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煤炭清洁发电:是破解我国能源困局的有效途径

时间:2015-03-05    点击:光远软件股份有限公司次     来源:中电新闻网    

我国一次能源资源的禀赋特点是“富煤、贫油、少气”。目前,煤炭在我国化石能源资源储量中占比约94%,石油、天然气合计不足6%。但我国能源消费结构中,煤炭占比不足65%,石油、天然气则高达24.7%。资源储量和消费结构上的不平衡使得我国能源产业发展面临安全保障、经济性和环境保护等诸多挑战。我们的研究表明,立足我国国情,大力发展煤炭清洁发电、实施能源终端消费革命才是破解我国能源发展困局的有效途径。

  我国能源产业面临的主要挑战
  
  1.安全保障挑战
  
  目前,我国石油年产量仅能维持在2亿吨左右,增产潜力很小。但2013年我国原油表观消费量达到4.87亿吨,石油对外依存度已达到58.1%,远超过50%的警戒线。与此同时,经济发展和环境保护拉动我国天然气刚性需求快速增长。特别是受治理雾霾天气影响,全国多个省份加快煤改气进程,导致天然气需求量过快过猛增长。2013年我国天然气表观消费量已达到1676亿立方米,天然气进口量同比大增25%,达到530亿立方米,天然气对外依存度首次突破30%,达到31.6%。天然气供应不足导致“气荒”时有发生, 严重影响区域能源安全和社会稳定。2013年冬季西安市出现天然气供应紧张,影响了10万余户居民的家庭生活和取暖用气。
  
  此外,我国油气进口大部分来源于中东、非洲和南美等地区,由于进口通道受制于人及我国远洋自主运输能力不足,石油天然气稳定供应面临挑战。近年来我国虽然加大了海外油气合作项目的开发力度,但易受到地缘政治形势、地区冲突以及出口国调整政策和西方对石油出口国相关制裁等因素影响,难以形成稳定可靠的油气供应来源,直接影响到我国的经济安全。
  
  2.经济性挑战
  
  近年来,随着我国政府对风电等可再生能源的扶持力度不断加大,可再生能源产业发展迅猛,非化石能源占一次能源消费结构比重已超过10%。但可再生能源产业存在成本较高的问题,目前风电发电成本约0.45元/千瓦时,太阳能光伏发电约0.6元/千瓦时,分别是煤电(约0.3元/千瓦时)的1.5倍和2倍。受日本福岛核事故后强化安全措施等影响,核电发电成本已上升至0.85元/千瓦时,其经济性正在减弱。
  
  天然气作为清洁替代能源,被许多地方政府寄予厚望,纷纷提出将大量的工业燃煤锅炉、燃煤电厂改造成以天然气为燃料。
  北京市计划到2016年基本完成全市规模以上工业企业燃煤设施清洁能源改造。河北石家庄计划在2017年底前,基本完成燃煤锅炉、窑炉、自备电站的天然气替代改造任务。除气源不足的问题外,天然气也同样存在经济性较差的问题,燃气发电成本(约0.8元/千瓦时)是煤电的近3倍,燃气供热成本则是高效燃煤锅炉的约2倍。
  
  清洁能源替代一方面导致政府财政负担加重。2012年我国可再生能源电价附加补贴缺口已增至200亿元左右。北京市“煤改气”工程不算初始投资,每年仅运行费用支出至少164亿元。兰州市供热企业政策性亏损逐年增加,财政连年补贴负担沉重。另一方面导致居民生活支出和企业运营成本的增加。十年来,全国电价累计上涨超过0.17元/千瓦时,涨幅30%—40%。兰州市2014年已将天然气集中供热价格由每月每平米4.2元上调为5元。电力、热力等基础性商品价格的上涨,必然会加重居民生活负担、提升几乎所有行业商品与服务的成本。
  
  3.环境保护挑战
  
  传统能源生产和消费方式引起的污染物排放已使我国生态环境不堪重负。二氧化硫、氮氧化物、可吸入颗粒物等排放对空气、水体、土壤造成了十分严重的环境污染。2012年,我国酸雨区面积占到国土面积的12.2%。如按欧盟标准,我国95%左右的城市空气质量不达标。2013年以来,严重雾霾天气的覆盖范围越来越广、发生频度越来越高、持续时间越来越长。除了大气污染以外,水污染、土壤污染、地面塌陷、水土流失等问题也日趋突出,发达国家200多年工业化进程中分阶段出现的环境问题正在我国集中出现。生态环境问题已经成为整个社会最重要,最迫切需要解决的问题之一。
  为解决传统能源生产利用方式带来的环境保护问题,有两种途径可供选择:一是加快去煤化进程,转而发展天然气、核能、风能、太阳能,大幅提高清洁能源、可再生能源比重;二是立足国情,坚持煤炭主体能源地位不动摇,着力推进煤炭清洁高效利用。从安全保障和经济性考虑,采取第一种路径——盲目的“去煤化”存在诸多问题。而随着煤炭绿色开采技术、超低排放燃煤发电等技术攻关和示范工程建设取得重大进展,采取第二种路径——“煤炭清洁高效利用”能够大幅减少对生态环境的影响,超低排放燃煤电厂可以达到天然气电厂污染物排放限值。此外,通过发展煤制油、煤制天然气等现代煤化工项目还可实现大规模油气替代,提高我国能源供应安全程度。
  
  三种煤炭清洁高效利用方式的对比分析
  
  目前较为成熟的煤炭清洁高效利用方式有三种,即“煤炭发电”“煤制油品”“煤制天然气”。三种方式的能效、成本、耗水及环保排放、安全性等存在一定差异。下面以不同煤炭清洁高效利用方式在交通领域的应用为例,即“煤炭—电力—电动车”“煤炭—油品—燃油车”“煤炭—天然气—燃气车”进行逐一比较分析。
  
  1.能效比较
  
  我们将煤炭运输、转化、输配环节、发动机效率等各个环节的能效汇总,得到不同转化路线的煤基能源产品全生命周期能效,从研究结果来看,“煤炭—电力—电动车”方案的总能效(28.6%)高于“煤炭—油品—燃油车”(19.2%)和“煤炭—天然气—燃气车”(13.3%)方案,分别是后两者的1.49倍、2.15倍。也即,1吨标准煤通过“煤炭—电力—电动车”可使车辆行驶3627公里,通过“煤炭—油品—燃油车”仅可行驶2434公里,通过“煤炭—天然气—燃气车”仅可行驶1693公里。因此,“煤炭—电力—电动车”的能源转化效率最高。
  
  2.不同车辆运营成本对比
  
  油品售价按7.72元/升、天然气按3.1元/标方、电价按0.68元/度分别测算,燃油大巴运营成本最高52.41万元/年,压缩天然气(CNG)大巴运营成本次之35.56万元/年,电动大巴运营成本最低仅35.2万元/年。此外,随着我国天然气市场化步伐加快,价格逐年上涨将成为必然趋势。国家发改委宣布自2014年9月1日起将非居民用存量气价每米提高0.4元。此次调整是为了达成2015年存量气价与增量气价并轨、分步理顺存量气价格目标而迈出的第二步。而另一方面,我国正在推进新一轮电力体制改革,未来发电厂将可能直接面向用户售电,电网仅收取过网费。目前多数发电企业的度电成本在0.4元/度以下,过网费按0.1元/度测算,售电价仅0.5元/度,较我们测算电价0.68元/度下降0.18元/度,年运营成本可再节省1.8万元。因此,“煤炭—电力—电动车”运营成本最具竞争力。
  
  3.耗水及环保排放比较
  
  煤炭转化过程对环境的影响指标主要包括耗水量和污染物排放量;汽车运行对环境的影响指的是尾气排放和噪音对环境的影响。耗水方面,转化1吨标准煤常规煤炭发电耗水1.96立方米,采取空冷节水技术后可降至0.7立方米,而煤制油需要耗水1.8立方米、煤制天然气耗水4.38立方米。进一步比较从煤炭到车轮的耗水量,即考虑不同转化方式的能效,折算到汽车行驶相同距离的耗水量,“煤炭—电力—电动车”方式每千公里耗水量0.19立方米,小于“煤炭—油品—燃油车”的0.86立方米和“煤炭—天然气—燃气车”的2.59立方米。
  
  从污染物排放角度分析,随着各类最新环保技术的应用,煤发电、煤制油和煤制天然气等煤炭转化过程中,均可实现污染物的近零排放。电力输送和车用电池的充放电过程以及电动车运行可以实现包括二氧化碳在内的污染物零排放。电车汽车行驶中产生的噪声也远远小于燃油、燃气汽车。因此,“煤炭—电力—电动车”方式对环境造成的负面影响最小。
  
  4.安全性比较
  
  油品、天然气在存储、运输、使用等环节存在较大的安全隐患。据统计,我国油气管道每千公里泄漏事故率为年均3次,远高于美国的0.5次、欧洲的0.25次。一旦发生事故,生命财产损失非常巨大。中石化青岛输油管爆炸事故,致62人亡136人伤,直接经济损失7.5亿元。燃气由于高压、易燃易爆等因素,安全事故频发,伤亡损失惨重。据不完全统计,2013年因燃气泄露引发的爆炸事件已达220余起,死伤1000余人,经济损失达8.5亿元。与之相比,电力的生产、输配和使用都相对安全。因此,“煤炭—电力—电动车”方式安全性最高。
  
  推动能源终端消费革命和煤炭清洁发电
  
  通过以上分析看出,煤转化为电能是最安全、经济、环保的利用方式。推动能源消费革命,促进能源发展方式转变,应坚持以煤炭为基础、以电力为中心,大力推动煤炭清洁高效转化利用战略和电能替代战略。
  
  1.逐步扩大电力终端消费比重
  
  在所有的终端消费能源中,电能是最为安全、高效、经济、环保的能源。从国内外能源发展趋势来看,电力消费比重扩大是大趋势,电能是近20年消费增长最快的能源品种。目前,我国人均用电量刚达到世界平均水平,电能消费比重较日本等发达国家低近5个百分点,我国的电力消费仍有较大提升空间。研究表明,我国电能占终端能源消费的比重每提升一个百分点,单位GDP能耗可下降4%左右。
  
  使用电力能源替代煤、油、气等常规终端能源,可以通过大规模集中转化和污染物集中处理来提高燃料的使用效率、减少污染物排放。据专家测算,通过全面实施电能替代,2015年、2017年、2020年我国东中部地区PM2.5排放可比2010年分别降低12%、20%、28%左右。
  
  2.坚持以煤电为基础的电力结构
  
  截至2013年底,我国火电装机8.7亿千瓦,占全国发电总装机的69.18%,火电发电量4.2万亿度,占全国总发电量的78.58%。煤电在我国电力供应中占据主导地位。同天然气发电、核电、风电等可再生能源发电相比,煤电更加安全和经济。环保排放方面,通过近年来的持续技术创新,燃煤发电已能实现污染物近零排放。神华舟山电厂4号机、三河电厂一期等一批燃煤机组的氮氧化物、二氧化硫及烟尘的排放值均优于燃气机组污染物排放限值,实现超低排放。而对燃煤电厂超低排放改造的环保成本每度电仅增加2分钱左右。
  
  从中国资源禀赋和大气环境治理的要求看,我国应大规模推广应用高效、超低排放煤电机组。一方面加快推进煤电大基地大通道建设,重点建设亿吨级大型煤炭基地和千万千瓦级大型煤电基地,发展远距离大容量输电技术,扩大西电东送规模,实施北电南送工程。另一方面允许企业按照超低排放的环保要求,继续在京津冀、长三角、珠三角等负荷中心建设一定规模的大型清洁燃煤发电机组。
  
  3.提高煤炭集中燃烧比例,发展热电(冷)联供
  
  目前,我国煤炭集中燃烧比例仅占全部耗煤量的48%,未配套建设污染物治理装置的散煤燃烧设施数量极其庞大,是造成大气污染的关键因素。而美国99%的煤炭用于发电,可实现对燃煤排放的污染物集中治理。未来我国需采取多项措施大幅提高煤炭集中燃烧比例,减少燃煤造成的污染物排放。一方面,非电力行业应减少分散的煤炭燃烧,增加电力消费比重。严格控制钢铁、化工、建材等工业锅炉的煤炭消费量,所需二次能源由电厂集中供给。另一方面,在城镇集中供热区、工业园区等热(冷)负荷区大力发展热电(冷)联供机组。热电(冷)联供机组既可以实现能源的高效梯级利用,大幅提高煤炭利用效率和热电机组经济性,又可大量替代单纯用于供热的小型燃煤锅炉,对于降低污染排放具有积极意义。神华集团正和武汉东西湖区合作,投资55亿元建设70万千瓦热电冷联供机组,建成后可为该地区的工商业、居民等供热供冷,替代掉区内的燃煤小锅炉,削减2/3以上的污染物排放。
  
  4.加快发展智能电网
  
  智能电网以物理电网为基础,将现代传感技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成新型电网,使电网具备了信息化、自动化和互动化的特点,对于保障电力安全高效运行、满足用户多元化用能需求、促进清洁能源发展具有重要意义。目前,国内外的智能电网发展尚处于起步阶段。建议我国抓住战略机遇期,按照“统一规划、分步实施、自主创新、标准引领、统筹协调、合力推进”的原则,加快发展智能电网。当前重点是统筹推进电网电源接入、输电、变电、配电、用电、调度等各环节的智能化,推进通信信息平台建设,促进智能公共服务平台建设等。
  
  5.加快充电终端建设和居民生活电气化
  
  充电终端是清洁电力到达用户的“最后一公里”,是决定终端用户能否自由方便地使用电力清洁能源的关键因素。据统计,2014年上半年我国新能源汽车累计销量在6万辆左右,但作为基础配套设施,上半年仅建成充电桩2.5万个左右。充电终端发展严重滞后严重制约了电能在我国的推广使用。据统计,我国人均终端生活用能中,电能仅占到21%,远低于美国的50%和日本的46%。建议国家出台相关政策充分调动电网、企业等各方力量,加快充电终端的建设,并采取积极措施促进居民改变用能习惯,提高居民生活电气化水平。
  
  相关政策建议
  
  1.从监管能源使用转变为监管排放,实现管理端口前移

  我国空气污染问题的根源不在使用了太多的煤炭,而在于煤炭的利用方式粗放、不合理。因此,政府在治理大气污染行动中,不应简单的“去煤化”、一刀切的“控制煤炭消费”,而应转变政府职能和定位,由监管能源利用方式转变为监管环保排放。只要有利于本地区的污染物总量减排,应遵循市场化配置资源的原则,由企业自行决策是通过煤炭清洁高效利用,还是实施清洁能源替代。这样既符合我国能源产业现状、减轻政府财政压力,又有利于发挥企业的主观能动性,更好更快地推动大气污染治理工作。
  
  2.科学规划城市基础设施与能源利用
  
  实施电能替代、转变能源消费方式是一场革命,势必对经济社会的各个方面包括城市规划产生重大影响。电源侧,发展大型超低排放燃煤电厂,建设区域性热电冷联供中心;通道侧,建设发展智能电网;用电侧,建设电动汽车充换电服务网络,都涉及到城市规划和基础设施建设。因此应深入研究城市能源发展规划,将其作为城市基础设施的重要内容,纳入城乡发展规划和土地利用规划。建议各级政府对现有城市规划及时进行调整,优化城镇空间布局,推动信息化、低碳化与城镇化的深度融合,建设低碳智能城镇。
  
  3.加快电力体制改革
  
  经过十多年的改革,我国电力市场化取得了很大的成绩,但仍存在一些突出问题和制约因素,需要进一步推动电力市场化改革,释放电力能源发展潜力。要抓住价格改革这个牛鼻子,推动供求双方直接交易,构建竞争性电力交易市场。建议由政府制定独立的输配电价,改变现行电网企业依靠买电、卖电获取购销差价收入的盈利模式,改为对电网企业实行总收入监管。在独立输配电价体系建立后,积极推进发电侧和销售侧电价市场化,实现上网电价和销售电价真正由市场形成。发电侧实现竞价上网,授予发电企业在国家统一规划指导下的项目建设自主决策权和自主定价权。售电侧,放开售电市场,实现竞价购电,先推行“大用户直供”,最终扩大到全部用户。目前,国家已在深圳开展输配电价改革试点,标志着我国对电网企业监管方式的转变,是电价改革开始提速的重要信号,将为推进更大范围的输配电价改革积累经验,为下一步推进电力市场化改革创造有利条件。
  
  4.推动电能终端应用技术研发
  
  推动能源革命和能源转型升级,技术创新是关键。通过技术创新,可以破除目前电气化应用中的制约因素,推动能源消费终端升级。在工业领域,通过推行新设备、新工艺,提高电力能源效率。在交通领域,大力发展电动汽车等新能源汽车技术,发展电动轨道交通技术,重点研究电池技术、电机驱动技术和电动汽车整车集成控制技术。在商业和民用领域,大力发展电采暖,作为集中供暖系统的有益补充,利用低谷电能替代燃煤锅炉;推广和应用热泵技术,将低位热能转化为高位热能;推进家居电气化,将电气化与智能化相结合,大力发展智能家居,既可改善居民用能结构,又可大大提升生活质量。
  
  5.推动能源体制机制改革
  
  体制机制对能源发展具有重要的激励或约束作用。建议我国政府加快体制机制改革,推动能源产业转型。一是突破思想认识误区,还原能源商品属性;二是确立市场化改革方向,重点破除行业行政性垄断和价格政府监管;三是改变政府能源管理方式,从通过投资项目审批、制定价格和生产规模控制等方式干预微观经济主体的行为,改变为放松规制,加强制度环境监管;四是运用法治思维和法治方式,用政府“权力清单”、“责任清单”和企业的“负面清单”界定政府与市场边界,推动政府职能转变。五是健全法律体系和财税体制,完善能源市场制度环境。