盧仰澤,張 露,任劼帥,黃澤琦,魯 非
(國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,湖北 武漢 430077)
中國(guó)是世界最大的碳排放國(guó)[1],2020 年9 月習(xí)近平主席在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上承諾中國(guó)將在2030 年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰,并在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[2-3]。我國(guó)電力行業(yè)自身的碳減排研究[4]、規(guī)劃工作目前主要集中在發(fā)電環(huán)節(jié)[5-8],但是,作為電網(wǎng)企業(yè)電能主要載體的電力一次設(shè)備[9],其在制造、運(yùn)維、退役的全壽命周期過(guò)程中,同樣會(huì)產(chǎn)生碳排放[10-12],該部分碳排放是造成電網(wǎng)企業(yè)碳排放量居高不下的主要原因[13]。
隨著社會(huì)對(duì)電能的用量和質(zhì)量需求變高,電網(wǎng)線路日益復(fù)雜,電能輸送過(guò)程中,電力一次設(shè)備的碳排放將會(huì)不斷增加,且碳排放不易測(cè)定,目前電力一次設(shè)備碳排放的核算、溯源工作尚未開(kāi)展。
以2020年國(guó)家電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例:在電力傳輸過(guò)程中,2020 年全國(guó)電力線路的平均線損及SF6絕緣氣體產(chǎn)生的CO2直接與間接排放量高達(dá)2 億t。除此以外,原材料獲取、加工,部件總裝等設(shè)備制造工藝也存在大量碳排放,設(shè)備退役后的回收過(guò)程也需考慮碳排放。所以,電網(wǎng)企業(yè)的碳減排措施已不能僅僅局限于發(fā)電環(huán)節(jié),輸變配電一次設(shè)備的碳減排工作同樣重要[14]。因此,有必要對(duì)設(shè)備全壽命周期所包括的入網(wǎng)前階段、運(yùn)維階段、退役階段中碳排放進(jìn)行核算、溯源、監(jiān)測(cè)與減控技術(shù)的研究并形成標(biāo)準(zhǔn)體系。
本文從低碳電網(wǎng)建設(shè)背景出發(fā),指出當(dāng)前電力一次設(shè)備碳排放評(píng)價(jià)與減控等方面標(biāo)準(zhǔn)滯后、技術(shù)欠缺。本文從電力一次設(shè)備全壽命周期所包含的入網(wǎng)前、運(yùn)維與退役3 個(gè)階段入手,對(duì)每個(gè)階段的碳排放進(jìn)行核算、溯源,形成指導(dǎo)設(shè)備供應(yīng)鏈與設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并開(kāi)展碳排放的監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)技術(shù)與裝置的研究;在此基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)環(huán)節(jié)的碳排放減控,最終建立相應(yīng)的軟硬件平臺(tái),為電力一次設(shè)備碳排放的監(jiān)視、評(píng)價(jià)與減控工作提供理論及技術(shù)手段支撐。
碳減排、碳達(dá)峰、碳中和等任何與溫室氣體管理相關(guān)的工作,都建立在依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范正確核算碳排放的基礎(chǔ)之上,必須滿足溫室氣體可測(cè)量(Measurable)、可報(bào)告(Reportable)與可核證(Verifiable)的MRV 基本原則。
較為成熟的系統(tǒng)綜合評(píng)估模型根據(jù)建模方法可以分為自上而下模型、自下而上模型和綜合模型3 種類型[15]。自上而下的宏觀層面核算以IPCC(聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化委員會(huì))的《國(guó)家溫室氣體清單指南》為代表,主要用于國(guó)際履約,或者中央對(duì)地方政府的碳排放核算與監(jiān)督。自下而上的碳核算方式主要是以工程技術(shù)為出發(fā)點(diǎn),分為基于企業(yè)、產(chǎn)品和項(xiàng)目碳核算方式,掌握各類微觀主體包括企業(yè)和消費(fèi)者在生產(chǎn)或消費(fèi)過(guò)程中的溫室氣體排放情況。
國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于低碳電網(wǎng)建設(shè)方面的研究主要以低碳電網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)途徑為主導(dǎo),分別從低碳電力技術(shù)應(yīng)用、低碳政策與低碳管理模式等角度對(duì)低碳電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)行了相關(guān)研究。
在低碳電力技術(shù)應(yīng)用研究方面,丁然[16]從用電側(cè)出發(fā),總結(jié)了電網(wǎng)全生命周期中低碳化的技術(shù)路線;康重慶[17]等總結(jié)了現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)企業(yè)們實(shí)施低碳化的技術(shù)路線,并從多個(gè)維度展開(kāi)討論;李瑩瑩[18]等分析低碳經(jīng)濟(jì)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的影響;曾鳴等[19]從終端節(jié)電、降低損耗等四個(gè)方面給出了智能電網(wǎng)支撐電力系統(tǒng)低碳化的詳細(xì)途徑;段立勇[20]等研究了電網(wǎng)企業(yè)碳排放核算與配額分配方法;朱昱坤[21]等簡(jiǎn)單論述了電網(wǎng)企業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的途徑。
在低碳政策研究方面,郁義鴻[22]等用估算電力需求函數(shù)的方法來(lái)估測(cè)碳稅政策的成效,提出了發(fā)電側(cè)能源結(jié)構(gòu)的碳減排效果高于碳稅政策的優(yōu)化結(jié)論;劉強(qiáng)[23]等對(duì)電網(wǎng)企業(yè)在不同低碳政策下產(chǎn)生的碳排放量進(jìn)行評(píng)估,對(duì)比了3種清潔模式下的碳排放成本,為碳減排政策的測(cè)評(píng)提供了模型。
在低碳管理模式和技術(shù)創(chuàng)新的研究中,許文秀等[24]提出了節(jié)能效益高的合同能源管理配電網(wǎng)低碳科學(xué)模式;吳鴻亮等[25]以電力交易的環(huán)節(jié)為切入點(diǎn)提出發(fā)電碳排放配額分配方法;高生偉[26]簡(jiǎn)單探討了低碳經(jīng)濟(jì)對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃和發(fā)展的影響;周黎莎等[27]以低碳效益為基礎(chǔ),分析了我國(guó)智能電網(wǎng)低碳效益的實(shí)現(xiàn)方法;周黎莎等[28]在另一篇文獻(xiàn)中構(gòu)建了低碳效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,建立低碳效益評(píng)價(jià)模型;嚴(yán)冬等[29]分析了智能電網(wǎng)在低碳經(jīng)濟(jì)環(huán)境下的發(fā)展情況;覃丹[30]從電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的角度,分析配電網(wǎng)的節(jié)能降損及構(gòu)建經(jīng)濟(jì)型電網(wǎng)。
綜上所述,目前低碳電網(wǎng)建設(shè)相關(guān)研究,主要集中在宏觀政策層面、電網(wǎng)企業(yè)建設(shè)的具體措施。多位學(xué)者從電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行過(guò)程中影響碳排放、電網(wǎng)低碳化的技術(shù)路線等層面展開(kāi)了研究。電網(wǎng)低碳化方面,單一通過(guò)低碳技術(shù)產(chǎn)生的低碳效益不足以建設(shè)低碳電網(wǎng),只有在電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)期間全面實(shí)現(xiàn)低碳化,才能全面建設(shè)低碳電網(wǎng)體系。
本文全面分析電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)期間電力一次設(shè)備的碳排放現(xiàn)狀,引入電網(wǎng)設(shè)備碳排放的概念,并將此概念作為碳排放約束條件,引入電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的一次設(shè)備選擇中去。
根據(jù)電網(wǎng)設(shè)備全壽命周期中碳排放的核算工作結(jié)果,建立評(píng)價(jià)出廠前、運(yùn)維與退役3個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備碳排放標(biāo)準(zhǔn)體系,以指導(dǎo)設(shè)備采購(gòu)、運(yùn)維與回收工作,為電網(wǎng)企業(yè)提供碳排放方面的設(shè)備選型采購(gòu)依據(jù)、運(yùn)維計(jì)劃制定依據(jù)與退役后處理工作的依據(jù),并引導(dǎo)電力設(shè)備供應(yīng)鏈上下游企業(yè)的減排增效工作。
建立評(píng)價(jià)電力設(shè)備生產(chǎn)環(huán)節(jié)的指標(biāo)體系以指導(dǎo)電網(wǎng)企業(yè)對(duì)供應(yīng)商設(shè)備的采購(gòu)選型。該標(biāo)準(zhǔn)體系需評(píng)價(jià)電力一次設(shè)備原材料獲取生產(chǎn)、產(chǎn)品制造、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)中所產(chǎn)生的直接與間接碳排放行為的排放量、排放種類及其對(duì)環(huán)境的影響,同時(shí)也需將設(shè)備運(yùn)行維護(hù)環(huán)節(jié)中的直接與間接碳排放的統(tǒng)計(jì)量納入標(biāo)準(zhǔn)體系范圍。
建立評(píng)價(jià)電力設(shè)備運(yùn)維環(huán)節(jié)的指標(biāo)體系以用于指導(dǎo)電網(wǎng)企業(yè)自身的運(yùn)維策略制定。該標(biāo)準(zhǔn)體系在以往設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)、檢修體系的基礎(chǔ)上,結(jié)合設(shè)備不同運(yùn)行工況下與設(shè)備運(yùn)維工作中碳排放的監(jiān)控與測(cè)算,從降低設(shè)備運(yùn)維階段碳排放的角度指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行方式調(diào)整、檢修周期與檢修項(xiàng)目制定、停電試驗(yàn)與帶電檢測(cè)項(xiàng)目等的制定。
建立評(píng)價(jià)電力設(shè)備退役環(huán)節(jié)的指標(biāo)體系以指導(dǎo)設(shè)備(部件)退役后的報(bào)廢或回收工作。該標(biāo)準(zhǔn)體系用于評(píng)價(jià)不同種類、不同老損狀態(tài)的退役設(shè)備(部件)回收后的碳中和量,評(píng)價(jià)各種回收工藝的直接與間接碳排放,從而綜合衡量設(shè)備(部件)的回收價(jià)值,給出包含回收再利用、備用、報(bào)廢填埋等多種退役策略的選擇依據(jù)。
根據(jù)電力設(shè)備全壽命周期中入網(wǎng)前、運(yùn)維與退役3 個(gè)階段,考察每個(gè)階段在碳排放核算、碳排放監(jiān)測(cè)、碳排放減控、碳排放評(píng)價(jià)與碳排放管理應(yīng)用5 個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容。
針對(duì)電力設(shè)備在全壽命周期中所有直接與間接的碳排放行為,制定碳排放核算方法,核定碳排放因子,實(shí)現(xiàn)碳排放指標(biāo)的量化核算,為碳排放監(jiān)測(cè)、減控技術(shù)提供理論依據(jù)。
開(kāi)發(fā)傳感器、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平臺(tái),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并統(tǒng)計(jì)電力設(shè)備在全壽命周期中所有直接與間接的碳排放。
研究設(shè)備與材料低碳化優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、替代方案,以向生產(chǎn)廠家進(jìn)行低排放設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)輸出;研究低碳控制輔助支撐技術(shù),以減少設(shè)備運(yùn)行中設(shè)備碳排放,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命;研究設(shè)備回收再利用技術(shù)增加碳中和率。
制定碳排放評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)設(shè)備全壽命周期中碳排放種類、強(qiáng)度進(jìn)行定量或定性的評(píng)價(jià),同時(shí)評(píng)價(jià)碳排放減控手段的效果;開(kāi)發(fā)碳排放檢測(cè)試驗(yàn)裝置對(duì)設(shè)備排放達(dá)標(biāo)進(jìn)行校驗(yàn)。
建立設(shè)備入網(wǎng)前、退役階段設(shè)備碳排放評(píng)價(jià)軟件平臺(tái)與運(yùn)維階段設(shè)備碳排放監(jiān)控平臺(tái),形成全壽命周期碳排放減控輔助系統(tǒng),為設(shè)備所在的電網(wǎng)企業(yè)及其上下游企業(yè)全壽命周期的碳排放行為提供可觀、可控、可交互的平臺(tái)。
碳排放框架如表1所示。
表1 碳排放全壽命周期階段與研究?jī)?nèi)容關(guān)系Table 1 Relationship between life cycle stages of carbon emissions and research contents
根據(jù)以上思路,整理出研究思路如圖1所示,將電力一次設(shè)備全壽命周期碳拜排放按階段分為入網(wǎng)前階段研究、運(yùn)維階段研究、退役階段研究。
圖1 研究思路和框架示意圖Fig.1 Schematic diagram of research idea and framework
4.2.1 設(shè)備入網(wǎng)前碳排放減控技術(shù)
1)供應(yīng)鏈碳足跡溯源與核算。研究設(shè)備(材料)在原材料獲取、部件生產(chǎn)、總裝制造環(huán)節(jié)中溫室氣體及其前體的排放量和能源消耗量的核算方法。
設(shè)備采購(gòu)碳指標(biāo)體系包括:①碳排放因子核定,核定設(shè)備(材料)在全壽命周期中所有碳排放行為折合成單位質(zhì)量CO2的排放因子;②指標(biāo)體系建立,針對(duì)電力一次設(shè)備在各個(gè)工藝環(huán)節(jié)碳排放行為,實(shí)現(xiàn)定量或定性評(píng)價(jià)。
2)設(shè)備入網(wǎng)前的碳排放監(jiān)控?;陔娋W(wǎng)設(shè)備(材料)的碳足跡測(cè)算方法,研制設(shè)備(材料)在原材料獲取、產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)中階段碳排放的監(jiān)控計(jì)量裝置、工具或規(guī)范。
3)碳排放檢測(cè)廠內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)。結(jié)合電力設(shè)備運(yùn)行直接碳排放測(cè)量技術(shù)、設(shè)備運(yùn)行損耗測(cè)量技術(shù)、設(shè)備老化試驗(yàn)技術(shù),形成碳排放型式試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)的裝置與規(guī)程。
4)設(shè)備入網(wǎng)前設(shè)備碳排放評(píng)價(jià)軟件平臺(tái)。指運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云計(jì)算或中央計(jì)算技術(shù),實(shí)時(shí)對(duì)電網(wǎng)設(shè)備原材料獲取、產(chǎn)品制造與報(bào)廢處理環(huán)節(jié)的碳排放進(jìn)行監(jiān)控與管理,依托人工智能技術(shù)提供碳排放減控、低碳材料設(shè)備選型的建議。
5)設(shè)備與材料低碳化優(yōu)化設(shè)計(jì)。指研究變壓器、輸電線路、GIS 等設(shè)備的降損技術(shù)與設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù),包括:SF6排放減控及環(huán)保氣體替代技術(shù)、電力設(shè)備低碳排放材料替代技術(shù)、電力設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。
4.2.2 設(shè)備運(yùn)維階段碳排放減控技術(shù)
1)運(yùn)維階段碳排放核算。包括:①直接碳排放核算,根據(jù)設(shè)備材料化學(xué)組成、運(yùn)行過(guò)程中的行為特征及環(huán)境影響,構(gòu)建直接碳排放核算指標(biāo)體系;②間接碳排放核算,基于電網(wǎng)企業(yè)使用、上網(wǎng)的能源類型及來(lái)源差異,研究電力設(shè)備正常或異常運(yùn)行情況下輸配電損耗排放因子的核定方法。
2)運(yùn)維階段碳排放標(biāo)準(zhǔn)體系。包括:①運(yùn)行階段碳排放標(biāo)準(zhǔn)體系,根據(jù)碳排放核算結(jié)果,評(píng)價(jià)設(shè)備老化狀態(tài)、預(yù)估設(shè)備剩余壽命、設(shè)定碳排放監(jiān)測(cè)預(yù)警值;②維護(hù)與檢修階段碳排放標(biāo)準(zhǔn)體系,分析不同設(shè)備停電檢修、停電試驗(yàn)等工作增加的碳排放量,根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,合理制定設(shè)備的檢修周期與試驗(yàn)項(xiàng)目。
3)運(yùn)維階段碳排放測(cè)控技術(shù)。包括:①直接碳排放測(cè)控技術(shù),根據(jù)不同的測(cè)量手段,探索直接碳排放核算路徑,建立核算一級(jí)指標(biāo);②間接碳排放測(cè)控技術(shù),研究使用電力、熱力及輸配電損耗排放因子的核定方法。
4)設(shè)備碳排放監(jiān)控平臺(tái)。結(jié)合電力設(shè)備直接與間接碳排放測(cè)控裝置與以往電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、變電站/換流站SCADA 系統(tǒng)中電氣量的實(shí)時(shí)監(jiān)控等,對(duì)運(yùn)維環(huán)節(jié)中碳排放進(jìn)行實(shí)時(shí)及剩余壽命的監(jiān)控及評(píng)估。
5)低碳控制輔助支撐。對(duì)于設(shè)備正常運(yùn)行階段,以變電站、換流站為單位,結(jié)合設(shè)備碳排放監(jiān)控平臺(tái),在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行前提下給出運(yùn)行建議,達(dá)到降低運(yùn)行損耗,進(jìn)而降低間接碳排放的目的。
6)碳排放現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)技術(shù)。結(jié)合電力設(shè)備運(yùn)行直接碳排放測(cè)量技術(shù)、設(shè)備運(yùn)行損耗測(cè)量技術(shù)、設(shè)備老化試驗(yàn)技術(shù),研究可在設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其直接、間接碳排放量進(jìn)行停電試驗(yàn)或帶電檢測(cè)的技術(shù),并形成碳排放各類試驗(yàn)規(guī)程。
7)設(shè)備全壽命周期碳排放減控輔助系統(tǒng)。以變電站、換流站為單位,結(jié)合設(shè)備碳排放監(jiān)控平臺(tái)對(duì)設(shè)備老化程度、剩余壽命的評(píng)估結(jié)果給出建議,等效地降低因設(shè)備提前退役、重新生產(chǎn)而造成的額外碳排放。
4.2.3 設(shè)備退役階段碳排放減控技術(shù)
1)設(shè)備退役回收碳足跡核算。對(duì)設(shè)備回收過(guò)程中不同回收方式(如整體翻新、部件拆解、原材料熔煉等)、回收工藝進(jìn)行碳溯源研究,明確回收過(guò)程中的碳排放行為的碳排放量、排放類型,并校核排放因子,綜合衡量不同回收過(guò)程中的碳排放量??己瞬煌厥辗绞剿没厥债a(chǎn)品、部件或原材料等效的碳中和量。
2)設(shè)備退役評(píng)價(jià)技術(shù)與指標(biāo)體系。結(jié)合設(shè)備全壽命周期中的剩余壽命估計(jì)與運(yùn)維階段的碳排放監(jiān)控技術(shù),研究退役評(píng)價(jià)檢測(cè)技術(shù)、試驗(yàn)裝置與標(biāo)準(zhǔn)判據(jù),給出設(shè)備退役的判據(jù)與包含整體/部分回收再利用、冷/熱備用、報(bào)廢填埋等的退役方式的建議。
3)設(shè)備回收評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)設(shè)備退役回收碳足跡溯源結(jié)果,針對(duì)重點(diǎn)設(shè)備、重點(diǎn)材料提出可能的回收利用方案,評(píng)價(jià)各種回收工藝的直接與間接碳排放與回收設(shè)備碳中和量,從而綜合衡量設(shè)備(部件)的回收價(jià)值。
4)設(shè)備退役后碳排放監(jiān)控技術(shù)。對(duì)于退役階段的電力設(shè)備,①研發(fā)可檢測(cè)其退役后報(bào)廢處置等工藝產(chǎn)生的間接碳排放的裝置;②研發(fā)可檢測(cè)油氣等可能產(chǎn)生碳排放的廢棄物回收工藝中直接碳排放的裝置;③研發(fā)可評(píng)價(jià)設(shè)備材料回收再利用后碳中和量檢測(cè)評(píng)價(jià)的裝置。
5)設(shè)備退役后碳排放評(píng)價(jià)軟件平臺(tái)。開(kāi)發(fā)設(shè)備退役后碳排放評(píng)價(jià)軟件平臺(tái),形成對(duì)設(shè)備退役后碳排放實(shí)時(shí)的跟蹤、監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià),指導(dǎo)電網(wǎng)企業(yè)對(duì)退役方式、回收廠商與回收工藝的選擇,達(dá)到提升設(shè)備退役后的碳中和量的目的。
現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)低碳電網(wǎng)建設(shè)主要集中在宏觀層面,著重于電網(wǎng)企業(yè)的低碳化發(fā)展,將減排引入電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì);然而,單一的通過(guò)低碳技術(shù)來(lái)建設(shè)低碳電網(wǎng)不足夠,只有從電能產(chǎn)生的源頭以及電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)期間全面實(shí)現(xiàn)低碳化,才能使得低碳電網(wǎng)建設(shè)成體系。
本文分析電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)期間的碳排放現(xiàn)狀,引入電力設(shè)備碳排放的概念,從電力一次設(shè)備全壽命周期出發(fā),提出建立電力設(shè)備全壽命周期碳排放核算標(biāo)準(zhǔn)體系,給出了電力一次設(shè)備全壽命周期碳排放技術(shù)研究思路及研究框架。
電力一次設(shè)備全壽命周期碳排放技術(shù)研究框架,按入網(wǎng)前階段、運(yùn)維階段、退役階段開(kāi)展研究,給出了各個(gè)階段的研究?jī)?nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),為電力一次設(shè)備全壽命周期碳排放核算提供了詳細(xì)的研究思路。