中國西北地區光伏發電的環境影響評估

明言

【摘要】為了估計可再生能源對環境的影響，現在國內許多文獻主要是通過研究可再生能源發電對燃煤發電的替代效應進行評估的。但是在本文中，我們將對這種方法予以質疑，并且在考慮到邊際發電量改變這一事實以后，我們還會對中國西北地區光伏發電的環境影響進行重新評估。經過評估，2015年西北地區電網中光伏發電量高達17900GW·h，這相當于1.5個核電站的發電量。那么相比2010年，這將減少0.36%的SO2排放以及0.25%的NO2排放。我們進一步發現如果用光伏發電代替水力發電來滿足西北電網高峰時期的用電需求，這并不會減少污染物的排放。這些結果顯示短期內更具成本效益的發電方法還是采用脫硫脫硝技術的燃煤發電。

【關鍵詞】光伏發電 減排 環境價值

一、引言

中國國民經濟經過三十余年的快速發展，激發了對能源需求的更大幅度的增加，從2000年到2015年，中國電力消費的平均年增長率都保持在10%左右，但主要是依靠煤炭和水利發電，其中80%為燃煤發電，17%為水力發電。這種過度依賴燃煤發電的能源結構，已經引起了很大的環境問題。中國從2006年以來積極尋求改變這種能源結構的辦法，而且自從可再生能源法頒布以來，開始大力發展光伏發電技術。

本文將重點評估光伏發電對西北地區電網的兩種潛在優勢，即高峰用電互補和良好的環境影響，進而獲得一些相關的環境政策啟示。由于電力需求在日間達到最高，并且當日間有太陽照射時，光伏發電比其他可再生能源發電有更大的峰值，這反過來使得光伏發電替代其他發電形式所帶來的污染減排效應更加顯著。但是西北電網有一個明顯特征即部分高峰用電量是由水力發電來彌補的，因此為了更加準確地評估光伏發電的潛在環境效益，本文將基于西北電網特定的能源結構，負荷模式以及邊際發電量來展示幾種潛在的高峰發電替代情形，而不是像其他文章那樣僅僅假設光伏發電將要替代燃煤發電。

二、西北地區光伏發電現狀

中國西北地區在實現發電一體化的進程中，由于光伏發電需要額外的傳輸容量和后備電源，所以青海省將其2012年的光伏發電裝機容量計劃從200MW減少到100MW，這和2011年的安裝容量相當。如果將這個安裝速度看作是一個實際安裝速度，那么我們在本文中可以將該實際安裝速度假設為一個常數直到該地區各省份的安裝計劃實現。這意味著2011到2015年甘肅，青海，寧夏以及新疆地區每年光伏裝機容量分別為100MW，80MW，40MW，和20MW。

由于中國現有的光伏電站的實際光伏發電量數據很難獲得，所以我們利用美國可再生能源實驗室系統顧問模型（NREL SAM）計算了甘肅，青海，寧夏，新疆地區2012～2015年光伏發電量。結果顯示，2015年中國西北地區光伏發電量將達到18000GW·h左右，這相當于美國1.5個核電站的年發電量。

為了確定西北電網中太陽能發電所替代的邊際發電量，我們需要確定光伏發電量增加對電網平均負荷曲線的影響。根據國家電網所提供的2005到2014年的數據來看，在夏季和冬季，負荷量隨著時間的推移存在著線性增長。我們可以通過假設這種線性增長一直持續來模擬出2015年的負荷資料，并且運用一個簡單的普通最小二乘法模型（OLS）來預測2015年夏季和冬季的負荷資料。

該模型為：PLi，j=β0+β1PLi-1，j+ωi，j

其中，PLi，j代表的是第i年j月的峰值負荷量，而PLi-1，j代表的是前一年i-1中j月的峰值負荷量，ωi，j為誤差值，它的的平均值為0，并且服從標準正態分布，β0和β1則是需要估計的參數值。我們可以用五月份到九月份的數據來估算夏季時的β1，用十一月到第二年三月份的數據來估算冬季時的β1.2015年的負荷數據是符合線性回歸分析的。

從測算出的數據中我們可以發現并網光伏發電將會對西北電網七月上午9：00到晚上9：00以及十二月上午10：00到晚上7：00的邊際成本曲線產生影響。但是這種出現在兩個高峰之間的額外發電量只是使得七月和十二月峰谷比率下降到19.6%和21.4%，與原有的夏季21.8%和冬季22%峰谷比率數據相比，這種下降是比較小的。光伏發電在夏季可能會替代一些晚高峰發電量，因為在夏季，白天時間很長，但是它很難抵消當天晚上到第二天上午之間發電機運行所帶來的用電高峰。

三、西北電網中光伏發電的潛在減排效益

盡管西北電網的基礎負荷是由火力和水力發電所提供的，但是由于火力發電較低的靈活性，水力發電有時也是被用來進行調峰的。而水力發電的調峰能力卻被限制在旱季，這是因為，在雨季大量的水必須不斷被釋放以防釀成洪災，所以水力發電只是承擔起基礎負荷的作用，彌補高峰用電量的重任則落在了燃煤發電上。所以燃煤發電的高峰發電能力就變得非常重要。

根據報告稱，到2015年，西北電網將要增加15.5GW的水力發電容量，從而使得水力發電總容量達到36.5GW，考慮到水位的不確定性和預期火力發電峰值的增加，本文將用三種發電置換方案對太陽能發電項目的潛在環境效益進行評價。

（1）光伏發電替代燃煤發電。這是預期在冬季當光伏發電出現在用電高峰時間，在夏季光伏發電自身處在峰值。在雨季，當由水電提供基礎電力時，光伏發電取代火力發電彌補高峰發電能力的作用可以很容易被觀察到。

（2）光伏發電替代水力發電?？紤]到西北電網未來幾年可能的供電能力增加，這種作用無論光伏發電處于高峰還是非高峰都會顯現。

（3）最后一種情況是光伏發電取代47%的水力發電和53%的火力發電。到2015年，火力發電將提供高達41.1GW的峰值容量，這相當于西北電網41%的火力發電容量。如果滿足高峰用電需求的壓力按水電36.5GW，火電41.1GW的比例分配，那么火力發電將提供高峰用電時間中53%的發電量，而最終這些發電量將由光伏發電代替提供。

根據核算的污染因子，我么可以利用下面的公式來計算上述三種置換方案所引起的2015年西北電網光伏發電所減少的污染排放量：

Ei=EFi×Li×G

其中Ei代表的是i類污染物總的減少量，EFi代表第i類污染物的排放因子，Li代表光伏發電所減少的i類污染物的排放比例，其數據是根據Fthenakis等人的估算得來，而G則代表2015年的光伏發電量。下表1展示了該估算數據。

四、潛在的減排量與政府目標的比較

根據表1，我們可以看到最大的減排量可能出現在情形一，即用光伏發電替代燃煤發電。根據政府“十二五”減排目標2015年火力發電中NOx和SOx的排放量將分別從2010年的1055萬噸和956萬噸減少到750萬噸和800萬噸，通過將2015年最好情形中經測算的減排量除以2015年總的NOx和SOx的排放量，我們可以發現2015年西北地區光伏發電項目在NOx和SOx的排放中只能幫助減少實際減排量與目標減排量差異的0.25%和0.36%。如此低的減排量可能主要是由以下三種因素影響的：

（1）與火力發電量相比，光伏發電量仍然太小了。

（2）由于煤是一種基礎能源，火力發電廠可以24小時不間斷工作，這也引起了相對比較高的污染量。而光伏發電由于受到日照時間的限制，所以不能24小時不間斷地發電。

（3）即使給火力發電廠設定高于工業部門兩倍的減排目標，仍然會產生相當于總排放量60%的排放水平，因此相比加強工業部門減排，將重點放在火力發電減排上無疑是缺乏效率的。

除了增加可再生能源的份額，中國還計劃通過加快對火力發電站脫硫脫硝技術的升級換代來減少污染物的排放。按計劃燃煤機組脫硫有效率將達到達到95%，脫硝有效率為75%。這需要花費1330億元并將減少277萬噸的SO2和358萬噸的NOx排放。相比較而言，在光伏并網發電系統的初始投資預計會從2009年的每瓦3.018美元降至2014年2.515美元每瓦特，這需要約38億至45億美元在中國西北建立15.1兆瓦的光伏發電。這意味著在短期，投資光伏發電所帶來的污染物減排效率只有采用脫硫脫硝技術的燃煤發電的1/5.盡管可再生能源技術的采用還會帶來除污染物減排外其他的好處，但是如果我們只是將目標定位為環境和空氣質量的改善，那么最有效益的方法提高脫硫脫硝技術的應用范圍。

五、結論

經過評估，2015年西北地區電網中光伏發電量高達17900GW·h，這相當于美國1.5個核電站的發電量。但是光伏發電可能只會彌補兩個日間用電高峰之間的用電量，而且所帶來的環境影響主要依賴于所替代的發電模式，相比2010年，光伏發電將只減少0.36%的SO2排放以及0.25%的NO2排放。如果處于光伏發電只是替代水力發電這種最不利的情形中，那么光伏發電幾乎不會帶來任何的環境效益。短期來看，更加廣泛的推廣脫硫脫硝技術才是最具效益的減排辦法。

參考文獻

[1]Kaffine D，McBee B，Lieskovsky J.Emissions savings from wind power generation： evidence from Texas，California and the Upper Midwest.2013–04–02.

[2]曹琳，王燦.和基準線排放因子的計算研究.中國環境科學 2010，30（1）：7-11.

[3]魏曉霞，劉士瑋.國外分布式發電發展情況分析及啟示[J].能源技術經濟，2010，22（9）：58-61，65.

[4]魏學好，周浩.中國火力發電行業減排污染物的環境價值標準估算.環境科學研究，2003，Vol.16，No.1.

[5]吳鵬，單葆國，葛旭波，等.堅強智能電網——服務國家碳減排目標[J].能源技術經濟，2010，22（6）：9-13.

[6]王志軒，2050年中國煤電發展的戰略思考[J].中國電力企業管理，2013（8）：34-41.

[7]朱群志，司磊磊，蔣挺燕.不同安裝方式建筑光伏系統的經濟性及環境效益[J].太陽能學報，2012，33（1）：24-29.

[8]趙波.大量分布式光伏電源接入對配電網的影響研究[J].浙江電力，2010，29（6）：5-8.