基于外部性的火電與可再生能源發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)研究

牛紅星，蔣 艷 （上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093）

0 引言

近幾年，全國(guó)多地有嚴(yán)重霧霾現(xiàn)象，這是經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展所導(dǎo)致的環(huán)境和能源問(wèn)題的外在表現(xiàn)形式，而正確應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題的最優(yōu)解決方案是優(yōu)化我國(guó)的電源結(jié)構(gòu)，不斷加快可再生能源發(fā)電的發(fā)展步伐，降低火電在電源結(jié)構(gòu)中的比例是目前我國(guó)電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要方式。中國(guó)的上網(wǎng)電價(jià)一直偏低，不能體現(xiàn)能源的實(shí)際發(fā)電價(jià)格，同時(shí)外部因素的影響也沒(méi)有納入影響因素的范圍[1]。為了對(duì)各種發(fā)電方式所引致的環(huán)境影響進(jìn)行合理衡量，以促進(jìn)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，分析并量化發(fā)電的全過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響以得出考慮外部性的改進(jìn)上網(wǎng)電價(jià)是非常必要的。

1 上網(wǎng)電價(jià)的分析與改進(jìn)

當(dāng)前我國(guó)的上網(wǎng)電價(jià)主要由發(fā)電成本、稅金和利潤(rùn)三部分組成[2]。我國(guó)的常規(guī)火電的上網(wǎng)電價(jià)比可再生能源的上網(wǎng)電價(jià)低很多的原因主要有兩個(gè)：首先，我國(guó)的上網(wǎng)電價(jià)的計(jì)算方法只考慮了發(fā)電機(jī)組的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、燃料費(fèi)用、財(cái)務(wù)費(fèi)用以及稅費(fèi)，沒(méi)有考慮發(fā)電所引致的社會(huì)成本，即相應(yīng)的資源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題等。其次，在對(duì)不同形式的電能結(jié)構(gòu)的發(fā)電活動(dòng)做經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)時(shí)未能完全體現(xiàn)出發(fā)電活動(dòng)的總成本，因?yàn)槠渲袃H考慮了發(fā)電部分。為了正確理解各種發(fā)電活動(dòng)的實(shí)際成本和價(jià)格，我們需要改進(jìn)其經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)，即要科學(xué)量化各種發(fā)電活動(dòng)的發(fā)電成本和外部性社會(huì)成本。

基于傳統(tǒng)上網(wǎng)電價(jià)核算方式的局限，提出改進(jìn)的上網(wǎng)電價(jià)的核算方式[3]，改進(jìn)的上網(wǎng)電價(jià)對(duì)各發(fā)電模式的內(nèi)部成本，外部成本以及收益都進(jìn)行了科學(xué)具體的量化?？煞謩e計(jì)算常規(guī)的化石能源和可再生能源的改進(jìn)上網(wǎng)電價(jià)，以比較各發(fā)電活動(dòng)的真實(shí)成本并解釋局限可再生能源的發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性影響。在現(xiàn)有的上網(wǎng)電價(jià)的外部性研究中[4]，主要涉及一種或兩只發(fā)電模式的研究，很少有涉及對(duì)多種主要發(fā)電模式的比較研究[5]。綜合已有的學(xué)者的研究成果，分別科學(xué)分析和量化火電、水電、風(fēng)電及光伏發(fā)電的內(nèi)、外部性成本和收益，得到各發(fā)電模式的改進(jìn)的上網(wǎng)電價(jià)，并進(jìn)行綜合比較分析。

2 電力價(jià)格的計(jì)算模型

2.1 假設(shè)條件

（1）從完整能源鏈的角度，分析燃料循環(huán)的整個(gè)生命周期，不僅包括發(fā)電環(huán)節(jié)，還包括燃料開(kāi)采、轉(zhuǎn)換、運(yùn)輸、發(fā)電、廢物處理和傳輸環(huán)節(jié)，得出各種能源發(fā)電活動(dòng)的外部性影響[6]；

（2）運(yùn)用影響路徑法，將能源鏈對(duì)人類(lèi)和自然環(huán)境的影響進(jìn)行科學(xué)量化，同時(shí)納入電價(jià)[7]；

（3）計(jì)算電力生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中消耗的燃料成本時(shí)，將不可再生能源的機(jī)會(huì)成本納入成本中考慮。

2.2 電價(jià)計(jì)算模型

各種不同能源的電力生產(chǎn)的過(guò)程中，發(fā)電成本由內(nèi)部發(fā)電成本和外部發(fā)電成本組成，外部成本包括發(fā)電過(guò)程中對(duì)人類(lèi)和自然環(huán)境產(chǎn)生的影響，同時(shí)也考慮可能存在的效益問(wèn)題。記CG為總電力成本，則：

式中：CIN為內(nèi)部發(fā)電成本，CEX為外部發(fā)電成本，BIN為內(nèi)部其它效益，BEX為外部其它效益。內(nèi)部發(fā)電成本考慮建設(shè)、燃料、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，不考慮稅收，是現(xiàn)行發(fā)電制度下實(shí)現(xiàn)10%內(nèi)部收益率時(shí)的不含稅上網(wǎng)電價(jià)。

各種能源發(fā)電模式的外部發(fā)電成本包括兩部分：其一，基于全能源鏈因素的溫室氣體的排放量；其二，基于具體的技術(shù)分析確定的外部性因素。假設(shè)發(fā)電活動(dòng)的總外部成本為T(mén)C1，年上網(wǎng)電量為Q，則外部發(fā)電成本CEX為：

發(fā)電企業(yè)除發(fā)電收益外，由于其他因素產(chǎn)生的收益即為內(nèi)部發(fā)電效益。記發(fā)電過(guò)程中除電費(fèi)以外的其他收益之和為T(mén)C2，則內(nèi)部其它效益BIN為：

發(fā)電過(guò)程中，除發(fā)電企業(yè)以外的其他經(jīng)濟(jì)體得到的無(wú)需付出成本的收益即為外部發(fā)電效益。記發(fā)電過(guò)程中除發(fā)電企業(yè)之外的經(jīng)濟(jì)體得到的外部效益之和為T(mén)C3，則外部其它效益為BEX：

2.3 內(nèi)部發(fā)電成本計(jì)算

內(nèi)部發(fā)電成本為電廠年總成本除以年上網(wǎng)電量。電廠年總成本包括固定成本和變動(dòng)成本兩部分。記固定成本為CF，變動(dòng)成本為CV，則電廠年總成本CC為：

發(fā)電企業(yè)屬于投資密集型企業(yè)，折舊費(fèi)用在固定成本中所占的比例較大，采用直線法計(jì)算折舊費(fèi)以便于計(jì)算簡(jiǎn)化。記固定資產(chǎn)原值為G，末期凈殘值為S，折舊年限為N，則折舊費(fèi)D為：

則固定成本為CF=D+M，M為折舊費(fèi)以外的其他固定費(fèi)用。變動(dòng)成本包括燃料費(fèi)，水費(fèi)，排污費(fèi)等。其中燃料費(fèi)所占的比例最大，按從前的定額收取排污費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)，排污費(fèi)與燃料成本相比均可忽略不計(jì)。燃料費(fèi)C燃為：

則變動(dòng)成本為：

式中：c為除燃料費(fèi)之外的其他的單位變動(dòng)成本，PC為天然煤價(jià)。則電廠年總成本CC為：

內(nèi)部發(fā)電成本C為：

2.4 外部發(fā)電成本量化分析

2.4.1 外部發(fā)電成本量化。歐洲較早開(kāi)展了大氣污染物環(huán)境外部性評(píng)價(jià)的相關(guān)研究，取得了令人信服的成果。歐盟的EcoSense China/Asia計(jì)劃中ExternE模型提供了一個(gè)將不同污染物的外部性影響化為統(tǒng)一貨幣價(jià)值形式的途徑。根據(jù)上述模型可得出我國(guó)單位大氣污染物的貨幣價(jià)值，見(jiàn)表1。

表1 單位大氣污染物貨幣價(jià)值 單位：元/噸

發(fā)電過(guò)程中，單位發(fā)電量的CO2排放量GCO2如式（11）所示：

式中：b為燃煤消耗率；r為燃煤過(guò)程中二氧化碳?xì)怏w釋放因子。

單位發(fā)電量的SO2排放量GSO2如式（12） 所示：

式中：b為燃煤消耗率；Sar為燃料煤的收到基含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)；t為煤燃燒后硫氧化生成二氧化硫的比例；φ為機(jī)組脫硫裝置脫硫效率；（32/1 ）6為二氧化硫與硫分子量之比。

單位發(fā)電量的NOX排放量GNOX如式（13） 所示：

式中：b為燃煤消耗率；N為煤中氮的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)；φn為燃料氮的轉(zhuǎn)化率；m為NOX排放量占燃料中氮生成的NOX的比例；φN為脫硝裝置的脫硝效率；（30.8/1 ）4為氮氧化合物中氮的分子量之比。

單位發(fā)電量的煙塵的排放量Gy如式（14）所示：

式中：w為煙塵的排放系數(shù)；b為燃煤消耗率；φc為除塵裝置的除塵效率。

2.4.2 外部發(fā)電成本分析。常規(guī)火力發(fā)電活動(dòng)的外部發(fā)電成本主要包含三部分內(nèi)容：其一，CO2、SO2、NOX以及煙塵等廢棄物排放所產(chǎn)生的外部性影響，每種廢棄物的排放量由相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得到；其二，火力發(fā)電成本的主要部分為燃料成本，火電電價(jià)受煤炭?jī)r(jià)格影響較大，則需考慮發(fā)電導(dǎo)致的資源耗減成本；其三，從全能源鏈角度，考慮全能源鏈CO2排放量的影響，具體排放系數(shù)如表2所示（對(duì)文獻(xiàn)[6]改進(jìn)后的數(shù)據(jù)）：

表2 不同能源鏈二氧化碳排放系數(shù) 單位：g/kwh

水力發(fā)電活動(dòng)的外部發(fā)電成本主要考慮全能源鏈CO2排放量的影響，排放系數(shù)如表2所示。水電項(xiàng)目對(duì)環(huán)境的外部性影響主要有兩個(gè)階段：建設(shè)期、運(yùn)行期。建設(shè)期會(huì)對(duì)流域生態(tài)和河流流向產(chǎn)生影響；運(yùn)行期會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生影響，但這兩方面影響當(dāng)前均難以量化，所以暫不考慮。

風(fēng)力發(fā)電活動(dòng)的外部發(fā)電成本主要考慮全能源鏈CO2排放量的影響，排放系數(shù)如表2所示。風(fēng)電項(xiàng)目對(duì)環(huán)境的外部性影響主要有兩個(gè)階段：建設(shè)期、運(yùn)行期。建設(shè)期對(duì)環(huán)境的影響是臨時(shí)性的，以后會(huì)自行恢復(fù)；運(yùn)行期會(huì)產(chǎn)生噪聲和生態(tài)影響，但這兩方面影響當(dāng)前均難以量化，所以暫不考慮。

光伏發(fā)電活動(dòng)的外部發(fā)電成本主要考慮全能源鏈CO2排放量的影響，排放系數(shù)如表2所示。光伏發(fā)電項(xiàng)目對(duì)環(huán)境的外部性影響主要有兩個(gè)階段：建設(shè)期、電池生產(chǎn)及廢棄處理期。其中建設(shè)期的影響并不顯著，且屬于可恢復(fù)型，可不予考慮；另廢棄電池處理成本已包含在設(shè)備制造成本之中。

2.5 內(nèi)部其他效益量化分析

常規(guī)火力發(fā)電活動(dòng)的內(nèi)部發(fā)電效益主要考慮的是對(duì)發(fā)電活動(dòng)過(guò)程中的固體廢棄物進(jìn)行回收再利用時(shí)發(fā)生的額外收益，如果堆垛或者淹埋，會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的處理和外部成本，不納入考慮。

水力發(fā)電活動(dòng)具有發(fā)電、通航、蓄水、旅游等功能，水力發(fā)電活動(dòng)的內(nèi)部發(fā)電效益主要考慮這些功能產(chǎn)生的額外收益，同時(shí)具體的收益應(yīng)該根據(jù)具體情況進(jìn)行具體合理的分析。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，取發(fā)電收益的20%為水力發(fā)電活動(dòng)的內(nèi)部發(fā)電效益。

通常情況下，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電活動(dòng)不會(huì)發(fā)生額外的內(nèi)部收益，內(nèi)部發(fā)電效益均取為0。

2.6 外部其他效益量化分析

水力發(fā)電活動(dòng)具有發(fā)電、通航、蓄水、旅游等功能外，還有防洪抗旱等功能，會(huì)產(chǎn)生積極地社會(huì)效益，但對(duì)于這些方面的效益均難以具體量化。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，內(nèi)部發(fā)電效益取發(fā)電收益的20%。

風(fēng)力發(fā)電活動(dòng)過(guò)程中，因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)基本都是建設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的，所以即使當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)改變地貌產(chǎn)生特定的旅游景點(diǎn)價(jià)值時(shí)，其價(jià)值也難以具體進(jìn)行實(shí)現(xiàn)量化，則內(nèi)部發(fā)電效益取0。

通常情況下，常規(guī)火力發(fā)電和光伏發(fā)電活動(dòng)不發(fā)生正外部效益，外部發(fā)電效益均取為0?；鹆Πl(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電的總成本分別如式（15）至式（18）所示。

3 實(shí)例分析

已知一個(gè)600MW超臨界火電廠、一個(gè)2 000MW的水電機(jī)組廠、一個(gè)100MW的風(fēng)電場(chǎng)、一個(gè)10MW的光伏電場(chǎng)，假設(shè)取內(nèi)部收益率為10%，分別計(jì)算各種能源發(fā)電模式的改進(jìn)的上網(wǎng)電價(jià)（不考慮稅收影響）。財(cái)務(wù)模型相關(guān)假設(shè)見(jiàn)表3。

表3 600MW模擬火電廠、2 000MW模擬水電廠、100MW模擬風(fēng)電場(chǎng)、10MW模擬光伏電場(chǎng)的財(cái)務(wù)模型的主要假設(shè)

假設(shè)：式 （11） 中b取321g/kwh，r取2.62；式（12） 中b取321g/kwh，Sar取1.5%，t取80%，φ取95%；式（13） 中b取321g/kwh，N取1%，φn取25%，m取80%，φN取85%；式（14） 中b取321g/kwh，w取642kg/t，φC取99%。

由上述參數(shù)及表1數(shù)據(jù)可分別計(jì)算出模擬火電站的相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 模擬火電廠單位發(fā)電量的排放量、年排放量、年排放所造成的損害價(jià)值

利用式（1）至式（18）及表1至表4數(shù)據(jù)測(cè)算出，實(shí)現(xiàn)10%內(nèi)部收益率及考慮外部性因素時(shí)，火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的改進(jìn)后的合理的上網(wǎng)電價(jià)的相關(guān)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 各種能源發(fā)電活動(dòng)改進(jìn)的上網(wǎng)電價(jià) 單位：元

由表5及圖1可知，按照目前我國(guó)發(fā)電公司的上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算方式，記Pi為不同發(fā)電模式的電價(jià)，各種能源發(fā)電方式的上網(wǎng)電價(jià)由低到高如式（19）所示，這一結(jié)果與現(xiàn)行電價(jià)基本一致：

在各種能源發(fā)電活動(dòng)的外部性因素內(nèi)部化的基礎(chǔ)上，可得到各種能源發(fā)電活動(dòng)的改進(jìn)后的上網(wǎng)電價(jià)如式（20）所示：

因?yàn)榛痣婋妰r(jià)受煤炭?jī)r(jià)格影響較大，當(dāng)煤炭的價(jià)格偏高時(shí)，例如為800元/噸，此時(shí)火電的改進(jìn)后的上網(wǎng)電價(jià)為0.49元/千瓦時(shí)，那么各種能源發(fā)電活動(dòng)改進(jìn)后的上網(wǎng)電價(jià)如式（21）所示。

圖1 不同發(fā)電模式比較

按照目前的上網(wǎng)電價(jià)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)各區(qū)域的情形的各不相同，常規(guī)燃煤火力發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)也各不相同，總體來(lái)說(shuō)，和表5中的計(jì)算結(jié)果大致一樣。但是，當(dāng)把火力發(fā)電活動(dòng)的外部成本內(nèi)部化后，目前火電的上網(wǎng)電價(jià)與改進(jìn)后的上網(wǎng)電價(jià)便出現(xiàn)了不一致的情況。且計(jì)算中沒(méi)有考慮稅收的影響。

按照不同的水力發(fā)電項(xiàng)目需要分別計(jì)算水力發(fā)電活動(dòng)的上網(wǎng)電價(jià)，一般情況下，各種水力發(fā)電項(xiàng)目還是存在比較大的差別的，同時(shí)最后確認(rèn)的水電電價(jià)還需要將輸電距離的代價(jià)進(jìn)行內(nèi)部化，以得到真正合理的最終的水電上網(wǎng)電價(jià)。與上述表5中的數(shù)據(jù)結(jié)果相比，目前的水電上網(wǎng)電價(jià)可以獲得些許合理的利潤(rùn)。

目前情況下，按照各區(qū)域的風(fēng)能資源情況的各不相同，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電活動(dòng)的上網(wǎng)電價(jià)也各不相同，我國(guó)劃分了四個(gè)風(fēng)能資源區(qū)，各個(gè)資源區(qū)的風(fēng)電的上網(wǎng)的標(biāo)桿電價(jià)分別為0.51元、0.54元、0.58元、0.61元。與上述表5中的數(shù)據(jù)結(jié)果相比，目前的風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)均可獲得些許合理的利潤(rùn)。

目前，按照各區(qū)域的太陽(yáng)能資源情況以及各光伏電站的建設(shè)費(fèi)用的各不相同，我國(guó)的光伏發(fā)電活動(dòng)的上網(wǎng)電價(jià)也各不相同，我國(guó)劃分了三個(gè)太陽(yáng)能資源區(qū)，各個(gè)資源區(qū)的光伏發(fā)電的上網(wǎng)的標(biāo)桿電價(jià)分別為0.9元，0.95元和1元。與上述表5中的數(shù)據(jù)結(jié)果相比，在理論上，因?yàn)樽罱鼣?shù)年我國(guó)的光伏發(fā)電行業(yè)得到了快速發(fā)展，導(dǎo)致我國(guó)光伏發(fā)電企業(yè)的單位裝機(jī)費(fèi)用也迅猛下降，所以我國(guó)目前的光伏發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)可以獲得超額的利潤(rùn)。但是實(shí)際情況下，初期建設(shè)成功的一些光伏發(fā)電站無(wú)法獲取一定的利潤(rùn)，更有甚者，其中有些光伏發(fā)電站目前處于虧損狀態(tài)。

4 結(jié) 論

在上述的各種發(fā)電模式中，火力發(fā)電項(xiàng)目居于不利地位。因此，大力發(fā)展可再生能源，改變當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)是十分必要的。從經(jīng)濟(jì)性角度對(duì)各種可再生能源發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行分析，其中水力發(fā)電項(xiàng)目最優(yōu)，風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目要優(yōu)于水力發(fā)電項(xiàng)目，所以對(duì)于水力發(fā)電項(xiàng)目應(yīng)盡量?jī)?yōu)先發(fā)展，而風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目則是可再生能源發(fā)電的重要選項(xiàng)。最近數(shù)年雖然中國(guó)的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但是風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的年發(fā)電量占我國(guó)可利用的風(fēng)能資源的比例還是偏低的，所以風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的成長(zhǎng)區(qū)間還是巨大的。當(dāng)前，我國(guó)光伏發(fā)電項(xiàng)目的的發(fā)電規(guī)模偏低，同時(shí)其經(jīng)濟(jì)性也不是很好，但是隨著我國(guó)光伏發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及光伏發(fā)電行業(yè)的不斷完善，這些經(jīng)濟(jì)性障礙最終都能夠得到清除，其成長(zhǎng)空間還是巨大的。但是光伏發(fā)電項(xiàng)目和風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目存在同樣的特征，那就是都對(duì)于電力輸出具有不穩(wěn)定的特性。

為了使得我國(guó)的可再生能源發(fā)電項(xiàng)目取得長(zhǎng)足進(jìn)步，同時(shí)使得在各種能源的不同發(fā)電活動(dòng)過(guò)程中的污染廢棄物的排放得到減少，根據(jù)各種能源的不同發(fā)電方式的不同特征，在我國(guó)的各種電力發(fā)展進(jìn)程布局中可以盡量遵循下述一些建議：要大力優(yōu)先支持發(fā)展各種可再生能源發(fā)電活動(dòng)，特別是其中的水力發(fā)電項(xiàng)目和風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目；在光伏發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)阻礙性問(wèn)題得到合理解決的進(jìn)程中，可以在一些條件比較完善的地區(qū)加強(qiáng)發(fā)展分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目；為了有效減少火力發(fā)電過(guò)程中污染廢棄物的排放量，在新的火力發(fā)電機(jī)組建設(shè)時(shí)需盡可能的選擇高效率超臨界或超超臨界機(jī)組，同時(shí)需要盡量安設(shè)脫硫脫硝裝配。在科學(xué)合理地處理風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的高效并網(wǎng)問(wèn)題的同時(shí)，應(yīng)該在進(jìn)行電力調(diào)度時(shí)，堅(jiān)持優(yōu)先調(diào)度可再生能源電力，對(duì)于可再生能源發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益提升有重大意義。

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