跨國電網互聯情景下的碳流及碳減排效益研究.pdf
Abstract The global energy system is undergoing transition. The future energy system is characterized by clean energy and electricity. Therefore, it is necessary to study on the carbon emission reduction accounting s aiming at the scenarios with large proportion of clean electricity. Based on the traditional concept of carbon flow, this paper defines the “negative carbon flow” for clean power and puts forward the concept of the generalized carbon flow. The carbon emission accounting is developed for power systems with multiple energy sources from the perspective of consumption side. Based on carbon flow tools, the emission reduction benefits of the clean power transmission under interconnection of power grids can be accurately assessed from the consumer side. Taking the interconnection scenario of African power grids as an example, Africa promotes clean power transmission through interconnection of intra-continental power grids. By 2030, the total amount of “negative carbon flow” will be 27 million tons of CO 2 /year, and 87 million tons of CO 2 /year by 2050. By 2030 and 2050, it can achieve the benefits of 1.4 billion USD/year and 11.9 billion USD/year respectively, to promote low carbon and sustainable development of Africa. Keywords grids interconnection; clean power; carbon flow; emission reduction 摘 要全球能源系統正在經歷轉型,未來的能源體系中將 以清潔能源和電力為主導,因此有必要研究一套針對清潔能 源電力的碳減排核算方法。在傳統“碳流”概念的基礎上, 針對清潔能源電力提出了廣義碳流概念,以此引申定義了電 網互聯情景下的負碳流,并提出了消費側視角下包含多種能 源的電力系統碳排放核算方法?;谔剂鞴ぞ?,能夠從消費 側精確評估電網互聯下的清潔電力輸送的減排效益。以非洲 跨國電網互聯情景為例,非洲通過洲內電網互聯促進清潔電 力輸送,至2030年總的“負碳流”為2700萬t CO 2 /年;至2050 年“負碳流”可達8700萬t CO 2 /年。到2030年和2050年分別可 以實現14億美元/年和119億美元/年的資金流,支持非洲低碳 可持續發展。 關鍵詞電網互聯;清潔電力;碳流;減排 0 引言 全球能源系統正在經歷低碳轉型,化石能源導致 的氣候變化和環境問題日益嚴峻,以風能、太陽能為 代表的可再生能源迅速發展。未來的能源體系中,一 次能源體系將從以化石能源為主導逐步轉向以清潔能 源為主導 [1-3] ,終端能源體系則隨著再電氣化、信息化 和智能化進程加快,終端電氣化率將逐步提升 [4] 。同 時電網尤其是特高壓技術的發展,使得在國家之間甚 至洲際之間傳輸電力、實現互聯互通成為可能,會大 大加快清潔能源開發和電氣化進程 [5] 。因此有必要研 究一套針對未來高比例清潔電力的碳減排核算方法。 本文的目的是研究電網互聯互通情景下清潔電力 的“負碳流”及減排效益核算方法。本文的研究內容 跨國電網互聯情景下的碳流及碳減排效益研究 以非洲能源互聯網為例 譚新 1 ,劉昌義 1 ,陳星 1 ,張士寧 1 ,楊方 1 ,魏超 2 (1. 全球能源互聯網發展合作組織,北京市 西城區 100031;2. 國家氣候中心,北京市 海淀區 100081) Carbon Flow and Emission Reduction Benefits Based on Grid Interconnection A Case Study on Africa Energy Interconnection TAN Xin 1 , LIU Changyi 1 , CHEN Xing 1 , ZHANG Shining 1 , YANG Fang 1 , WEI Chao 2 1. Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization, Xicheng District, Beijing 100031, China; 2. National Climate Center, Haidian District, Beijing 100081, China 基金項目國家重點研發計劃(2016YFA0602602);全球 能源互聯網集團有限公司科技項目(52450018000Q);中國氣 象局氣候變化專項(CCSF201738)。 National Key Research and Development Program of China 2016YFA0602602; GEIGC Science and Technology Project 52450018000Q; CMA Climate Change Special Fund CCSF201738. 全球能源互聯網 Journal of Global Energy Interconnection 第2卷 第3期 2019年5月 Vol. 2 No. 3 May 2019 文章編號2096-5125 2019 03-0210-08 中圖分類號TM721 文獻標志碼A DOI10.19705/ki.issn2096-5125.2019.03.001 Vol. 2 No. 3 譚新等跨國電網互聯情景下的碳流及碳減排效益研究 211 安排如下第1章為研究背景。第2章介紹負碳流的概 念及定義。第3章介紹多區域間的碳流及減排效益核 算方法。第4章以非洲為例,根據洲內各區域的發電 結構與電網互聯,測算非洲電網互聯互通情景下的電 力流、碳流及減排資金流。第5章是結論。 1 研究背景 目前無論是聯合國氣候變化談判還是各國自主貢 獻目標實施,傳統意義上的溫室氣體尤其是二氧化 碳排放主要是從生產側來統計核算,能源系統的碳 排放主要是通過化石能源消費量和排放因子法來核 算 [6] 。例如,從排放部門來看,電力是全球排放最大 的部門,2014年其二氧化碳排放量占全球排放總量 的42;從排放國別來看,中國超過美國和歐盟成為 最大的排放國 [7] 。但這類基于生產側核算排放的方法 存在諸多缺陷,如數據收集受限、不確定性大 [8] 、忽 視消費責任與公平倫理,因而受到各種批評。后來學 界進一步將碳排放核算從生產側擴展到消費側,提出 “隱含能源”(embedded energy) [9] 和“隱含碳”(virtual carbon) [10] 概念,即產品在上游加工、制造和運輸等 全過程的總能源消耗和總碳排放。在國際貿易的背 景下,美國、歐盟等發達國家既是貨物凈進口國, 同時也是隱含能源、隱含碳的凈進口國;制造和出 口型國家如中國,則是貨物、隱含能源和隱含碳的 凈出口國 [11] 。 在電力領域,這種基于生產側的核算方法將火力 發電廠視為點排放源,排放責任都計為發電廠及其所 在國家和地區,而實際上電力負荷才是真正的電力消 費者和碳排放的責任承擔者,因此需要從電力消費側 來核算排放責任,并根據電力系統潮流分析來核算碳 排放。針對這一情況,康重慶等創造性地提出了電力 系統中“碳排放流”(carbon emission flow,簡稱碳 流)的概念 [12-13] ,將電力系統碳排放流定義為依附于 電力潮流存在且用于表征電力系統中維持任一支路潮 流的碳排放所形成的虛擬網絡流 [14] 。本質上,碳流是 一種從消費側來衡量電力系統碳排放的方法。從消費 側的角度來看,在一個化石能源發電的電網系統中, 發電和電網輸送的電力流同時伴隨著碳排放的流動, 二者方向和排放量完全一致(不考慮網損),即電流 從化石能源發電方流向用電方時,碳排放也由發電方 流向用電方(如圖1所示)。從全系統來看,碳排放總 量沒有變化,但排放責任發生了轉移,從生產方轉移 到消費方。在碳流概念的基礎上,周天睿等 [15] 研究了 碳排放流在電力網絡中的分布特性與機理,討論了電 力系統碳排放流的計算方法 [16] ,康重慶等 [17] 應用遞推 算法來核算實際電力系統中的碳排放流。程耀華等 [18] 運用碳流分析方法進一步發展了多種能源系統和網絡 中碳排放和隱含碳的核算方法。然而,傳統碳流概念 僅針對化石能源電力,沒有考慮清潔能源電力帶來的 減排效應,也沒有考慮電網互聯互通帶來的清潔能源 和電氣化的“加速”效應 [19-20] 。 圖 1 消費側視角的化石能源發電潮流與對應的正碳流 Fig. 1 The carbon flow with fossil fuel power flow from consumption perspective 2 負碳流的概念及定義 針對基于清潔電力輸送碳流的研究缺失,本文擴 展了碳流的概念和方法體系,針對清潔能源電力系統 引入“負碳流”的概念和核算方法。 從發電側來看,化石能源發電和輸電存在正的碳 排放;而清潔能源發電沒有碳排放。但從消費側來 看,消費清潔電力相對于消費化石電力能帶來相應的 碳減排,具有“負排放”效益。如果我們將化石能源 發電形成的碳流定義為正的碳流方向,那么清潔能源 電流形成的碳流可以定義為“負碳流”(如圖2所示)。 需要注意的是這里的“負碳流”也是虛擬的概念和虛 擬的網絡流,這里的“負”一方面表示與清潔電流方 向一致的“負”碳流,相對于化石能源電流的正的碳 流流向;另一方面,從消費側來看,用電方消費的清 潔電力替代了潛在化石電力和對應的碳排放量,全系 統的潛在碳排放減少,因此還可以表示總碳排放“減 少”的含義。 圖 2 消費側視角的清潔能源發電潮流與對應的負碳流 Fig. 2 The negative carbon flow with clean power flow from consumption perspective 212 全球能源互聯網 第2卷 第3期 負碳流概念和方法具有較強的現實應用場景和價 值。一方面,可以利用負碳流方法研究電網互聯對清 潔能源和電氣化的直接促進作用和對碳減排、碳金融 發展的間接帶動作用。另一方面,碳流核算工具有助 于促進碳市場和可再生能源市場的發展和融合。目前 已有超過40個國家和地區建立了碳市場,許多國家為 促進可再生能源發展建立了可再生能源電力“綠色證 書”配額交易市場 [21] ,但這兩個市場往往是獨立運行 的。本文提供的清潔電力“負碳流”核算機制,可以 促進未來碳市場和綠證市場的發展 [22] ,為電碳市場 融合奠定基礎。本節將逐步推導,通過定義廣義碳流 引申出負碳流的數學定義及其物理意義。 如圖3所示,將A、B兩個節點視為地理位置互異 的電力生產或消費區域,根據研究細化程度的不同, 該區域可以視為特定的城市、省份、國家或洲。 A e AB 區域A 區域B B 圖 3 兩地電力輸送形成的“碳流” Fig. 3 The carbon flow generated by the electricity transmission 兩點通過電網互聯實現電力的流通,其中A、B 兩地的發電結構分別為 (1) 式中S im 表示在節點i的發電結構中,第m種能源的發 電量占總發電量的比重;M為發電能源種類數量。對 于任意節點i,滿足 , (2) 設單位時間內從A點生產并輸送到B點的電量為e AB , 則可以得到e AB 中包含的來自每種發電能源的電量,即 (3) 假設A地各能源發電效率倒數的矩陣為 (4) 式中,η AM 表示在A地第m種能源的發電效率。通過式 (3)和式(4)可以計算出在A地生產電量e AB 所需的 能源消耗,即 (5) 則在A地生產電量e AB 所造成的碳排放量EM AB,A 為 (6) 其中 (7) 式中λ m 為第m種能源發電的碳排放因子。 考慮在無電網互聯的情景下,電力的生產和消納 需要自給自足,即電量e AB 需由B點當地生產。同理, 假設B地的發電效率倒數矩陣為 (8) 則在B地生產電量e AB 所造成的碳排放量EM AB,B 可以 寫作 (9) 定義從A到B的廣義碳流為電力生產所造成的碳 排放量之差,即 (10) 根據式(10)可以看出,廣義碳流通過將受電端 的碳排放納入考量,從而引申出碳流“正”與“負” 的概念。當F AB >0時,從A點到B點的碳流為正,即 在互聯狀態下從A點到B點進行電力輸送造成的碳排 放量大于B點當地生產相同電量的碳排放量,此時從 A點到B點的電力輸送不利于減排;當F AB 0時,從A 點到B點進行電力輸送產生零碳流,即從A點到B點的 電力輸送對減排無影響;當F AB <0時,產生負碳流, 即從A點到B點進行電力輸送造成的碳排放量小于B 點當地生產相同電量的碳排放量,此時將產生減排效 益。顯然,在電網互聯互通的情景下,正碳流將造成 更多的碳排放,零碳流對碳排放量無影響,只有產生 負碳流的電力輸送才使系統整體的碳排放量減少。 碳流絕對量的大小取決于兩地發電結構中清潔比 例的對比,若輸送端發電清潔比例高于受電端,則將 產生負碳流,這種情況下的電力輸送事實上間接為受 電端的減排做出貢獻。因此,可以將負碳流作為指 標,核算電網互聯互通的實際減排效果。作為負碳流 應用的一個特例,在全球電力互聯互通的情景下,假 定送電端的電力生產都是基于大規模清潔能源基地, 在核算過程中,可以視為零排放發電,即EM AB,A 0, 而受電端當地的發電結構通常不是零排放,因此將產 生大量負碳流??鐓^電力互聯互通的碳流算例將在第 4章中具體介紹。 Vol. 2 No. 3 譚新等跨國電網互聯情景下的碳流及碳減排效益研究 213 3 多區域間的碳流及減排效益 在全球電力互聯互通的情景下,清潔能源發電在 未來發電結構中將占主導地位 [23] ?;诨茉窗l電 的狹義碳流難以準確描述基于高比例清潔能源發電的 電力輸送情況,從而無法評估多區域間互聯互通的減 排效益。因此,本章基于廣義碳流定義,從系統整體 的角度評估全球或區域的碳減排,以碳流為工具,形 成一套完整的減排和資金核算方法。 3.1 多節點的碳流及其性質 通常某區域的電網互聯涉及多個節點、不同電量的 電力輸送,可以按照以下方法核算該區域內的總碳流。 如圖4所示,在電網大規?;ヂ摰那榫跋?,電力輸 送涉及多個輸、受電節點,其中A點為純輸電節點,B、 C、F為純受電節點,D、E既是輸電節點也是受電節點。 圖 4 多節點的碳流 Fig. 4 The multi-node carbon flow A B E F D C 對于電網互聯互通下的多個輸、受電節點,其總 碳流即電力輸送的總體減排效果,可以表示為 (11) 式中,F ij 為從i點到 j 點的碳流。 圖 5 閉環碳流 Fig. 5 The close-loop carbon flow D C E A B 多節點的碳流具有閉環守恒性質。如圖5所示,A、 B、C三個節點形成閉環碳流,定義逆時針碳流方向 為正,則三個節點間的閉環總碳流為 (12) 式中,EM ij,i 和EM ij,j 分別為在i地生產并輸送電力到 j地 和直接在 j地生產相同電量造成的碳排放量。a ij 為符 號系數,若碳流方向與定義方向一致,則有a ij 1,相 反則有a ij - 1??紤]輸送電量一定即 時, 可得總碳流 (13) 即當輸送電量一定的條件下,閉環總碳流為零。 3.2 基于負碳流的資金流 電網互聯互通使得清潔能源得以更大規模地開發 和消納,電力生產和利用方式由原來的本地化石能源 發電轉變為基于清潔能源的電力進口??鐓^電力輸送 形成電流,清潔電力帶來的減排形成負碳流,碳流和 碳價結合在碳市場形成資金流。這部分由于電網互聯 下清潔電力輸送而形成的資金流等于整個區域減少的 總減排成本。 對于發電端A點,由于外送電量e AB 至B點,增加 排放EM AB,B ,其減排成本增加 (14) 式中,P carbon 為全球統一碳價。對于受電端B點,由于 當地減少排放EM AB,B ,其減排成本相應減少 (15) 則A、B兩地系統整體減排成本變化量為 (16) 可以看出,整個系統減排成本是否下降取決于碳流 F AB 的正負,即正碳流使減排成本增加;零碳流不影 響減排成本;負碳流使減排成本降低。F AB 的正負又 取決于A、B兩地的電源結構。由式(11)可以直接 核算多節點電力輸送的資金流,即 (17) 由此可以看出,在碳價一定的情況下,資金流取決于 負碳流的大小。 4 算例分析 本文以非洲電網互聯情景作為測算負碳流的一 個特例,核算在非洲區域內電力輸送的碳流,從而評 估電網互聯互通條件下的電流、碳流與碳市場中的資 金流。 214 全球能源互聯網 第2卷 第3期 根據非洲能源互聯網規劃研究報告 [24] ,未來 非洲能源需求增長迅速。20152050年,非洲一次能 源需求將從11.2億t 標煤增長到24.1億t 標煤,年均增 長率2.2,占全球比重從5.8增長到9.3。從終端能 源來看,電能占比將從9.5提高到28。 在清潔發展的情景下,為滿足非洲未來日益增長 的能源需求,需要開發大規模清潔電源,并利用電網 互聯進行跨區域電力輸送。非洲清潔能源資源豐富, 其中剛果河、尼羅河分別為中非和東非的水電發展提 供充足條件。由于未來洲內電網互聯的逐漸發展與完 善,中非和東非將實現水電外送,為北非、西非和南 部非洲提供清潔電力。加上北非大型太陽能基地與各 處風力發電基地,非洲未來發電將逐步實現清潔化。 預計至2030年,清潔電源裝機占比超過50;至2050 年,其占比提升至78。 本節的算例將基于以上情景,核算非洲2030年 和2050年兩個時間節點洲內的跨區域電力輸送、碳 流和資金流。由于非洲洲內的電力跨區輸送主要基 于中非和東非的大規模水電外送,因此在核算過程 中,可以視為送端地區零排放發電,而受端地區電 源結構逐步清潔化,通過接受“負”排放從而實現 減排效果。 4.1 非洲跨區電力流與發電結構 為在區域層面核算非洲未來碳流并以此評估電網 互聯的減排效果,本文基于非洲未來電網互聯建設規 劃 [24] ,繪制了非洲未來跨區電力流(如圖6所示)。至 2030年,非洲電網互聯將形成東非南部非洲、中 非西非和中非南部非洲三大電力輸送通道,平 均每年分別輸送電量16 TWh、48 TWh和4 TWh。至 2050年,電力輸送量分別提升至32 TWh、154 TWh和 40 TWh,并新增中非東非、中非北非和東非 北非電力輸送通道,年均輸送電量分別為54 TWh、 60 TWh和48 TWh。 基于非洲未來電力發展規劃 [24] ,非洲電力輸送中 各節點的發電結構如表1所示。至2030年,東非、西 非、南部非洲、北非和中非的清潔能源發電量分別占 總發電量的76.6、55.6、41.7、27.0和93.1, 至2050年,該比例分別增至84.4、70.2、69.7、 56.4和97.7??紤]未來電力輸送的實際情況,作 為輸電端的東非與中非外送電力均來自清潔的水力發 電,因此本算例中東非與中非的外送電力發電排放 為零。 表 1 非洲分區域發電結構 Table 1 Regional power generation structure of Africa 2030年 煤 石油 天然氣 清潔能源 東非 0 8.2 15.2 76.6 西非 0 19.4 25.0 55.6 南部非洲 48.2 1.8 8.3 41.7 北非 3.9 15.2 53.9 27.0 中非 0 3.1 3.8 93.1 2050年 煤 石油 天然氣 清潔能源 東非 0 1.4 14.2 84.4 西非 0 5.7 24.1 70.2 南部非洲 20.2 1.2 8.9 69.7 北非 2.1 11.4 30.1 56.4 中非 0 0.2 2.1 97.7 (a)2030年 清潔發電占比 西非 北非 中非 南部非洲 單位TWh/年 東非 27.0 55.6 76.6 93.1 41.7 4 16 48 圖 6 非洲未來電力流 Fig. 6 The topology of electricity trade in Africa (b)2050年 清潔發電占比 西非 北非 中非 南部非洲 單位TWh/年 32 40 154 54 60 東非 56.4 84.4 70.2 69.7 97.7 Vol. 2 No. 3 譚新等跨國電網互聯情景下的碳流及碳減排效益研究 215 4.2 非洲電網互聯互通情景下的碳流與資金流 基于非洲未來的電網互聯規劃、電力輸送量、發 電結構與排放因子,可以計算該情景下非洲實際電流 對應的負碳流情況。本算例根據IPCC溫室氣體排放清 單,將煤電、油電、氣電的排放因子分別換算為2.69、 2.23和1.57,清潔能源發電排放因子為0 [6] 。如圖7所 示,至2030年,東非南部非洲、中非西非和中 非南部非洲三大電力輸送產生大量負碳流(表2), 其絕對量分別為980萬t CO 2 /年、1480萬t CO 2 /年和250 萬t CO 2 /年。至2050年,負碳流絕對量分別增至1020 萬t CO 2 /年、2840萬t CO 2 /年和1170萬t CO 2 /年,新增 中非東非、中非北非和東非北非負碳流,其絕 對量分別為490萬t CO 2 /年、1740萬t CO 2 /年和1390萬t CO 2 /年。 表 2 非洲電網互聯減排效果 Table 2 The emission reduction potential of Africa by grids interconnection 負碳流絕對量/(百萬t CO 2 /年) 輸電/碳流方向 2030年 2050年 東非南部非洲 9.8 10.2 中非西非 14.8 28.4 中非南部非洲 2.5 11.7 中非東非 0 4.9 中非北非 0 17.4 東非北非 0 13.9 總計 27 87 非洲未來電力輸送的實際減排效果(總碳流絕對 量)增長趨勢如圖8所示。至2030年,非洲由于電力 輸送產生的總碳流絕對量為2700萬t CO 2 /年,以此表征 東非南部非洲、中非西非和中非南部非洲三大 電力輸送形成的實際減排效果。至2050年,在新增電 力輸送的作用下,實際減排效果達到8700萬t CO 2 /年, 較2030年增長222。 圖 8 基于非洲電力輸送的總碳流絕對量 Fig. 8 The total carbon flow and emission reduction potential based on the electricity transmission in Africa 根據奧地利國際應用系統分析研究所(international institute for applied systems analysis,IIASA)整理的未 來全球溫升2 ℃情景 [25] ,本研究選取全球能源互聯網 2 ℃情景 [19] 對應的碳價,估算非洲能源互聯網各子區 域輸送清潔電力對應的資金流。根據情景結果,全球 平均碳價在2030年和2050年分別為51美元/t CO 2 和136 美元/t CO 2 (2010年價格,未貼現)。非洲各區域間通 過電網互聯促進清潔電力輸送,根據上文核算的負碳 流量,到2030年和2050年分別可以實現14億美元/年和 119億美元/年的資金流和年收益(如表3所示)。電網 圖 7 非洲未來碳流拓撲結構 Fig. 7 The topology of carbon flow in Africa (a)2030年 清潔發電占比 西非 北非 中非 南部非洲 單位百萬tCO 2 /年 -2.5 -9.8 -14.8 東非 27.0 55.6 76.6 93.1 41.7 (b)2050年 清潔發電占比 西非 北非 中非 南部非洲 單位百萬tCO 2 /年 -17.4 -28.4 -13.9 -4.9 -11.7 -10.2 東非 56.4 84.4 70.2 69.7 97.7 216 全球能源互聯網 第2卷 第3期 互聯互通將極大地促進非洲可再生能源開發,清潔電 力本身的售電收入和減排效益所得的穩定資金流將支 撐非洲地區的低碳轉型和可持續發展。 表 3 非洲電網互聯資金流 Table 3 The economic potential of Africa’s emission reduction by grids interconnection 資金流/(億美元/年) 輸電/碳流方向 2030年 2050年 東非南部非洲 5 14 中非西非 8 39 中非南部非洲 1 16 中非東非 0 7 中非北非 0 24 東非北非 0 19 總計 14 119 5 結論與討論 全球能源系統正在經歷低碳轉型,未來的能源體 系中,一次能源將從以化石能源為主導逐步轉向以清 潔能源為主導,終端能源以電為中心,因此有必要研 究一套針對清潔能源電力的碳減排核算方法。本文在 傳統碳流概念的基礎上,針對清潔能源電力提出了 “負碳流”概念,定義了電力輸送過程中的廣義碳流, 并提出了消費側視角下包含多種能源的電力系統碳排 放核算方法?;谔剂鞴ぞ?,能夠從消費側精確評估 電網互聯情景下清潔電力輸送形成的減排效益。 以非洲未來電網互聯情景為例,計算了清潔電力 輸送的減排效益。非洲通過六大子區域的清潔電力輸 送,至2030年總負碳流為2700萬t CO 2 /年;至2050年 達到8700萬t CO 2 /年。到2030年和2050年可以分別實 現14億美元/年和119億美元/年的資金流。非洲能源互 聯網可以極大促進非洲可再生能源開發,同時能獲取 較大的減排效益。 本文主要基于長時間尺度和特定情景下非洲電網 互聯對清潔電力跨國輸送的負碳流及減排效益開展研 究。在現實條件下,如何針對短時間尺度的電力系統 運行,考慮多種本地和外送電源結構、送端或受端火 電調峰等條件下的碳流和碳減排機理,有待進一步研 究。此外,如何通過“負碳流”機制與碳價、碳金融 市場聯動,促進碳市場和可再生能源配額市場的融 合,需要開展更多深入研究。 參考文獻 [1] IEA. 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