基于碳夾點分析的四川省可再生能源利用

向 波 袁艷平 楊曉嬌 曹曉玲 余南陽

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基于碳夾點分析的四川省可再生能源利用

向 波 袁艷平 楊曉嬌 曹曉玲 余南陽

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

分析了四川省可再生能源資源稟賦、近年來能源消耗及二氧化碳排放情況，基于碳夾點分析，對2015年四川省二氧化碳排放約束下的可再生能源利用問題進行研究。構(gòu)建數(shù)學模型，采用圖解法計算二氧化碳排放總量限制下的可再生能源最小利用量，并將四川省分為四個能源消耗部門，確定各部門可再生能源和常規(guī)能源分配方案。結(jié)果表明：要滿足二氧化碳排放量限制和能源需求量，四川省最小可再生能源需求量為4493.26萬噸標準煤，占總能耗的比重為22.01%，分配到各能源消耗部門為：第一產(chǎn)業(yè)67.17萬噸標準煤、第二產(chǎn)業(yè)4207.33萬噸標準煤、第三產(chǎn)業(yè)80.36萬噸標準煤、居民消費138.4萬噸標準煤。

四川?。惶紛A點；可再生能源；二氧化碳排放；能源分配

0 引言

四川是我國的能耗大省，能源需求仍不斷增長，全省資源品種雖然較齊全，但總量不足、人均資源少[1]，而且化石能源為主的能源消耗結(jié)構(gòu)導致二氧化碳排放量持續(xù)增加，四川省提出了本地區(qū)“十二五”期間的減排目標：2015年單位GDP二氧化碳排放比2010年降低17.5%。開發(fā)利用可再生能源，減少高碳排放的化石能源，調(diào)整能源消耗結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)低碳目標的有效途徑，許多國內(nèi)外學者運用碳夾點技術(shù)解決二氧化碳排放目標約束下的可再生能源利用問題，進行能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

碳夾點技術(shù)源于夾點技術(shù)，而夾點技術(shù)（Pinch Technology）最早是由英國Bodo Linnhoff教授等人于20世紀70年代提出的，起初用于換熱網(wǎng)絡設計，后來不斷推廣應用到更多領(lǐng)域，提出了水夾點、氧夾點、氫夾點、能值夾點、碳夾點等概念[2]。

Linnhoff等[3]利用夾點分析來確定石化企業(yè)的CO2排放目標；Tan等[4]基于夾點的碳約束能源規(guī)劃方法，并首先將圖形夾點法用于碳約束的能源規(guī)劃問題，通過平移能源曲線來確定過程的最小零碳能源用量；Crilly等[5]正式提出了碳夾點分析方法，并將該方法應用于愛爾蘭的電力行業(yè)，對能源供需狀況進行預測和規(guī)劃，為進一步研究區(qū)域能源供應和CO2減排目標提供決策依據(jù)。姚漫等[6]考慮新能源開發(fā)利用的高額成本和碳排放約束，建立總碳排放約束和各自碳排放約束下使用最少零碳排放燃料的能源分配模型，以實現(xiàn)在碳約束下能源供給與需求的均衡，并通過算例分析，將Pinch分析方法求解模型的結(jié)果與線性規(guī)劃求解模型的結(jié)果進行對比，驗證Pinch分析方法的可行性和實用性；張改景等[7]運用碳夾點分析方法對低碳區(qū)域內(nèi)建筑能源和能阱進行分析，設置不同的情景，確定區(qū)域內(nèi)建筑最小清潔能源用量和區(qū)域能源結(jié)構(gòu)分配；祝一波等[8]在現(xiàn)有碳夾點分析技術(shù)的研究基礎上，考慮經(jīng)濟性因素對可再生能源利用的制約，引入邊界成本的概念，在碳夾點分析的數(shù)學模型中添加經(jīng)濟性約束條件。

梁琳琳等[9]運用碳夾點方法，實證分析了我國政府承諾的2020年碳減排目標下的能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化；胡曉岑等[10]運用碳夾點對湖北省2020年二氧化碳排放限制目標下的能源消費結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并將湖北省分為三個不同的能源需求模擬區(qū)域，進而確定每個區(qū)域排放限制下的能源消費結(jié)構(gòu)；唐建榮等[11]基于碳夾點圖解技術(shù)，計算2020年江蘇全省在碳排總量約束下的最少清潔能源需求量、化石燃料分配額及對應的碳排放量，兼顧各行業(yè)的碳排放約束，合理分配各行業(yè)的能源消耗量及碳減排任務。

上述文獻研究了碳夾點分析的理論模型，并將其實證應用到區(qū)域、省級、國家級能源消費結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題?；谝陨涎芯?，本文通過分析四川省過去幾年能源消耗結(jié)構(gòu)和二氧化碳排放，運用碳夾點圖解法確定二氧化碳排放限制下2015年四川省最小可再生能源利用量，確定各部門的能源分配方案，為區(qū)域能源應用規(guī)劃提供參考。

1 碳夾點分析數(shù)學模型

根據(jù)國內(nèi)外學者的研究，碳夾點分析法可以構(gòu)建如下的數(shù)學模型[2,7,9]：

約束條件：

式中：F為可再生能源供應量，kJ；W為能源供應中能源未被利用的能源部分，kJ；F為能源的需求來自能源的能源供應量，kJ；S為能源的供應量，kJ；D為能源的需求量，kJ；C為能源供應的二氧化碳排放因子，t/kJ；C為能源需求的二氧化碳排放因子。

2 四川省能源利用概況分析

2.1 四川省可再生能源資源概況

本文所述可再生能源包括太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能和水電，并把可再生能源的二氧化碳排放系數(shù)視為零。四川省位于中國大陸西南腹地，太陽能蘊藏量80萬億噸標準煤/年，川西地區(qū)太陽能豐富，年總輻射量4200～6700MJ/m2，年日照時數(shù)1600～2600小時[12]；以德昌為中心的安寧河谷、茂縣為中心的岷江河谷、丹巴為中心的大渡河谷地區(qū)是四川風力資源的集中地帶；四川省農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便等生物質(zhì)能源豐富；境內(nèi)發(fā)達的水系和較好的土壤條件適合淺層地熱能的開發(fā)和利用。由此可見，四川省可再生能源利用潛力很大。

2.2 四川省近年能源消耗結(jié)構(gòu)和二氧化碳排放情況

四川省2005～2013年能源消耗量及二氧化碳排放量變化如圖1所示。由圖知，2005～2013年間，四川省能源消耗結(jié)構(gòu)以化石燃料為主，各品種能源的消耗量都呈逐年上升趨勢，其中煤炭消耗的比重最大，水電、核電等清潔能源所占比例很小。四川省二氧化碳排放量由2005年的20153萬噸增加到2013年的40025萬噸，年增長率為8.9%，從圖中可以看出，二氧化碳排放量與煤炭消耗量的變化趨勢基本一致，說明二氧化碳排放量與煤炭消耗量有很大關(guān)系。

圖1 四川省2005～2013年能源消耗量及二氧化碳排放量[13]

2.3 2015年四川省能源消耗及二氧化碳排放分析

根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒》將能源消耗部門分為第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和居民消費。第一產(chǎn)業(yè)包括農(nóng)、林、牧、漁業(yè)；第二產(chǎn)業(yè)包括工業(yè)和建筑業(yè)；第三產(chǎn)業(yè)包括交通運輸、倉儲和郵政業(yè)，批發(fā)、零售業(yè)、住宿、餐飲業(yè)和其他行業(yè)。各部門能源消耗的和即為全社會總能耗。

燃料二氧化碳排放量可依據(jù)煤炭、石油、天然氣三種燃料的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)進行核算，核算公式為[14]：

式中：為核算的能源消耗二氧化碳排放量；Q為第種能源消耗量；r為第種能源標準煤折算系數(shù)；a為第種能源相對單位標準煤的碳排放系數(shù)，為第種能源二氧化碳排放因子，根據(jù)國家發(fā)展與改革委員會能源研究所的數(shù)據(jù)，三種能源碳排放系數(shù)為煤炭0.7476t(c)/tce、石油0.591 t(c)/tce、天然氣0.4435t(c)/tce。

《四川省“十二五”能源規(guī)劃》中對2015年全省一次能源消費總量進行預測，測算得到各主要能源品種的需求量，煤炭、石油、天然氣、水電消耗預測量各為10742、3511、3458、2704萬噸標準煤[1]，各類能源占總能源消耗的比例分別為52.6%，17.2%，16.9%，13.3%。歷年數(shù)據(jù)表明，四川省能源消費與能源供給基本能夠達到平衡，即能源可供應量等于能源需求量，由能源供應量及各種能源二氧化碳排放系數(shù)計算可得各種能源二氧化碳的排放量，如表1 所示，表中同時列出各部門能源需求量與二氧化碳排放限制。

表1 2015年四川省能源供應/需求量及二氧化碳排放情況

由表可以看出四川省各類燃料消耗產(chǎn)生二氧化碳總量為42688.49萬噸，大于其二氧化碳排放限制37785.92萬噸。此外，能源消費部門中第二產(chǎn)業(yè)二氧化碳排放量遠大于其他部門，這符合第二產(chǎn)業(yè)高能耗、高碳排放的特點，能源供應中煤炭的二氧化碳排放量遠大于其他燃料，而我國煤炭的邊際減排成本小于石油和天然氣[15]。因此，減少煤炭消耗，加大可再生能源開發(fā)利用，實現(xiàn)二氧化碳減排目標。

3 碳夾點實例分析

碳夾點分析法一般需要解決兩個問題：一是確定在二氧化碳排放總量限制下的可再生能源最小利用量；二是確定滿足各部門二氧化碳排放限制下的各種能源分配。將表1中的基礎數(shù)據(jù)按二氧化碳排放因子由小到大順序，繪制出能源供應曲線和能源需求曲線，先將可再生能源量設為零，如圖2和圖3所示。

圖2 能源供應曲線

圖3 能源需求曲線

3.1 二氧化碳排放總量限制下的可再生能源最小用量

在四川省二氧化碳排放總量限制情況下，將能源供應線和總能源需求線畫在同一坐標中，如圖4所示，為了滿足能源消耗需求，把能源供應曲線沿水平向右移動，使兩條曲線相交于總能源需求曲線的最右端，該交點即為碳夾點，夾點坐標為（20415，37785.92），夾點以上的能源被可再生能源替代，圖中有折合1789.26萬噸標準煤的煤炭被替代，水平移動的距離為可再生能源最小用量，其值為4493.26萬噸標準煤。表明在同時滿足二氧化碳總排放量和能源消耗需求量條件下，四川省2015年至少需要利用可再生能源折合4493.26萬噸標準煤，占總能耗的22.01%。各類能源分配方案如表2所示。

圖4 二氧化碳排放總量限制下能源供應和需求曲線

圖5 各部門二氧化碳排放限制下的能源供應和需求曲線

表2 二氧化碳排放總量限制下能源分配方案

3.2 滿足各部門二氧化碳排放限制下的能源分配

二氧化碳排放總量限制下計算得到的只是全省可再生能源最小利用量，各部門可再生能源分配額未確定，因此，需使所有部門均滿足二氧化碳排放限制，制定更詳細的可再生能源和化石能源分配方案。同樣將能源供應線和各部門能源需求線畫在同一坐標中，水平向右移動能源供應曲線使其與能源需求曲線只有一個交點，得到碳夾點，夾點坐標為（20415，37785.92），與3.1節(jié)碳夾點相同，如圖5所示。根據(jù)碳夾點分析原則，可再生能源只能應用到夾點之下各能源消耗部門，由圖5可知，在滿足各部門二氧化碳排放限制下，所有部門都處于夾點之下。

首先對第二產(chǎn)業(yè)能源進行分配，如圖6所示。首先在能供應曲線上找到M點，該點的二氧化碳排放量與能源需求曲線上的d點相等，然后向左平移M點以下的曲線，使得M點與d點重合，移動的距離為第二產(chǎn)業(yè)可再生能源用量，即線段Md。線段BC的斜率為石油的二氧化碳排放因子，等于2.17，線段BC所在直線的直線方程為y=2.17x-11617.69，計算點M的坐標為（8514.9，6859.64），線段Md的長度為8514.9-4307.57=4207.33，所以第二產(chǎn)業(yè)需要利用折合4207.33萬噸標準煤的可再生能源，其他種類的能源用量分別為石油2947.36萬噸標準煤、煤炭8952.74萬噸標準煤。利用同樣的方法依次計算第一產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和居民消費的能源分配情況，如圖7所示。最終各類能源能源分配情況列在表3中。由于計算過程四舍五入使得表3的數(shù)據(jù)合計與表1中有細微差異。

表3 滿足各部門二氧化碳排放限制的能源分配方案

3.3 考慮可再生能源利用量限制下的二氧化碳排水平

碳夾點分析法未考慮可再生能源利用的限制因素，存在過高估計可再生能源資源的實際利用率的問題[8]，所以四川省2015年可再生能源實際利用量占總能耗比例要小于上述碳夾點方法計算的22.01%。假設可再生能源利用量占總能耗量的15%，則可再生能源固定利用量為3062.25萬噸標準煤，二氧化碳排放水平應大于37785.92萬噸小于42688.49萬噸。

此時，在能源供應曲線和能源需求曲線復合圖中，水平移動能源供應曲線，移動距離為3062.25萬噸標準煤，能源消耗總量保持20415萬噸標準煤不變，將能源需求曲線繞坐標原點旋轉(zhuǎn)，使其與能源供應曲線相交于新的夾點，如圖8所示，夾點坐標為（20415，41706.88），即為41706.88萬噸，不滿足碳排放目標限制，但這也是充分利用可用可再生能源情況下最小二氧化碳排放量。有358.25萬噸標準煤的煤炭被低碳能源替代。

圖6 第二產(chǎn)業(yè)能源分配曲線

圖7 其他部門能源分配曲線（局部圖）

圖8 可再生能源利用量限制下的能源需求和供應曲線

4 結(jié)論

本文運用碳夾點圖解法，利用低碳可再生能源替代高碳能源，計算出碳排放限制下的可再生能源和各種化石燃料的使用量。（1）在二氧化碳排放總量限制下，四川省2015年的能源構(gòu)成為煤炭43.89%、石油17.2%、天然氣16.9%、可再生能源22.01%，可再生能源用量為4493.26萬噸標準煤，二氧化碳排放量是37785.92萬噸；（2）滿足各部門二氧化碳排放限制下，可得到比（1）更清晰的能源結(jié)構(gòu)，將可再生能源利用量具體分配到各部門為：第一產(chǎn)業(yè)67.17萬噸標準煤、第二產(chǎn)業(yè)4207.33萬噸標準煤、第三產(chǎn)業(yè)80.36萬噸標準煤、居民消費138.4萬噸標準煤；（3）若可再生能源可利用量只有3062.25萬噸標準煤，達不到4493.26萬噸標準煤時，充分利用可再生能源，最小二氧化碳排放水平為41706.88萬噸。

大力發(fā)展可再生能源，轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)節(jié)能減排目標的關(guān)鍵。提高能源利用效率，降低煤炭消耗比重，平穩(wěn)有序地發(fā)展水電，積極推廣利用太陽能、風能、地熱能和生物質(zhì)能源?？稍偕茉赐茝V應用決策時，要因地制宜，綜合考慮常規(guī)能源和可再生能源資源稟賦、開發(fā)利用成本和技術(shù)水平以及環(huán)境和社會效益；不斷完善可再生能源應用方面的法律法規(guī)、激勵政策，建立可再生能源項目監(jiān)測平臺，促進項目運行、管理水平。

[1] 四川省人民政府辦公廳.四川省“十二五”能源發(fā)展規(guī)劃[EB/OL].http://www.sc.gov.cn/10462/10883/11066/ 2011/ 12/5/10191801.shtml.

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Renewable Energy Utilization for Sichuan Province Based on Carbon Pinch Analysis

Xiang Bo Yuan Yanping Yang Xiaojiao Cao Xiaoling Yu Nanyang

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

This paper analysis the renewable energy resource endowment, the energy consumption and carbon dioxide emission situation in recent years of Sichuan Province, based on the carbon pinch analysis, we research the problem of renewable energy utilization problem of Sichuan Province in 2015 under the carbon dioxide emission restraint. Establishing mathematical model and calculating the minimum amount of renewable energy under total carbon dioxide emission restraint with graphic method, then we divide the Sichuan Province into four energy consumption sectors and determine the distribution scheme of renewable energy and conventional energy for all sectors. The results show that a minimum renewable energy demand for Sichuan Province, to meet the carbon dioxide emission restraint and energy demand, is 44.9326 million tce,it accounts for 22.01% of total energy consumption. And the distribution for each energy consumption sector is as follows: 671.7 thousand tce forprimary industry, 42.0733 million tce for secondary industry, 803.6 thousand tce for tertiary industry and 1.384 million tce for consumer sector.

Sichuan Province; carbon pinch; renewable energy; carbon dioxide emission; energy distribution

1671-6612（2016）05-615-07

F205

A

建筑環(huán)境與能源高效利用四川省青年科技創(chuàng)新團隊（2015TD0015）；四川省省級建筑節(jié)能專項資金項目（KY2013006）

向 波（1991-），男，在讀博士研究生，E-mail：15908171649@163.com

袁艷平（1973-），男，二站博士后，教授，博士生導師，E-mail：ypyuan@home.swjtu.edn.cn

2015-07-01