張宇超

基于綠色低碳發(fā)展的區(qū)域發(fā)電能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張宇超

張宇超 劉正中 張成林 吳悅?cè)A

山東大學(xué)電氣工程學(xué)院

前言

研究背景

習(xí)主席在2014年6月13日主持召開中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組會議，就推動能源生產(chǎn)和消費革命提出了五點要求，其中第三點要求指出：“推動能源技術(shù)革命，帶動產(chǎn)業(yè)升級。以綠色低碳為方向，分類推動技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新，把能源技術(shù)及其關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)培育成帶動中國產(chǎn)業(yè)升級的新增長點。”就習(xí)主席提出的要求來看，以綠色低碳為方向的能源革命已刻不容緩，在此背景下，本文以中國區(qū)域發(fā)電能源的結(jié)構(gòu)優(yōu)化為導(dǎo)向，低碳排放為目標(biāo)，具體數(shù)學(xué)模型為分析基礎(chǔ)，為我國電力發(fā)展提出合理的建議和措施。

研究意義

我國一次能源以煤炭為主，隨著經(jīng)濟發(fā)展對電力需求的不斷增長，大量燃煤發(fā)電對環(huán)境的影響也越來越大。2005年，我國發(fā)電用煤10.75億t，如果保持該比例，2020年電煤需求將達20億t。近年來，我國利用清潔能源發(fā)電的技術(shù)日漸成熟，與火電相比，利用清潔能源發(fā)電不排放二氧化碳等溫室氣體，而且還可以減少煤炭的開采與燃燒總量。利用清潔能源發(fā)電不僅是電力工業(yè)追求低碳發(fā)展的有效途徑，也將是一項減緩溫室效應(yīng)的重要措施。

發(fā)電能源分析

火電

目前，火電仍占據(jù)我國發(fā)電端的主導(dǎo)地位，然而火電發(fā)電量雖然在逐年遞增，但是每年的增長量卻是逐年遞減。由于在未來20年甚至更長時間內(nèi)，煤電在我國發(fā)電能源中仍占主導(dǎo)地位，因此如何建立以火電為主的電力結(jié)構(gòu)是火電企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。

水電

我國各地區(qū)水電近20年發(fā)展迅速，西南地區(qū)1995年到2012年水力發(fā)電量增幅達488.34％，達到3157.76億kW/h。中南地區(qū)增幅為273.43％，達到2663.14億kW/h。華北與華東總量最少，為65.85億kkW/h。我國水力資源豐富，技術(shù)可開發(fā)量巨大，但水力發(fā)電量比例與歐美等發(fā)達國家相比還是有差距。水電作為潛力巨大且十分清潔的可再生能源務(wù)必要受到重視。

風(fēng)電

根據(jù)國家氣象局資料，我國在陸地上離地面10m高度風(fēng)能資源儲量約為32.26億kW，可開發(fā)利用的資源量為2.5億kW，近?？砷_發(fā)和利用的風(fēng)能儲量有7.5億kW，風(fēng)能資源合計可開發(fā)量有10億kW以上其富集區(qū)主要在西北、華北北部、東北及西南等地區(qū)。由于風(fēng)能是清潔可再生能源，風(fēng)電的使用，相當(dāng)于節(jié)省相同數(shù)量電能所需的礦物燃料。

核電

國家核電中長期發(fā)展規(guī)劃指出：到2020年，核電運行裝機容量爭取達到4000萬kW，核電年發(fā)電量達到2600-2800億kW/h，在目前在建和運行核電容量1696.8萬kW的基礎(chǔ)上，新投產(chǎn)核電裝機容量約2300萬kW。一般我們認(rèn)為核電是零排放的，那么同等裝機容量下，以1300W裝機為例，煤電的CO2、SO2等溫室氣體排放量每年合計大約為990萬噸，而核電沒有溫室氣體的排放。

太陽能發(fā)電

我國蘊藏著豐富的太陽能資源，全國三分之二的國土面積年日照小時數(shù)在2200小時以上，年太陽福射總量大于每平方米5000兆焦，在陸地表面上每年接受太陽福射能相當(dāng)于49000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約等于上萬個三峽工程發(fā)電量的總和，若能充分有效地利用太陽能發(fā)電，對于減少燃煤碳排放將具有很大的意義。

電力結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

REAO模型

利用REAO模型對各類能源權(quán)重進行規(guī)劃，該模型有兩個部分：①基于層次分析法（AHP）的能源綜合評價部分，從經(jīng)濟、技術(shù)、資源和環(huán)境方面設(shè)置核心指標(biāo)，對不同能源發(fā)展進行綜合評價；②能源發(fā)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化部分，基于綜合評價結(jié)果與線性規(guī)劃模型，以成本、技術(shù)、資源和碳排放為約束條件，目標(biāo)函數(shù)為各種能源組合的綜合最大評分，運用線性規(guī)劃對發(fā)電能源的比例進行優(yōu)化，尋求中國未來能源體系的最優(yōu)配置。

綜合評價方法

1.評價指標(biāo)設(shè)計

在最優(yōu)能源配置目標(biāo)層的約束下，設(shè)置經(jīng)濟、技術(shù)、資源，環(huán)境4項準(zhǔn)則層指標(biāo)，設(shè)置裝機容量、發(fā)電成本、技術(shù)成熟度次準(zhǔn)則層指標(biāo)。指標(biāo)分為定量指標(biāo)與定性指標(biāo)，選擇水電、風(fēng)能、核能、火電、光電5種能源作為評價對象，在分析國內(nèi)外權(quán)威機構(gòu)和學(xué)者相關(guān)研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對各項指標(biāo)進行賦值。

2.指標(biāo)界定及分析

a.經(jīng)濟指標(biāo)。包括兩個核心指標(biāo)：發(fā)電成本和裝機容量。發(fā)電成本為定量指標(biāo)，參考國內(nèi)能源行業(yè)平均水平。裝機容量為定量指標(biāo)，表征能源的利用現(xiàn)狀。

b.技術(shù)指標(biāo)。主要指標(biāo)包括：能源加工轉(zhuǎn)化效率和技術(shù)成熟度。能源加工轉(zhuǎn)化效率為定量指標(biāo)，表征能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的效率，參考今年國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果來確定5種能源發(fā)電技術(shù)的能源加工轉(zhuǎn)化效率。技術(shù)成熟度為定性指標(biāo)，決定了目前能源發(fā)電應(yīng)用的情況，技術(shù)越成熟說明更容易規(guī)?；瘧?yīng)用。

c.資源指標(biāo)。包括資源可開發(fā)量和分布特征。資源可開發(fā)量為定量指標(biāo)，是技術(shù)條件允許的條件下，某種能源可以被開發(fā)的總量，其決定因素是資源儲量。分布特征為定性指標(biāo)，指能源的區(qū)域分布特點，好的資源分布應(yīng)滿足能源豐富區(qū)距離電力負(fù)荷中心近的要求。

d.環(huán)境指標(biāo)。主要指標(biāo)為碳排放，是定量指標(biāo)，新能源本身幾乎沒有任何碳排放，但在能源產(chǎn)業(yè)整個生命周期內(nèi)，其他環(huán)節(jié)會導(dǎo)致碳排放，具體可參考國際相關(guān)機構(gòu)中的報道數(shù)值加權(quán)平均作為不同新能源全生命周期的碳排放量。而化石能源碳排放則可由歷年數(shù)據(jù)得出。

3.指標(biāo)賦值

對于定量指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)釋義計算或從數(shù)據(jù)庫中獲取；對于定性指標(biāo)，通過專家咨詢及查閱文獻獲得，采取1～10分的評分制，相對條件最大的10分，最小的1分。

4.綜合評價結(jié)果輸出

本文采用單指標(biāo)量化——多指標(biāo)集成的評價方法對5種能源綜合利用進行綜合評價。

單指標(biāo)量化主要是求單項指標(biāo)的數(shù)值，有定性指標(biāo)和定量指標(biāo)。同一準(zhǔn)則層中的指標(biāo)用線性加權(quán)耦合，得到四個準(zhǔn)則層總體綜合評價指數(shù)：能源利用經(jīng)濟指數(shù)、資源指數(shù)、技術(shù)指數(shù)以及環(huán)境指數(shù)，公式：Ui= ∑j=1mAij×Vij式中 Vij是第i準(zhǔn)則層下的第j個指標(biāo)數(shù)值；Aij是該指標(biāo)的權(quán)重，Ui是第i準(zhǔn)則層總體綜合的評價指數(shù)數(shù)值。

多指標(biāo)集成是用線性加權(quán)法把四個準(zhǔn)則層總體綜合的評價指數(shù)最終耦合成能源利用綜合指數(shù)，以此作為5種能源總體綜合評價與對比的基準(zhǔn)。U= ∑i=1nAi×Ui式中U為能源利用綜合指數(shù)；Ai是第i準(zhǔn)則層指標(biāo)對應(yīng)權(quán)重；Ui是第i個準(zhǔn)則層總體綜合評價指數(shù)的數(shù)值。最后根據(jù)5種能源利用綜合指數(shù)的大小進行總體綜合排序。

能源發(fā)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化理念尋求經(jīng)濟、能源與環(huán)境的綜合效益最大化，以綜合評價分值組合最大化為目標(biāo)函數(shù)，成本、技術(shù)、資源和碳排放為四個約束條件，建立如下非線性規(guī)劃組合：

式中h為最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)；Wi為不同能源比重；Eni為不同能源綜合評價分值；Ci，ti，Ti，Si，CO2分別為不同能源成本、技術(shù)發(fā)展前景、技術(shù)可開發(fā)量技術(shù)成熟度，以及二氧化碳排放的未來值為上述變量的現(xiàn)值。

展望

通過以上分析，對我國電力發(fā)展可提出如下建議：合理開發(fā)水電，大力發(fā)展我國水電技術(shù)可開發(fā)量大但已開發(fā)量所占比例不大的地區(qū)，如西南、西北地區(qū)，而在技術(shù)可開發(fā)量較大且開發(fā)比例也較大的地區(qū)建設(shè)小水電并增容擴機，如華東地區(qū)。大力發(fā)展核電，首要解決鈾礦供應(yīng)問題，并提高我國核電站規(guī)?；圃臁惭b、建設(shè)能力。大力開發(fā)風(fēng)電，加強風(fēng)電資源的勘探，促進機組大型化和海上應(yīng)用，解決風(fēng)電并網(wǎng)問題，逐步實現(xiàn)陸地風(fēng)電向近海風(fēng)電擴張。積極探索太陽能熱電技術(shù)，把提高效率和降低成本作為太陽能熱電技術(shù)的首要任務(wù)，為長期技術(shù)路徑提供選擇。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.018