抽水蓄能電站減碳效益研究

李長健

（華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江省湖州市 313302）

0 引言

自20世紀(jì)60年代后期研究開發(fā)抽水蓄能，到20世紀(jì)90年代開始建設(shè)大型抽水蓄能電站，抽水蓄能在我國從認(rèn)知、應(yīng)用、爭議，直至當(dāng)前需要加快發(fā)展的急迫呼聲中跌宕曲折，一路向前。

多重影響中，價格機(jī)制是抽水蓄能發(fā)展的重大制約因素。

反映抽水蓄能收益的價格機(jī)制主要經(jīng)歷了三個階段：一是“未實行獨立價格機(jī)制”階段，以“發(fā)改能源〔2004〕71號”文件為遵循；二是“明確了獨立價格機(jī)制，但成本傳導(dǎo)渠道尚未理順”階段，以“發(fā)改價格〔2014〕1763號”文件為遵循；三是“市場競價過渡定價機(jī)制和成本傳導(dǎo)機(jī)制確立”階段，以“發(fā)改價格〔2021〕633號”文件為遵循[1]。

以國家發(fā)展改革委“發(fā)改價格〔2021〕633號”文發(fā)布為標(biāo)志，抽水蓄能價格機(jī)制得以進(jìn)一步優(yōu)化完善，形成了較好的當(dāng)前結(jié)果。

電量電價+容量電價+收費輔助服務(wù)是當(dāng)前抽水蓄能電站基本的收益格局。

抽水蓄能電站的環(huán)境正效益一直被提及但未能被量化。在加快發(fā)展抽水蓄能、深化電力市場化、“雙碳”目標(biāo)及碳排放市場交易等經(jīng)濟(jì)社會大背景下，厘清抽水蓄能電站的價格機(jī)制、利益來源并尋求將抽水蓄能電站的減碳效益量化核算是本文研究之目的。

1 減碳行動

1948年12月，著眼于人類發(fā)展進(jìn)步，聯(lián)合國頒布《世界人權(quán)宣言》，對地球人類如何爭取、維護(hù)、改善和發(fā)展自身權(quán)益提出指導(dǎo)，形成遵循。該宣言指出，建設(shè)一個人人免于匱乏的世界乃是普通人的最高愿望之一。

近代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展催生了工業(yè)革命，工業(yè)革命極大地提高了社會生產(chǎn)力?？萍歼M(jìn)步與工業(yè)發(fā)展為建設(shè)一個人人免于匱乏的世界打下了基礎(chǔ)，提供了保障。

和科技進(jìn)步與工業(yè)發(fā)展相伴隨的是，人類空前規(guī)模地利用能源，改造和利用環(huán)境。

利用能源，改造和利用環(huán)境帶來的負(fù)面效應(yīng)，逐漸被人們所認(rèn)知?！霸诂F(xiàn)代，如果人類明智地改造環(huán)境，可以給各國人民帶來利益和提高生活質(zhì)量；如果使用不當(dāng)，就會給人類和人類環(huán)境造成無法估量的損害”。

1972年6月，聯(lián)合國發(fā)布《聯(lián)合國人類環(huán)境會議宣言》，形成七點共同看法和二十六項原則，環(huán)境問題由此上升為國際問題并形成全球共識。

在環(huán)境問題上，除了空氣、水源、土壤污染之外，大量利用化石能源，從而導(dǎo)致溫室氣體增加的危害最具有全球普遍性和相互聯(lián)系。

1992年5月，150多個國家以及歐洲經(jīng)濟(jì)共同體共同簽署形成了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》（以下簡稱《公約》）?！豆s》明確要將大氣溫室氣體濃度維持在一個穩(wěn)定的水平，在該水平上確保人類活動對氣候系統(tǒng)的災(zāi)難性干擾不會發(fā)生。

工業(yè)發(fā)達(dá)國家較早開始碳排放并積累至今。作為發(fā)展中國家，中國于1992年11月批準(zhǔn)《聯(lián)合國氣候變化框架公約》。1994年3月《公約》生效后，中國同步開始履行《公約》規(guī)定的義務(wù)。

20世紀(jì)中葉以來，全球平均溫度的升高主要是由化石燃料燃燒和土地利用變化等人類活動增排的溫室氣體導(dǎo)致的。當(dāng)前，全球變暖趨勢仍在持續(xù)，中國北方地區(qū)極端降雨天氣正在增加。

氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，2020年，全球平均溫度較工業(yè)化前水平（1850～1900年平均值）高出1.2℃。2011～2020年，是1850年以來最暖的十年。2020年，亞洲陸地表面平均氣溫比常年值偏高1.06℃，是20世紀(jì)初以來的最暖年份。

按照1997年國際簽署的《京都議定書》的約定，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）及六氟化硫（SF6）等六種氣體是人類需要共同削減的溫室氣體。在這六種溫室氣體中，二氧化碳是人類活動排放的主體，是全球升溫的最大影響因子?？刂茰厥覛怏w排放主要就是要減排二氧化碳。

當(dāng)前，我國已是全球最大的能源生產(chǎn)國與消費國。自2006年起，我國已成為全球最大的碳排放國。

2019年，中國一次能源生產(chǎn)總量達(dá)39.7億t標(biāo)準(zhǔn)煤，煤炭消費占能源消費總量的57.7%，碳排放處于高位。圖1為中國能源生產(chǎn)情況（數(shù)據(jù)來源：國家統(tǒng)計局）。

圖1 中國能源生產(chǎn)情況（2012～2019年）Figure 1 Energy production in China （2012 ～ 2019）

習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。

減碳國策既是中國對國際社會與地球環(huán)境的承諾，也是對我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效的倒逼。在達(dá)成目標(biāo)與保持發(fā)展矛盾中，中國的減排減碳任務(wù)迫切而艱巨。

2 電力減碳與新型電力系統(tǒng)

2.1 減碳與新型電力系統(tǒng)

中國控制溫室氣體排放行動目標(biāo)包括單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放和非化石能源占一次能源消費比重2項指標(biāo)。

當(dāng)前，我國化石能源占一次能源比重為85%，產(chǎn)生的碳排放約為每年98億t，占全社會碳排放總量的近90%。中國碳排放總量占全球比重達(dá)29%，人均碳排放量比世界平均水平高46%[2]。

電力是直接使用一次能源最大的行業(yè)，電力行業(yè)的減碳行動對減碳國策具有重大影響。有效利用水能、風(fēng)能、太陽能等非化石一次能源，提升利用非化石一次能源生產(chǎn)電能的比重，提升電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行效能，是電力行業(yè)助力減碳行動的三大著力點。

2021年3月15日，中央財經(jīng)委員會第九次會議研究部署實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的基本思路和主要舉措時指出，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)從未停止過創(chuàng)新發(fā)展和更新?lián)Q代。當(dāng)前提出建設(shè)新型電力系統(tǒng)的不同之處就在于，著眼于生態(tài)文明與人類可持續(xù)發(fā)展，依托電力這一能源核心與平臺，以減碳、零碳（近零碳）利用能源為終極目標(biāo)。

為實現(xiàn)這一目標(biāo)，加大風(fēng)電與光伏發(fā)電開發(fā)是毫無爭議的選項，而風(fēng)能與光伏太陽能的隨機(jī)性與波動性決定了電力系統(tǒng)需要配套加大儲能項目建設(shè)。在當(dāng)前技術(shù)條件下，抽水蓄能是電力系統(tǒng)最佳儲能與調(diào)節(jié)選項。

2.2 新型電力系統(tǒng)中的抽水蓄能電站

電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的“橋梁”和“紐帶”，在建設(shè)新型電力系統(tǒng)過程中，電網(wǎng)的核心作用將更加突出。

新型電力系統(tǒng)需解決高比例新能源接入下系統(tǒng)的隨機(jī)性與波動性問題，需增強(qiáng)電網(wǎng)大范圍配置資源的能力[3]。

經(jīng)過不斷發(fā)展，當(dāng)前的電網(wǎng)架構(gòu)已逐步形成大網(wǎng)與分布式能源系統(tǒng)、微電網(wǎng)、交直流混合電網(wǎng)共存并緊密聯(lián)系的格局。

新型電力系統(tǒng)建設(shè)將進(jìn)一步推高電網(wǎng)的“雙高”特性。

一方面風(fēng)力與太陽能發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，電網(wǎng)由此具有了以間歇性、波動性、不穩(wěn)定性為主要特性的高比例清潔能源接入特性。另一方面供給側(cè)新能源及直流電網(wǎng)接入，負(fù)荷側(cè)充電汽車及大型變頻電機(jī)接入，使得電網(wǎng)中增加了大量電能變換和控制電路方面的大功率電子器件（高比例電力電子設(shè)備）。電力電子裝置具有增大變壓器電壓降，降低了電網(wǎng)系統(tǒng)供電質(zhì)量的特性。

為應(yīng)對這些變化，電網(wǎng)系統(tǒng)中的抽水蓄能需發(fā)揮更為突出的作用。

當(dāng)前，國網(wǎng)新源控股有限公司（以下簡稱國網(wǎng)新源公司）將抽水蓄能電站總結(jié)為六大功能：調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、系統(tǒng)備用與黑啟動[4]；五大經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢：容量大、工況多、速度快、可靠性高與經(jīng)濟(jì)性好；三大基礎(chǔ)作用：保障大電網(wǎng)安全、促進(jìn)新能源消納與提升全系統(tǒng)性能。

抽水蓄能電站參與新型電力系統(tǒng)的功能、優(yōu)勢和基礎(chǔ)作用各方已形成共識，增強(qiáng)抽水蓄能作為獨立市場主體的經(jīng)濟(jì)效益是加快抽水蓄能發(fā)展的一個大力推手。

3 抽水蓄能電站減碳效益

3.1 抽水蓄能電站效益核算

改革開放后的“七五”時期，國家出臺了一系列加快電力建設(shè)的政策措施，中國發(fā)電裝機(jī)容量快速增長，電力長期供不應(yīng)求的矛盾得到緩和。

從“八五”后期開始，結(jié)構(gòu)性矛盾上升為電力系統(tǒng)的主要矛盾，也正是在“八五”時期，抽水蓄能納入國家建設(shè)計劃。在部分火電比重較大的區(qū)域電網(wǎng)，抽水蓄能電站率先開建。

電力體制改革（國發(fā)〔2002〕5號文）后，抽水蓄能電站的歸屬成為一個需待明確的問題。

2004年1月，國家發(fā)展改革委以《關(guān)于抽水蓄能電站建設(shè)管理有關(guān)問題的通知》（發(fā)改能源〔2004〕71號）文對抽水蓄能電站相關(guān)問題進(jìn)行了明確。71號文件規(guī)定：抽水蓄能電站原則上由電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)建設(shè)和管理，其建設(shè)和運(yùn)行成本納入電網(wǎng)運(yùn)行費用統(tǒng)一核定。由此，抽水蓄能在物權(quán)上歸屬電網(wǎng)公司，其獨立價格機(jī)制不具備。

2014年，國家發(fā)展改革委發(fā)布《關(guān)于完善抽水蓄能電站價格形成機(jī)制有關(guān)問題的通知》（發(fā)改價格〔2014〕1763號），規(guī)定了抽水蓄能價格機(jī)制，確立了抽水蓄能電站獨立定價的兩部制電價機(jī)制。

當(dāng)前，以國家發(fā)展改革委《關(guān)于進(jìn)一步完善抽水蓄能價格形成機(jī)制的意見》（發(fā)改價格〔2021〕633號）文件發(fā)布為標(biāo)志，抽水蓄能價格機(jī)制得以進(jìn)一步優(yōu)化完善，抽水蓄能電量電價與容量電價的費用分?jǐn)偸鑼?dǎo)問題得到解決，抽水蓄能迎來良好的發(fā)展空間。

以華東抽水蓄能電站為例，對照“發(fā)改價格〔2021〕633號”文件及華東兩個細(xì)則（華東監(jiān)能市場〔2019〕30號），當(dāng)前抽水蓄能電站的基本收益由電量電價、容量電價及有償輔助服務(wù)三個主要部分構(gòu)成。

電量電價：抽水電價按燃煤發(fā)電基準(zhǔn)價的75%執(zhí)行，上網(wǎng)電價按燃煤發(fā)電基準(zhǔn)價執(zhí)行。

容量電價：成本調(diào)查基礎(chǔ)上，對標(biāo)行業(yè)先進(jìn)水平合理確定核價參數(shù)，按照經(jīng)營期定價法核定抽水蓄能容量電價。

“發(fā)改價格〔2021〕633號”文鼓勵抽水蓄能電站參與輔助服務(wù)市場或輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制，依照華東兩個細(xì)則，華東區(qū)域抽水蓄能電站輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制已確認(rèn)并得到執(zhí)行。

為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)是抽水蓄能電站的優(yōu)勢所在，按照華東兩個細(xì)則，并網(wǎng)電廠輔助服務(wù)區(qū)分為基本輔助服務(wù)和有償輔助服務(wù)。

基本輔助服務(wù)是指為了保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，保證電能質(zhì)量，發(fā)電機(jī)組必須提供的輔助服務(wù)，包括一次調(diào)頻、基本調(diào)峰、基本無功調(diào)節(jié)。

有償輔助服務(wù)是指并網(wǎng)發(fā)電廠在基本輔助服務(wù)之外所提供的輔助服務(wù)，包括自動發(fā)電控制（AGC）、低頻調(diào)節(jié)、有償調(diào)峰、有償無功調(diào)節(jié)、自動電壓控制（AVC）、旋轉(zhuǎn)備用、黑啟動、快速甩負(fù)荷（FCB）。

有償范圍內(nèi)的輔助服務(wù)形成了抽水蓄能電站的第三部分收益。圖2為華東某抽水蓄能電站三項收益占比，圖3為華東某抽水蓄能電站有償輔助服務(wù)收益。

圖2 華東某抽水蓄能電站三項收益占比（2018～2020年）Figure 2 Proportion of three benefits of a storage power station in East China （2018 ～ 2020）

圖3 華東某抽水蓄能電站有償輔助服務(wù)收益Figure 3 Income from paid auxiliary services of a storage power station in East China

從抽水蓄能電站目前已有的收入構(gòu)成上看，有償輔助服務(wù)占比較小，單一抽水蓄能電站近年來還呈逐年下降趨勢。

3.2 抽水蓄能電站減碳效益量化核算

核算抽水蓄能電站減碳收益涉及因抽水蓄能電站運(yùn)行可減少的二氧化碳量和減少單位二氧化碳所能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益兩個方面。

3.2.1 碳效益核算

目前國際上主要有兩種間接計算CO2經(jīng)濟(jì)價值的方法，一種為“碳稅法”，另一種為“造林成本法”。

“造林成本法”，即將固定大氣中CO2所付出的造林成本視為減少CO2排放所產(chǎn)生的效益。

本文采用“造林成本法”進(jìn)行抽水蓄能電站減碳效益研究。

按照分子量計算（44.01÷12=3.67），1t碳在氧氣中完全燃燒將產(chǎn)生3.67t CO2。

聯(lián)合國糧農(nóng)組織研究表明，熱帶森林固碳的造林成本為25～30美元/t碳。美國國家環(huán)保局研究結(jié)果，北寒帶、溫帶和熱帶各類森林固定CO2成本小于30美元/t碳。

在中國根據(jù)《中國生物多樣性國情研究報告》，培育木材的成本為240元/m3，折合260.9元/t碳，換算成CO2的價值為 71.09 元 /t。

標(biāo)準(zhǔn)煤的碳排放系數(shù)取0.68（ 中外綜合），標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2排放系數(shù)為：1×0.68×3.67=2.496。

每燃燒1t標(biāo)準(zhǔn)煤，將產(chǎn)生2.496t CO2。

在上述數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，抽水蓄能電站減排CO2的經(jīng)濟(jì)效益算式如下：

式中：ICO2——減碳經(jīng)濟(jì)效益，元；

RCO2——因抽水蓄能電站投入使用而節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤量，t。

3.2.2 火電—蓄能聯(lián)動算例

早期抽水蓄能電站主要為頂峰而立項建設(shè)，一方面因其與所能替代的火電機(jī)組（提供尖峰工作容量）相比，單位千瓦造價要低。另一方面因其具有較好的調(diào)節(jié)能力。

《天荒坪抽水蓄能電站初步設(shè)計報告》中提到“本電站可承擔(dān)華東電網(wǎng)峰谷差360萬kW，如以火電機(jī)組替代，即使今后火電機(jī)組可調(diào)幅度提高到25%，也需動用約1400萬kW火電機(jī)組作變出力運(yùn)行，經(jīng)按隨機(jī)生產(chǎn)模擬法和等微增率法作電網(wǎng)中有、無天荒坪抽水蓄能電站的全門燃料消耗計算，當(dāng)與12.5萬kW和60萬kW火電機(jī)組相比時，有天荒坪比無天荒坪全網(wǎng)全年分別節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤40萬t和13 萬 t”。

以當(dāng)時火電機(jī)組容量的上下線取其算術(shù)平均值，天荒坪抽水蓄能電站全年可為電力系統(tǒng)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤26.5萬t。

天荒坪抽水蓄能電站每年可為電力系統(tǒng)減排CO2（按設(shè)計值）RCO2=26.5 萬 t×2.496=66.1334 萬 t。

年度減碳收益ICO2=RCO2×2.496×71.09=11734.75萬元。

從以上算例可見，裝機(jī)容量180萬kW的抽水蓄能電站每年的減碳收益較為可觀。

另據(jù)火電行業(yè)污染物環(huán)境價值標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)數(shù)學(xué)模型計算，國網(wǎng)新源公司系統(tǒng)部分抽水蓄能電站減碳能力如表1所示[8]。

表1 部分抽水蓄能電站減碳能力Table 1 Carbon reduction capacity of some storage power station

運(yùn)用科學(xué)方法，測算出抽水蓄能電站的減碳量，則其減碳經(jīng)濟(jì)效益亦可量化測算。

3.2.3 區(qū)域電網(wǎng)碳排放因子算例

為與國際減碳共同行動及促進(jìn)中國清潔發(fā)展，國家發(fā)展改革委自2006年開始逐年確定并發(fā)布中國區(qū)域電網(wǎng)碳排放基準(zhǔn)線排放因子。該數(shù)據(jù)可作為CO2減排量的計算參考和引用，且具有較高的權(quán)威性與動態(tài)適用性。表2為華東電網(wǎng)連續(xù)9年基準(zhǔn)線排放因子（數(shù)據(jù)來源：生態(tài)環(huán)境部）。

表2 華東電網(wǎng)連續(xù)9年基準(zhǔn)線排放因子Table 2 Baseline emission factors of East China power grid for 9 consecutive years

從表2中數(shù)值變化趨勢可見，除了2015年略有波動，華東電網(wǎng)范圍單位電量的CO2排放保持逐年遞減。按照當(dāng)前能源利用政策與新型電力系統(tǒng)建設(shè)要求，區(qū)域電網(wǎng)碳排放因子逐年遞減應(yīng)為必然。

以發(fā)布的區(qū)域電網(wǎng)碳排放因子為參照，抽水蓄能電站減碳效益可用以下算例。

（1） 區(qū)域電網(wǎng)年度減碳量GCO2=電網(wǎng)排放因子遞減值（上年度 - 本年度）×區(qū)域電網(wǎng)年度總電量（ 單位：t）。

（2） 抽水蓄能貢獻(xiàn)率CR：區(qū)域電網(wǎng)抽蓄電量 /（火電+核電+風(fēng)電+光伏）總電量。

（3） 抽水蓄能減碳量RCO2=GCO2×CR（t）。

抽水蓄能減碳收益ICO2=RCO2×2.496×71.09（元）。

4 結(jié)束語

減碳離不開新型電力系統(tǒng)建設(shè)，新型電力系統(tǒng)建設(shè)離不開抽水蓄能的加快發(fā)展。市場化收益是抽水蓄能發(fā)展的客觀需求與根本方向。

2021年7月16日，全國碳排放權(quán)交易在上海環(huán)境能源交易所正式啟動并形成實質(zhì)性交易，2225家重點排放電力企業(yè)進(jìn)入市場。以此為標(biāo)志，市場主體減碳能力的經(jīng)濟(jì)量化與市場化將會加速與普及。

當(dāng)前，多方條件均已具備，落實抽水蓄能電站減碳效益量化核算正當(dāng)其時，意義重大。希本文的研究成果能給管理層及政策制定者一個新的參考視角，一個對“發(fā)改價格〔2021〕633號”文可能的補(bǔ)充建議。

通過各方努力，更好發(fā)展抽水蓄能，加快建設(shè)新型電力系統(tǒng)，更早達(dá)成“雙碳”目標(biāo)。