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我国风力发电的环境价值分析

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2011/10/26 15:39:12   

  所属频道:  风力发电    关键词:  风力发电 节能减排 风电技术

0 引言

随着地球上煤、石油等常规资源的日益匮乏以及全球环境的恶化,风能作为目前最有发展前景、技术最为成熟并且无大气污染物的一种可再生能源,在当今能源短缺以及污染严重的时代扮演了重要角色[1-5]。据全球风能协会(GWEC)公布的数据,全球的风能储量约为2.74×109MW,其中可利用的风能为2×107MW。我同风能资源储备也相当丰富,国家气象局已探明的风能储备约为3226GW。其中,以陆地上离地10m高度计算,我国可利用的陆上风能约为253GW,约占我国风能总储备量的7.84%;可以利用的海洋风能资源约为750GW,约占我国风能总储备量的23.25%[6]。风力发电清洁安全,没有煤电、油电等所伴生的环境污染问题。风电的这些优点使其成为目前全球的首选替代能源[7-13]。

目前,有关风力发电环境价值的量化研究还较少。为了制定火力发电行业污染物减排的环境价值标准,应用环境经济学理论,参考中国排污总量收费标准和美国环境价值标准。对SO2、NOx、TSP(总悬浮颗粒物)等污染物[14-15]减排的环境价值标准进行估算。将天然气发电的环境效益货币化,对天然气发电的环境价值进行评估,相对于常规燃煤发电而言,天然气发电的环境价值为8.9639分/(kW·h)[16],为电力市场的环境价值交易提供了参考依据。本文借鉴相关理论研究,相对于常规煤电,对风电环境价值进行量化分析和评价[17-20],为进一步优化我国的能源结构提供参考。

1 风电减排的环境价值构成

风力发电对环境的影响有正负2个方面:相对燃煤,风电对环境的正面影响是不会向大气排放NOx、SO2以及粉尘等污染物和CO2,减少因开发化石能源,如煤、石油、天然气所造成的环境问题等;风电对环境的负面影响有噪音污染、对鸟类生活的影响等。针对风力发电对环境的负面影响,限于当前技术的局限,还未能对其量化分析,本文仅就风力发电在减少大气污染物排放方面进行量化评估[21-26]。

环境价值是对环境效益的货币化,风力发电的环境价值是相对于燃煤发电而言的,具体是指风力发电相对于燃煤发电在减少污染物排放方面所蕴含的价值量[21]。风电减排环境价值的测量公式为

式中:B为风电减排的环境价值,元;Vi为第i项污染物的环境价值,元/kg;n为污染物总种类数;ΔQi为第i项污染物的减排量,kg。

在应用式(1)计算风电减排的环境价值时,首先需要计算出排放物减排量,在计算污染物减排量时,先计算出各主要排放物的排放率,然后根据风电节省的燃煤量计算出各主要污染物的减排量;其次制定各主要污染物的环境价值标准;最后以某个火电厂作为参照,计算相关的指标变量,利用式(1)就可以评估出风力发电的环境价值。

2 燃煤电厂主要排放物排放率的测算

燃煤电厂主要污染物排放率是指燃烧单位质量的燃料所排放的污染物的量。参照国家环境保护局公布的《燃煤电厂大气污染物排放标准》,选取SO2、CO2、NOx等主要排放物进行分析。

2.1 SO2排放率的测算

煤中的硫分是影响燃煤SO2排放量的主要因素,其次是燃烧过程中烟气硫的转化率。燃煤电厂SO2排放率的计算公式[21-22]为

式中:为SO2的排放率,kg/t;Sy为燃煤应用基硫分,%;为燃煤硫向烟气硫的转化率,%;为SO2与S的摩尔质量比,约为2;η为脱硫效率,%。

取耗煤量1000kg,按照环保的要求,发电用煤的硫分不应超过1%,而我国煤炭平均硫分的实际情况为1.74%,所以为接近实际,本文燃煤应用基硫分Sy取1.74%,火电厂平均烟气硫转化率为90%[27]。

无脱硫装置常规火电厂的SO2排放量为=1000×1.74%×90%×2×(1-0)=31.32kg

如果电厂增加了烟气脱硫装置,在烟气循环率为50%时,脱硫效率可达96%,则SO2的排放量为

=1000×1.74%×90%×2×(1-96%)=1.2528kg

2.2 CO2排放率的测算

CO2是燃煤电厂所排放的一种温室气体,其排放率的计算公式[21]为

式中:为CO2排放率,%;Q为煤炭单位热值,MJ/kg;E为单位热值下潜在碳排放量,t/TJ;为燃料中碳氧化率;为CO2与C的摩尔质量比,约为3.667。

中国煤炭实测平均数值[28]分别为:单位热值Q为21.2MJ/kg;碳的潜在排放量E为24.74t/TJ;碳的氧化率 为0.9。据此可以计算出每吨煤的CO2排放量为

=1×21.2×24.74×0.9×3.667=1730.97kg

2.3 NOx排放率的测算

NOx是常规煤电的第二大污染物,主要包括NO、N2O、N2O3、NO2、N2O4、N2O5等。在火电厂排放的NOx中,NO约占90%,加之NOx包含多种气体,计算其排放率相当复杂,故本文仅用NO的排放率来间接测算NOx的排放率。对于NO的排放率,通过多变量回归的方法得出燃烧1t煤NO排放量公式[21,29]为

式中:CR为NO排放量,kg;N为燃煤中氮的质量分数;V为燃料中挥发分;λ为氧与燃料化学当量比;Tmax为炉膛火焰最高温度;为空气中初始氧的质量分数。根据相关研究资料显示,CR值为8[21],所以取NOx排放量为8kg。

针对其他污染物的排放率,取煤质单位热值为21.2MJ/kg,飞灰为15%,硫分为1%,静电除尘效率为99%,可计算出其他主要污染物的排放量。

综上分析,火电厂燃烧1t煤所排放的各主要污染物的量见表1。

3 燃煤电厂主要污染物环境价值标准的制定

在评估污染物环境价值时,由于很难直接获取评估环境损失所需的数据,所以常以防护费用等来间接评估污染物的环境价值[30-31]。

3.1 SO2的环境价值

电力行业排放SO2的环境价值可以用煤电烟气脱硫的费用来进行间接估算。石灰石/石膏湿法脱硫是目前世界上应用最为广泛的脱硫工艺,全球80%的脱硫装置采用的是这种方法,同时也是我国电力行业SO2减排技术的主要方向,所以本文采用石灰石/石膏湿法脱硫的费用来间接评估。当前的研究表明,将6元/kg作为我国火电行业SO2的环境价值是可以接受的。

3.2 CO2的环境价值

根据世界观察研究所的估计,发展中国家每削减1t CO2排放量的成本为5~10美元,发达国家则高达50美元。从温室效应损失看,碳排放的经济价值为20美元/t,国际上将此值作为碳排放的环境价值加以利用,则CO2的环境价值为0.1318元/kg(按1美元=6.59元折算)。

3.3 其他污染物的环境价值

针对其他污染物的环境价值,根据国内外文献资料,借鉴美国价值标准,参照总量排污收费标准来对其进行估计[16-23],见表2。

综上分析,对火电厂污染物排放的环境价值进行计算,其结果见表3。

各主要污染指标环境价值标准确定后,再根据污染物的排放量,就可以计算出风电的环境价值。

4 实例计算

一个装机容量为500MW的火电厂,如果年利用小时数为6000h,则该火电厂年发电量为30亿kW·h。取电厂效率为38%,煤炭热值Q为21.2MJ/kg,厂用电率为6%,则该火电厂年耗煤量约为142.6万t,煤耗率约为0.475kg/(kW·h)。再由上述分析所得到的相关结果,可以得出该火电厂每年排放SO2为1786.49t,NOx为11408t,CO2为246.84万t,CO为370.76t,TSP为570.4t,灰尘为156860t,废渣为42780t。相同装机容量的风力发电场,如果年有效运行时间为2200h,机组运行效率取90%,则该风力发电场的年发电量为9.9亿kW·h。根据火电厂单位发电量煤耗推算,该风力发电场每年可以节省燃煤47.025万t;根据火电厂各主要排放物指标推算,500MW装机的风电场每年SO2减排量为589.13t,NOx减排量为3762t,CO2减排量为81.3989万t,CO减排量为122.265t,TSP减排量为188.1t,灰尘减排量为51727.5t,废渣减排量为14107.5t。

结合污染物的环境价值标准,根据式(1),计算风力发电场相对于火电厂的环境价值,见表4。

可以看出,相对于火电厂,风电的环境价值为0.1491元/(kW·h)。在此分析结果中,不包括减排废水的环境价值,以及耗水减少所产生的生态价值。而天然气发电的环境价值为0.0896元/(kW·h)[16],与天然气发电的环境价值相比较,风力发电的环境价值要远远大于天然气发电的环境价值。我国风力发电的环境价值构成如图1所示。

图1 我国风力发电环境价值构成

5 结语

当前,世界各国都在积极应对气候变化,寻求能源-经济-环境的可持续发展道路,我国也在积极探索适用于本国的低碳经济发展模式和节能减排路径,控制温室气体排放任重而道远。2010年我国风电累计装机容量达到44733.29MW,其累计减排效益达146.7341亿元,其中CO2的累计减排效益为105.2084亿元,风电产业的发展对减少温室气体排放有着重要的意义。

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