碳減排約束下的燃煤發(fā)電與天然氣發(fā)電成本比較研究*

樊金璐 吳立新 任世華

(煤炭科學研究總院煤炭戰(zhàn)略規(guī)劃研究院，北京市朝陽區(qū),100013)

★ 專題論壇——燃煤發(fā)電與燃氣發(fā)電比較 ★

碳減排約束下的燃煤發(fā)電與天然氣發(fā)電成本比較研究*

樊金璐 吳立新 任世華

(煤炭科學研究總院煤炭戰(zhàn)略規(guī)劃研究院，北京市朝陽區(qū),100013)

采用全生命周期的研究方法，從能源開采及加工、運輸、電站運行的橫向產(chǎn)業(yè)鏈和電站建設、運行、退役的縱向時間鏈對燃煤發(fā)電和天然氣發(fā)電碳排放進行了分析，對碳減排約束下的燃煤發(fā)電和天然氣發(fā)電的成本進行了分析和比較。結(jié)果表明，超低排放水平的典型燃煤發(fā)電和天然氣發(fā)電的全生命周期碳排放分別為745.9735 g/kWh、522.4980 g/kWh，如果考慮通過碳排放權(quán)交易和CCS技術(shù)將燃煤發(fā)電碳排放降低到天然氣發(fā)電水平，當碳減排成本不超過1100元/t時，燃煤發(fā)電在經(jīng)濟性方面仍具有優(yōu)勢。

燃煤發(fā)電 天然氣發(fā)電 全生命周期 碳減排 成本比較

我國能源消費以煤炭為主，煤炭占一次能源消費量的比重長期在65%～70%之間。煤炭燃燒產(chǎn)生了大量PM2.5等大氣污染物和二氧化碳，其中占煤炭利用50%以上的燃煤發(fā)電是污染物排放和碳排放的主要來源。2012年以來，我國開始開展燃煤發(fā)電超低排放示范，截至2015年底，超低排放機組裝機容量已超過1億kW。根據(jù)《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》(環(huán)發(fā)〔2015〕164號)的要求，“到2020年，全國所有具備改造條件的燃煤電廠力爭實現(xiàn)超低排放?！蔽磥砻弘姵Ｒ?guī)污染物排放水平將與天然氣發(fā)電接近，碳排放將成為煤電發(fā)展的主要約束條件。在碳減排約束條件下，燃煤發(fā)電與天然氣發(fā)電相比的競爭力受到廣泛關(guān)注，本文將從全生命周期的角度，綜合考慮污染物排放和碳排放因素，探討燃煤發(fā)電和天然氣發(fā)電的經(jīng)濟性，為今后一段時期的能源決策和能源戰(zhàn)略制定提供參考。

1 研究方法和評價范圍

1.1 評價方法

為了對燃煤發(fā)電和天然氣發(fā)電的碳排放和成本進行全面評價與比較，采用全生命周期的研究方法。生命周期評價是一種用于評估產(chǎn)品在其整個生命周期中，從原材料的獲取、生產(chǎn)、使用直至最終處置產(chǎn)生影響的方法。

1.2 評價范圍

全生命周期評價包括能源開采及加工、燃料運輸、電站運行等橫向的產(chǎn)業(yè)鏈，還包括電站建設所需要的材料生產(chǎn)、運輸、施工、退役等縱向的時間鏈，忽略燃料開采和加工建設過程的碳排放，具體見圖1。

圖1 燃煤發(fā)電和天然氣發(fā)電全生命周期評價范圍

1.3 計算方法

全生命周期碳排放計算公式如下：

(1)

(2)

式中：Et——碳排放總量；

E階段1、E階段2、E階段3——分別代表階段1、階段2、階段3的碳排放量；

Ci1、Ci2、…、Cin——分別代表不同能源或材料消耗；

Zi1、Zi2、…、Zin——分別代表不同能源或材料的碳排放因子。

以上公式排放結(jié)果歸一化到單位發(fā)電量，即生產(chǎn)單位千瓦時(kWh)電量碳排放。全生命周期中的水泥、銅、鋁、燃料等碳排放因子主要參考《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》(GB16780-2012)、中國標準化研究院《銅鋁電纜全生命周期環(huán)境評估報告》等相關(guān)標準和研究報告。

2 燃煤發(fā)電全生命周期碳排放

燃煤發(fā)電的全生命周期碳排放包括煤炭生產(chǎn)、加工、運輸環(huán)節(jié)以及燃煤電站建造、運行、退役環(huán)節(jié)的直接和間接碳排放。本文選取百萬千瓦的超低排放機組開展研究，按照供電煤耗285 g/kWh計算。

2.1 煤礦生產(chǎn)和洗煤廠運行

煤礦和洗煤廠運行的碳排放主要來自兩個方面，一是耗能產(chǎn)生的碳排放，二是煤炭開采排放的煤層氣。煤炭生產(chǎn)過程中主要耗能包括電、柴油、汽油、原煤；原煤洗選加工過程中主要消耗的能源為電力、煤油、汽油及柴油。根據(jù)中國統(tǒng)計年鑒相關(guān)數(shù)據(jù)計算，煤礦和洗煤廠運行過程中的碳排放為23.6752 g/kWh。

根據(jù)2015年煤層氣抽采利用情況及煤炭產(chǎn)量等數(shù)據(jù)，噸煤甲烷排放取6 m3，碳排放為34.4020 g/kWh。

2.2 煤炭運輸

煤炭運輸包括鐵路、遠洋、國內(nèi)水運、公路等方式。各種運輸方式的距離、耗能和燃料結(jié)構(gòu)如表1所示。碳排放主要來自運輸環(huán)節(jié)的燃料消耗，折算碳排放5.8607 g/kWh。

表1 不同煤炭運輸方式的運距、耗能和燃料結(jié)構(gòu)

2.3 煤炭電廠

(1)電站建設及退役階段。電站建設階段的碳排放主要來自基礎設施建設和設備安裝。電站設備包括鍋爐、汽機、發(fā)電機及附屬設備組成，退役主要消耗電力和燃料。百萬千瓦超臨界電站的建設和退役相關(guān)耗材和耗能數(shù)據(jù)參考周亮亮研究的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算得到燃煤電站建設環(huán)節(jié)和退役環(huán)節(jié)碳排放為4.6872 g/kWh。

(2)電廠運行期。目前燃煤電廠排放的二氧化碳，主要包括了煤炭完全燃燒產(chǎn)生的二氧化碳和污染物處理產(chǎn)生的二氧化碳。

煤炭燃燒過程二氧化碳排放因子，與電站的熱效率、燃料的含碳率及燃煤氧化率等因素有關(guān)。碳排放計算參考IPCC2006溫室氣體指南中的公式：

(3)

式中：CEF——燃燒CO2排放因子，kg/kWh；

91.5%——燃煤氧化率；

C——燃煤的含碳量，kg/kg；

44/12——CO2和C的摩爾質(zhì)量之比，kg/kg；

LHV——燃煤的低位發(fā)熱量，MJ/kg；

Η——燃煤機組熱效率，MJ/MJ；

0.278——熱電轉(zhuǎn)換系數(shù)，kWh/MJ。

脫硫過程產(chǎn)生的二氧化碳可通過SO2去除率計算得到：

(4)

式中：SECO2——吸附劑CO2凈釋放量；

MWCO2——二氧化碳的摩爾質(zhì)量；

MWSO2——二氧化硫的摩爾質(zhì)量；

WSO2——SO2去除量。不同煤炭資源的含硫率差別較大，本文取全國煤炭平均含硫率1.1%。

脫氮過程產(chǎn)生的二氧化碳主要為液氨與氮氧化物反應產(chǎn)生的二氧化碳，根據(jù)環(huán)保部、中電聯(lián)等研究，脫氮產(chǎn)生的碳排放約為1.28 g/kWh。

綜合以上煤炭生產(chǎn)、加工、運輸、發(fā)電等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，可以得到超低排放的煤炭發(fā)電全生命周期碳排放數(shù)據(jù)745.9735 g/kWh，其中燃煤電廠建設、運行、退環(huán)節(jié)的碳排放占91.43%，具體見表2。

表2 超低排放燃煤發(fā)電全生命周期各環(huán)節(jié)碳排放

3 天然氣發(fā)電全生命周期碳排放

天然氣發(fā)電的全生命周期碳排放包括天然氣生產(chǎn)、管道運輸環(huán)節(jié)以及電站建造、運行、退役環(huán)節(jié)的直接和間接碳排放。本文選取F級燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電開展研究，按照供電效率60%計算。

3.1 天然氣開采

天然氣開采階段的碳排放主要來自開采耗能和天然氣的泄露。本文借鑒宋國輝等人的研究，參考中國能源統(tǒng)計年鑒，天然氣生產(chǎn)階段的主要能源類型有天然氣、電力、原油、柴油等，計算得到碳排放62.0426 g/kWh。在天然氣泄漏方面，國內(nèi)關(guān)于天然氣泄漏量數(shù)據(jù)公布較少，參考美國環(huán)保協(xié)會發(fā)布的泄露量2.2%，通過計算得到天然氣開采環(huán)節(jié)的碳排放為23.0998 g/kWh。

3.2 天然氣管道建設及輸送

天然氣管道建設需要消耗大量鋼鐵，遠大于氣田建設產(chǎn)生的碳排放，應予以考慮。天然氣管道建設階段的耗材及能耗主要參考天然氣管道工程設計資料，該管道設計輸氣規(guī)模為30億m3，干線管徑及壁厚數(shù)據(jù)見表3，輸氣距離約為1200 km。結(jié)合管道耗鋼量以及鋼鐵排放因子得到管道輸送的碳排放。天然氣管道建設產(chǎn)生的碳排放為38.3040 g/kWh。

表3 某天然氣管道干線管道數(shù)據(jù)

天然氣管道運輸階段主要考慮作為燃料使用的天然氣燃燒、泄漏的天然氣以及耗電間接碳排放等3個因素。借鑒使用美國NETL研究數(shù)據(jù)，其中用作燃料(主要用于燃氣輪機)的天然氣量約為1.6%，參考《石油天然氣開采業(yè)污染防治技術(shù)政策》要求，管道泄漏量按0.5%計算。天然氣輸送的碳排放為41.6073 g/kWh。

3.3 天然氣電廠

(1)電廠建設及退役。電廠建設耗材主要為水泥、鋼、鐵等。根據(jù)參考宋國輝等人的研究，水泥、鋼和鐵的使用量分別為20788 t、5933 t和41 t。假定建造階段原材料全部采用公路運輸，運輸距離取全國平均值183 km。電廠退役主要消耗電力和燃料。根據(jù)材料的間接排放和燃料的直接排放計算，電廠建設及退役的碳排放為1.3122 g/kWh。

(2)發(fā)電環(huán)節(jié)。天然氣聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率可以達到60%以上。發(fā)電環(huán)節(jié)的碳排放主要來自天然氣燃燒，天然氣發(fā)電煙塵、二氧化硫較低，氮氧化物可以通過低氮燃燒實現(xiàn)達標排放。天然氣發(fā)電環(huán)節(jié)的碳排放為382.9760 g/kWh。

綜合以上天然氣生產(chǎn)、輸送、發(fā)電等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，可以得到超低排放的天然氣發(fā)電全生命周期碳排放數(shù)據(jù)522.4980 g/kWh，其中天然氣電廠建設、運行、退役的碳排放占68.14%，具體見表3。

表4 天然氣發(fā)電全生命周期各環(huán)節(jié)碳排放

4 碳約束條件下的燃煤發(fā)電與天然氣發(fā)電成本分析

在嚴峻的碳減排形勢下，天然氣電廠在碳減排方面比燃煤發(fā)電更有優(yōu)勢，通過碳排放權(quán)交易和CCS技術(shù)可以減少燃煤電廠碳排放的影響，同時燃煤發(fā)電成本也會增加，本文對碳減排約束下的兩種能源發(fā)電成本進行比較。

4.1 發(fā)電成本

(1)煤電成本。根據(jù)《2013-2014年度全國電力企業(yè)價格情況監(jiān)管通報》，2014年平均上網(wǎng)電價分別為0.419元/kWh，根據(jù)華北電力大學煤電經(jīng)濟性研究課題組的研究，燃煤發(fā)電利潤約0.1元/kWh，本文取燃煤發(fā)電成本0.3元/kWh。

(2)天然氣發(fā)電。天然氣發(fā)電燃料成本約占總成本的60%～65%。2015年11月18日，國家發(fā)改委下調(diào)了非居民用天然氣門站價格見表5，我國燃氣發(fā)電主要在天然氣價格相對較高中東部地區(qū)。根據(jù)浙江省、廣東省的燃氣電站運行的相關(guān)數(shù)據(jù)，參考下調(diào)后的天然氣價格，我國天然氣發(fā)電成本約在0.55元/kWh。

表5 2015年11月18日調(diào)價后我國東部地區(qū)天然氣基準門站價格

4.2 不同碳交易價格對發(fā)電成本的影響

國外碳排放交易體系市場成立較早。歐盟從2005年開始進行排放交易體系的試驗階段，目前已經(jīng)建立了較為完善的碳排放交易體系。目前，我國在北京、上海、天津、湖北等7個省市建立了碳交易市場試點，2016年1月22日，國家發(fā)展改革委辦公廳發(fā)布了《關(guān)于切實做好全國碳排放權(quán)交易市場啟動重點工作的通知》(發(fā)改辦氣候〔2016〕57號)，明確提出“確保2017年啟動全國碳排放權(quán)交易”。 假定以天然氣發(fā)電的碳排放為燃煤發(fā)電碳減排的基準，當碳交易價格的變化從100～1300元/t變化時，煤電成本逐漸提高，當碳交易價格超過1100元/t時，煤電成本將高于燃氣發(fā)電，不同碳交易價格下的煤電和氣電成本具體見圖2。

根據(jù)歐盟碳交易價格的經(jīng)驗，其最高碳交易價格僅達到30歐元/t，遠低于1100元/t的價格。因此，通過碳排放交易使燃煤發(fā)電的碳排放達到天然氣發(fā)電的水平，煤炭發(fā)電的成本仍低于天然氣發(fā)電。

圖2 不同碳交易價格下的煤電和氣電成本

4.3 碳捕捉和封存對發(fā)電成本的影響

通過碳捕捉和封存技術(shù)(CCS)可以實現(xiàn)碳減排，根據(jù)神華集團在CCS方面的示范研究工作，二氧化碳捕集和封存成本約300元/t。如果通過CCS技術(shù)將燃煤發(fā)電降低到天然氣發(fā)電的碳排放水平，需降低碳排放223 g/kWh，碳減排成本約0.067元/kWh，煤電成本0.367元/kWh，仍低于燃氣發(fā)電成本。

5 結(jié)論

(1)燃煤電廠和天然氣電廠的全生命周期碳排放分別為745.9735 g/kWh、522.4980 g/kWh，其中發(fā)電運行分別占全生命周期碳排放的90.80%、68.15%。整體來說燃煤發(fā)電的全生命周期的碳排放和發(fā)電環(huán)節(jié)的碳排放均高于天然氣發(fā)電，燃煤發(fā)電的碳排放主要在發(fā)電環(huán)節(jié)產(chǎn)生，天然氣發(fā)電產(chǎn)生在天然氣生產(chǎn)、輸送環(huán)節(jié)的碳排放約占30%。

(2)通過碳排放權(quán)交易和 CCS技術(shù)可以減少燃煤電廠碳排放的影響。以天然氣發(fā)電的碳排放為煤電碳減排基準，通過碳排放權(quán)交易或CCS技術(shù)，當碳減排成本不超過1100元/t時，煤電成本仍低于燃氣發(fā)電成本。因此，當燃煤發(fā)電常規(guī)污染物和碳排放達到天然氣發(fā)電水平時，在發(fā)電成本方面較天然氣發(fā)電仍具有優(yōu)勢。

[1]王為偉,朱本剛,楊家強.天然氣發(fā)電對碳減排的貢獻. 燃氣輪機技術(shù), 2016(2)

[2]中國工程院.不同發(fā)電能源的溫室氣體排放研究.北京,2015

[3]周亮亮.清潔燃煤發(fā)電技術(shù)全生命周期評價.重慶：重慶大學,2011

[4]高廣生.中國溫室氣體清單研究.中國環(huán)境科學出版社,2007

[5]宋國輝.2*200MW級某天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)項目的生命周期環(huán)境影響評價.中國電力,2014(12)

[6]何語平. 大型天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的研究.浙江電力,2005(6)

[7]華北電力大學煤電經(jīng)濟性研究課題組.中國燃煤發(fā)電項目的經(jīng)濟性研究.北京,2016

[8]煤炭科學研究總院.煤炭清潔發(fā)電與清潔能源發(fā)電節(jié)能減排比較研究.北京,2016

[9]忻元愷.幾種燃煤發(fā)電新技術(shù).中國煤炭,1997(3)

(責任編輯 張大鵬)

Comparative study of cost in coal-fired power and natural gas powerunder carbon emissions constraint

Fan Jinlu, Wu Lixin, Ren Shihua

(China Coal Research Institute Coal Strategic Planning Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China)

Competitiveness between the coal-fired power and the natural gas power has also received widespread concern.The method of life cycle assessment was applied to analyze the carbon emission of coal-fired power and natural gas power from two aspects. First is the horizontal industrial chain which includes energy extraction, processing and transportation, power plant operation. Second is the vertical time chain which includes power station construction, operation and decommissioning.Meanwhile, the cost of coal-fired power and natural gas power was analyzed and compared under the constraint of carbon emission.The results showed that the life cycle carbon emissions of typical ultra-low emissions of coal-fired power and natural gas power were 745.9735 g/kWh, 522.4980 g/kWh. If the carbon emission of coal-fired power can be reduced to the same level of natural gas power generation by carbon trading and CCS technology, the coal-fired power will still has economic advantages when the cost of carbon emission reduction is less than 1100 Yuan/t.

coal-fired power, natural gas power, life cycle assessment, carbon emission reducing, cost comparison

中國工程院咨詢研究項目(2016-XZ-10),煤炭科學研究總院科技創(chuàng)新基金項目(2015ZYR004)

TD-9

A

樊金璐(1986-)，男，安徽淮北人，助理研究員，主要研究方向為能源戰(zhàn)略、潔凈煤技術(shù)。