劉家峽水電站對(duì)火電站的氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益

張澤中，李小龍，劉建廳，齊青青

(華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450008)

劉家峽水電站對(duì)火電站的氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益

張澤中，李小龍，劉建廳，齊青青

(華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450008)

氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益完善了水電對(duì)火電生態(tài)環(huán)境補(bǔ)償效益計(jì)算。運(yùn)用CDM方法學(xué)得出水庫(kù)的二氧化碳減排量，然后計(jì)算出水電站代替火電發(fā)電時(shí)減少的氧氣的消耗量。黃河劉家峽水電站2020年調(diào)度計(jì)算結(jié)果顯示，劉家峽水電站在2020水平年的氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益為5 156萬(wàn)元，為科學(xué)制定水電價(jià)格提供依據(jù)。

水電工程；碳交易；氧氣；補(bǔ)償效益；劉家峽水電站

0 引 言

截至2015年12月底，我國(guó)的電力裝機(jī)約15億kW。其中，火電占66%，水電占21%。可以看出，我國(guó)的電力資源主要由火電供應(yīng)。火電發(fā)電廠以燃煤為主，且在近期內(nèi)這一現(xiàn)狀很難改變。火電站發(fā)電過(guò)程中不僅產(chǎn)生污染性氣體，而且會(huì)消耗氧氣。一直以來(lái)，氧氣給人的印象是“取之不盡，用之不竭”，但實(shí)際情況絕非如此。陳一文指出氧氣枯竭帶來(lái)的危害比溫室效應(yīng)更加嚴(yán)重[1]。化石燃料的燃燒使氧氣在大氣中的濃度變得越來(lái)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(fā)電過(guò)程中不消耗氧氣，不產(chǎn)生污染性氣體，但水電在發(fā)展的過(guò)程中卻遇到不公平待遇[2]。本文以水電對(duì)火電進(jìn)行電量補(bǔ)償時(shí)減少的氧氣消耗為研究對(duì)象，計(jì)算水電對(duì)火電進(jìn)行電量補(bǔ)償時(shí)產(chǎn)生的氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益，為科學(xué)制定水電的價(jià)格提供依據(jù)，以保證水電的健康發(fā)展。

1 氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益量化

1.1 氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益定義

火電站在發(fā)電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生污染物污染大氣，消耗氧氣，造成環(huán)境污染和破壞，火電的這些經(jīng)濟(jì)外部性以經(jīng)濟(jì)損失的形式轉(zhuǎn)嫁給社會(huì)。作為一種清潔能源，水電能節(jié)約能源，降低污染氣體排放，避免了部分污染經(jīng)濟(jì)損失。水電站產(chǎn)生的環(huán)境代價(jià)的節(jié)約定義為水電站的環(huán)境效益[3]。氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益是指因水電對(duì)火電進(jìn)行電量補(bǔ)償時(shí)減少燃煤消耗氧氣產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益量化

由于氧氣的減少還沒(méi)有帶來(lái)明顯的社會(huì)影響，現(xiàn)階段氧氣的各種價(jià)值很難度量。但可采用間接的方法求得氧氣的生態(tài)補(bǔ)償效益。如何衡量水電代替火電發(fā)電時(shí)氧氣生態(tài)補(bǔ)償?shù)膬r(jià)值，需要選取合適的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。雖然氧氣的經(jīng)濟(jì)價(jià)值目前無(wú)法核算，但煤炭在燃燒的過(guò)程中會(huì)消耗氧氣，產(chǎn)生二氧化碳。現(xiàn)在國(guó)際上關(guān)于碳交易的研究已經(jīng)開(kāi)始起步，并取得了一定的成果。世界上許多國(guó)家，尤其是在歐洲，如瑞典、荷蘭、意大利等多個(gè)國(guó)家已開(kāi)始征收碳稅[4]。征收碳稅是將企業(yè)排放二氧化碳外部成本內(nèi)部化，而碳排放交易權(quán)是利用市場(chǎng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)碳排放權(quán)利的交接。征收碳稅和碳排放交易權(quán)的實(shí)行是通過(guò)改變企業(yè)贏利函數(shù)而影響企業(yè)決策的行為[5]。碳交易是在市場(chǎng)條件下進(jìn)行碳排放權(quán)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(shū)》的通過(guò)標(biāo)志著全世界對(duì)環(huán)境保護(hù)達(dá)成共識(shí)。《京都議定書(shū)》引進(jìn)了市場(chǎng)機(jī)制，決定把二氧化碳當(dāng)成一種商品進(jìn)行交易，開(kāi)辟了減少溫室氣體排放的新路徑，將二氧化碳的排放權(quán)進(jìn)行交易形成了碳交易市場(chǎng)。

本文采用CDM方法學(xué)定量計(jì)算二氧化碳的價(jià)格。取二氧化碳相對(duì)分子質(zhì)量中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為折減系數(shù)λ，將折減系數(shù)與二氧化碳價(jià)格相乘，定量計(jì)算出氧氣的單位價(jià)格，計(jì)算公式如下

PO2=λPCO2

(1)

式中，PO2為單位氧氣的生態(tài)效益價(jià)格；λ為二氧化碳相對(duì)分子質(zhì)量中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取0.73；PCO2為采用CDM方法學(xué)定量計(jì)算出的二氧化碳的價(jià)格。

2 氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益的計(jì)算

2.1 計(jì)算方法選定

水電作為清潔能源，被國(guó)際組織確定為CDM項(xiàng)目的重要組成部分[6]。經(jīng)過(guò)CDM執(zhí)行理事會(huì)(EB)批準(zhǔn)后的項(xiàng)目都可以參與碳交易市場(chǎng)出售溫室氣體排放量。因此，可以用CDM方法學(xué)定量計(jì)算出二氧化碳的價(jià)格，然后計(jì)算出氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益的價(jià)格。在EB批準(zhǔn)的97種方法學(xué)中[7]，適用于水電項(xiàng)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(jì)算公式為

(2)

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

2.2 減少二氧化碳排放量

根據(jù)CDM方法學(xué)的計(jì)算方法，水電站減少的二氧化碳應(yīng)計(jì)算以下幾個(gè)方面：水力發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳排放量PEy；水力發(fā)電基準(zhǔn)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(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳排放量PEy。黃河上游水電站的裝機(jī)容量都比較大，故不考慮裝機(jī)容量小于15MW的電站，采用ACM0002法計(jì)算。當(dāng)4W/m2ω10W/m2時(shí)，PEy=90g/(kW·h)；當(dāng)ω≥10W/m2，PEy=0。

(2)水力發(fā)電基準(zhǔn)線排放量BEy。在某一電網(wǎng)中，假如沒(méi)有水電項(xiàng)目加入。為了滿足電網(wǎng)的正常運(yùn)行及用戶的需求，并入電網(wǎng)中的水電電量全部由火電來(lái)代替，這時(shí)的火電項(xiàng)目被稱為基準(zhǔn)線項(xiàng)目。水電項(xiàng)目相對(duì)于基準(zhǔn)線(即火電項(xiàng)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(jì)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(wǎng)的電量；CM為水電項(xiàng)目所在電網(wǎng)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(quán)重，本文中，ωOM=ωBM=0.5。我國(guó)關(guān)于排放因子的取值是以區(qū)域?yàn)榛鶞?zhǔn)的，2013年不同區(qū)域的基準(zhǔn)線排放因子見(jiàn)表1。

表1 2013年各電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子 t/MW·h

(3)水電二氧化碳的泄漏量Ly。本計(jì)算方法中忽略不計(jì)，即Ly=0。

(4)水電項(xiàng)目二氧化碳減排量ERy。可按下式計(jì)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(jī)制下，采用ACD0002法，計(jì)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生二氧化碳及二氧化硫等氣體，這些氣體的產(chǎn)生消耗氧氣。在煤炭的組成成分中，碳所占的比例高達(dá)80%，其他元素的耗氧量可忽略不計(jì)。用碳和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳的量來(lái)定量的計(jì)算火電發(fā)電過(guò)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(chǎn)生2.93kg的二氧化碳。

2.3 二氧化碳價(jià)格

本文采用我國(guó)碳交易市場(chǎng)深圳排放權(quán)交易所碳交易市場(chǎng)價(jià)格作為碳交易價(jià)格。根據(jù)深圳排放權(quán)交易所2015年7月6日～2015年7月13日碳交易成交價(jià)格的平均值(見(jiàn)表2)，得出碳交易的價(jià)格，記為PCDM。

表2 碳交易價(jià)格 元/t

本文碳交易價(jià)格PCDM的計(jì)算公式如下

(6)

由式(6)和表1計(jì)算可得，碳交易的價(jià)格為24.75元/t。

2.4 氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益價(jià)格

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

3 實(shí)際應(yīng)用

劉家峽水電站總裝機(jī)容量為116萬(wàn)kW，保證出力48.99萬(wàn)kW，水庫(kù)正常蓄水位1 730m，對(duì)應(yīng)水庫(kù)淹沒(méi)面積為106.7km2，據(jù)此計(jì)算出劉家峽水庫(kù)的功率密度為10.87 W/m2。根據(jù)式(3)計(jì)算出基準(zhǔn)排放量BEy；再根據(jù)式(4)計(jì)算出二氧化碳減排量ERy。水電代替火電發(fā)電時(shí)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(jià)格機(jī)制下，氧氣的生態(tài)補(bǔ)償效益為水電站補(bǔ)償火電站發(fā)電時(shí)減少的氧氣消耗量與氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益價(jià)格的乘積，即

BO2=Sy×PO2

(8)

文獻(xiàn)[8]給出2020水平年水電站優(yōu)化調(diào)度后，劉家峽水電站的發(fā)電量為54.31億kW·h。

劉家峽水電站位于西北地區(qū)，電量進(jìn)入西北電網(wǎng)中，由表1可知，OM=0.972 9，BM=0.511 5，水力發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳排放量PEy=0。計(jì)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(tài)補(bǔ)償效益為5 156萬(wàn)元。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文運(yùn)用一種間接的方法求出氧氣的生態(tài)補(bǔ)償效益，計(jì)算出2020水平年劉家峽水電站的氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益為5 156萬(wàn)元。旨在說(shuō)明水電在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中有著極為重大的作用。同時(shí)，提醒人們關(guān)注氧氣枯竭，積極保護(hù)環(huán)境。

(2)水電對(duì)火電氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益巨大，在節(jié)能減排的環(huán)境下，水電在電網(wǎng)的比例還需上調(diào)，水電的氧氣生態(tài)補(bǔ)償效益將更為顯著。呼吁國(guó)家出臺(tái)有利于水電可持續(xù)發(fā)展的相關(guān)政策，以促進(jìn)水電健康發(fā)展。

(3)本文所用的方法只是對(duì)氧氣生態(tài)效益的一種嘗試，關(guān)于氧氣的生態(tài)價(jià)值還需進(jìn)一步研究。

[1]陳一文. 對(duì)人類持續(xù)安全健康生存，大氣 “氧氣枯竭” 造成比 “全球溫室效應(yīng)” 更為嚴(yán)重惡果[C]∥2008中國(guó)可持續(xù)發(fā)展論壇論文集. 北京：中國(guó)可持續(xù)發(fā)展研究會(huì)，2008：287-290.

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

[3]鄭志宏，張澤中，薛小杰，等. 龍劉梯級(jí)水庫(kù)群對(duì)黃河生態(tài)基流補(bǔ)償效益[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，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(guó)水電項(xiàng)目CDM開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀與趨勢(shì)展望[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電，2007(8)：92-93.

[7]張一博，李林紅. 云南電網(wǎng)類CDM項(xiàng)目適用的方法學(xué)研究[J]. 網(wǎng)絡(luò)財(cái)富，2008(6)：45-48.

[8]張澤中，王義民，齊青青，等. 黃河上游梯級(jí)水庫(kù)群大氣環(huán)境補(bǔ)償效益計(jì)算[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2010，29(3)：56-62.

(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(kù)調(diào)度和資源系統(tǒng)工程研究；李小龍(通訊作者).

TV7；X171(242)

A

0559-9342(2016)12-0013-03