基于系统动力学的电力行业碳排放预测

基于系统动力学的电力行业碳排放预测

廖文华

福建中晋能电力工程设计有限公司，福建省福州市  350028

摘要：系统动力学模型的建立一定离不开VENSIM软件，这个软件的开发，在中国电力行业当中进行了碳排放的仿真模拟演示，该模型当中，设置了很多非常有用的情境，其中的基准、低碳和超低碳相关情境尤为重要，在这三种情境中，分别进行电力行业碳排放量的模拟和预测方面的工作，在这样的过程中，便能够对各种排放效果的结果进行比较和相关的评价，从结果中可以看出，对低碳技术进行的开发和研究工作，对电源结构以及产业结构进行调整，这些都是非常有利于我国电力行业未来的发展的。

关键词：系统动力学；电力；排放

新世纪以来，气候发生了急剧的变化，这也成为了全世界都非常关注的问题，如今，人们生活的进步，各种条件的建立，使得人们对化石燃料的使用量越来越大，还有人类其他的社会活动，都会使得二氧化碳的排放量大幅度增加，全球变暖的趋势也是势不可挡，所以，电力行业同时也是碳排放量增加的一个重要的原因。LEAP模型对其的评估作用是非常大的，以此来构建相关的碳排放的系统动力学模型，找出更为适合不同地区的模式，系统动力学的研究工作能够对一个地区的碳排放值进行预测工作，我国的电力系统也能够帮助实现减排的工作，不仅如此，系统动力学还可以解决很多领域中的问题，也可以从不同的角度来进行研究工作。

一、我国温室气体排放排放面临的国内外形势
        减少温室气体排放、发展低碳经济已经逐渐成为国际社会未来发展的主题。2016年11月4日《巴黎协定》正式生效，明确了全球“2℃温升目标”和各国中长期的控排目标[1]，低碳发展已在世界范围内达成共识，英国、德国、日本等各国都在积极推进低碳经济的发展，并采取了低碳认证、碳配额等一些列措施。
        我国作为负责人的大国，正在大力推进节能减排工作。我国向联合国提交的国家自主贡献文件中提出，2030年左右碳排放达到峰值并争取提早达峰，碳强度比2005年下降60%-65%[2]。为实现这一目标，国家发布了《“十三五”控制温室气体排放工作方案》，提出到2020年碳强度比2015年下降18%，碳排放总量得到有效控制，非二氧化碳温室气体控排力度进一步加大，碳汇能力显著增强[3]。
        2013年至2015年国家先后发布了电力、化工、水泥等24个行业的企业温室气体核算方法与报告指南，同时先后发布了一系列碳排放、核算、交易管理制度。国家发改委于2017年12月发布了《全国碳排放权交易市场建设方案（发电行业）》，标志着我国碳交易市场建设正式实施[4]；同月发布了《关于做好2016、2017年度碳排放报告与核查及排放监测计划制定工作的通知》[5]，目前各省的碳核查工作已基本完成。
        二、电力行业发展情况
        中国发电行业近十余年不论在装机容量还是发电量上都有跨越式的发展，已经成为世界上名副其实的电力生产和消费大国。截至2015年底，全国发电装机容量达到15.3亿千瓦，其中水电3.2亿千瓦，占21.1%；火电9.9亿千瓦，占65.56%；核电2608万千瓦，占1.7%；风力、太阳能等新能源发电约1.72亿千瓦[6]。装机容量和发电量上升的同时，燃料消耗及温室气体排放量也在不断上升，二氧化碳排放约占全国40％左右。
        国家应对气候变化规划（2014-2020 年）中明确提出在电力行业加快建立温室气体排放标准，到2015 年大型发电企业集团单位供电二氧化碳排放水平控制在650 克/千瓦时。优先发展高效热电联产机组，以及大型坑口燃煤电站和低热量煤炭资源、煤矿瓦斯等综合利用电站，鼓励采用清洁高效、大容量超越临界燃煤机组。开展整体煤炭气化燃气-蒸汽联合循环发电和燃煤电厂碳捕集、利用和封存示范工程建设。2015 年全国火电单位供电二氧化碳排放比2010 年下降3%左右［6］。
        三、碳排放量进行的注意事项
        根据《碳排放权交易管理暂行办法》，纳入碳交易的温室气体包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）、六氟化硫（SF6）和三氟化氮（NF3）共7 种气体[7]，其中电力行业涉及的温室气体只包含二氧化碳（CO2）。企业进行碳排放量计算时，应按照《中国发电企业温室气体核算方法与报告指南（适用）》的要求进行［7］。下面对计算过程中的注意事项进行探讨：
        （一）边界的确定。发电企业核算边界应当以企业法人为判定依据，应当识别本企业法人边界内所有生产设施产生的温室气体排放。在实际中，企业的生产和运行可能存在不同的法律形式和经济实质，包括合资或全资、自有或者租赁、分公司或子公司等各种形式。与财务核算不同，温室气体核算按照独立法人的原则对边界进行确认，且注意在后续年份的温室气体报告中保持边界的一致性，并完整地核算和报告企业边界内相关生产设施的温室气体的排放量。

       （二）排放源的识别。发电企业温室气体排放源主要包括：化石燃料燃烧的二氧化碳排放、燃煤发电企业脱硫过程的二氧化碳排放和企业净购入使用电力生产的二氧化碳排放。企业应详细识别核算边界内的排放源，并按照燃料燃烧排放，过程排放，购入电力对识别的排放源进行归类。应特别注意是，整个核算边界内，上一环节生产过程中产生的含碳产品继续投入下一环节进行生产时，不应再重复计算其含碳量造成的排放贡献。
       （三）收集活动水平数据。来自根据企业能源实际消耗测量获得的结果。对于固态燃料（如燃煤），一般可直接采用计量仪器（如电子皮带秤）获得的消耗量；对于液态燃料（如柴油），一般通过液态流量计获得的消耗的体积量，此时，可通过与燃料密度相乘的方法推算液态燃料的消耗量；对于气态燃料（如天然气），消耗量通常可以气态流量计直接获取，但应注意将其转换至标准状态下消耗的体积数作为活动水平数据。
       （四）选择和获取排放因子数据。可采用自测值或缺省值。电力排放因子选用国家主管部门最近年份公布的相应区域电网排放因子进行计算。供热排放因子采用国家指南文件缺省排放因子或待政府主管部门发布官方数据后应采用官方发布数据。
       （五）依据相应的公式分排放源核算各种温室气体的排放量。

四、碳排放系统动力学模型构建

（一）因果关系的分析

系统动力学的模型当中，存在着很多种不同的变量，而各个变量之间又会存在着一些因果关系，因此，对这些影响因素也进行了划分，有环境、能源、人口和经济这几类子系统，环境子系统包含的内容都是与环保的问题相关的，能源子系统更趋向于对新能源的开发和使用，经济子系统与人们的生活关系更大一些，可见，每个子系统当中的内容也进行了很大程度上的细化，这样，能够使相互之间的因果关系更加的明确。

（二）主要变量

能够对系统行为变量起到最后的决定作用的是状态变量，也可以称之为积累变量，由于时间和时代的变化，状态变量的内容也进行了不断的增加，其中包括了石油以及煤炭的消耗量，还有就是各产业和居民生活的用电量等。还有一种变量称之为速率变量，它能够对积累变量进行改变，同时也能够体现出积累变量的工作速度。

五、对结果的分析

（一）检验模型是否有效

针对有效性的检验，需要借助一些必要的数据去完成，数据之间总是会存在着一定的误差，从误差的大小当中，能够看出其准确性如何，曾有研究案例对不同年份当中的碳排放量进行了模拟，并进行了对两年中的误差进行分析，结果表明，模拟和实际当中的数据误差控制在了百分之十以内，误差是比较小的，同时也体现了模拟数据是具有准确性的，碳排放系统可以对实际进行真实的反映，这也是仿真研究作用的体现。

（二）设置相关的情境

关于情境的设置工作当中，存在基准情境、低碳情境和超低碳情境这三种，其中，基准情境指的是将人口因素、经济因素等进行综合的考虑，模拟出相应的用电量，对相关的趋势进行分析，基准情境还要去对照低碳情境，低碳情景更着重于体现现有的电源结构和技术方面的进步等，在计算机上进行模拟，也能够达到仿真的效果，而超低碳情景是在低碳情境的基础之上又进行了进一步的优化工作，经济的发展不能够改变二氧化碳的排放，需要在技术和电力结构的方面进行深入地改善，Vensim软件可以帮助我们得到不同情景中的相关数据［8］。

（三）得出的结果

（1）对比碳排放量

电力行业中的碳排放量仍然是居高不下的，但是，相比来说，低碳情景下的碳排放量还是比较低的，当然与超低碳情景相比，后者的碳排放量更低，产生这种区别的主要原因在于使用的技术不同，产业结构和电源结构之间的关系是非常密切的，结构的调整，能够帮助实现低碳环境，同时，技术也能够在保证发电效率的同时，使得电力资源的损耗变小，同时也能使碳排放量降低，因此，对发电结构的调整是非常必要的，此外，电力行业当中也应该逐步减少燃煤发电的占比，加大对新型能源的使用，这样更有利于加快电力产业结构的调整。

（2）对比碳排放系数

电力行业中的碳排放相关系数正在慢慢的降低，在三种情景中，仍然是超低碳情景中的参数是最低的，这样的状况也说明了，科学技术的投入和使用，电力产业的结构优化也得到了落实，这也是碳排放量降低的一个重要的原因。

（3）对比碳排放强度

不同情景中碳排放强度也是不一样的，仍然是低碳和超低碳情景中具有一定的优势，这也能够说明碳排放量和其排放强度的步伐是一致的。从一些研究中可以看出，不管是在什么样的情景中，碳排放量都在增加，这跟我国的人口数量也是有一定的关系的，人口多，对用电的需求量也就会更大，同时电力系统的碳排放量就会相应增加。另外，我国的经济也在进行着不断的发展，各种类的产业也是需要很大的用电量的，而且人们随着生活水平的提高，对电气设备的使用越来越多，也需要用电量，这都是导致电力需求不断增长的因素，这样的现状也在提醒着我们，必须要从技术和发电结构的方面进行创新，这样才有可能使其增长变得缓慢。

总结

本文在系统动力学的基础上，主要设置了三种不同的情境，用这样的方式来预测碳排放量的问题，相关技术的进步以及电源结构都会对其产生不同程度的影响，在不同的情境当中，二氧化碳的排放量也是有着很大的不同，其中，超低碳情境中的碳排放量是最低的。照目前的情况以及发展的形势来看，我国的电力行业发展仍然离不开对煤炭的依赖和使用，但是我们可以从技术上进行深入地研究，尤其是低碳技术，使用这些技术能够改变发电的结构，进而对中国的电力行业发展起到非常大的作用。面对全球变暖的局面，碳排放量必须要得到进一步的控制，否则人类的生存，以及经济的发展都会受到严重的制约，建立低碳化的城市是非常必要的，尤其是对我国来说，发展低碳经济更是实现可持续发展理念的重中之重，运用系统动力学的方式，能够建立起仿真模拟，对碳排放形势进行预测，提出相应的手段和解决办法。

参考文献：

［1］王一鸣，刘兰翠，范英.中国能源报告碳排放研究［M］.北京：科学出版社，2019.

［2］张影，王灿，王克.基于LEAP模型的中国电力行业二氧化碳排放情境分析［J］.清华大学学报（自然科学版），2019（3）.

［3］袁丽铭.基于生命周期法和情境分析法的保定市电力碳排放研究［D］.保定：华北电力大学，2019.

［4］顾佰和，谭显春，穆泽坤，等. 中国电力行业CO2减排潜力及其贡献因素[J].生态学报，2015，35（19）:6405-6413.
［5］刘铠诚，何桂雄，王珺瑶，等. 电力行业实现2030年碳减排目标的路径选择及经济效益分析[J]. 节能技术，2018,3（36）：263-269.
［6］赵亚涛，南新元，贾爱迪. 基于情景分析法的煤电行业碳排放峰值预测[J]. 环境工程，2018，36（12）：177-181.

［7］何潭振. “十三五”控制温室气体排放方案落地 国家发改委能源研究所能源可持续发展研究中心主任康艳兵解读 [J].地球，2017（01）：41-44.
［8］中华人民共和国发展改革委员会官网. 电力发展“十三五”规划[EB/OL]. http：//www.ndrc.gov.cn/fzgggz/fzgh/ghwb/gjjgh/201706/t20170605_849994.html，2017-06-05.