文_張東海 上海市經(jīng)濟信息中心

當(dāng)前上海市發(fā)電結(jié)構(gòu)仍然偏重，在發(fā)電消費的能源中煤炭占比在80%左右，可再生能源僅占5%左右，而要轉(zhuǎn)向依靠核能和可再生能源能源發(fā)電又面臨成本、資金、技術(shù)等難題，因此如何通過發(fā)電結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，確保經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境目標都得以實現(xiàn)并達到最優(yōu)，成為亟待解決的問題。

本文以發(fā)電成本最小化和污染治理成本最小化作為目標，綜合考慮上海市經(jīng)濟增長、資源、溫室氣體減排、污染物減排等約束因素，并結(jié)合發(fā)電成本的變動趨勢，運用加權(quán)和多目標優(yōu)化方法模擬優(yōu)化了2025 年上海市的發(fā)電結(jié)構(gòu)，進一步為上海市發(fā)電結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了相關(guān)決策建議。

1 模型構(gòu)建及數(shù)據(jù)來源

1.1 模型構(gòu)建

目標函數(shù)設(shè)定為總發(fā)電成本最小、二氧化硫污染治理成本最小和氮氧化物污染治理成本最小，發(fā)電成本和污染治理成本會直接影響到發(fā)電企業(yè)的營業(yè)利潤，進而影響到企業(yè)資金的正常運作。

成本、資源、環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展等多種因素，從總發(fā)電成本最小化和污染治理成本的角度建立了如下電力結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型：

其中：染治理成本， f3(x)為總發(fā)電排放氮氧化物污染治理成本，xi

式中：f1(x)為總發(fā)電成本， f2(x)為總發(fā)電排放二氧化硫污為各種發(fā)電能源發(fā)電量，ci為各種能源每發(fā)一度電的發(fā)電成本，si為各種能源每發(fā)一度電的二氧化硫排放治理成本（費用），ni為各種能源每發(fā)一度電的氮氧化物排放治理成本（費用），D 為滿足國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的電力需求，L 為考慮裝機容量和利用時間的發(fā)電技術(shù)和資源約束，Wi為各種能源每發(fā)一度電的二氧化硫排放系數(shù)，iλ 為各種能源每發(fā)一度電的氮氧化物排放系數(shù)，ps為二氧化硫排放控制目標，pn為氮氧化物排放控制目標。

1.2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)上海市電源發(fā)展趨勢判斷，煤機、燃油裝機容量將維持現(xiàn)狀，氣機裝機容量將在當(dāng)前水平下持續(xù)增長，其他新能源發(fā)電裝機預(yù)計將實現(xiàn)翻番。傳統(tǒng)燃煤發(fā)電成本、新型超低排放燃煤發(fā)電成本、燃氣發(fā)電成本，考慮到因成本核算方式的差異和國家對上網(wǎng)電價的管制，采用上網(wǎng)電價替代發(fā)電成本進行計算。此外二氧化硫和氮氧化物污染物的平均治理成本分別按8 元/kg 和9 元/kg 計。隨著技術(shù)升級，新能源發(fā)電成本有持續(xù)下降的預(yù)期，火電發(fā)電煤耗也會下降。參考已有發(fā)電成本和擴散潛力測算結(jié)果，預(yù)計新能源發(fā)電成本將會下降10%～20%。

結(jié)合上海市“十三五”發(fā)電煤耗的變動趨勢分析，預(yù)計煤炭、柴油和天然氣的發(fā)電煤耗將會下降5%～10%。燃煤、燃油、燃氣電廠單位發(fā)電量二氧化硫排放、單位發(fā)電量氮氧化物排放的設(shè)定分別參考上海市同類燃料發(fā)電廠的平均水平。上海市燃煤電廠目前已全部完成超低排放改造后，燃煤電廠單位發(fā)電量二氧化硫排放、單位發(fā)電量氮氧化物排放均遠低于超低排放的績效。燃煤、燃油、燃氣的二氧化碳排放因子參考國家對地方考核計算的排放因子。具體2025 年不同發(fā)電技術(shù)主要參數(shù)假設(shè)如表1 所示。

表1

結(jié)合上海市“十二五”和“十三五”節(jié)能減排和控制溫室氣體工作方案，預(yù)計2025 年二氧化硫、氮氧化物排放控制目標較2020 年下降10%左右，發(fā)電行業(yè)二氧化碳排放增量可設(shè)定在1000 萬t。市外來電起到了東西部地區(qū)優(yōu)勢互補、資源合理配置的作用，但也對上海市本地發(fā)電和輸配電帶來了一定沖擊，因此維持市外來電保持當(dāng)前的水平，也即凈輸入市外來電的比重維持在45%左右。

2 運算結(jié)果及分析

2.1 運算結(jié)果

以上海市“十三五”經(jīng)濟、能源發(fā)展規(guī)劃為基礎(chǔ)，參照劉世錦的研究成果，我國“十四五”時期 GDP 增長較“十三五”時期將進一步放緩，進入中速增長平臺，年均增速在5%～6%之間。上海市在經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展要求下，預(yù)計“十四五”期間GDP增速略高于全國平均增速，進一步結(jié)合上海市近幾年電力彈性系數(shù)，預(yù)計到2025 年上海市用電量將在1850 億～1950 億kWh之間。本文根據(jù)不同電力需求情景進行分析，按1850 億kWh、1900 億kWh 和1950 億kWh 劃分為低、中、高三種情景，采用加權(quán)和法求解多目標優(yōu)化模型，得出2025 年上海市電力結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果如表2 所示。

表2

2.2 結(jié)果分析

煤電作為“壓艙石”的作用仍未改變。無論是低情景還是中情景，在以經(jīng)濟成本作為目標的情況下，燃煤發(fā)電優(yōu)勢明顯，燃煤發(fā)電量都達到裝機容量資源利用的上限，占比在80%左右。由于我國能源的自然稟賦特點，燃煤發(fā)電的經(jīng)濟性相比較燃氣發(fā)電優(yōu)勢依舊非常明顯，在傳統(tǒng)燃煤發(fā)電改造為超低排放后，燃煤發(fā)電在環(huán)保方面的劣勢有所減弱，許多超低排放的案例實踐證明，清潔煤技術(shù)使得燃煤發(fā)電污染物排放強度甚至可以超越燃氣發(fā)電。進一步結(jié)合對電力供應(yīng)安全問題和未來用電規(guī)模的剛性增長約束的考慮，外來電比重需要維持在一定的水平，不宜過早大規(guī)模淘汰煤電。

在低情景和中情景下，可再生能源發(fā)電量也達到了其資源利用的上限，占比提高到了7%左右。這主要是由于隨著風(fēng)電、光電等新能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和進步，新能源和可再生能源發(fā)電成本持續(xù)下降，其在經(jīng)濟性上越來越具有競爭力。但是，上海市受限于當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境等因素限制，風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能和海洋能等新能源和可再生能源的開發(fā)利用還有待進一步提高。

無論是低情景還是中情景下，燃氣發(fā)電都沒有達到其資源利用的上限，占比在12%左右，這主要是受燃氣發(fā)電成本較高的制約。天然氣價格是影響燃氣發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟性最重要的因素，燃氣發(fā)電運營成本中燃料費占比較高，再加上折舊維修和人工等費用，已超過了現(xiàn)行燃機上網(wǎng)電價，這就導(dǎo)致近幾年燃氣發(fā)電企業(yè)主要依靠容量電價維持財務(wù)平衡，部分企業(yè)盈利微薄甚至虧損。

在高情景下，當(dāng)用電量需求達到1950 億kWh，模型優(yōu)化結(jié)果顯示為無可行解，原因是在于經(jīng)濟發(fā)展需求和減排之間的互相沖突，在滿足經(jīng)濟和社會發(fā)展需求的高情景用電量條件下，溫室氣體控制目標則無法實現(xiàn)，因此需要花費更高的成本來降低溫室氣體排放因子。

3 結(jié)論及建議

優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，提高可再生能源發(fā)電比例是應(yīng)對環(huán)保約束的根本，隨著可再生能源發(fā)電成本的持續(xù)下降，其經(jīng)濟性將會逐漸顯現(xiàn)，可有效解決污染物排放和碳排放問題。

加快形成天然氣與煤炭“協(xié)調(diào)發(fā)展、優(yōu)勢互補”的新格局，提高能源利用效率、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，推動天然氣進口來源多元化，多元化的天然氣對降低經(jīng)濟成本、有效降低地緣政治風(fēng)險、維護能源安全等都至關(guān)重要。

建立能源系統(tǒng)預(yù)警機制，充分估計各種不可抗力可能引發(fā)短期能源價格變化產(chǎn)生的經(jīng)濟問題，研究制定能源供應(yīng)保障、能源使用成本降低預(yù)案。