基于灰色理論的電能替代項(xiàng)目綜合效益評價研究

林晶怡，李斌，張靜，梁毅，楊巧然，孟維高

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2.河北地質(zhì)大學(xué)，石家莊 050031）

0 引言

中國的用能結(jié)構(gòu)以煤炭為主，但是在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時，大量的燃煤消耗也導(dǎo)致了一系列環(huán)境問題。為此，黨的十九大對能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提出了迫切要求，2021年10月26日，國務(wù)院印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動方案的通知，指出要重點(diǎn)實(shí)施能源綠色低碳轉(zhuǎn)型行動。基于此，我國在大力推動綠色能源的發(fā)展，倡導(dǎo)使用新能源，積極推動以電能為主的能源消費(fèi)新模式的發(fā)展。

作為降低化石能源在能源使用占比的一種重要手段，越來越多的學(xué)者對電能替代項(xiàng)目的效益開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［1］介紹了進(jìn)行電能替代的必要性。文獻(xiàn)［2］基于電能替代的影響要素和基本屬性，從電能替代項(xiàng)目的角度出發(fā)，從電網(wǎng)公司盈利能力、外部環(huán)境和社會貢獻(xiàn)3個方面建立了評價體系，采用層次分析法對對電能替代的影響因素進(jìn)行綜合評價，但是該方法的主觀性過大。為解決該問題，文獻(xiàn)［3］對模糊綜合評價方法進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了電能替代方案的量化比較。文獻(xiàn)［4］為提出了將灰色白化權(quán)函數(shù)結(jié)合層次分析法，這種方法在一定程度上解決了主觀權(quán)重的影響，對替代后的效益進(jìn)行了有效評價。但是這些研究都是對電能替代方案的整體評價。文獻(xiàn)［5］從終端用戶角度出發(fā)，以云南省為例，將灰色關(guān)聯(lián)度方法同層次分析法相結(jié)合，通過計算不同情境下的電能替代效益，找到了適合云南地區(qū)實(shí)施電能替代的最優(yōu)方式，并取得了良好的計算效果。

河南是能源生產(chǎn)大省，能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)主要包括煤、原油等能源，可再生能源的使用占比較低，能源結(jié)構(gòu)問題較為嚴(yán)峻，探索清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源對河南省的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。因此，本文從用戶側(cè)出發(fā)，采用灰色關(guān)聯(lián)度方法，評價了以不同方式進(jìn)行電能替代前后的效益情況，得出最適合河南地區(qū)電能發(fā)展的主要替代途徑。

1 河南省能源發(fā)展結(jié)構(gòu)

受資源稟賦和國家電力布局的影響，河南省能源生產(chǎn)和消費(fèi)一直以煤炭為主［6—9］。如圖1所示，河南省的煤炭消費(fèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它能源，但近幾年，煤炭消費(fèi)量正在逐年下降，受電力改革和可持續(xù)發(fā)展的政策推動，河南省全省的電力消費(fèi)量以及總發(fā)電總量在逐年增加，截至2021年8月，2021年的發(fā)電量已達(dá)到1.9×1011萬kWh。其中，火力發(fā)電占比最高，水力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電占比較低，不足10%，還有很大的發(fā)展前景。圖2是河南省2015—2020年的不同能源發(fā)電情況的變化情況以及總發(fā)電量的變化情況，從圖中可以看出，河南省近3年火力發(fā)電量正在逐年下降，而清潔能源發(fā)電總體上呈現(xiàn)上升趨勢。總體上看，河南省正在用清潔能源代替煤炭及石油，河南省的電能替代潛力巨大。因此，本文對河南省的電能替代項(xiàng)目進(jìn)行效益評價。

圖1 2010—2019年河南省能源消費(fèi)變化情況Fig.1 Changes in energy consumption in Henan province from 2010 to 2019

圖2 2015—2020年河南省不同發(fā)電側(cè)發(fā)電量變化情況Fig.2 Changes of power generation at different power generation sides in Henan province from 2015 to 2020

2 模型和方法

2.1 方法及過程

首先從“以電代煤”“以電代油”兩個方面通過計算年費(fèi)用分析電能替代的經(jīng)濟(jì)效益；再從這兩個方面出發(fā)，計算替代后的污染物減少量，以評估電能替代項(xiàng)目的環(huán)境效益；最后利用灰色關(guān)聯(lián)度方法，根據(jù)不同替代方式下，以及電能替代前的各項(xiàng)效益指標(biāo)得到的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，計算關(guān)聯(lián)度。根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小，找到最適合河南的電能替代發(fā)展方式。

目前以電代煤的具體途徑有電鍋爐替代煤鍋爐、電窯爐替代煤窯爐、電烤煙替代燃煤烤煙等。由于河南省是烤煙大省，這里以烤煙房為例進(jìn)行以電代煤的效益分析。另一方面，汽車產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，也是當(dāng)今人們出行的主要工具，發(fā)展節(jié)能汽車是推動節(jié)能減排的有效舉措，為此，國家也多次出臺相關(guān)補(bǔ)貼政策，因此，在以電代油的分析中選擇電動汽車替代燃油汽車進(jìn)行算例分析。

2.2 電能替代效益指標(biāo)

2.2.1 經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)

（1）以電代煤——電烤煙房代替煤烤煙房

煤烤煙房的年均費(fèi)用

電烤煙房的年均費(fèi)用

式中：AC、AC′分別為燃煤烤煙房和電烤煙房的年均費(fèi)用；C0、C′0分別為不同烤煙房初期投資費(fèi)用；r為基準(zhǔn)折現(xiàn)率；n為設(shè)備的使用年限；P、P′分別為煤炭的平均價格和用電均價；L為每年的煤炭消耗量；L′為年耗電量；C1、C′1分別為不同烤煙房人工成本；C2、C′2分別為不同烤煙房維護(hù)成本。

（2）以電代油——電動汽車代替燃油汽車

燃油汽車的年均費(fèi)用

電動汽車的年均費(fèi)用

式中：AC1、AC′1分別為2種汽車的總成本；C、C′分別為燃油汽車和電動汽車的購買成本；C3、C′3分別為兩種車型的保養(yǎng)成本；S、S′分別為2種汽車在整個壽命周期的里程數(shù)，Q、Q′分別為1單位里程2種汽車消耗的能源量；P″為當(dāng)季汽油平均價格。

2.2.2 環(huán)境效益指標(biāo)

以電能替代后的污染物減少量來衡量電能替代的環(huán)境指標(biāo)。

（1）“以電代煤”環(huán)境效益

在計算時，河南省的火電占比取90%，火力發(fā)電的平均標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量取0.32 kg/kWh，LC-I為上游發(fā)電的耗煤量。所以，煤炭實(shí)際使用減少量的計算公式如下

實(shí)現(xiàn)電能替代后的每年內(nèi)的污染物減排量則為

式中：ηCO-I、ηSO2-I、ηNOx-I分別為燃燒1單位煤的CO、SO2、NOx的排放量，具體的排放系數(shù)從《污染物排放系數(shù)及污染物排放量計算方法》中獲取，如表1所示。

表1 燃煤大氣污染物排放系數(shù)Table 1 Emission coefficient of air pollutants from coal combustion

（2）“以電代油”環(huán)境效益

式中：Eoil-so2、Eoil-nox、Eoil-co分別為燃油汽車行駛百千米SO2、NOx、CO的平均排放量；λ為燃油的完全燃燒率（λ=98%）；B為單位距離的耗油量；ηC、ηS、ηN分別為汽油中碳、硫、氮的含量（ηC=90%，ηS=2%，ηN=0.14%）；β為氮在燃油中的轉(zhuǎn)化率（β=35%）。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)度模型

灰色系統(tǒng)理論適用于“小樣本”“貧信息”的系統(tǒng)，因此選擇本方法對電能替代效益進(jìn)行評價。關(guān)聯(lián)度是因素之間關(guān)聯(lián)性大小的度量，通過計算電能替代的實(shí)際效益指標(biāo)與最優(yōu)狀態(tài)間的關(guān)聯(lián)度來評價電能替代前后的總效益情況，選取待評價的替代效益作為模型中的比較序列，然后選取所有待評價效益中的最優(yōu)表現(xiàn)作為參考序列?；疑P(guān)聯(lián)分析的步驟如下：

（1）數(shù)據(jù)處理

根據(jù)數(shù)據(jù)特征，采用min-max標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行歸一化計算。公式如下

經(jīng)過預(yù)處理后得到矩陣

（2）選取所有數(shù)據(jù)中的最優(yōu)值作為參考數(shù)列，參考數(shù)據(jù)列記為X0

（3）灰色關(guān)聯(lián)度計算

式中：ξi(k)為xi對x0關(guān)于k指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；ζ為分辨系數(shù)，本文取0.5。

（4）算出每個指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度后，計算了加權(quán)后的總關(guān)聯(lián)度，W(k)取為0.2

3 河南省電能替代效益算例分析

3.1 以電代煤算例分析

（1）經(jīng)濟(jì)效益分析

河南省煙葉種植面積占全國10%左右，在用的配套燃煤烤煙房3.7萬余座，全省每年烤煙用煤量達(dá)30萬t以上。烤煙產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化物等污染物，是影響河南省空氣狀況的重要污染源之一。以河南省為例，假設(shè)其按照“熱泵+輔助電加熱”方式進(jìn)行煤改電的改造，改造電烤煙房的投資達(dá)到每座6萬元，平均每年每座烤煙房進(jìn)行6次烘烤，一次160 h。電能替代前后的參數(shù)如表2所示。

表2 電能替代改造前后的參數(shù)Table 2 Parameters before and after electric energy substitution transformation

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，燃煤烤煙房成品率約為90%，電烤煙房的成品率達(dá)99%。另一方面，電烤煙房產(chǎn)的煙葉質(zhì)量提高，產(chǎn)生了0.1元/kg的額外收益，人工成本也降低約66%。煤改電前后的各項(xiàng)指標(biāo)變化如表3所示。

表3 電能替代前后的各項(xiàng)指標(biāo)變化Table 3 Changes of various indexes before and after electric energy substitution

在考慮初始投資的情況下，電烤煙房的年費(fèi)用有所增加，但收入也得到了較大增加，為0.705萬元。凈利潤也增加了0.295萬元。

（2）環(huán)境效益分析

根據(jù)式（5）—式（6），假設(shè)河南省3.7萬座煤烤煙房全部完成電烤煙房的替代，根據(jù)燃煤的大氣污染物排放系數(shù)于效益模型，得到的各項(xiàng)污染物排放量減少情況如表4所示。

通過計算，得到了河南省完成全部的煤烤煙房替代后減少的污染物區(qū)的污染物排放量。一氧化碳減少量約為4萬t，二氧化硫的減少量達(dá)到了將近500 t，社會的氮氧化物的減少量達(dá)到了150 t以上。

3.2 以電代油算例分析

（1）經(jīng)濟(jì)效益

2021年10月20日，河南省92號汽油的價格為7.32元/L，約為0.72 kg。假定一輛排量為2 L的燃油汽車價格為20萬元，其百千米油耗約9 L，年保養(yǎng)費(fèi)用約為0.15萬元；在有政策補(bǔ)貼的情況下，假設(shè)電動汽車的購入價格為15萬元（補(bǔ)貼5萬元），年保養(yǎng)費(fèi)用約為0.1萬元，百千米的耗電量為20 kWh。車輛使用周期里程均為30萬km，年均里程約為2萬km。根據(jù)《河南省發(fā)展和改革委員會關(guān)于2018年電價調(diào)整有關(guān)事項(xiàng)的通知》，參考“一般工商業(yè)及其他”的用電價格，設(shè)電動汽車的平均電價為0.65元/kWh，則兩種車型的經(jīng)濟(jì)效益如表5所示。

從表5可知，電動汽車每年的使用成本比燃油汽車低1.107萬元，由于電動汽車在使用過程中需要更換一次電池，假設(shè)更換電池的費(fèi)用為8萬元，平均在每年的運(yùn)行成本中，電動汽車的年使用成本為0.89萬元，其年使用成本和整個生命周期成本也低于燃油汽車。

（2）環(huán)境效益

根據(jù)環(huán)境效益的公式和污染物排放系數(shù)，得到電動汽車替代燃油汽車后的環(huán)境效益情況，如表6所示。

表6 “以電代油”后的環(huán)境效益Table 6 Environmental benefits after“replacing oil with electricity”

從結(jié)果可以看出，一輛電動汽車帶來的環(huán)境污染遠(yuǎn)小于燃油汽車，但是電動汽車的氮氧化物的排放量大于燃油汽車的排放，這是由于河南省的火力發(fā)電占比過大造成的。

3.3 電能替代效果分析

對之前的計算結(jié)果進(jìn)行匯總?cè)绫?所示。根據(jù)匯總后的數(shù)據(jù)，采用灰色關(guān)聯(lián)度模型對不同替代方式下以及替代前的能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了橫向?qū)Ρ?，從?jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益兩方面替代方式進(jìn)行了評價，得到了適合河南地區(qū)發(fā)展的用能方式。

表7 電能替代前后效益情況Table 7 Benefits before and after electrical energy substitution

首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，歸一化處理后，選擇經(jīng)濟(jì)投入量、各種污染物排放量的最小值以及收益最大值作為參考序列，得到灰色關(guān)聯(lián)度的計算結(jié)果如下表8所示。

表8 灰色關(guān)聯(lián)度評價結(jié)果Table 8 Grey correlation evaluation results

將每種指標(biāo)的權(quán)重均設(shè)為0.2，得到的4種用能方式和參考序列的關(guān)聯(lián)度分別為0.59、0.66、0.67以及0.90?？傮w上看，以電代油的電能替代方式更適合河南地區(qū)的發(fā)展，以電代煤的效益排在第二，未改造前的用能方式無論是從經(jīng)濟(jì)上還是環(huán)境上都劣于改造后的。

4 結(jié)束語

本文從以電代煤、以電代油兩個方面，分別構(gòu)建了經(jīng)濟(jì)效益模型和環(huán)境效益模型，并以河南地區(qū)為例，分析了不同替代方式下項(xiàng)目的效益情況，得到以下結(jié)論：

（1）河南省的火力發(fā)電的占總發(fā)電量的比例過大，在終端發(fā)電還是不可避免的造成一定的環(huán)境污染，但近3年來，在政策的推動下，可清潔能源的發(fā)電占比有所上升，火力發(fā)電的占比有所下降。河南政府應(yīng)繼續(xù)推進(jìn)水電、風(fēng)電等清潔能源發(fā)電的發(fā)展。

（2）在考慮河南的能源結(jié)構(gòu)的情況下，以電代煤和以電代油都有效的降低了化石能源的消耗，同時減少了一氧化碳等污染物的排放。同時，從用戶的角度出發(fā)，這兩種替代方式減少了經(jīng)濟(jì)成本。以電代油的綜合效益相對更適合河南地區(qū)的發(fā)展，政府應(yīng)在一定程度上對其給予支持，例如加強(qiáng)對電能替代的宣傳，電價政策的調(diào)整和優(yōu)惠措施、適當(dāng)?shù)难a(bǔ)貼政策等。

本文從用戶側(cè)出發(fā)，建立了電能替代項(xiàng)目的效益評價模型，對評價電能替代方案提供了參考。D