基于灰色理论的电能替代项目综合效益评价研究

林晶怡，李斌，张静，梁毅，杨巧然，孟维高

（1.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；2.河北地质大学，石家庄 050031）

0 引言

中国的用能结构以煤炭为主，但是在经济快速发展的同时，大量的燃煤消耗也导致了一系列环境问题。为此，党的十九大对能源产业转型发展提出了迫切要求，2021年10月26日，国务院印发2030年前碳达峰行动方案的通知，指出要重点实施能源绿色低碳转型行动。基于此，我国在大力推动绿色能源的发展，倡导使用新能源，积极推动以电能为主的能源消费新模式的发展。

作为降低化石能源在能源使用占比的一种重要手段，越来越多的学者对电能替代项目的效益开展了相关研究。文献［1］介绍了进行电能替代的必要性。文献［2］基于电能替代的影响要素和基本属性，从电能替代项目的角度出发，从电网公司盈利能力、外部环境和社会贡献3个方面建立了评价体系，采用层次分析法对对电能替代的影响因素进行综合评价，但是该方法的主观性过大。为解决该问题，文献［3］对模糊综合评价方法进行优化，实现了电能替代方案的量化比较。文献［4］为提出了将灰色白化权函数结合层次分析法，这种方法在一定程度上解决了主观权重的影响，对替代后的效益进行了有效评价。但是这些研究都是对电能替代方案的整体评价。文献［5］从终端用户角度出发，以云南省为例，将灰色关联度方法同层次分析法相结合，通过计算不同情境下的电能替代效益，找到了适合云南地区实施电能替代的最优方式，并取得了良好的计算效果。

河南是能源生产大省，能源生产结构主要包括煤、原油等能源，可再生能源的使用占比较低，能源结构问题较为严峻，探索清洁能源代替传统能源对河南省的可持续发展至关重要。因此，本文从用户侧出发，采用灰色关联度方法，评价了以不同方式进行电能替代前后的效益情况，得出最适合河南地区电能发展的主要替代途径。

1 河南省能源发展结构

受资源禀赋和国家电力布局的影响，河南省能源生产和消费一直以煤炭为主［6—9］。如图1所示，河南省的煤炭消费远远高于其它能源，但近几年，煤炭消费量正在逐年下降，受电力改革和可持续发展的政策推动，河南省全省的电力消费量以及总发电总量在逐年增加，截至2021年8月，2021年的发电量已达到1.9×1011万kWh。其中，火力发电占比最高，水力发电和风力发电占比较低，不足10%，还有很大的发展前景。图2是河南省2015—2020年的不同能源发电情况的变化情况以及总发电量的变化情况，从图中可以看出，河南省近3年火力发电量正在逐年下降，而清洁能源发电总体上呈现上升趋势。总体上看，河南省正在用清洁能源代替煤炭及石油，河南省的电能替代潜力巨大。因此，本文对河南省的电能替代项目进行效益评价。

图1 2010—2019年河南省能源消费变化情况Fig.1 Changes in energy consumption in Henan province from 2010 to 2019

图2 2015—2020年河南省不同发电侧发电量变化情况Fig.2 Changes of power generation at different power generation sides in Henan province from 2015 to 2020

2 模型和方法

2.1 方法及过程

首先从“以电代煤”“以电代油”两个方面通过计算年费用分析电能替代的经济效益；再从这两个方面出发，计算替代后的污染物减少量，以评估电能替代项目的环境效益；最后利用灰色关联度方法，根据不同替代方式下，以及电能替代前的各项效益指标得到的经济效益和环境效益，计算关联度。根据关联度大小，找到最适合河南的电能替代发展方式。

目前以电代煤的具体途径有电锅炉替代煤锅炉、电窑炉替代煤窑炉、电烤烟替代燃煤烤烟等。由于河南省是烤烟大省，这里以烤烟房为例进行以电代煤的效益分析。另一方面，汽车产业是国民经济的重要支柱产业，也是当今人们出行的主要工具，发展节能汽车是推动节能减排的有效举措，为此，国家也多次出台相关补贴政策，因此，在以电代油的分析中选择电动汽车替代燃油汽车进行算例分析。

2.2 电能替代效益指标

2.2.1 经济效益指标

（1）以电代煤——电烤烟房代替煤烤烟房

煤烤烟房的年均费用

电烤烟房的年均费用

式中：AC、AC′分别为燃煤烤烟房和电烤烟房的年均费用；C0、C′0分别为不同烤烟房初期投资费用；r为基准折现率；n为设备的使用年限；P、P′分别为煤炭的平均价格和用电均价；L为每年的煤炭消耗量；L′为年耗电量；C1、C′1分别为不同烤烟房人工成本；C2、C′2分别为不同烤烟房维护成本。

（2）以电代油——电动汽车代替燃油汽车

燃油汽车的年均费用

电动汽车的年均费用

式中：AC1、AC′1分别为2种汽车的总成本；C、C′分别为燃油汽车和电动汽车的购买成本；C3、C′3分别为两种车型的保养成本；S、S′分别为2种汽车在整个寿命周期的里程数，Q、Q′分别为1单位里程2种汽车消耗的能源量；P″为当季汽油平均价格。

2.2.2 环境效益指标

以电能替代后的污染物减少量来衡量电能替代的环境指标。

（1）“以电代煤”环境效益

在计算时，河南省的火电占比取90%，火力发电的平均标准煤消耗量取0.32 kg/kWh，LC-I为上游发电的耗煤量。所以，煤炭实际使用减少量的计算公式如下

实现电能替代后的每年内的污染物减排量则为

式中：ηCO-I、ηSO2-I、ηNOx-I分别为燃烧1单位煤的CO、SO2、NOx的排放量，具体的排放系数从《污染物排放系数及污染物排放量计算方法》中获取，如表1所示。

表1 燃煤大气污染物排放系数Table 1 Emission coefficient of air pollutants from coal combustion

（2）“以电代油”环境效益

式中：Eoil-so2、Eoil-nox、Eoil-co分别为燃油汽车行驶百千米SO2、NOx、CO的平均排放量；λ为燃油的完全燃烧率（λ=98%）；B为单位距离的耗油量；ηC、ηS、ηN分别为汽油中碳、硫、氮的含量（ηC=90%，ηS=2%，ηN=0.14%）；β为氮在燃油中的转化率（β=35%）。

2.3 灰色关联度模型

灰色系统理论适用于“小样本”“贫信息”的系统，因此选择本方法对电能替代效益进行评价。关联度是因素之间关联性大小的度量，通过计算电能替代的实际效益指标与最优状态间的关联度来评价电能替代前后的总效益情况，选取待评价的替代效益作为模型中的比较序列，然后选取所有待评价效益中的最优表现作为参考序列。灰色关联分析的步骤如下：

（1）数据处理

根据数据特征，采用min-max标准化法进行归一化计算。公式如下

经过预处理后得到矩阵

（2）选取所有数据中的最优值作为参考数列，参考数据列记为X0

（3）灰色关联度计算

式中：ξi(k)为xi对x0关于k指标的关联系数；ζ为分辨系数，本文取0.5。

（4）算出每个指标的关联度后，计算了加权后的总关联度，W(k)取为0.2

3 河南省电能替代效益算例分析

3.1 以电代煤算例分析

（1）经济效益分析

河南省烟叶种植面积占全国10%左右，在用的配套燃煤烤烟房3.7万余座，全省每年烤烟用煤量达30万t以上。烤烟产生的二氧化硫、氮氧化物等污染物，是影响河南省空气状况的重要污染源之一。以河南省为例，假设其按照“热泵+辅助电加热”方式进行煤改电的改造，改造电烤烟房的投资达到每座6万元，平均每年每座烤烟房进行6次烘烤，一次160 h。电能替代前后的参数如表2所示。

表2 电能替代改造前后的参数Table 2 Parameters before and after electric energy substitution transformation

根据文献［5］，燃煤烤烟房成品率约为90%，电烤烟房的成品率达99%。另一方面，电烤烟房产的烟叶质量提高，产生了0.1元/kg的额外收益，人工成本也降低约66%。煤改电前后的各项指标变化如表3所示。

表3 电能替代前后的各项指标变化Table 3 Changes of various indexes before and after electric energy substitution

在考虑初始投资的情况下，电烤烟房的年费用有所增加，但收入也得到了较大增加，为0.705万元。净利润也增加了0.295万元。

（2）环境效益分析

根据式（5）—式（6），假设河南省3.7万座煤烤烟房全部完成电烤烟房的替代，根据燃煤的大气污染物排放系数于效益模型，得到的各项污染物排放量减少情况如表4所示。

通过计算，得到了河南省完成全部的煤烤烟房替代后减少的污染物区的污染物排放量。一氧化碳减少量约为4万t，二氧化硫的减少量达到了将近500 t，社会的氮氧化物的减少量达到了150 t以上。

3.2 以电代油算例分析

（1）经济效益

2021年10月20日，河南省92号汽油的价格为7.32元/L，约为0.72 kg。假定一辆排量为2 L的燃油汽车价格为20万元，其百千米油耗约9 L，年保养费用约为0.15万元；在有政策补贴的情况下，假设电动汽车的购入价格为15万元（补贴5万元），年保养费用约为0.1万元，百千米的耗电量为20 kWh。车辆使用周期里程均为30万km，年均里程约为2万km。根据《河南省发展和改革委员会关于2018年电价调整有关事项的通知》，参考“一般工商业及其他”的用电价格，设电动汽车的平均电价为0.65元/kWh，则两种车型的经济效益如表5所示。

从表5可知，电动汽车每年的使用成本比燃油汽车低1.107万元，由于电动汽车在使用过程中需要更换一次电池，假设更换电池的费用为8万元，平均在每年的运行成本中，电动汽车的年使用成本为0.89万元，其年使用成本和整个生命周期成本也低于燃油汽车。

（2）环境效益

根据环境效益的公式和污染物排放系数，得到电动汽车替代燃油汽车后的环境效益情况，如表6所示。

表6 “以电代油”后的环境效益Table 6 Environmental benefits after“replacing oil with electricity”

从结果可以看出，一辆电动汽车带来的环境污染远小于燃油汽车，但是电动汽车的氮氧化物的排放量大于燃油汽车的排放，这是由于河南省的火力发电占比过大造成的。

3.3 电能替代效果分析

对之前的计算结果进行汇总如表7所示。根据汇总后的数据，采用灰色关联度模型对不同替代方式下以及替代前的能源结构进行了横向对比，从经济效益和环境效益两方面替代方式进行了评价，得到了适合河南地区发展的用能方式。

表7 电能替代前后效益情况Table 7 Benefits before and after electrical energy substitution

首先对数据进行处理，归一化处理后，选择经济投入量、各种污染物排放量的最小值以及收益最大值作为参考序列，得到灰色关联度的计算结果如下表8所示。

表8 灰色关联度评价结果Table 8 Grey correlation evaluation results

将每种指标的权重均设为0.2，得到的4种用能方式和参考序列的关联度分别为0.59、0.66、0.67以及0.90。总体上看，以电代油的电能替代方式更适合河南地区的发展，以电代煤的效益排在第二，未改造前的用能方式无论是从经济上还是环境上都劣于改造后的。

4 结束语

本文从以电代煤、以电代油两个方面，分别构建了经济效益模型和环境效益模型，并以河南地区为例，分析了不同替代方式下项目的效益情况，得到以下结论：

（1）河南省的火力发电的占总发电量的比例过大，在终端发电还是不可避免的造成一定的环境污染，但近3年来，在政策的推动下，可清洁能源的发电占比有所上升，火力发电的占比有所下降。河南政府应继续推进水电、风电等清洁能源发电的发展。

（2）在考虑河南的能源结构的情况下，以电代煤和以电代油都有效的降低了化石能源的消耗，同时减少了一氧化碳等污染物的排放。同时，从用户的角度出发，这两种替代方式减少了经济成本。以电代油的综合效益相对更适合河南地区的发展，政府应在一定程度上对其给予支持，例如加强对电能替代的宣传，电价政策的调整和优惠措施、适当的补贴政策等。

本文从用户侧出发，建立了电能替代项目的效益评价模型，对评价电能替代方案提供了参考。D