王永真，朱軼林，康利改，高峰，張靖

（1.清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院，北京市 海淀區(qū) 100084；2.電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市 海淀區(qū) 100084；3.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京市 海淀區(qū) 100190；4.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北省 石家莊市 050018）

0 引言

當(dāng)前，以可再生能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用和全社會(huì)綜合能效優(yōu)化提升為抓手的能源互聯(lián)網(wǎng)、綜合智慧能源等能源戰(zhàn)略新技術(shù)與新業(yè)態(tài)駢興錯(cuò)出，為構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系做出積極實(shí)踐[1-2]。但上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)繞不開(kāi)能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的多目標(biāo)均衡發(fā)展，且隨著中國(guó)“碳中和”目標(biāo)的提出，新技術(shù)新業(yè)態(tài)下能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的定量可持續(xù)性評(píng)價(jià)將成為能源轉(zhuǎn)型研究的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

一般而言，風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響較小，即環(huán)境可持續(xù)性好。但是，可再生能源的大規(guī)模發(fā)展也至少面臨兩方面問(wèn)題：一方面，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中各主要設(shè)備的生產(chǎn)制造涉及傳統(tǒng)能源的消耗及人力的投入，會(huì)間接對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響；另一方面，可再生能源的發(fā)展也離不開(kāi)傳統(tǒng)能源的托底，以平衡、抵消或中和可再生能源的間歇性和波動(dòng)性。進(jìn)而，難以簡(jiǎn)單地從單一的能量、成本或者環(huán)境維度指標(biāo)去規(guī)劃或研判融合高比例可再生能源的能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及流程。

因此，有學(xué)者針對(duì)不同邊界尺度的能源系統(tǒng)，提出采用層次分析、SWOT以及熵權(quán)法的多層次、多維度方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并覆蓋了能源效率、經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境排放等維度指標(biāo)[3-6]。但是，目前電力能源系統(tǒng)的量化可持續(xù)性評(píng)價(jià)鮮有研究，主要原因是很難找到縷清耦合不同發(fā)電方式能源系統(tǒng)的環(huán)境生態(tài)耦合效益模型及指標(biāo)[7]。而源于生態(tài)學(xué)分析的能值分析法（emergy analysis），可以追溯到產(chǎn)品或服務(wù)的開(kāi)始和起源，并關(guān)注其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的最終影響。如文獻(xiàn)[8]基于能值分析法分析了工業(yè)園區(qū)的環(huán)境績(jī)效和可持續(xù)性；文獻(xiàn)[9]運(yùn)用能值分析法，從能值的5個(gè)方面對(duì)中國(guó)沿海11個(gè)省市的生態(tài)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)沿海地區(qū)可持續(xù)發(fā)展提出了建設(shè)性建議。

受能值分析法在生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性評(píng)價(jià)及應(yīng)用上的啟發(fā)，有學(xué)者開(kāi)始將能值分析法用于能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，如文獻(xiàn)[10-11]采用能值分析法對(duì)木薯燃料乙醇生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[12]針對(duì)火電廠提出改進(jìn)的能值評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)比分析新舊兩種優(yōu)化方案的能值合理性；文獻(xiàn)[13]基于能值分析法，建立了園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的能值評(píng)估方法，克服了市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值方法的局限性；文獻(xiàn)[14-15]采用能值分析法和全生命周期法對(duì)余熱驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了可持續(xù)性評(píng)價(jià)。但是，有關(guān)能值方法對(duì)耦合不同發(fā)電技術(shù)的宏觀能源系統(tǒng)的定量可持續(xù)性研究鮮有報(bào)道。

電力能源系統(tǒng)可持續(xù)性的量化評(píng)價(jià)，對(duì)國(guó)家及城市社會(huì)系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)型具有關(guān)鍵指導(dǎo)作用，但能源系統(tǒng)的可持續(xù)性評(píng)價(jià)與能源資源稟賦、能源轉(zhuǎn)化效率、能源設(shè)備投資及勞動(dòng)力投入高度耦合。因此，本文基于能值分析理論建立了風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電和水力發(fā)電的可持續(xù)性綜合評(píng)價(jià)體系，并對(duì)中國(guó)未來(lái)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)及能值的能量、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境可持續(xù)性綜合評(píng)價(jià)。

1 計(jì)及能值的電力能源系統(tǒng)綜合評(píng)估方法

1.1 能值分析基本原理及能值可持續(xù)指數(shù)概述

能值理論提出，地球上除了深層地?zé)嵬?，幾乎所有能量均可歸于太陽(yáng)能。因此，能值理論認(rèn)為，能量或物質(zhì)具有的太陽(yáng)能能值就是其在形成過(guò)程中通過(guò)各種形式使用到的太陽(yáng)能總量，其單位是“太陽(yáng)能焦耳”（solar emjoules，sej）。進(jìn)而可以能值為單位，衡量其他所有等級(jí)、種類的能量，即可以統(tǒng)一發(fā)電系統(tǒng)全生命周期過(guò)程中本址內(nèi)外能源燃料的輸入、能源設(shè)備資產(chǎn)投入、建設(shè)及運(yùn)維勞力的投入等。具體操作上，能值分析通過(guò)能值轉(zhuǎn)換率（transformity，每單位物質(zhì)或能量所具有的能值）實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物質(zhì)及能量的種類和數(shù)量的轉(zhuǎn)換[16]。如圖1所示，根據(jù)不同發(fā)電方式的特點(diǎn)，運(yùn)用能值分析理論，繪制出能值流程圖。能源系統(tǒng)的輸入能值包括本地可再生能源的能值R、社會(huì)經(jīng)濟(jì)投入的能值F（包含運(yùn)維、人力、資產(chǎn)三部分）、投入的不可再生能源的能值N，如式（1）所示，能源系統(tǒng)產(chǎn)出的能源產(chǎn)品的能值Y滿足

圖1 系統(tǒng)能值分析示意圖Fig.1 Schematic diagram of system emergy analysis

能值分析中的能值轉(zhuǎn)換率是指形成每單位某種能量或物質(zhì)過(guò)程中直接或間接消耗的太陽(yáng)能總量，其測(cè)算方法為單位物質(zhì)所具有的太陽(yáng)能除以其包含的能量，以太陽(yáng)能焦耳/焦耳為單位，記作sej/J。實(shí)際上，生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的能值流總是從總量多向總量少的能量流動(dòng)、從能質(zhì)低向能質(zhì)高的能量等級(jí)轉(zhuǎn)化，相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換率同步提高[17]。

而能值可持續(xù)指數(shù)（emergy sustainability index,ESI）常被用來(lái)反映國(guó)家、地區(qū)或研究對(duì)象的生產(chǎn)效率和環(huán)境壓力，是研究對(duì)象完整運(yùn)行周期內(nèi)能值產(chǎn)出率與環(huán)境負(fù)荷率的比值，如式（2）所示。

式中：ELR為環(huán)境負(fù)載率（environmental loading ratio），是系統(tǒng)不可再生能源投入能值與可再生能源投入能值之比（如式（3）所示），其為衡量生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的壓力指標(biāo)，該指標(biāo)值越大，則環(huán)境壓力越大；EYR為能值產(chǎn)出率（emergy yield ratio），是產(chǎn)出能值與經(jīng)濟(jì)輸入能值之比（如式（4）所示），經(jīng)濟(jì)輸入能值來(lái)源包括燃料、各種生產(chǎn)資料及勞務(wù)，能值產(chǎn)出率值越高表明相同的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)能值投入所生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品能值越高，即生產(chǎn)效率越高。

1.2 計(jì)及能值的不同發(fā)電技術(shù)綜合評(píng)價(jià)體系

能值可持續(xù)指數(shù)可評(píng)價(jià)研究對(duì)象的環(huán)境可持續(xù)發(fā)展程度，為更全面、系統(tǒng)地考慮不同發(fā)電技術(shù)的綜合性能，在考慮不同發(fā)電技術(shù)的發(fā)電效率、全生命周期成本的基礎(chǔ)上，本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，構(gòu)建了計(jì)及能值可持續(xù)指數(shù)的能源系統(tǒng)能源環(huán)境、技術(shù)效率以及經(jīng)濟(jì)成本的綜合評(píng)價(jià)體系，用于融合不同類型發(fā)電系統(tǒng)的中國(guó)電力能源系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展程度綜合評(píng)價(jià)，如圖2所示。

圖2 計(jì)及能值的不同電力系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)體系Fig.2 Comprehensive evaluation system of different power systems based on emergy

綜合評(píng)價(jià)的具體步驟如下。

1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。為進(jìn)行能值可持續(xù)指數(shù)、發(fā)電效率以及全生命周期成本的不同量綱指標(biāo)的比較，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理，即求解不同指標(biāo)數(shù)值對(duì)應(yīng)的隸屬度。對(duì)于數(shù)值越大越優(yōu)的遞增型指標(biāo)，其隸屬度按照式（5）計(jì)算；反之，按照式（6）計(jì)算。

式中：Xi(K)表示原始評(píng)價(jià)指標(biāo)值；maxXi(K)表示各方案同一指標(biāo)中數(shù)值的最大值；minXi(K)表示各方案同一指標(biāo)中數(shù)值的最小值；xi(k)表示經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理的無(wú)量綱值；i表示運(yùn)行方案號(hào)；k、K表示性能指標(biāo)號(hào)。

2）產(chǎn)生理想方案。在各個(gè)備選系統(tǒng)中選擇各指標(biāo)的最佳數(shù)值，對(duì)于遞增型指標(biāo)，應(yīng)選擇最大的值，即越大越好；相反，對(duì)于遞減型指標(biāo)，應(yīng)選擇最小的值，即越小越好。本文計(jì)算時(shí)記為x0(k)。

3）計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。按照式（7）和（8）計(jì)算每個(gè)指標(biāo)下各方案的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)能反映出相應(yīng)指標(biāo)下各方案與理想方案的“距離”，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)越大，則與最優(yōu)指標(biāo)距離越小，即越接近“最優(yōu)”。

式中：p為分辨系數(shù)，本文取p=0.5。

4）灰色關(guān)聯(lián)排序。據(jù)式（9）和（10），對(duì)各方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，可得到各方案綜合性能的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)R排序。

式中：wj為不同屬性指標(biāo)的權(quán)重，即各指標(biāo)對(duì)方案綜合性能的影響重要程度，由決策者根據(jù)意愿和經(jīng)驗(yàn)給定。在傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)分析方法中，通常把各指標(biāo)的權(quán)重均衡對(duì)待，即各個(gè)指標(biāo)權(quán)重相等。

2 不同發(fā)電方式案例分析

2.1 案例參數(shù)選擇

基于中國(guó)電力系統(tǒng)的主要電源結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢(shì)，本文選取具有代表性的光伏、風(fēng)電、水電、燃?xì)庖约叭济旱?種發(fā)電技術(shù)作為研究對(duì)象。其中，風(fēng)力發(fā)電選取由1.5 MW風(fēng)機(jī)組成的48 MW風(fēng)電場(chǎng)為研究對(duì)象，并設(shè)風(fēng)電場(chǎng)輪轂高度處年平均風(fēng)速為5.59 m/s，風(fēng)電場(chǎng)容量系數(shù)為19.69%[18]；光伏發(fā)電以某5 MW光伏發(fā)電機(jī)組為對(duì)象[19]，晶片面積為77.36 cm2；燃煤發(fā)電以超臨界600 MW燃煤發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，煤耗量為200.15 t/h；燃?xì)獍l(fā)電以600 MW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，廠用電率為5.05%[20]；水力發(fā)電以裝機(jī)容量為85 MW的水電站為研究對(duì)象[21-22]。

在不同發(fā)電模式下，依據(jù)中國(guó)的電力系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)繪制能值分析圖，如圖3所示。依據(jù)能值計(jì)算規(guī)則，計(jì)算得到表A1所示的能值表。其中，為方便5種發(fā)電模式橫向比較，系統(tǒng)產(chǎn)出的能源產(chǎn)品的能值Y設(shè)為電能108kWh。同時(shí)，考慮當(dāng)前主流的燃煤及燃?xì)獍l(fā)電模式下均有一定的副產(chǎn)物，即燃煤采用基于脫硫石膏利用技術(shù)的發(fā)電模式，燃?xì)獠捎美錈犭娐?lián)產(chǎn)的發(fā)電模式。光伏發(fā)電能值=用地面積×太陽(yáng)年平均輻射能；風(fēng)力發(fā)電能值=用地面積×空氣層高度×空氣密度×渦旋擴(kuò)散系數(shù)×風(fēng)速梯度變化率×太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)化率。最后，由于本文中的5個(gè)系統(tǒng)建立在同一時(shí)空下，可認(rèn)為同一種能量流的能值轉(zhuǎn)化率相同。

2.2 不同發(fā)電技術(shù)的能值可持續(xù)性評(píng)價(jià)

圖4給出了5種發(fā)電系統(tǒng)能值評(píng)價(jià)的大小對(duì)比?？梢钥闯觯环矫?，就環(huán)境負(fù)載率而言，燃煤、燃?xì)獾然茉窗l(fā)電模式的環(huán)境負(fù)載率遠(yuǎn)高于風(fēng)電、光伏、水電等可再生能源?？稍偕茉聪到y(tǒng)的環(huán)境負(fù)載率均小于1，而化石能源的環(huán)境負(fù)載率很高，燃?xì)獍l(fā)電的環(huán)境負(fù)載率高達(dá)11.79，煤電次之，為10.36?；茉喘h(huán)境負(fù)載率的均值約為可再生能源的40倍，是由于化石能源發(fā)電模式運(yùn)行階段消耗了大量的不可再生能源，增加了不可再生能源的能值。

另一方面，就能值產(chǎn)出率而言，水電的能值產(chǎn)出率最高，達(dá)到7.68，反映在其較高的生產(chǎn)效率，主要原因是在相同的電能產(chǎn)出下，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)投入的能值F相對(duì)最小。風(fēng)電次之，為7.44，而燃煤的能值產(chǎn)出率最低，為5.48?；茉吹哪苤诞a(chǎn)出率與新能源相差不大，主要原因是化石能源發(fā)電通過(guò)聯(lián)供或者增加副產(chǎn)物的方式提高了生產(chǎn)效率。光伏由于其發(fā)電效率較低，需要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)投入的能值較高，能值產(chǎn)出率低于風(fēng)電。

能值可持續(xù)指數(shù)與能值產(chǎn)出率成正比，與環(huán)境負(fù)載率成反比，即一個(gè)系統(tǒng)的能值產(chǎn)出率高而環(huán)境負(fù)載率低，則該系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展水平較高。如圖4所示，5種發(fā)電模式中，光伏、風(fēng)電、水電等可再生能源的能值可持續(xù)指數(shù)遠(yuǎn)高于燃?xì)?、燃煤等化石能源發(fā)電的能值可持續(xù)指數(shù)，其均值約為化石能源發(fā)電模式均值的56倍。風(fēng)電的能值可持續(xù)指數(shù)最高，達(dá)到47.93；煤電的能值可持續(xù)指數(shù)最低，僅為0.53。相比于燃?xì)?、燃煤等傳統(tǒng)化石能源發(fā)電，風(fēng)電基本不需要消耗不可再生能源；相較于水電，風(fēng)電前期投資成本低；相較于光伏發(fā)電，風(fēng)電的轉(zhuǎn)化效率高，因而風(fēng)電的可持續(xù)指數(shù)最高。

圖3 不同發(fā)電系統(tǒng)能值圖Fig.3 Emergy diagram of different power generation systems

圖4 系統(tǒng)能值評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results of system emergy evaluation index

圖5 光伏的環(huán)境負(fù)載率敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis of photovoltaic environmental loading ratio

圖6 光伏的能值可持續(xù)指數(shù)敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of photovoltaic emergy sustainability index

本文的參數(shù)是基于個(gè)案以及現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平的，為更好辨識(shí)未來(lái)風(fēng)電和光伏在能值可持續(xù)性方面的優(yōu)劣，圖5給出了風(fēng)電與光伏在環(huán)境負(fù)載率方面的敏感性分析，f/F為改變后光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)投入f與當(dāng)前光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)投入F的比值。在其他條件不變時(shí)，當(dāng)光伏發(fā)電的社會(huì)經(jīng)濟(jì)投入降低為當(dāng)前的77.2%，即9.09×1017sej，光伏發(fā)電的環(huán)境負(fù)載率與風(fēng)電相當(dāng)，即0.16。同理，圖6給出了風(fēng)電與光伏在能值可持續(xù)指數(shù)方面的敏感性分析。其他條件不變時(shí)，當(dāng)光伏發(fā)電的社會(huì)經(jīng)濟(jì)投入降低為當(dāng)前的75.3%，即8.67×1017sej，光伏發(fā)電的能值可持續(xù)指數(shù)與風(fēng)電的相當(dāng)，即47.93。

2.3 計(jì)及能值的不同發(fā)電技術(shù)綜合評(píng)價(jià)

圖7給出了5種發(fā)電方式的發(fā)電效率、全生命周期發(fā)電成本以及能值可持續(xù)指數(shù)的對(duì)比，因3種指標(biāo)的單位不同，以每種指標(biāo)的最大值為基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)幺化處理。其中，光伏以功率為275 W的60片單晶硅光伏組件為研究對(duì)象，效率值取16.9%[23]；風(fēng)電的效率由風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片效率、發(fā)電機(jī)效率及控制逆變器轉(zhuǎn)化效率3部分組成，取系統(tǒng)總效率為22%[24]；水力發(fā)電效率由水輪機(jī)效率及發(fā)電機(jī)效率組成，系統(tǒng)總效率為88%；燃?xì)獍l(fā)電選用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)方式，平均效率設(shè)為45%[25]；燃煤發(fā)電效率一般為40%左右，本文選取泰州電廠二期工程建設(shè)的2臺(tái)百萬(wàn)kW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)發(fā)電效率47.92%[26]。另外，不同發(fā)電技術(shù)的全生命周期成本包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本、制造成本、采購(gòu)成本、使用成本、維修保養(yǎng)成本、廢棄處置成本等[27-28]，本文選取的是每年評(píng)估各類能源發(fā)電的全生命周期平準(zhǔn)化成本[29]。

由圖7可以看出，風(fēng)電的能值可持續(xù)指數(shù)最優(yōu)，且新能源發(fā)電方式的能值可持續(xù)指數(shù)明顯優(yōu)于化石能源發(fā)電方式。而在2種傳統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，水力發(fā)電效率最高，燃?xì)獍l(fā)電的全生命周期成本最低。不同發(fā)電方式在3種指標(biāo)下各有優(yōu)劣，難以從單一維度選取最優(yōu)的發(fā)電方式，需要進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

圖7 2020年不同發(fā)電方式的評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.7 Evaluation results of different power generation methods in 2020

圖8給出了不同權(quán)重分配下的發(fā)電技術(shù)灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)發(fā)電效率、經(jīng)濟(jì)成本、能值可持續(xù)指數(shù)的權(quán)重分配為（0.33,0.33,0.33）時(shí)，得益于水電在能值可持續(xù)指數(shù)以及發(fā)電效率方面的優(yōu)勢(shì)，水力發(fā)電的綜合評(píng)估結(jié)果最大，為1.0，綜合性能最好，燃煤的綜合評(píng)估結(jié)果最差，僅為0.52；當(dāng)發(fā)電效率、經(jīng)濟(jì)成本、能值可持續(xù)指數(shù)的權(quán)重分配為（0.10,0.30,0.60）時(shí)，得益于風(fēng)電在能值可持續(xù)指數(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，風(fēng)電的綜合評(píng)估結(jié)果最大，為1.0，綜合性能最好，燃煤的最差，僅為0.25；當(dāng)發(fā)電效率、經(jīng)濟(jì)成本、能值可持續(xù)指數(shù)的權(quán)重分配為（0.20,0.60,0.20）時(shí)，得益于燃?xì)庠诮?jīng)濟(jì)成本方面的優(yōu)勢(shì)，燃?xì)獍l(fā)電的綜合評(píng)估結(jié)果最大，為1.0，綜合性能最好，燃煤的最差，僅為0.55。不難看出，在能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的三角博弈中，中國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)也將逐步突出發(fā)電技術(shù)在環(huán)境可持續(xù)以及碳中和方面的重要性，將通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新與商業(yè)模式的創(chuàng)新，不斷提升可再生能源發(fā)電效率、降低度電成本，進(jìn)而快速提高能源結(jié)構(gòu)中可再生能源電力的比例。

圖8 不同發(fā)電模式的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.8 Evaluation results of different power generation modes

3 基于能值分析的中國(guó)電力能源系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展預(yù)測(cè)

圖9和圖10給出了計(jì)及能值可持續(xù)指數(shù)的2020—2050年中國(guó)能源電力系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)。其中，綜合評(píng)價(jià)所需的中國(guó)能源電力發(fā)展規(guī)劃來(lái)源于《全球能源分析與展望》[30]及《中國(guó)能源大數(shù)據(jù)報(bào)告（2020）》。需要說(shuō)明的是，考慮到石油、核能、生物質(zhì)及其他發(fā)電模式占比相對(duì)較小，圖9和圖10的綜合評(píng)價(jià)計(jì)算過(guò)程中忽略了這部分電源，同時(shí)將2050年作為理想年進(jìn)行度量。

據(jù)《中國(guó)能源大數(shù)據(jù)報(bào)告（2020）》，按2℃溫升情景預(yù)測(cè)，2020年煤電裝機(jī)占56.2%，風(fēng)、光裝機(jī)共占19.5%。到2050年，煤電裝機(jī)僅占13.4%，風(fēng)、光裝機(jī)共占62.2%。由圖9電力能源系統(tǒng)的能值可持續(xù)性評(píng)價(jià)可以看出，2020—2050年，中國(guó)電力能源系統(tǒng)的可持續(xù)指數(shù)將從0.178 2增長(zhǎng)為1.00。圖10取能值可持續(xù)指數(shù)、發(fā)電效率、經(jīng)濟(jì)成本的權(quán)重分配為（0.33,0.33,0.33），結(jié)果表明中國(guó)電力能源系統(tǒng)的綜合發(fā)展指數(shù)從0.378 1增加到1.00。可見(jiàn)，電力結(jié)構(gòu)從以煤炭為主向以清潔能源為主的多元化轉(zhuǎn)變，將帶來(lái)電力能源系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展。

圖9 2020—2050年能值可持續(xù)指數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.9 Emergy sustainability index for 2020-2050

圖10 2020—2050中國(guó)電力能源系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.10 China’s power system comprehensive evaluation indicators for 2020-2050

4 結(jié)論

本文基于能值理論，建立了發(fā)電效率、全生命周期發(fā)電成本及能值可持續(xù)指數(shù)3個(gè)維度的綜合評(píng)價(jià)體系，是對(duì)宏觀電力能源系統(tǒng)可持續(xù)性量化分析的一種嘗試。首先對(duì)光伏、風(fēng)電、水電、燃?xì)饧叭济?種發(fā)電模式的能值可持續(xù)指數(shù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平下，風(fēng)電的能值可持續(xù)指數(shù)最優(yōu)。其次，基于能值分析的中國(guó)電力能源系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展綜合評(píng)價(jià)表明，2020—2050年，中國(guó)電力能源的綜合評(píng)估結(jié)果從0.378 1增加到1.00，表明可再生能源的發(fā)展將促使中國(guó)電力能源系統(tǒng)表現(xiàn)出較高的可持續(xù)發(fā)展力。本文所提出的基于能值分析的電力能源系統(tǒng)可持續(xù)性評(píng)估方法，可用于不同尺度能源系統(tǒng)規(guī)劃的前評(píng)估和后評(píng)估。

本文對(duì)不同發(fā)電模式的評(píng)價(jià)均是在特定技術(shù)經(jīng)濟(jì)背景下進(jìn)行的，能值基準(zhǔn)選取具有一定的不確定性，但同一時(shí)空下橫向?qū)Ρ鹊目傮w結(jié)論不會(huì)變化，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿舾行苑治?。同時(shí)，本文所提電力能源系統(tǒng)的能值可持續(xù)性評(píng)價(jià)是一個(gè)簡(jiǎn)化模型，后期還應(yīng)基于特定的時(shí)空邊界，對(duì)不同電力能源系統(tǒng)的耦合及互補(bǔ)關(guān)系，即多輸入和多輸出能源系統(tǒng)中的能值分?jǐn)傟P(guān)系進(jìn)行細(xì)化研究。

附錄A 發(fā)電系統(tǒng)能值表

表A1 5種發(fā)電系統(tǒng)能值表TableA1 Emergy tableof 5 different power generation systems

續(xù)表