中國西北地區(qū)光伏發(fā)電的環(huán)境影響評估

明言

【摘要】為了估計可再生能源對環(huán)境的影響，現(xiàn)在國內許多文獻主要是通過研究可再生能源發(fā)電對燃煤發(fā)電的替代效應進行評估的。但是在本文中，我們將對這種方法予以質疑，并且在考慮到邊際發(fā)電量改變這一事實以后，我們還會對中國西北地區(qū)光伏發(fā)電的環(huán)境影響進行重新評估。經過評估，2015年西北地區(qū)電網(wǎng)中光伏發(fā)電量高達17900GW·h，這相當于1.5個核電站的發(fā)電量。那么相比2010年，這將減少0.36%的SO2排放以及0.25%的NO2排放。我們進一步發(fā)現(xiàn)如果用光伏發(fā)電代替水力發(fā)電來滿足西北電網(wǎng)高峰時期的用電需求，這并不會減少污染物的排放。這些結果顯示短期內更具成本效益的發(fā)電方法還是采用脫硫脫硝技術的燃煤發(fā)電。

【關鍵詞】光伏發(fā)電 減排 環(huán)境價值

一、引言

中國國民經濟經過三十余年的快速發(fā)展，激發(fā)了對能源需求的更大幅度的增加，從2000年到2015年，中國電力消費的平均年增長率都保持在10%左右，但主要是依靠煤炭和水利發(fā)電，其中80%為燃煤發(fā)電，17%為水力發(fā)電。這種過度依賴燃煤發(fā)電的能源結構，已經引起了很大的環(huán)境問題。中國從2006年以來積極尋求改變這種能源結構的辦法，而且自從可再生能源法頒布以來，開始大力發(fā)展光伏發(fā)電技術。

本文將重點評估光伏發(fā)電對西北地區(qū)電網(wǎng)的兩種潛在優(yōu)勢，即高峰用電互補和良好的環(huán)境影響，進而獲得一些相關的環(huán)境政策啟示。由于電力需求在日間達到最高，并且當日間有太陽照射時，光伏發(fā)電比其他可再生能源發(fā)電有更大的峰值，這反過來使得光伏發(fā)電替代其他發(fā)電形式所帶來的污染減排效應更加顯著。但是西北電網(wǎng)有一個明顯特征即部分高峰用電量是由水力發(fā)電來彌補的，因此為了更加準確地評估光伏發(fā)電的潛在環(huán)境效益，本文將基于西北電網(wǎng)特定的能源結構，負荷模式以及邊際發(fā)電量來展示幾種潛在的高峰發(fā)電替代情形，而不是像其他文章那樣僅僅假設光伏發(fā)電將要替代燃煤發(fā)電。

二、西北地區(qū)光伏發(fā)電現(xiàn)狀

中國西北地區(qū)在實現(xiàn)發(fā)電一體化的進程中，由于光伏發(fā)電需要額外的傳輸容量和后備電源，所以青海省將其2012年的光伏發(fā)電裝機容量計劃從200MW減少到100MW，這和2011年的安裝容量相當。如果將這個安裝速度看作是一個實際安裝速度，那么我們在本文中可以將該實際安裝速度假設為一個常數(shù)直到該地區(qū)各省份的安裝計劃實現(xiàn)。這意味著2011到2015年甘肅，青海，寧夏以及新疆地區(qū)每年光伏裝機容量分別為100MW，80MW，40MW，和20MW。

由于中國現(xiàn)有的光伏電站的實際光伏發(fā)電量數(shù)據(jù)很難獲得，所以我們利用美國可再生能源實驗室系統(tǒng)顧問模型（NREL SAM）計算了甘肅，青海，寧夏，新疆地區(qū)2012～2015年光伏發(fā)電量。結果顯示，2015年中國西北地區(qū)光伏發(fā)電量將達到18000GW·h左右，這相當于美國1.5個核電站的年發(fā)電量。

為了確定西北電網(wǎng)中太陽能發(fā)電所替代的邊際發(fā)電量，我們需要確定光伏發(fā)電量增加對電網(wǎng)平均負荷曲線的影響。根據(jù)國家電網(wǎng)所提供的2005到2014年的數(shù)據(jù)來看，在夏季和冬季，負荷量隨著時間的推移存在著線性增長。我們可以通過假設這種線性增長一直持續(xù)來模擬出2015年的負荷資料，并且運用一個簡單的普通最小二乘法模型（OLS）來預測2015年夏季和冬季的負荷資料。

該模型為：PLi，j=β0+β1PLi-1，j+ωi，j

其中，PLi，j代表的是第i年j月的峰值負荷量，而PLi-1，j代表的是前一年i-1中j月的峰值負荷量，ωi，j為誤差值，它的的平均值為0，并且服從標準正態(tài)分布，β0和β1則是需要估計的參數(shù)值。我們可以用五月份到九月份的數(shù)據(jù)來估算夏季時的β1，用十一月到第二年三月份的數(shù)據(jù)來估算冬季時的β1.2015年的負荷數(shù)據(jù)是符合線性回歸分析的。

從測算出的數(shù)據(jù)中我們可以發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)光伏發(fā)電將會對西北電網(wǎng)七月上午9：00到晚上9：00以及十二月上午10：00到晚上7：00的邊際成本曲線產生影響。但是這種出現(xiàn)在兩個高峰之間的額外發(fā)電量只是使得七月和十二月峰谷比率下降到19.6%和21.4%，與原有的夏季21.8%和冬季22%峰谷比率數(shù)據(jù)相比，這種下降是比較小的。光伏發(fā)電在夏季可能會替代一些晚高峰發(fā)電量，因為在夏季，白天時間很長，但是它很難抵消當天晚上到第二天上午之間發(fā)電機運行所帶來的用電高峰。

三、西北電網(wǎng)中光伏發(fā)電的潛在減排效益

盡管西北電網(wǎng)的基礎負荷是由火力和水力發(fā)電所提供的，但是由于火力發(fā)電較低的靈活性，水力發(fā)電有時也是被用來進行調峰的。而水力發(fā)電的調峰能力卻被限制在旱季，這是因為，在雨季大量的水必須不斷被釋放以防釀成洪災，所以水力發(fā)電只是承擔起基礎負荷的作用，彌補高峰用電量的重任則落在了燃煤發(fā)電上。所以燃煤發(fā)電的高峰發(fā)電能力就變得非常重要。

根據(jù)報告稱，到2015年，西北電網(wǎng)將要增加15.5GW的水力發(fā)電容量，從而使得水力發(fā)電總容量達到36.5GW，考慮到水位的不確定性和預期火力發(fā)電峰值的增加，本文將用三種發(fā)電置換方案對太陽能發(fā)電項目的潛在環(huán)境效益進行評價。

（1）光伏發(fā)電替代燃煤發(fā)電。這是預期在冬季當光伏發(fā)電出現(xiàn)在用電高峰時間，在夏季光伏發(fā)電自身處在峰值。在雨季，當由水電提供基礎電力時，光伏發(fā)電取代火力發(fā)電彌補高峰發(fā)電能力的作用可以很容易被觀察到。

（2）光伏發(fā)電替代水力發(fā)電?？紤]到西北電網(wǎng)未來幾年可能的供電能力增加，這種作用無論光伏發(fā)電處于高峰還是非高峰都會顯現(xiàn)。

（3）最后一種情況是光伏發(fā)電取代47%的水力發(fā)電和53%的火力發(fā)電。到2015年，火力發(fā)電將提供高達41.1GW的峰值容量，這相當于西北電網(wǎng)41%的火力發(fā)電容量。如果滿足高峰用電需求的壓力按水電36.5GW，火電41.1GW的比例分配，那么火力發(fā)電將提供高峰用電時間中53%的發(fā)電量，而最終這些發(fā)電量將由光伏發(fā)電代替提供。

根據(jù)核算的污染因子，我么可以利用下面的公式來計算上述三種置換方案所引起的2015年西北電網(wǎng)光伏發(fā)電所減少的污染排放量：

Ei=EFi×Li×G

其中Ei代表的是i類污染物總的減少量，EFi代表第i類污染物的排放因子，Li代表光伏發(fā)電所減少的i類污染物的排放比例，其數(shù)據(jù)是根據(jù)Fthenakis等人的估算得來，而G則代表2015年的光伏發(fā)電量。下表1展示了該估算數(shù)據(jù)。

四、潛在的減排量與政府目標的比較

根據(jù)表1，我們可以看到最大的減排量可能出現(xiàn)在情形一，即用光伏發(fā)電替代燃煤發(fā)電。根據(jù)政府“十二五”減排目標2015年火力發(fā)電中NOx和SOx的排放量將分別從2010年的1055萬噸和956萬噸減少到750萬噸和800萬噸，通過將2015年最好情形中經測算的減排量除以2015年總的NOx和SOx的排放量，我們可以發(fā)現(xiàn)2015年西北地區(qū)光伏發(fā)電項目在NOx和SOx的排放中只能幫助減少實際減排量與目標減排量差異的0.25%和0.36%。如此低的減排量可能主要是由以下三種因素影響的：

（1）與火力發(fā)電量相比，光伏發(fā)電量仍然太小了。

（2）由于煤是一種基礎能源，火力發(fā)電廠可以24小時不間斷工作，這也引起了相對比較高的污染量。而光伏發(fā)電由于受到日照時間的限制，所以不能24小時不間斷地發(fā)電。

（3）即使給火力發(fā)電廠設定高于工業(yè)部門兩倍的減排目標，仍然會產生相當于總排放量60%的排放水平，因此相比加強工業(yè)部門減排，將重點放在火力發(fā)電減排上無疑是缺乏效率的。

除了增加可再生能源的份額，中國還計劃通過加快對火力發(fā)電站脫硫脫硝技術的升級換代來減少污染物的排放。按計劃燃煤機組脫硫有效率將達到達到95%，脫硝有效率為75%。這需要花費1330億元并將減少277萬噸的SO2和358萬噸的NOx排放。相比較而言，在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的初始投資預計會從2009年的每瓦3.018美元降至2014年2.515美元每瓦特，這需要約38億至45億美元在中國西北建立15.1兆瓦的光伏發(fā)電。這意味著在短期，投資光伏發(fā)電所帶來的污染物減排效率只有采用脫硫脫硝技術的燃煤發(fā)電的1/5.盡管可再生能源技術的采用還會帶來除污染物減排外其他的好處，但是如果我們只是將目標定位為環(huán)境和空氣質量的改善，那么最有效益的方法提高脫硫脫硝技術的應用范圍。

五、結論

經過評估，2015年西北地區(qū)電網(wǎng)中光伏發(fā)電量高達17900GW·h，這相當于美國1.5個核電站的發(fā)電量。但是光伏發(fā)電可能只會彌補兩個日間用電高峰之間的用電量，而且所帶來的環(huán)境影響主要依賴于所替代的發(fā)電模式，相比2010年，光伏發(fā)電將只減少0.36%的SO2排放以及0.25%的NO2排放。如果處于光伏發(fā)電只是替代水力發(fā)電這種最不利的情形中，那么光伏發(fā)電幾乎不會帶來任何的環(huán)境效益。短期來看，更加廣泛的推廣脫硫脫硝技術才是最具效益的減排辦法。

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