基于成本效用分析的電能替代綜合評價模型研究

周 倩，何 青，杜冬梅

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

電能以其清潔、高效、安全、便捷的優(yōu)點，成為一種可以替代傳統(tǒng)化石能源的最佳選擇[1]。故而，作為一種可以有效地解決這些問題的方案——電能替代，值得重點研究。

自國家電網(wǎng)公司在2013年提出“以電代煤，以電代油，電從遠方來”的電能替代方案以來，已經(jīng)出現(xiàn)了大量關(guān)于電能替代的分析研究與實例驗證。謝里等以超越非徑向松弛量數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型，分別從全國和分地區(qū)層面，以及不同終端用能的角度來評估電能替代對區(qū)域生態(tài)環(huán)境效率的影響[2]。孫毅等從電能替代潛力和綜合評估的角度，定義了電能替代量的概念，分別基于粒子群優(yōu)化支持向量機的方法和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能修正預(yù)測模型的方法對電能替代潛力進行了分析，并針對電能替代發(fā)展的影響因素，提出一種對多層次灰色關(guān)聯(lián)分析與網(wǎng)絡(luò)層次分析進行信息熵融合的綜合評價指標體系[3-5]。曹東莉等建立了考慮環(huán)境效益的計算模型和評價模型，以電能替代在生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用為實例進行驗證[6]。王峰等以在連云港應(yīng)用的岸電技術(shù)為例，詳細介紹了船舶岸電技術(shù)的應(yīng)用背景及其技術(shù)原理，并計算分析了其環(huán)境效益和經(jīng)濟效益[7]。

目前，關(guān)于電能替代的應(yīng)用有很多，技術(shù)也逐漸成熟，但是對電能替代應(yīng)用效果的評估仍是一項重要的研究課題。本文從微觀經(jīng)濟學的角度，采用成本效用分析的方法得出電能替代的經(jīng)濟效益，根據(jù)效用最大化邊際方程分析電能的替代性，并綜合考慮環(huán)境效益，建立一套具有普適性的電能替代綜合評價方法。然后結(jié)合相關(guān)文獻中的具體實例進行計算分析，對該實例中的電能替代方案進行評估。最后根據(jù)評估結(jié)果進行分析與討論，提出對電能替代進一步發(fā)展的建議。

1 電能替代技術(shù)

1.1 主要技術(shù)

近幾年來，隨著對電能替代的研究越來越深入，許多電能替代技術(shù)相繼被提出，并且在許多領(lǐng)域都有了初步的應(yīng)用。電能替代技術(shù)的幾種主要原理及其特點如表1所示。

表1 電能替代技術(shù)的幾種主要原理及其特點

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

根據(jù)表1所列的幾種主要的電能替代技術(shù)，實際應(yīng)用領(lǐng)域大致可分為生活領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域和交通領(lǐng)域三類，每一種領(lǐng)域內(nèi)都有不同的設(shè)備和方式來實現(xiàn)電能替代，具體應(yīng)用方式的原理及優(yōu)勢如表2所示。

這些電能替代方式基本上都有設(shè)備投資高、運行費用貴的問題，但是也都能夠滿足節(jié)約能源和控制環(huán)境污染的要求。

2 電能替代綜合評價模型

2.1 成本效用模型

對于能源的終端用戶來說，電能與其他一次能源(如：煤、石油、天然氣等)都屬于商品的范疇，可視終端用戶為消費者?；谖⒂^經(jīng)濟學的基本內(nèi)容，從消費者行為假設(shè)的方面來討論不同商品的效用，根據(jù)效用最大化這個經(jīng)濟學的先驗命題，以經(jīng)濟學的角度提出以下具有普適性的電能替代評價模型。

效用的定義為依據(jù)偏好關(guān)系，消費者在使用商品時所獲得的滿足感。結(jié)合本文的研究內(nèi)容，這里的效用可定義為能源在被利用時所獲得的熱值，即采用熱值的計算方法來給出不同能源的效用函數(shù)[10]。設(shè)能源x對終端用戶的效用函數(shù)為Ux，則根據(jù)熱值的計算公式可得：

Ux=ηxmxqx

(1)

式中ηx——能源利用率，即系統(tǒng)獲得的有效能與總用能的比率；mx——某時間段內(nèi)使用該能源的質(zhì)量，kg；qx——該能源的單位發(fā)熱量，kJ/kg。

特別地，計算電能的效用時，計算公式應(yīng)為

Ue=σeηeqe

(2)

式中σe——轉(zhuǎn)換系數(shù)，kJ/kWh；ηe——相關(guān)電力設(shè)備的效率；qe——消耗的電能，kWh。

計算產(chǎn)品成本時，根據(jù)定義可將產(chǎn)品成本劃分為生產(chǎn)成本、行政管理費、銷售費用、財務(wù)費用和折舊等部分，結(jié)合本文研究內(nèi)容，只考慮生產(chǎn)成本和折舊。其中生產(chǎn)成本即為購買燃料的費用；折舊費為固定資產(chǎn)投資在長期使用過程中折舊損耗的價值[11]。

除此之外，加入污染物排放治理費一項來綜合考慮產(chǎn)品的環(huán)境效益。則可列成本計算公式為

Cx=Cx1+Cx2+Cx3

(3)

式中Cx——產(chǎn)品總成本，元；Cx1——購買能源的費用，元；Cx2——設(shè)備的折舊費，元；Cx3——污染物排放治理費，元。

其中各項的計算分別為

Cx1=pxmx

(4)

式中px——該能源的價格，元/kg或元/kWh。

根據(jù)折舊費的定義可知，計算折舊費即為計算固定資產(chǎn)投資的折舊損耗，而固定資產(chǎn)的折舊損耗又分為有形損耗和無形損耗[11]。根據(jù)定義，有形損耗可表示為設(shè)備在整個使用年限內(nèi)平均等值折舊；無形損耗為考慮資金的時間價值后所帶來的損耗，即必須首先對其進行時間價值的等值變換，使之在年限的時段內(nèi)具有可比性。

表2 電能替代的主要應(yīng)用領(lǐng)域

故而折舊費的計算公式可列為

(5)

式中P——設(shè)備的投資，元；Ff——設(shè)備經(jīng)過n年后的殘值，元；f(P，i，n)——投資折算；f(Ff，i，n)——殘值折算；rx——年設(shè)備維護修理費，元。

式(5)中，f(P，i，n)和f(Ff，i，n)都與使用年限n和投資收益率i有關(guān)，殘值Ff也可通過殘值率ξx來計算，即：

Ff=ξxP

(6)

在得到效用Ux和成本Cx后，就可以根據(jù)商品的邊際替代率和市場交換率的概念討論兩種商品之間的替代關(guān)系[12]。在求解效用最大化問題時，采用拉格朗日乘數(shù)法可列出效用最大化邊際方程或邊際等式為

(7)

式中λ——拉格朗日乘數(shù)；r——消費者收入，元。

根據(jù)邊際方程可得出實現(xiàn)效用最大化的一階條件，再進一步根據(jù)一階必要條件的基數(shù)效用意義，得到邊際效用均等法則：兩種商品均衡時，把一單位資金投入不論用于哪一種商品以增加消費量，其所增加的效用都是一樣的，而當不均衡時，就出現(xiàn)了替代的情況。

(8)

根據(jù)方程組可以得出以下兩種替代情況：

將這些結(jié)論運用于討論電能對于其他一次能源的可替代性，設(shè)i表示電能。只有當電能的效用與成本的比值滿足條件(1)時，作為消費者的終端用戶，增加電能的使用，減少一次能源的使用，方可提高用能效用，即以電能代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源對于終端用戶來說，這個方案不但是可行的，還能使終端用戶得益于其中，如此方可證明電能替代的長期可行性；若不滿足條件(1)時，則不能增加或者必須減少電能的使用才可以保證效用不至于降低，這時電能替代對于終端用戶來說是不劃算的，電能的使用使得終端用戶的用能效用減少。

2.2 環(huán)境效益計算

電能替代是作為節(jié)省傳統(tǒng)化石能源、減少環(huán)境污染、降低碳排放的有效方案提出的，所以在分析電能的替代性時，需要分析不同能源在使用過程中對環(huán)境的影響。在經(jīng)濟性分析中如果加入環(huán)境效益的部分，可使得對于電能的替代性分析更加合理，更加全面，更能突出電能替代方案的優(yōu)越性。

對于環(huán)境效益的分析主要包括：污染物及CO2的排放量分析和不同能源的利用效率分析[13]。以這兩個方向?qū)紤]環(huán)境影響時的電能的替代性分析進行研究。

2.2.1污染物及CO2排放

目前，造成大氣污染的主要污染物有煙塵、二氧化硫、氮氧化合物等[14]。除了考慮污染氣體的排放，還需要考慮能源在使用過程中的碳排放量。

通過比較不同終端用能CO2、SO2和NOx的排放量，來計算其環(huán)境效益，從而分析不同終端用能對環(huán)境的影響。計算各污染物排放量時，以等熱值的能源量為基準進行計算后，再對其排放量進行比較。結(jié)合經(jīng)濟性分析，將這些污染物的排放量以污染物排放治理費的形式，計入成本計算中。

值得注意的一點是，雖然對于終端用戶來說，使用電能完全沒有污染物的排放，但是目前發(fā)電比例中仍然以火力發(fā)電為主，火電廠在生產(chǎn)電的過程中也會排放CO2、SO2和NOx等污染物。CO2的排放量按照標準電廠使用燃煤時的排放量來計算，電能在生產(chǎn)過程中SO2和NOx的排放量根據(jù)相關(guān)規(guī)定，直接取限定值即可。

(1) 等熱值時SO2排放量。設(shè)某種能源單位質(zhì)量的效用值為ux，且該能源的SO2的排放量為Ax，即每使用1 kg該能源時釋放的SO2的質(zhì)量為Ax。則可得到，在等熱值的條件下該能源的SO2排放量為Ax/ux，其中，天然氣的單位比較特殊，單獨計算。根據(jù)文獻[15]可得，燃煤鍋爐的SO2排放濃度限值為200 mg/m3(在排放的煙氣體積中所占的份額)。

(2) 等熱值時NOx排放量。同理，設(shè)某種能源排放的NOx的量為Bx，該能源的效用值依然為ux，則等熱值的條件下該能源的NOx排放量為Bx/ux。其中天然氣單獨計算。根據(jù)文獻[15]可得，燃煤鍋爐NOx(以NO2計)的排放濃度限值為100 mg/m3(在排放的煙氣體積中所占的份額)。

(3) 等熱值時CO2排放量。設(shè)某種能源的CO2的排放量為Dx，該能源的效用值為ux，則等熱值的條件下該能源的CO2排放量為Dx/ux。其中天然氣單獨計算。

計算電能的CO2排放量時，主要考慮燃煤發(fā)電過程中所產(chǎn)生CO2。采用理論計算法，在燃燒充分的情況下，可生成的CO2的量為1.866Car/100 Nm3[16]。再以供電標準煤耗作為換算系數(shù)，其值以國家能源局發(fā)布的我國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)為準，這里選取2017年的數(shù)據(jù)：310 g/kWh。換算后可知，1 kWh電能可生成的CO2的量為0.310×1.866Car/100 Nm3。

2.2.2能源利用效率

能源利用效率是評估能源消耗水平和利用效果合理與否的重要指標，也是評價電能替代的重要參數(shù)。能源利用效率的定義為某一系統(tǒng)內(nèi)有效利用的能量與實際消耗的能量的比值[17]。具體又可分為設(shè)備能源利用效率和一次能源利用效率，電能的優(yōu)勢除了污染物排放量少，便是其設(shè)備能源利用效率高。

設(shè)備能源利用效率是指可獲得的效用占用電量的比例。非用電設(shè)備和用電設(shè)備的能源利用效率如表3所示。

由表3可明顯得到非用電設(shè)備的能源利用效率遠遠低于用電設(shè)備，因為基本上用電設(shè)備的能源利用效率都是100%的，而非用電設(shè)備因為涉及到能源的燃燒，由熱力學的知識可以知道，從燃燒中直接獲得能量必定會有一些損失，這種損失使得非用電設(shè)備的效率變低。

表3 各種設(shè)備的能源利用效率[17]

由于火力發(fā)電廠在生產(chǎn)電的過程中其能源利用效率并沒有達到100%，則還須考慮用電設(shè)備的一次能源利用效率。一次能源利用效率是指可獲得的效用占用電量對應(yīng)使用的一次能源的數(shù)量的比例。在計算能源利用效率時，結(jié)合具體的實例，根據(jù)換算方法和電廠效率計算得出用電量對應(yīng)的煤或其他發(fā)電能源的數(shù)量即可。

綜合考慮可知，電能替代不僅是一種能源利用效率極高的能源，它還使得對煤炭資源的利用更加規(guī)?；颓鍧嵒Ｒ驗楝F(xiàn)階段火力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展越來越好，先進的除塵脫硝脫硫技術(shù)和大型化機組的應(yīng)用都使得火電廠對環(huán)境的污染盡可能地減少，越是大規(guī)模的發(fā)電廠越是高效清潔，反倒是小型供熱燃煤鍋爐或是對煤炭直接利用的設(shè)備排放量最大。所以用電能來替代傳統(tǒng)化石能源，是一種能盡量提高煤炭資源利用效率的高效可行的方案。

3 結(jié)果與討論

3.1 計算結(jié)果

采用文獻[18]中的數(shù)據(jù)作為例子，選取某散燒煤采暖用戶，所建模型分別對其采取的3種不同的供暖方式進行計算，并分析評估。

該采暖用戶基本信息：采暖面積為100 m2,供暖熱負荷取43 W/ m2，冬季供暖總時間為120 d，供暖時間按每天24 h來計算，全年供暖總熱負荷為12 384 kWh，即供暖量為4.458×104MJ。另有一些固定取值：煤的低位發(fā)熱量取27.8 MJ/kg；煤價取600元/t，電價取0.48元/kWh，其他數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 算例數(shù)據(jù)

以下標c表示散燒煤，e表示直接電采暖，h表示低溫空氣源熱泵。具體計算過程如下。

(1) 算例中已經(jīng)給出供暖量，這里供暖量即為效用值，則有Uc=Ue=Uh=4.458×104MJ。

(2) 根據(jù)成本計算式(3)分別計算三種供暖方式的成本Cc、Ce、Ch。以Cc的計算為例，Cc=Cc1+Cc2+Cc3，其中Cc1=pcmc=2 405.4元；在計算Cc2時，由于在此工程項目中為一次性投資，故采用等額支付型資金時間價值的計算方法，引入資金回收系數(shù)CRE(i,n)[12]，以此系數(shù)作為折算公式f(p,i,n)和f(Ff,i,n)，這里不考慮設(shè)備的維修費用，則可得：

(9)

式(9)中，利率i取3.8%，年限n取10年，設(shè)備的殘值率ξx取5%。代入數(shù)據(jù)計算可得Cc2=34.8元；目前對于居民來說，排污費的征收還沒有固定的標準，故而在替代性分析中，暫時不考慮排污費的部分，將其作為實行電能替代的一個影響因素來考慮?？傻贸杀緸镃c=2 440.2元。

同理，采用該方法分別計算其他兩種供暖方式，可得其成本為Ce=6 151.0元，Ch=1 969.8元。根據(jù)文獻[17]中的數(shù)據(jù)，直接電采暖設(shè)備的使用年限n取10年，低溫空氣源熱泵設(shè)備的使用年限n取15年，設(shè)備的殘值率均取5%。

(3) 根據(jù)計算結(jié)果代入式(7)對其進行替代性分析，則有Uc/Cc=18.3MJ/元、Ue/Ce=7.2 MJ/元、Uh/Ch=22.63 MJ/元。

綜上，直接電采暖雖然對于污染物的減排有顯著的提高，但是其成本十分的高，可替代性相對來說比較低，低溫空氣源熱泵的可替代性較好，但是其設(shè)備投資相對較高，若是考慮年維修費后則其成本會更高。比較這兩種電能替代的方式之后可以得出，電能替代在環(huán)境效益方面有著很大的優(yōu)勢，但就經(jīng)濟效益來說，使用電能的成本還是高于使用煤炭等一次能源的成本的，必須對電能替代的方式進行優(yōu)化，使其能夠得到更好的應(yīng)用。

3.2 討論

(1) 根據(jù)計算成本中的兩個重要數(shù)據(jù)：電價和排污費，可以進一步提出改善直接電采暖和低溫空氣源熱泵經(jīng)濟效益的方法。對于終端用能客戶來說，大部分情況下還是會考慮更加經(jīng)濟實惠的方案。所以要進一步推動電能替代的應(yīng)用，目前還必須要有財政方面的支持。除了對電費的直接補貼外，還可以提供更換電氣設(shè)備的優(yōu)惠政策，鼓勵大家用電。

(2) 除了經(jīng)濟方面的支持外，最重要的還有技術(shù)方面的改進。由上一章的計算可以看出，直接電采暖與低溫空氣源熱泵的成本相差很大，這意味著在不同的情況下，需要考慮不同的電能替代的方式，以找到最合適實惠的一種。深入研究電能替代的方法，提出改進意見或更加優(yōu)化的方案，提高電能替代的效率，降低設(shè)備或相關(guān)設(shè)施的投資運行費用，從根本上減少使用電能的成本，從而增強電能替代的可行性。不僅如此，還需要不斷的完善對電能替代的評估，從中得到對于電能替代發(fā)展的正確方向。

(3) 目前，已經(jīng)有包括電動汽車、電采暖在內(nèi)的許多電能替代措施得到了很多人的認可，也在一定程度上在一些地區(qū)有應(yīng)用。但是就總體情況來說，對電能替代的重視程度和應(yīng)用范圍還遠遠不夠，尤其是在較小的城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村，基本上都沒有比較強烈的關(guān)于電能替代的意識。加強對于電能替代的宣傳力度，讓大家都能意識到其重要性，才能讓大家都行動起來，一起推動電能替代的實踐，為節(jié)能減排工作貢獻一份力量。

4 結(jié)語

本文基于微觀經(jīng)濟學的相關(guān)內(nèi)容，分別建立了計算使用電能與使用煤炭、石油、天然氣等一次能源可得到的效用和所需要的成本，并利用效用最大化邊際方程，直觀地給出各種能源互相之間的可替代性分析與結(jié)果，在考慮替代性分析時加入環(huán)境影響因素，從而全面地對電能替代進行評估，使評價結(jié)果更為合理有效。此評估體系可根據(jù)相關(guān)參數(shù)的選取原則不同，應(yīng)用于不同的電能替代系統(tǒng)中，具有普適性。然后根據(jù)建立的計算模型，結(jié)合文獻中的具體實例，對該例中的電能替代方案進行計算分析和評估。最后結(jié)合本文的研究內(nèi)容，細致分項地提出相關(guān)意見與建議，以進一步發(fā)展電能替代，推動其更加大范圍的應(yīng)用。