劉家峽水電站對火電站的氧氣生態補償效益

張澤中，李小龍，劉建廳，齊青青

(華北水利水電大學，河南鄭州450008)

劉家峽水電站對火電站的氧氣生態補償效益

張澤中，李小龍，劉建廳，齊青青

(華北水利水電大學，河南鄭州450008)

氧氣生態補償效益完善了水電對火電生態環境補償效益計算。運用CDM方法學得出水庫的二氧化碳減排量，然后計算出水電站代替火電發電時減少的氧氣的消耗量。黃河劉家峽水電站2020年調度計算結果顯示，劉家峽水電站在2020水平年的氧氣生態補償效益為5 156萬元，為科學制定水電價格提供依據。

水電工程；碳交易；氧氣；補償效益；劉家峽水電站

0 引 言

截至2015年12月底，我國的電力裝機約15億kW。其中，火電占66%，水電占21%。可以看出，我國的電力資源主要由火電供應。火電發電廠以燃煤為主，且在近期內這一現狀很難改變。火電站發電過程中不僅產生污染性氣體，而且會消耗氧氣。一直以來，氧氣給人的印象是“取之不盡，用之不竭”，但實際情況絕非如此。陳一文指出氧氣枯竭帶來的危害比溫室效應更加嚴重[1]。化石燃料的燃燒使氧氣在大氣中的濃度變得越來越少，而人類和其他生物的生存都要處于一定的氧氣濃度中，氧氣濃度的下降直接威脅到生物的生存。水電作為清潔能源，在發電過程中不消耗氧氣，不產生污染性氣體，但水電在發展的過程中卻遇到不公平待遇[2]。本文以水電對火電進行電量補償時減少的氧氣消耗為研究對象，計算水電對火電進行電量補償時產生的氧氣生態補償效益，為科學制定水電的價格提供依據，以保證水電的健康發展。

1 氧氣生態補償效益量化

1.1 氧氣生態補償效益定義

火電站在發電過程中會產生污染物污染大氣，消耗氧氣，造成環境污染和破壞，火電的這些經濟外部性以經濟損失的形式轉嫁給社會。作為一種清潔能源，水電能節約能源，降低污染氣體排放，避免了部分污染經濟損失。水電站產生的環境代價的節約定義為水電站的環境效益[3]。氧氣生態補償效益是指因水電對火電進行電量補償時減少燃煤消耗氧氣產生的經濟效益。

1.2 氧氣生態補償效益量化

由于氧氣的減少還沒有帶來明顯的社會影響，現階段氧氣的各種價值很難度量。但可采用間接的方法求得氧氣的生態補償效益。如何衡量水電代替火電發電時氧氣生態補償的價值，需要選取合適的標準和依據。雖然氧氣的經濟價值目前無法核算，但煤炭在燃燒的過程中會消耗氧氣，產生二氧化碳。現在國際上關于碳交易的研究已經開始起步，并取得了一定的成果。世界上許多國家，尤其是在歐洲，如瑞典、荷蘭、意大利等多個國家已開始征收碳稅[4]。征收碳稅是將企業排放二氧化碳外部成本內部化，而碳排放交易權是利用市場機制實現碳排放權利的交接。征收碳稅和碳排放交易權的實行是通過改變企業贏利函數而影響企業決策的行為[5]。碳交易是在市場條件下進行碳排放權的交易，旨在減少全世界溫室氣體特別是二氧化碳的排放。1997年12月《京都議定書》的通過標志著全世界對環境保護達成共識。《京都議定書》引進了市場機制，決定把二氧化碳當成一種商品進行交易，開辟了減少溫室氣體排放的新路徑，將二氧化碳的排放權進行交易形成了碳交易市場。

本文采用CDM方法學定量計算二氧化碳的價格。取二氧化碳相對分子質量中氧元素的質量分數為折減系數λ，將折減系數與二氧化碳價格相乘，定量計算出氧氣的單位價格，計算公式如下

PO2=λPCO2

(1)

式中，PO2為單位氧氣的生態效益價格；λ為二氧化碳相對分子質量中氧元素的質量分數，取0.73；PCO2為采用CDM方法學定量計算出的二氧化碳的價格。

2 氧氣生態補償效益的計算

2.1 計算方法選定

水電作為清潔能源，被國際組織確定為CDM項目的重要組成部分[6]。經過CDM執行理事會(EB)批準后的項目都可以參與碳交易市場出售溫室氣體排放量。因此，可以用CDM方法學定量計算出二氧化碳的價格，然后計算出氧氣生態補償效益的價格。在EB批準的97種方法學中[7]，適用于水電項目的有AMS-I.D法和ACM0002法，這2種方法有不同的適用范圍。各自的適用范圍以功率密度ω作為閾值，計算公式為

(2)

不同水電站使用不同的計算方法。當ω4W/m2，且電站的裝機容量小于15MW時，使用AMS-I.D法；當4W/m2ω10W/m2時，使用ACM0002法，且計入水庫的二氧化碳排放量，二氧化碳排放因子為90g/(kW·h)；當ω≥10W/m2時，應用ACM0002法，忽略水庫的二氧化碳排放量。

2.2 減少二氧化碳排放量

根據CDM方法學的計算方法，水電站減少的二氧化碳應計算以下幾個方面：水力發電產生的二氧化碳排放量PEy；水力發電基準線排放量BEy；水電二氧化碳的泄漏量Ly；水電二氧化碳減排量ERy。

(1)水力發電產生的二氧化碳排放量PEy。黃河上游水電站的裝機容量都比較大，故不考慮裝機容量小于15MW的電站，采用ACM0002法計算。當4W/m2ω10W/m2時，PEy=90g/(kW·h)；當ω≥10W/m2，PEy=0。

(2)水力發電基準線排放量BEy。在某一電網中，假如沒有水電項目加入。為了滿足電網的正常運行及用戶的需求，并入電網中的水電電量全部由火電來代替，這時的火電項目被稱為基準線項目。水電項目相對于基準線(即火電項目)所減少的二氧化碳的排放量就是水電的減排量，由此得出水電減少氧氣的消耗量。采用ACM0002法計算，方法如下

BEy=EGy×0.5×(OM+BM)

(3)

CM=ωOM×OM+ωBM×BM

(4)

式中，EGy為y年水電并入電網的電量；CM為水電項目所在電網的排放因子；OM為電量排放因子；BM為容量排放因子；ωOM、ωBM為OM和BM的取值權重，本文中，ωOM=ωBM=0.5。我國關于排放因子的取值是以區域為基準的，2013年不同區域的基準線排放因子見表1。

表1 2013年各電網基準線排放因子 t/MW·h

(3)水電二氧化碳的泄漏量Ly。本計算方法中忽略不計，即Ly=0。

(4)水電項目二氧化碳減排量ERy。可按下式計算

ERy=BEy-PEy-Ly

(5)

2.2 水電代替火電減少氧氣的消耗量

在基于碳交易機制下，采用ACD0002法，計算出水電代替火電減少的二氧化碳的排放量。在煤炭燃燒時，會產生二氧化碳及二氧化硫等氣體，這些氣體的產生消耗氧氣。在煤炭的組成成分中，碳所占的比例高達80%，其他元素的耗氧量可忽略不計。用碳和氧氣反應產生的二氧化碳的量來定量的計算火電發電過程中的耗氧量。1kg煤炭平均含碳量為0.8kg，故1kg煤炭大約消耗2.13kg氧氣，產生2.93kg的二氧化碳。

2.3 二氧化碳價格

本文采用我國碳交易市場深圳排放權交易所碳交易市場價格作為碳交易價格。根據深圳排放權交易所2015年7月6日～2015年7月13日碳交易成交價格的平均值(見表2)，得出碳交易的價格，記為PCDM。

表2 碳交易價格 元/t

本文碳交易價格PCDM的計算公式如下

(6)

由式(6)和表1計算可得，碳交易的價格為24.75元/t。

2.4 氧氣生態補償效益價格

氧氣生態效益計算步驟為：①選取水電站某一年的發電量EGy；②用計算年水電站的發電量代替火電的發電量，計算出每年減少的二氧化碳的排放量。③根據本文擬定的碳交易的價格計算出氧氣生態補償效益。本文碳交易價格為24.75元/t，由公式(1)計算出氧氣生態補償效益的價格為18.07元/t。

3 實際應用

劉家峽水電站總裝機容量為116萬kW，保證出力48.99萬kW，水庫正常蓄水位1 730m，對應水庫淹沒面積為106.7km2，據此計算出劉家峽水庫的功率密度為10.87 W/m2。根據式(3)計算出基準排放量BEy；再根據式(4)計算出二氧化碳減排量ERy。水電代替火電發電時減少氧氣的消耗量Sy為

Sy=0.73×ERy=0.73EGy×0.5×
(OM+BM)-PEy-Ly

(7)

基于碳交易價格機制下，氧氣的生態補償效益為水電站補償火電站發電時減少的氧氣消耗量與氧氣生態補償效益價格的乘積，即

BO2=Sy×PO2

(8)

文獻[8]給出2020水平年水電站優化調度后，劉家峽水電站的發電量為54.31億kW·h。

劉家峽水電站位于西北地區，電量進入西北電網中，由表1可知，OM=0.972 9，BM=0.511 5，水力發電產生的二氧化碳排放量PEy=0。計算出2020年劉家峽水電站二氧化碳年減排量為3 908 691t，減少氧氣的消耗量為2 853 342t。由此得出，劉家峽水電站2020水平年的氧氣生態補償效益為5 156萬元。

4 結 語

(1)本文運用一種間接的方法求出氧氣的生態補償效益，計算出2020水平年劉家峽水電站的氧氣生態補償效益為5 156萬元。旨在說明水電在國民經濟的發展中有著極為重大的作用。同時，提醒人們關注氧氣枯竭，積極保護環境。

(2)水電對火電氧氣生態補償效益巨大，在節能減排的環境下，水電在電網的比例還需上調，水電的氧氣生態補償效益將更為顯著。呼吁國家出臺有利于水電可持續發展的相關政策，以促進水電健康發展。

(3)本文所用的方法只是對氧氣生態效益的一種嘗試，關于氧氣的生態價值還需進一步研究。

[1]陳一文. 對人類持續安全健康生存，大氣 “氧氣枯竭” 造成比 “全球溫室效應” 更為嚴重惡果[C]∥2008中國可持續發展論壇論文集. 北京：中國可持續發展研究會，2008：287-290.

[2]潘家錚. 水電與中國[J]. 水力發電，2004，30(12)：17-21.

[3]鄭志宏，張澤中，薛小杰，等. 龍劉梯級水庫群對黃河生態基流補償效益[J]. 水力發電學報，2009，28(4)：13-17.

[4]EuropeanEnvironmentalAgency(EEA).EnvironmentalTaxesImplementationandEffectivenessEnvironmental[M].Copenhagen：EEA，1996.

[5]PIGOUAC.TheEconomicsofWelfare[M].London：Macmillian，1992.

[6]李歡，楊仁斌，陳亮，等. 中國水電項目CDM開發現狀與趨勢展望[J]. 中國農村水利水電，2007(8)：92-93.

[7]張一博，李林紅. 云南電網類CDM項目適用的方法學研究[J]. 網絡財富，2008(6)：45-48.

[8]張澤中，王義民，齊青青，等. 黃河上游梯級水庫群大氣環境補償效益計算[J]. 水力發電學報，2010，29(3)：56-62.

(責任編輯 楊 健)

Oxygen Ecological Compensation Benefits of Liujiaxia Hydropower Station to Thermal Power Plant

ZHANG Zezhong, LI Xiaolong, LIU Jianting, QI Qingqing

(North China University of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450008, Henan, China)

The study of oxygen ecological compensation benefits can improve the computation of eco-environment benefit of hydropower station to thermal power plant. The CDM method is firstly used to derive the carbon dioxide emission reduction of reservoir, and then the reduction of oxygen consumption is calculated when instead of thermal power generation with hydropower station. The calculation results of Liujiaxia Hydropower Station show that the oxygen ecological compensation benefit of Liujiaxia Hydropower Station in the year of 2020 will be 51.56 million RMB. The quantitative calculation provides a basis for scientific pricing of hydropower station.

hydropower engineering; carbon trading; oxygen; compensation benefit; Liujiaxia Hydropower Station

2016-07-12

國家自然科學基金項目(51309098)

張澤中(1978—)，男(滿族)，河北唐山人，副教授，博士，主要從事水庫調度和資源系統工程研究；李小龍(通訊作者).

TV7；X171(242)

A

0559-9342(2016)12-0013-03