氣候變化已經(jīng)成為人類面臨的最嚴(yán)峻的環(huán)境問題，“十二五”期間，我國制定了以推動能源生產(chǎn)和消費革命為重點的國家發(fā)展戰(zhàn)略。電力行業(yè)是我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要領(lǐng)域，其發(fā)展不僅涉及化石能源、非化石能源的高效利用，還對我國應(yīng)對氣候變化目標(biāo)的實現(xiàn)產(chǎn)生直接影響。隨著電力體制改革的推進(jìn)，國家層面的電力綜合資源戰(zhàn)略規(guī)劃（Integrated Resource Strategic Planning，IRSP）將取代傳統(tǒng)的綜合資源規(guī)劃，成為研究國家和地區(qū)電力發(fā)展戰(zhàn)略的重要選擇。聚焦河南，近年來隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益突出，轉(zhuǎn)變電力發(fā)展方式成為其調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的重要突破口。

一 國內(nèi)外電力碳排放的發(fā)展現(xiàn)狀

從國際層面看，《京都議定書》的通過、“巴厘島路線圖”的實施以及哥本哈根世界氣候大會的順利召開，增強了世界各國對碳排放問題的重視。2016年11月4日，《巴黎協(xié)定》作為繼《京都議定書》之后第二份具有國際法律約束力的氣候協(xié)議，僅用不足1年時間即宣告正式生效，刷新了國際協(xié)議最速生效紀(jì)錄，也使2020年后全球應(yīng)對氣候變化行動有法可依。但與此同時，據(jù)2013年政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次評估報告，人類影響氣候的證據(jù)不斷增加，如不采取行動，全球變暖將超過4℃，遠(yuǎn)高于國際社會普遍接受的2℃升溫目標(biāo)。

從國內(nèi)發(fā)展看，2015年全國6000千瓦及以上煤電機組供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗315克/千瓦時，相比“十一五”期末下降18克/千瓦時，繼續(xù)保持世界先進(jìn)水平，超額完成國家《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》目標(biāo)；電網(wǎng)建設(shè)、運行和管理水平快速提升，2015年全國線路損失率為6.6%，接近國際先進(jìn)水平；發(fā)電結(jié)構(gòu)及煤電結(jié)構(gòu)優(yōu)化，電力碳排放強度呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，2015年全國每千瓦時煤電發(fā)電量二氧化碳排放約為850克，比2005年下降18.9%；每千瓦時發(fā)電量二氧化碳排放約627克，比2005年下降26.9%。此外，2014年國家發(fā)展改革委、環(huán)保部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014～2020）》，提出全國新建燃煤發(fā)電機組平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗低于300克/千瓦時；到2020年所有現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組改造后平均供電煤耗低于310克/千瓦時，并進(jìn)一步要求穩(wěn)步推進(jìn)東部地區(qū)現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組實施大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃機排放限值的環(huán)保改造。同時，在確保完成“十二五”碳強度下降目標(biāo)的基礎(chǔ)上，“十三五”還要繼續(xù)設(shè)立強有力的碳排放控制目標(biāo)，力爭實現(xiàn)到2020年，在2005年的基礎(chǔ)上，二氧化碳排放的強度下降40%～45%的上限目標(biāo)。

聚焦河南，2015年全省煤電機組供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗315.63克/千瓦時，相比“十一五”期末下降10.6克/千瓦時。為實現(xiàn)《巴黎協(xié)定工作方案》制定的“十三五”期間河南碳排放強度下降19.5%的目標(biāo)，下一步，河南尚需繼續(xù)推動能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加強煤炭安全綠色開發(fā)和清潔高效利用，鼓勵利用可再生能源、天然氣、電力等優(yōu)質(zhì)能源替代燃煤使用，有序發(fā)展水電和天然氣發(fā)電，協(xié)調(diào)推進(jìn)風(fēng)電開發(fā)，推動太陽能大規(guī)模發(fā)展和多元化利用，增加清潔低碳電力供應(yīng)，大幅減少主要污染物排放總量。

二 河南發(fā)電碳排放的趨勢研究

（一）河南省綜合資源戰(zhàn)略規(guī)劃模型構(gòu)建

面對應(yīng)對氣候變化的巨大壓力，轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、降低煤炭消費比重在我國獲得高度重視，電力工業(yè)作為主要的煤炭消耗行業(yè)，通過大力發(fā)展風(fēng)電、光伏發(fā)電等非化石能源，逐步降低了我國對煤炭等化石能源的依賴。風(fēng)電、光伏發(fā)電等非化石能源由于受氣候、天氣等眾多復(fù)雜因素影響，出力具有極強的不確定性，相較煤電等常規(guī)能源，前者要求系統(tǒng)有非常靈活的調(diào)節(jié)能力，如果這些非化石電源發(fā)展不考慮與有調(diào)節(jié)能力的電源協(xié)調(diào)規(guī)劃，未來可再生能源“窩電”、“限電”現(xiàn)象仍會重演，將嚴(yán)重制約非化石電源的發(fā)展以及節(jié)能減排工作的開展。針對河南省地域、資源、需求特點，本文構(gòu)建了河南省6大區(qū)域綜合資源戰(zhàn)略規(guī)劃模型（HNIRSP）。

我國地域遼闊，資源分布不均衡，太陽能光伏資源主要集中在西北地區(qū)，風(fēng)能資源主要分布在華北、東北、西北和華東沿海地區(qū)，而負(fù)荷中心卻主要集中在東南部沿海和中部地區(qū)，且各地區(qū)存在較大負(fù)荷特性差異，因此，整合優(yōu)化跨區(qū)資源，已成為我國電力系統(tǒng)發(fā)展的重要任務(wù)之一。截至2015年底，全國形成六大區(qū)域電網(wǎng)，其中，華北、華東、華中、東北四個區(qū)域電網(wǎng)和南方電網(wǎng)形成基本全覆蓋的500千伏網(wǎng)架，西北電網(wǎng)在330千伏網(wǎng)架的基礎(chǔ)上已建成750千伏網(wǎng)架。我國特高壓電網(wǎng)快速建設(shè)對于優(yōu)化配置資源的作用初步顯現(xiàn)，國家電網(wǎng)公司跨省跨區(qū)跨國輸電工程輸電能力超過8600萬千瓦，南方電網(wǎng)“西電東送”總輸電能力也達(dá)到2700萬千瓦。未來我國將加強省間、區(qū)域間電網(wǎng)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，降低各省市的電網(wǎng)冗余建設(shè)，跨省、跨區(qū)互濟，不僅可滿足大煤電、大水電和大可再生能源基地電力輸送需要，還要保障風(fēng)、光等不確定性電源的有效利用。綜合以上新形勢和需要，本文構(gòu)建了考慮我國6大區(qū)域電網(wǎng)跨區(qū)輸電的綜合資源戰(zhàn)略規(guī)劃模型。

兩個模型都以整個規(guī)劃期的社會總投入最小為目標(biāo)函數(shù)，統(tǒng)籌考慮電力供需兩側(cè)各環(huán)節(jié)區(qū)內(nèi)、跨區(qū)的制約因素，通過全局優(yōu)化，得到未來各水平年的各類投資和運行費用、電源裝機、電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模、發(fā)電量、各種污染物排放量等結(jié)果。具體目標(biāo)函數(shù)、約束條件如下。

1.目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)為規(guī)劃期內(nèi)總成本f最小（考慮資金的時間價值），包括電源成本C^Gen、EPP成本C^EPP和排放成本C^Emi：

minf=C^Gen+C^EPP+C^Emi　　　　　?。?）

電源成本C^Gen包括規(guī)劃期內(nèi)各年投運機組的固定費用和所有機組的運行費用：

C^Gen=C^Gen_cap+C^Gen_run　　　　　?。?）

式（2）中，C^Gen_cap表示各年考慮建設(shè)補貼的投運機組固定投資之和；C^Gen_run為各年考慮運行補貼的所有機組運行費用之和。

能效電廠成本C^EPP包括規(guī)劃期內(nèi)各年新增EPP的固定費用和所有EPP的運行費用：

C^EPP=C^EPP_cap+C^EPP_run　　　　　　（3）

式（3）中，C^EPP_cap為各年考慮推廣補貼的新增EPP固定投資之和；C^EPP_run表示各年考慮運行補貼的所有能效電廠運行費用之和。

排放費用C^Emi包含規(guī)劃期內(nèi)各年各類電廠的污染物排放費用：

式（4）中， 、 、 分別表示各年CO₂、SO₂、NO_X的排放費用之和。

2.約束條件

模型涉及電力供需兩側(cè)各個環(huán)節(jié)，包含十余類約束，下面將介紹其中主要的約束條件。

（1）裝機規(guī)模約束。每年各類電源（包含EPP）的裝機規(guī)模不超過一定的限度：

P^endGen_{r，m，y-1}+P^newGen_{r，m，y}≤P^maxGen_{r，m，y}　　　　　　（5）

式（5）中，P^endGen_{r，m，y-1}為第y-1年末區(qū)域r中第m類機組的裝機容量（考慮機組退役情況）；P^newGen_r，m，y為第y年第m類機組的新增裝機容量；P^maxGen_r，m，y表示第y年末第m類機組的最大裝機容量限度。

（2）電力約束?？紤]各區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷特性的差異，各區(qū)常規(guī)電源裝機容量（考慮備用容量）、能效電廠等效容量和跨區(qū)輸入電力之和不小于各區(qū)最大負(fù)荷需求和跨區(qū)輸出電力之和：

式（6）中，L^max_r，y為第y年區(qū)域r的最高負(fù)荷預(yù)測值；P^endEGen_{r，m，y}為第y年末區(qū)域r中第m類機組的有效出力；P^endEEPP_{r，e，y}第y年末區(qū)域r中第e類EPP的等效容量；P^Tran_{r，rr，y}為第y年從區(qū)域r輸送到區(qū)域rr的輸電通道容量。

（3）電量約束。常規(guī)電源發(fā)電量、能效電廠等效發(fā)電量和跨區(qū)輸入電量之和等于負(fù)荷需求電量和跨區(qū)輸出電量之和：

式（7）中，E^maxL_r，y為第y年區(qū)域r的最高電量預(yù)測值；E^Gen_{r，m，y}為第y年區(qū)域r中第m類機組的發(fā)電量；E^EEPP_{r，e，y}表示第y年區(qū)域r中第e類EPP的等效發(fā)電量；E^Tran_r，rr，y、E^Tran_{rr，r，y}分別表示第y年從區(qū)域r輸出到區(qū)域rr的電量和從區(qū)域rr輸入?yún)^(qū)域r的電量。

（4）跨區(qū)電力、電量約束?？鐓^(qū)輸電通道電力、電量要在規(guī)劃限度的約束下：

P^minTran_{r，rr，y}≤P^Tran_{r，rr，y}≤P^maxTran_{r，rr，y}　　　　　?。?）

E^minTran_{r，rr，y}≤E^Tran_{r，rr，y}≤E^maxTran_{r，rr，y}　　　　　　（9）

式（8）中，P^maxTran_{r，rr，y}、P^minTran_{r，rr，y}分別表示第y年從區(qū)域r到區(qū)域rr跨區(qū)輸電通道的容量上、下限。E^Tran_r，rr，y為第y年從區(qū)域r輸送到區(qū)域rr的電量；E^maxTran_{r，rr，y}、E^minTran_r，rr，y分別表示第y年從區(qū)域r到區(qū)域rr跨區(qū)輸送電量的上、下限。

（5）調(diào)峰約束。

a）區(qū)域內(nèi)常規(guī)電源、能效電廠、跨區(qū)輸電的可調(diào)容量之和不小于不確定性電源（主要是風(fēng)電、光伏發(fā)電）的有效出力和系統(tǒng)最大峰谷差；

b）區(qū)域低谷負(fù)荷在扣除常規(guī)電源最小出力和跨區(qū)輸電最小輸送容量之后不小于不確定性電源（主要是風(fēng)電、光伏發(fā)電）的有效出力：

式（10）中，ΔL^maxV_r，y為第y年區(qū)域r的最大峰谷差；L^valley_r，y表示第y年區(qū)域r最大負(fù)荷日最小負(fù)荷；P^endEGen_r，w，y為第y年末區(qū)域r中不確定性電源w的有效出力；A^endGen_r，m，y、A^endEEPP_r，e，y、A^Tran_rr，r，y分別表示第y年末區(qū)域r的常規(guī)電源的可調(diào)節(jié)容量、能效電廠的等效可調(diào)節(jié)容量和跨區(qū)輸電的可調(diào)節(jié)容量；P^lowGen_{r，m，y}、P^lowTran_{rr，r，y}分別為第y年末區(qū)域r的常規(guī)電源的最小出力和跨區(qū)輸電最小輸送容量。

（6）污染物排放約束。每年化石能源發(fā)電排放的CO₂、SO₂、NO_X不大于限定值：

式（11）（12）（13）中，E^endGen_{r，m，y}為第y年末區(qū)域r中第m類機組的發(fā)電量；I^O_{r，m，y}、I^S_{r，m，y}、I^N_r，m，y分別表示第y年區(qū)域r中第m類機組的CO₂、SO₂、NO_X排放強度；O^max_r，y、S^max_r，y、N^max_r，y分別為第y年區(qū)域r中CO₂、SO₂、NO_X排放限值。

（7）補貼約束。電源補貼（固定成本補貼和運行成本補貼）和EPP補貼不能高于一定限度：

S^Gen_r，y+S^EPP_r，y≤S^max_r，y　　　　　?。?4）

式（14）中，S^Gen_r，y為第y年區(qū)域r的電源補貼；S^EPP_r，y為第y年區(qū)域r的EPP運行成本補貼；S^max_r，y為第y年區(qū)域r的補貼上限。

（二）發(fā)電碳排放趨勢研究

1.電源結(jié)構(gòu)對比

從裝機容量來看，由圖1可知，預(yù)計2016～2030年河南地區(qū)化石能源裝機容量逐漸增長，增速將逐漸放緩，2016～2020年年均增速為2.8%，2021～2025年略微升至3.0%，2026～2030年降至0.7%。2016～2030年全國的化石能源裝機容量仍然保持一定增長，2020年、2025年、2030年全國化石能源裝機容量將分別達(dá)到1120吉瓦、1278吉瓦、1553吉瓦，2016～2020年保持年均2.5%的增長率，2021～2025年年均增速略微提高至2.7%，2026～2030年年均增速將提高至4.0%。華中地區(qū)化石能源的裝機容量在2016～2020年較為穩(wěn)定，基本保持在150吉瓦左右，2021～2025年開始逐年增長，年均增長率為4.1%，2026～2030年年均增速降低至2.7%。

圖1 全國及華中地區(qū)、河南化石能源裝機容量與非化石能源裝機占比變化

從電源結(jié)構(gòu)占比來看，河南地區(qū)非化石能源裝機占比相對于全國平均水平以及華中地區(qū)平均水平來說，整體較低。預(yù)計在2016～2030年河南地區(qū)非化石能源裝機容量將保持較快增長，2020年、2025年、2030年非化石能源占比將分別達(dá)到25.6%、32.9%、47.7%。2016～2030年全國非化石能源裝機占比將保持穩(wěn)定增長，2020、2025、2030年將分別達(dá)到50.3%、52.7%、56.2%。華中地區(qū)非化石能源裝機占比在2022年達(dá)到頂峰，約為63.9%；2022年后非化石能源裝機占比逐年下降，在2025年前后將降至60.8%；2025～2030年非化石能源裝機占比逐年增長，在2030年達(dá)到62.5%。

2.分技術(shù)發(fā)電量對比

從發(fā)電量來看，如圖2所示，2016～2030年全國及華中地區(qū)、河南的化石能源發(fā)電量均經(jīng)歷了“逐步增長，2026年達(dá)到峰值，然后逐步放緩”的過程，其化石能源發(fā)電量峰值分別約為45030億千瓦時和7560億千瓦時、3910億千瓦時。從水電、核電、風(fēng)電、太陽能、生物質(zhì)等非化石能源發(fā)電量來看，2016～2030年全國及華中地區(qū)、河南均將保持較快增長。

圖2 全國及華中地區(qū)、河南分技術(shù)發(fā)電量

從分技術(shù)發(fā)電量比例來看，河南地區(qū)未來仍以化石能源發(fā)電為主，預(yù)計2016～2030年非化石能源發(fā)電的比例將有一定程度增加，但是所占比例仍然低于化石能源發(fā)電。未來全國水電、核電、風(fēng)電、太陽能、生物質(zhì)等非化石能源發(fā)電量的比例將逐漸升高，將在很大程度上減少化石能源的消耗，有利于緩解環(huán)境污染問題。華中地區(qū)由于資源稟賦特點，以煤電和水電為主，非化石能源發(fā)電的比例較小。

3.排放情況對比

從發(fā)電二氧化碳排放變化情況看，到2030年，全國及華中地區(qū)、河南的發(fā)電二氧化碳排放量呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢。河南地區(qū)的發(fā)電二氧化碳排放峰值在2026年左右達(dá)到，峰值為29400萬噸；全國范圍的發(fā)電二氧化碳排放峰值在2024年左右達(dá)到，峰值為344200萬噸；而華中地區(qū)的發(fā)電二氧化碳排放峰值在2026年左右達(dá)到，峰值為57500萬噸（見圖3）。

圖3 2016～2030年全國及華中地區(qū)、河南發(fā)電二氧化碳排放變化情況

對比全國及華中地區(qū)、河南裝機結(jié)構(gòu)變化和分技術(shù)發(fā)電發(fā)展變化情況的分析可知，由于河南省化石能源裝機容量呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢，煤電仍占據(jù)較強的主導(dǎo)地位，且非化石能源發(fā)電占比較小，因此，河南省發(fā)電二氧化碳排放有別于全國及華中地區(qū)，呈不斷增加的趨勢。

三 結(jié)論建議

（一）主要結(jié)論

綠色、低碳、清潔化成為新時期電力行業(yè)發(fā)展的重要特征。研究表明，由于受地理位置和資源稟賦影響，河南未來很長一段時間仍將以化石能源發(fā)電為主，化石能源發(fā)電占比將持續(xù)保持50%以上；未來河南非化石能源發(fā)電將繼續(xù)保持快速增長，其電力、電量占比均將不斷提升，其中風(fēng)電和太陽能發(fā)電呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。

2026年河南省化石能源發(fā)電二氧化碳排放將達(dá)峰值，與全國將在2024年和華中地區(qū)將在2026年左右達(dá)到峰值的趨勢基本相同。河南電力工業(yè)應(yīng)對氣候變化的任務(wù)十分艱巨，建議在相關(guān)政策、機制建設(shè)等方面進(jìn)一步推進(jìn)。

（二）主要建議

1.促進(jìn)非化石能源的消納，推進(jìn)市場機制

提高可再生能源發(fā)電就近消納能力，充分發(fā)揮市場機制在消納存量可再生能源中的關(guān)鍵作用，鼓勵可再生能源參與電力直接交易，推進(jìn)可再生能源與煤電發(fā)電權(quán)交易置換，以及可再生能源替代燃煤自備電廠發(fā)電，促進(jìn)可再生能源就近消納。加快建立輔助服務(wù)市場，提高系統(tǒng)綜合調(diào)峰能力，建立健全發(fā)電企業(yè)調(diào)峰、調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)考核機制和補償機制；加快建設(shè)抽水蓄能等各類調(diào)峰電源，鼓勵各方投資建設(shè)服務(wù)新能源消納的調(diào)峰機組。加強政府監(jiān)管，加大政策執(zhí)行力度，提高國家各項清潔能源發(fā)展政策措施的統(tǒng)一性和連續(xù)性，穩(wěn)妥處理好電力行業(yè)當(dāng)期投資與長遠(yuǎn)發(fā)展之間的關(guān)系，為清潔能源的健康有序發(fā)展提供健康的政策環(huán)境。

2.加強需求側(cè)管理，促進(jìn)節(jié)能減排

強化電力需求側(cè)管理的政策激勵，建立健全相關(guān)的財政、稅收、投融資政策，鼓勵開發(fā)、推廣和使用節(jié)能新技術(shù)、新產(chǎn)品。充分考慮電力需求側(cè)管理成本，通過收取專項基金等方式解決資金來源問題。加快制定和完善主要耗電行業(yè)、耗電產(chǎn)品的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)能設(shè)計規(guī)范，嚴(yán)把能效關(guān)。推行合同能源管理和節(jié)能投資擔(dān)保制度，建立健全節(jié)能效益分享機制；鼓勵和支持一些地區(qū)建立電力需求側(cè)管理平臺，強化用電負(fù)荷管理，推動這些地區(qū)科學(xué)用電和節(jié)約用電；完善法律法規(guī)，加快制定電力需求側(cè)管理的專門法規(guī)，明確各相關(guān)主體的權(quán)利、義務(wù)和責(zé)任，為實施電力需求側(cè)管理創(chuàng)造良好的法律環(huán)境；推動全民參與，電力需求側(cè)管理是一個系統(tǒng)工程，涉及各行各業(yè)、千家萬戶，需要社會各界共同關(guān)注、積極參與。要繼續(xù)加大宣傳力度，強化專業(yè)培訓(xùn)，堅持“誰參與、誰獲利”，營造全社會共同參與的良好氛圍。

3.建立低碳經(jīng)濟下電網(wǎng)規(guī)劃和運行機制

結(jié)合地區(qū)資源稟賦，堅持各類能源資源的統(tǒng)一規(guī)劃，協(xié)調(diào)發(fā)展，開展中長期規(guī)劃，遠(yuǎn)近結(jié)合，滾動優(yōu)化；建立競爭性電力市場，必須加快推進(jìn)電力市場機制和電力運行調(diào)度方式改革，取消發(fā)電量計劃管理制度，形成由市場供需和邊際成本決定市場價格的機制，通過競爭方式安排各類機組的發(fā)電次序，精細(xì)優(yōu)化確定運行計劃、備用容量安排，建立適應(yīng)我國低碳能源發(fā)展的新型調(diào)度機制和管理辦法。