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)能源與動力工程學(xué)院，山東濟南 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)能源與動力工程學(xué)院，山東濟南 250061)

目前山東省年CO2排放量超過10億t，電力行業(yè)的排放量占40%，因此，電力產(chǎn)業(yè)低碳化對山東省發(fā)展低碳經(jīng)濟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)電實現(xiàn)年減排CO210%;國內(nèi)首座整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)項目于山東投產(chǎn)，與相同裝機容量燃煤電廠相比，其CO2排放量降低13.73%，若與碳捕捉和封存(CCS)技術(shù)聯(lián)用，可實現(xiàn)CO2近零排放;山東省超臨界/超超臨界機組裝機容量達932萬kW，關(guān)停小機組600萬kW，年減排CO22100萬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，鼓勵電力產(chǎn)業(yè)積極借助清潔發(fā)展機制(CDM)，完善低碳路線。

電力產(chǎn)業(yè);低碳經(jīng)濟;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)注的焦點問題，由此而產(chǎn)生的全球氣候變暖業(yè)已是一個不爭的事實。巨量排放的CO2是造成溫室效應(yīng)的罪魁禍首，因此發(fā)展“低碳經(jīng)濟”自英國于2003年首次提出以來，已得到世界各國的廣泛認可?！暗吞冀?jīng)濟”以減少溫室氣體排放為目標，旨在改變傳統(tǒng)的高耗能、高排污的經(jīng)濟增長模式，構(gòu)筑低耗能、低污染的可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟體系。

電力行業(yè)已然成為我國最大的CO2排放部門，其排放的CO2占我國排放總量的38.76%［1］，電力行業(yè)走低碳化道路對我國減排CO2具有重大意義。山東電力行業(yè)以火電為主，未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)，這種格局難以改變［2］，碳減排任重而道遠，電力產(chǎn)業(yè)低碳化對山東省發(fā)展低碳經(jīng)濟起著至關(guān)重要的作用。因此，有必要對山東電力產(chǎn)業(yè)進行深入調(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經(jīng)濟發(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)機組構(gòu)成

近年，山東經(jīng)濟一直保持迅猛的發(fā)展勢頭，經(jīng)濟總量一直位居全國前三位，但其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，第二產(chǎn)業(yè)比重過大，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年以來山東省一次能源消費量和一次能源結(jié)構(gòu)統(tǒng)計可以看出，山東一次能源消費量持續(xù)增長，2009年達到34536萬t標準煤，且煤炭在一次能源中所占比例過大，一直維持在80%左右，雖然近兩年比重有下降趨勢，但煤炭消費的主導(dǎo)地位在短期內(nèi)不會改變。山東電網(wǎng)基本上就是一個火電系統(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，但在未來相當(dāng)長時間內(nèi)火電的主導(dǎo)地位仍不可撼動。據(jù)統(tǒng)計，山東省每年CO2排放總量超過10億t［4］，其中電力行業(yè)的排放量高達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)濟首要解決的問題。

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

進入21世紀以來，風(fēng)電是全球范圍內(nèi)發(fā)展最快的能源形式，11年里其裝機容量增長了10倍，達到19440萬kW［5］。我國是風(fēng)能資源大國，近幾年風(fēng)電發(fā)展迅速，《2010年中國風(fēng)電裝機容量統(tǒng)計》顯示，我國累計風(fēng)電裝機容量已經(jīng)達到4473萬kW，躍居世界第一位。山東省擁有漫長的海岸線，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35座，總裝機容量182.94萬kW，裝機規(guī)模位列全國第七位［6］。今后，在“山東海上風(fēng)電規(guī)劃”的指導(dǎo)下，山東省將重點在威海、煙臺、濱州、東營、濰坊、青島等地近海海域建設(shè)大型風(fēng)電場，到2020年，海上風(fēng)電裝機容量達到1000萬kW［7］。發(fā)展風(fēng)力發(fā)電不僅具有經(jīng)濟效益，其環(huán)境效益也是不可估量的。

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的同時也暴露出許多亟待解決的問題。就山東省而言，風(fēng)電裝備企業(yè)規(guī)模相對較小，風(fēng)電裝備市場基本由省外和國外企業(yè)占有;風(fēng)電裝備企業(yè)的技術(shù)水平相對較低，關(guān)鍵部件的生產(chǎn)受制于國外先進技術(shù);山東電網(wǎng)基本上是一個火電系統(tǒng)，按照山東電網(wǎng)目前的負荷特性和調(diào)峰能力計算，到2015年可消納的最大風(fēng)電裝機容量僅為400萬kW左右，不能滿足山東省風(fēng)電裝機發(fā)展目標。

山東省風(fēng)電場情況與英國類似，都是海上風(fēng)電資源豐富。目前英國海上風(fēng)電裝機容量占世界海上風(fēng)電總裝機容量的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)對風(fēng)電市場的助推作用［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行為緊密聯(lián)系起來，保障風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展。山東省可以此為藍本，開辟適合本省省情的“政策+市場+金融”模式，破解困擾山東發(fā)展風(fēng)電的瓶頸，推進風(fēng)電飛速發(fā)展。

2.1.2 太陽能資源與太陽能發(fā)電

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

山東太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用居于世界領(lǐng)先水平［11－12］。相較于太陽能熱水器行業(yè)，山東省在太陽能光伏發(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)電大省相抗衡的實力［13］。據(jù)統(tǒng)計，2008年全國太陽能光伏電池產(chǎn)量達到178萬kW，比 2007 年增長 63.6%［14］，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)正在急劇膨脹［15］。太陽能替代傳統(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，可轉(zhuǎn)化為電力、燃氣和液體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年全國首個生物質(zhì)秸稈發(fā)電項目在山東單縣建成投產(chǎn)，裝機容量2.5萬kW［16］。根據(jù)山東省“十二五”規(guī)劃，到2015年山東省將建成27個生物質(zhì)電廠，總裝機容量達到141.3萬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20萬分之一，所需淡水僅為火電的12分之一，且核電能實現(xiàn)CO2近零排放，其放射性對環(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——海陽核電站［18］。據(jù)《山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，山東將規(guī)劃建設(shè)海陽、榮成兩個核電項目和煙臺核電研發(fā)中心，力爭在2020年初步形成兩個核電基地。

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)合的先進動力系統(tǒng)［20］，機組發(fā)電熱效率達到43%，且有望突破50%，相比同等裝機容量的常規(guī)火電機組，其發(fā)電熱效率高5～7個百分點，供電標準煤耗降低25.06%，CO2排放量降低13.73%［21］，通過變換模塊更容易實現(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實現(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行了一座IGCC多聯(lián)產(chǎn)示范電站，裝機容量8萬kW［22］，今后應(yīng)持續(xù)加大對IGCC發(fā)電技術(shù)的探索和實踐，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)實現(xiàn)CO2減排最現(xiàn)實、有效和成熟的技術(shù)。從我國國產(chǎn)各類火電機組設(shè)計性能比較可知，超超臨界機組的供電效率比亞臨界機組提高了3.04個百分點，供電標準煤耗降低了120.3gce/kW·h。統(tǒng)計表明，單位發(fā)電量CO2排放量與火電機組容量呈明顯負相關(guān)關(guān)系［23］。

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

3 CDM在山東電力產(chǎn)業(yè)的實施現(xiàn)狀

CDM是《京都議定書》第十二條確定的一個基于市場的靈活機制，通過參與CDM項目，發(fā)達國家可以獲得項目經(jīng)核準的全部或部分減排量(Certified Emissions Reductions，簡稱 CERs)，發(fā)展中國家可以獲得發(fā)達國家提供的資金或者環(huán)境友好的先進技術(shù)，CDM項目合作，不但可以幫助不同國家、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)濟成本［24－27］。

電力行業(yè)是我國國民經(jīng)濟中最大的CO2排放部門，具有巨大的碳減排空間，通過CDM項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，我國已有2847個項目獲得國家主管機構(gòu)批準，預(yù)期年減排 CO24.90 億 t CERs［31］，涉及電力行業(yè)的項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、太陽能光伏發(fā)電等CDM項目。山東也是我國CDM開發(fā)的重點省份之一，CDM項目已經(jīng)初步為山東電力產(chǎn)業(yè)利用國外資金和先進技術(shù)發(fā)展低碳模式進行了有益探索。

4 結(jié)語

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)低碳化對山東省發(fā)展低碳經(jīng)濟具有重要作用。山東省清潔能源資源豐富，但針對不同地區(qū)，應(yīng)積極發(fā)展各具特色的清潔能源發(fā)電項目，在沿海地區(qū)及近岸海域，風(fēng)能資源豐富，應(yīng)著重進行風(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)用可實現(xiàn)碳近零排放，在資金雄厚、技術(shù)發(fā)達地區(qū)，可以加大對IGCC發(fā)電技術(shù)的深入研究，使其機組容量大型化、系統(tǒng)簡單化，更具推廣價值。超臨界/超超臨界高效發(fā)電技術(shù)是當(dāng)前火電行業(yè)實現(xiàn)CO2減排最現(xiàn)實、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)停小火電機組，建設(shè)超臨界/超超臨界機組，提高機組效率，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，電力產(chǎn)業(yè)還應(yīng)積極申報CDM項目，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)研究計劃項目(2010RKGB3024)

2012-01-28;

2012-05-02

郭東旭(1986-)，男，河北豐潤人，碩士研究生，研究方向為燃燒與污染物控制。E－mail:sduege@126.com