电的上网电价可以获得超额的利润。但是实际情况下，初期建设成功的一些光伏发电站无法获取一定的利润，更有甚者，其中有些光伏发电站目前处于亏损状态。

4 结 论

在上述的各种发电模式中，火力发电项目居于不利地位。因此，大力发展可再生能源，改变当前的能源结构是十分必要的。从经济性角度对各种可再生能源发电项目进行分析，其中水力发电项目最优，风力发电项目要优于水力发电项目，所以对于水力发电项目应尽量优先发展，而风力发电项目则是可再生能源发电的重要选项。最近数年虽然中国的风力发电项目得到了长足发展，但是风力发电项目的年发电量占我国可利用的风能资源的比例还是偏低的，所以风力发电项目的成长区间还是巨大的。当前，我国光伏发电项目的的发电规模偏低，同时其经济性也不是很好，但是随着我国光伏发电技术的不断进步，以及光伏发电行业的不断完善，这些经济性障碍最终都能够得到清除，其成长空间还是巨大的。但是光伏发电项目和风力发电项目存在同样的特征，那就是都对于电力输出具有不稳定的特性。

为了使得我国的可再生能源发电项目取得长足进步，同时使得在各种能源的不同发电活动过程中的污染废弃物的排放得到减少，根据各种能源的不同发电方式的不同特征，在我国的各种电力发展进程布局中可以尽量遵循下述一些建议：要大力优先支持发展各种可再生能源发电活动，特别是其中的水力发电项目和风力发电项目；在光伏发电项目的经济阻碍性问题得到合理解决的进程中，可以在一些条件比较完善的地区加强发展分布式光伏发电项目；为了有效减少火力发电过程中污染废弃物的排放量，在新的火力发电机组建设时需尽可能的选择高效率超临界或超超临界机组，同时需要尽量安设脱硫脱硝装配。在科学合理地处理风力发电、光伏发电的高效并网问题的同时，应该在进行电力调度时，坚持优先调度可再生能源电力，对于可再生能源发电项目的经济效益提升有重大意义。

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