郭東旭，韓奎華，熊志波，趙記恒，路春美

(山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061)

山東電力產(chǎn)業(yè)低碳化技術(shù)路線研究

郭東旭，韓奎華，熊志波，趙記恒，路春美

(山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061)

目前山東省年CO2排放量超過(guò)10億t，電力行業(yè)的排放量占40%，因此，電力產(chǎn)業(yè)低碳化對(duì)山東省發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)具有舉足輕重的作用。山東具有豐富的風(fēng)能、生物質(zhì)能等清潔能源，據(jù)規(guī)劃，到2020年，清潔能源發(fā)電實(shí)現(xiàn)年減排CO210%;國(guó)內(nèi)首座整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目于山東投產(chǎn)，與相同裝機(jī)容量燃煤電廠相比，其CO2排放量降低13.73%，若與碳捕捉和封存(CCS)技術(shù)聯(lián)用，可實(shí)現(xiàn)CO2近零排放;山東省超臨界/超超臨界機(jī)組裝機(jī)容量達(dá)932萬(wàn)kW，關(guān)停小機(jī)組600萬(wàn)kW，年減排CO22100萬(wàn)t。山東電力產(chǎn)業(yè)應(yīng)因地制宜發(fā)展清潔能源發(fā)電，大力發(fā)展IGCC、超臨界/超超臨界等高效發(fā)電技術(shù)。同時(shí)，鼓勵(lì)電力產(chǎn)業(yè)積極借助清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)，完善低碳路線。

電力產(chǎn)業(yè);低碳經(jīng)濟(jì);清潔能源;高效發(fā)電;CDM

0 引言

因化石燃料大量燃燒引起的能源短缺與環(huán)境污染已經(jīng)成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，由此而產(chǎn)生的全球氣候變暖業(yè)已是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。巨量排放的CO2是造成溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)祝虼税l(fā)展“低碳經(jīng)濟(jì)”自英國(guó)于2003年首次提出以來(lái)，已得到世界各國(guó)的廣泛認(rèn)可?！暗吞冀?jīng)濟(jì)”以減少溫室氣體排放為目標(biāo)，旨在改變傳統(tǒng)的高耗能、高排污的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式，構(gòu)筑低耗能、低污染的可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系。

電力行業(yè)已然成為我國(guó)最大的CO2排放部門，其排放的CO2占我國(guó)排放總量的38.76%［1］，電力行業(yè)走低碳化道路對(duì)我國(guó)減排CO2具有重大意義。山東電力行業(yè)以火電為主，未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，這種格局難以改變［2］，碳減排任重而道遠(yuǎn)，電力產(chǎn)業(yè)低碳化對(duì)山東省發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)起著至關(guān)重要的作用。因此，有必要對(duì)山東電力產(chǎn)業(yè)進(jìn)行深入調(diào)研，考察電力產(chǎn)業(yè)CO2排放現(xiàn)狀及減排潛力，提出適合山東省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的電力產(chǎn)業(yè)低碳化路線。

1 山東省CO2排放現(xiàn)狀及電網(wǎng)機(jī)組構(gòu)成

近年，山東經(jīng)濟(jì)一直保持迅猛的發(fā)展勢(shì)頭，經(jīng)濟(jì)總量一直位居全國(guó)前三位，但其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，第二產(chǎn)業(yè)比重過(guò)大，尤其是重工業(yè)和傳統(tǒng)高耗能產(chǎn)業(yè)所占比重偏高，這導(dǎo)致了能源消費(fèi)總量巨大、環(huán)保壓力大、節(jié)能減排任務(wù)繁重［3］。

從2000年以來(lái)山東省一次能源消費(fèi)量和一次能源結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)可以看出，山東一次能源消費(fèi)量持續(xù)增長(zhǎng)，2009年達(dá)到34536萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，且煤炭在一次能源中所占比例過(guò)大，一直維持在80%左右，雖然近兩年比重有下降趨勢(shì)，但煤炭消費(fèi)的主導(dǎo)地位在短期內(nèi)不會(huì)改變。山東電網(wǎng)基本上就是一個(gè)火電系統(tǒng)，火電發(fā)電量占據(jù)總發(fā)電量的97%以上，雖然近幾年風(fēng)電、生物質(zhì)發(fā)電有較大發(fā)展，但在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)火電的主導(dǎo)地位仍不可撼動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，山東省每年CO2排放總量超過(guò)10億t［4］，其中電力行業(yè)的排放量高達(dá)40%，燃煤電廠已經(jīng)成為山東省CO2排放的主要源頭，電力產(chǎn)業(yè)低碳化是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)首要解決的問(wèn)題。

2 山東電力產(chǎn)業(yè)低碳化現(xiàn)狀

2.1 山東清潔能源及其發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

2.1.1 風(fēng)能資源與風(fēng)力發(fā)電

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，風(fēng)電是全球范圍內(nèi)發(fā)展最快的能源形式，11年里其裝機(jī)容量增長(zhǎng)了10倍，達(dá)到19440萬(wàn)kW［5］。我國(guó)是風(fēng)能資源大國(guó)，近幾年風(fēng)電發(fā)展迅速，《2010年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)》顯示，我國(guó)累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到4473萬(wàn)kW，躍居世界第一位。山東省擁有漫長(zhǎng)的海岸線，半島沿海地區(qū)及近岸海域風(fēng)能資源豐富，開發(fā)建設(shè)條件優(yōu)良。截止2011年2月，山東省已經(jīng)有并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)35座，總裝機(jī)容量182.94萬(wàn)kW，裝機(jī)規(guī)模位列全國(guó)第七位［6］。今后，在“山東海上風(fēng)電規(guī)劃”的指導(dǎo)下，山東省將重點(diǎn)在威海、煙臺(tái)、濱州、東營(yíng)、濰坊、青島等地近海海域建設(shè)大型風(fēng)電場(chǎng)，到2020年，海上風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到1000萬(wàn)kW［7］。發(fā)展風(fēng)力發(fā)電不僅具有經(jīng)濟(jì)效益，其環(huán)境效益也是不可估量的。

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的同時(shí)也暴露出許多亟待解決的問(wèn)題。就山東省而言，風(fēng)電裝備企業(yè)規(guī)模相對(duì)較小，風(fēng)電裝備市場(chǎng)基本由省外和國(guó)外企業(yè)占有;風(fēng)電裝備企業(yè)的技術(shù)水平相對(duì)較低，關(guān)鍵部件的生產(chǎn)受制于國(guó)外先進(jìn)技術(shù);山東電網(wǎng)基本上是一個(gè)火電系統(tǒng)，按照山東電網(wǎng)目前的負(fù)荷特性和調(diào)峰能力計(jì)算，到2015年可消納的最大風(fēng)電裝機(jī)容量?jī)H為400萬(wàn)kW左右，不能滿足山東省風(fēng)電裝機(jī)發(fā)展目標(biāo)。

山東省風(fēng)電場(chǎng)情況與英國(guó)類似，都是海上風(fēng)電資源豐富。目前英國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)容量占世界海上風(fēng)電總裝機(jī)容量的44.5%［5］，居世界第一位，其成功得益于ROC(Renewables Obligation Certificates，可再生能源義務(wù)證書)對(duì)風(fēng)電市場(chǎng)的助推作用［8］，它將供電商當(dāng)年度須完成的可再生能源電力份額與市場(chǎng)行為緊密聯(lián)系起來(lái)，保障風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展。山東省可以此為藍(lán)本，開辟適合本省省情的“政策+市場(chǎng)+金融”模式，破解困擾山東發(fā)展風(fēng)電的瓶頸，推進(jìn)風(fēng)電飛速發(fā)展。

2.1.2 太陽(yáng)能資源與太陽(yáng)能發(fā)電

太陽(yáng)能作為清潔無(wú)污染的可再生能源，已經(jīng)成為解決能源短缺、環(huán)境污染和氣候變化等問(wèn)題的有效途徑。山東省擁有十分豐富的太陽(yáng)能資源，全省年日照時(shí)數(shù)平均為2488h，年太陽(yáng)輻射總量大于500萬(wàn)kJ，相當(dāng)于731億t標(biāo)準(zhǔn)煤，且山東省平原和低矮丘陵面積廣闊，適宜太陽(yáng)能的開發(fā)利用［9－10］。

山東太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用居于世界領(lǐng)先水平［11－12］。相較于太陽(yáng)能熱水器行業(yè)，山東省在太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域起步較晚，尚不具備與江蘇、河北、江西等光伏發(fā)電大省相抗衡的實(shí)力［13］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年全國(guó)太陽(yáng)能光伏電池產(chǎn)量達(dá)到178萬(wàn)kW，比 2007 年增長(zhǎng) 63.6%［14］，太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)正在急劇膨脹［15］。太陽(yáng)能替代傳統(tǒng)能源，為山東省電力產(chǎn)業(yè)低碳化建設(shè)提供了新思路，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境雙重效益。

2.1.3 生物質(zhì)能資源與生物質(zhì)能發(fā)電

生物質(zhì)能資源具有種類多、分布范圍廣、碳近零排放等優(yōu)點(diǎn)，可轉(zhuǎn)化為電力、燃?xì)夂鸵后w燃料等多種高品位能源，是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源形式，并且是綠色、可再生能源。山東是農(nóng)業(yè)大省，中西部地區(qū)是廣袤的平原和低矮丘陵，可發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電。2006年全國(guó)首個(gè)生物質(zhì)秸稈發(fā)電項(xiàng)目在山東單縣建成投產(chǎn)，裝機(jī)容量2.5萬(wàn)kW［16］。根據(jù)山東省“十二五”規(guī)劃，到2015年山東省將建成27個(gè)生物質(zhì)電廠，總裝機(jī)容量達(dá)到141.3萬(wàn)kW。生物質(zhì)電廠投資高、成本高、效率低［17］，這限制了其大規(guī)模發(fā)展，但在碳減排大環(huán)境下，政府應(yīng)在技術(shù)層面，支持相關(guān)部門在生物質(zhì)直燃發(fā)電、生物質(zhì)混煤燃燒、生物質(zhì)作為再燃燃料等方面的探索;在政策層面，給予生物質(zhì)電廠在上網(wǎng)電價(jià)和“碳交易”方面更大的優(yōu)惠。

2.1.4 核能發(fā)電

核能是一種安全、清潔、高效、可靠的能源，是煤炭、石油等傳統(tǒng)化石能源的理想替代者。生產(chǎn)相同的電能，核電成本為火電的80%，所需燃料僅為火電的20萬(wàn)分之一，所需淡水僅為火電的12分之一，且核電能實(shí)現(xiàn)CO2近零排放，其放射性對(duì)環(huán)境影響微乎其微［18－19］。

山東具有發(fā)展核電的條件，2003年開工建設(shè)第一座核電站——海陽(yáng)核電站［18］。據(jù)《山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，山東將規(guī)劃建設(shè)海陽(yáng)、榮成兩個(gè)核電項(xiàng)目和煙臺(tái)核電研發(fā)中心，力爭(zhēng)在2020年初步形成兩個(gè)核電基地。

2.2 高效發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

山東電力產(chǎn)業(yè)低碳化，除了大力發(fā)展低碳發(fā)電技術(shù)外，還必須同時(shí)推廣高效的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)和超臨界/超超臨界發(fā)電技術(shù)，能大幅提高能源轉(zhuǎn)換效率，從而減少單位能耗溫室氣體排放。

2.2.1 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電技術(shù)

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)是把煤氣化潔凈技術(shù)和高效聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)［20］，機(jī)組發(fā)電熱效率達(dá)到43%，且有望突破50%，相比同等裝機(jī)容量的常規(guī)火電機(jī)組，其發(fā)電熱效率高5～7個(gè)百分點(diǎn)，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低25.06%，CO2排放量降低13.73%［21］，通過(guò)變換模塊更容易實(shí)現(xiàn) CO2的富集，若與碳捕捉和封存技術(shù)(CCS)聯(lián)用，碳捕捉成本更為低廉［22］，因而碳近零排放的代價(jià)更低。

IGCC系統(tǒng)復(fù)雜，前期投資大，這是限制其大規(guī)模推廣應(yīng)用的一個(gè)重要因素。但以火電為主導(dǎo)的山東電網(wǎng)，面臨能源緊缺和碳減排的雙重壓力，不得不提高能源利用效率來(lái)實(shí)現(xiàn)電力產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前，山東僅在滕州成功運(yùn)行了一座IGCC多聯(lián)產(chǎn)示范電站，裝機(jī)容量8萬(wàn)kW［22］，今后應(yīng)持續(xù)加大對(duì)IGCC發(fā)電技術(shù)的探索和實(shí)踐，以優(yōu)化山東電力產(chǎn)業(yè)的低碳化路線。

2.2.2 超臨界/超超臨界發(fā)電技術(shù)

超臨界/超超臨界高效發(fā)電技術(shù)是當(dāng)前火電行業(yè)實(shí)現(xiàn)CO2減排最現(xiàn)實(shí)、有效和成熟的技術(shù)。從我國(guó)國(guó)產(chǎn)各類火電機(jī)組設(shè)計(jì)性能比較可知，超超臨界機(jī)組的供電效率比亞臨界機(jī)組提高了3.04個(gè)百分點(diǎn)，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低了120.3gce/kW·h。統(tǒng)計(jì)表明，單位發(fā)電量CO2排放量與火電機(jī)組容量呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系［23］。

在“節(jié)能減排”壓力下，提高火電機(jī)組效率成為電力行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急，發(fā)展超臨界/超超臨界機(jī)組不失為電力行業(yè)的良好選擇。截止2010年，山東省投運(yùn)超臨界機(jī)組11臺(tái)，裝機(jī)容量732萬(wàn)kW;投運(yùn)超超臨界機(jī)組2臺(tái)，裝機(jī)容量200萬(wàn)kW，在建超超臨界機(jī)組4臺(tái)，裝機(jī)容量400萬(wàn)kW，規(guī)劃超超臨界機(jī)組10臺(tái)，裝機(jī)容量1000萬(wàn)kW。2006年“上大壓小”政策開始施行，“十一五”期間，山東省共關(guān)停小火電機(jī)組310臺(tái)，總裝機(jī)容量512萬(wàn)kW，實(shí)現(xiàn)年減原煤消耗800萬(wàn)t，減排CO21890萬(wàn)t;2011年，山東省計(jì)劃繼續(xù)關(guān)停28臺(tái)小火電機(jī)組，總裝機(jī)容量58.4萬(wàn)kW，取而代之的是高效率低排放的超臨界/超超臨界機(jī)組，從而持續(xù)優(yōu)化火電機(jī)組結(jié)構(gòu)，這對(duì)山東電力產(chǎn)業(yè)低碳化具有重大意義。

3 CDM在山東電力產(chǎn)業(yè)的實(shí)施現(xiàn)狀

CDM是《京都議定書》第十二條確定的一個(gè)基于市場(chǎng)的靈活機(jī)制，通過(guò)參與CDM項(xiàng)目，發(fā)達(dá)國(guó)家可以獲得項(xiàng)目經(jīng)核準(zhǔn)的全部或部分減排量(Certified Emissions Reductions，簡(jiǎn)稱 CERs)，發(fā)展中國(guó)家可以獲得發(fā)達(dá)國(guó)家提供的資金或者環(huán)境友好的先進(jìn)技術(shù)，CDM項(xiàng)目合作，不但可以幫助不同國(guó)家、不同行業(yè)履行各自的減排義務(wù)，還能降低全球減排溫室氣體的總體經(jīng)濟(jì)成本［24－27］。

電力行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中最大的CO2排放部門，具有巨大的碳減排空間，通過(guò)CDM項(xiàng)目合作能夠獲得較大的資金、技術(shù)和環(huán)保收益。截止2010年底，我國(guó)已有2847個(gè)項(xiàng)目獲得國(guó)家主管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，預(yù)期年減排 CO24.90 億 t CERs［31］，涉及電力行業(yè)的項(xiàng)目主要集中在高效潔凈的發(fā)電技術(shù)、熱電聯(lián)產(chǎn)、潔凈煤技術(shù)、新能源發(fā)電技術(shù)及電網(wǎng)輸配電管理等方面，其中新能源發(fā)電技術(shù)所占比重最大，超過(guò)70%［29－31］。河北、遼寧、內(nèi)蒙古［32－33］等重工業(yè)省份積極開發(fā)了風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電等CDM項(xiàng)目。山東也是我國(guó)CDM開發(fā)的重點(diǎn)省份之一，CDM項(xiàng)目已經(jīng)初步為山東電力產(chǎn)業(yè)利用國(guó)外資金和先進(jìn)技術(shù)發(fā)展低碳模式進(jìn)行了有益探索。

4 結(jié)語(yǔ)

電力行業(yè)是山東省最大的CO2排放部門，碳減排空間巨大，電力產(chǎn)業(yè)低碳化對(duì)山東省發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)具有重要作用。山東省清潔能源資源豐富，但針對(duì)不同地區(qū)，應(yīng)積極發(fā)展各具特色的清潔能源發(fā)電項(xiàng)目，在沿海地區(qū)及近岸海域，風(fēng)能資源豐富，應(yīng)著重進(jìn)行風(fēng)電基地建設(shè)，中西部平原區(qū)發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電，加大光伏發(fā)電的研究。IGCC耗資巨大、科技含量高，與CCS聯(lián)用可實(shí)現(xiàn)碳近零排放，在資金雄厚、技術(shù)發(fā)達(dá)地區(qū)，可以加大對(duì)IGCC發(fā)電技術(shù)的深入研究，使其機(jī)組容量大型化、系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，更具推廣價(jià)值。超臨界/超超臨界高效發(fā)電技術(shù)是當(dāng)前火電行業(yè)實(shí)現(xiàn)CO2減排最現(xiàn)實(shí)、有效和成熟的技術(shù)，在“上大壓小”政策指導(dǎo)下，今后火電行業(yè)要積極關(guān)停小火電機(jī)組，建設(shè)超臨界/超超臨界機(jī)組，提高機(jī)組效率，降低單位能耗CO2排放量。在大力發(fā)展清潔能源發(fā)電和高效清潔發(fā)電技術(shù)的同時(shí)，電力產(chǎn)業(yè)還應(yīng)積極申報(bào)CDM項(xiàng)目，降低CO2排放水平，完善山東電力產(chǎn)業(yè)低碳化路線。

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Investigation on technical route of low carbon electric power industry in Shandong Province

Shandong releases more than 1 billion tons CO2every year，the power industry accounts for 40 percent，so low －carbon power industry has a pivotal role in Shandong low － carbon economy.Shandong is rich in clean energy，including wind energy source，biomass energy source，etc.According to the plan，Shandong can cut CO2emissions by 10 percent by 2020 because of the development of clean energy plants.Moreover，Shandong runs the first Integrated Gasification Combined Cycle power station of China，compared with the same capacity of coal－ fired plants，IGCC power station can reduce CO2emission by 13.73 percent，combined with the carbon capture and storage technology，it can make a near－ zero emission of CO2.The capacity of Ultra － supercritical/supercritical plants reaches to 9.32 million kW in Shandong，shutting down lots of small plants with the capacity of 6 million kW，which can reduce 21 million tons CO2.The investigation indicate that Shandong sould develope different kinds of clean energy plants in different areas，develope power generation technology with high efficient.CDM should be well developed by power industry to consummate low － carbon route.

power industry;low carbon economic;clean energy;power generation with high efficient;CDM

X701.7

B

1674－8069(2012)03－001－04

山東省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2010RKGB3024)

2012-01-28;

2012-05-02

郭東旭(1986-)，男，河北豐潤(rùn)人，碩士研究生，研究方向?yàn)槿紵c污染物控制。E－mail:sduege@126.com