中國風電和碳捕集技術發展路徑與減排成本研究
引言
煤炭是我國經濟社會發展的基礎能源來源，燃煤發電是煤炭消費的重要來源，也是我國電源結構的主要組成部分。隨著氣候變化問題愈來愈成為國際關注的焦點，國際社會對我國碳排放問題的壓力也逐漸增大，碳減排問題引起了政府和學者的高度關注。那么，我國以煤為基礎的能源結構和電力結構如何走向低碳發展?“科技進步和科技創新是減緩溫室氣體排放，提高氣候變化適應能力的有效途徑”[1]，因此，本文將研究焦點集中于低碳能源技術推廣與技術進步，其中風電技術和碳捕集技術是兩類發展十分迅速的低碳技術。
我國風電累積裝機容量從2000年的34.6萬kW迅速增加到2010年的4473.3萬kW，如圖1所示。雖然目前我國已經是世界上風電裝機最大的國家，但風電在我國一次能源結構中的比重仍然很小，2010年風力發電量占我國總發電量的比重僅為1.18%。
數據來源：中國可再生能源學會風能專業委員會(中國風能協會)[18]、中國電力企業聯合會[19]。
圖1 2000年-2010年我國風電裝機容量和風力發電量變化
Fig. 1 Installed capacity and generation of wind power from 2000 to 2010
我國從2006年發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》(2006-2020年)中提出“開發高效、清潔和二氧化碳近零排放的化石能源開發利用技術”開始，到2007年6月《中國應對氣候變化國家方案》正式將二氧化碳捕集及利用、封存技術作為應對氣候變化的一項先進使用技術加大開發和推廣力度以來，碳捕集與碳封存技術在我國的研究、開發與示范項目工作取得了重要進步。目前，我國有多個企業集團開展碳捕集和/或碳封存項目，主要項目如表1所示。
從表1中可以看出，我國碳捕集項目甚至剛剛處于起步階段。風電和碳捕集與碳封存(CCS)兩種低碳能源技術的未來發展都面臨較大的不確定性，因此研究影響其未來發展的主要因素，如實現市場競爭程度的推廣時間、減排潛力和減排成本等問題，就顯得尤為重要。本文將通過研究試圖回答以下幾個問題：這兩種能源技術能夠在多長時間范圍內，以多少代價，減排多少二氧化碳?兩種能源技術之間將如何進行選擇?
本文將首先構建我國低碳能源技術推廣的概念模型，其次由技術學習曲線模型，將風電技術和碳捕集①技術的學習部分進行細化;并由此分析風電技術達到與煤電技術可競爭程度所需要的新增投資、學習投資、推廣時間以及二氧化碳減排量，并探討該技術面臨的瓶頸及發展限制。最后，利用新建煤粉電廠碳捕集項目的技術學習曲線，分析達到相同二氧化碳減排量條件下，所需要的相關投資與推廣時間。
2 國內外現有研究綜述
能源技術的推廣滿足一定規律，Kramer等[2]認為全球技術推廣遵循兩個定律(law)，定律之一是從一項能源新技術可行(available)(產量達到1000TJ)階段到該項技術成熟(materiality)(占到能源供應總量的1%)階段，大約滿足年均26%的指數增長，且需要經歷30年的時間;定律之二是技術達到成熟之后，便開始以緩慢的線性方式增長。他們同時還指出，在技術達到一定規模之前，往往需要政府通過研究與開發(R&D)以及實施示范項目的方式來加以推動，達到可以推廣的規模之后，技術成本將變得更加重要，此時政府應該通過市場機制對該項技術進行支持，直至降低到可以與其他技術進行競爭的程度。但能源技術達到成熟階段之后面臨更為重要的任務是解決基礎設施規劃與建設以及土地的利用等相關問題。
低碳能源技術進步在技術推廣過程中將扮演重要角色，從而對低碳發展路線也將產生重要影響，技術成本降低是技術進步的主要表現。不管是技術推廣的示范項目階段，還是技術成熟階段，技術成本始終是首要考慮之一，降低技術成本也是各種政策機制的主要目標。一般用技術學習曲線來表示技術成本的規模效應或學習效應，即，隨著技術規模的不斷擴大，技術成本不斷降低的過程。Neij等[3]指出，在風電技術推廣和發展過程中具有顯著的技術學習效應;Rubin等[4]對應用于煤電的尾氣脫硫裝置(FGD)和選擇性催化還原法(SCR)進行分析，認為二者均具有學習效應，并可作為碳捕集技術學習效應的參考。
技術學習曲線較早地可以追溯到Wright[5]的發現，即飛機制造過程中勞動生產力的學習效應。Arrow[6]據此提出了干中學模型，構建了技術學習曲線。
技術學習曲線也廣泛應用于能源技術領域，早在1995年，Lund[7]就對風電技術學習曲線進行過探討;Mackay等[8]應用技術學習曲線對太陽能電和風電進行成本分析，并進行二者之間的比較;Neij等[3]通過對丹麥、德國、西班牙和瑞典四國風電制造和風電安裝成本的分析，分別得到不同國家、不同制造商的設備生產、設備安裝部分的技術進步率;Junginger[9]通過基于全球風電場的相關數據，對全球風電場的技術進步率進行分析。
近年有一些研究也將方向集中于碳捕集技術。Riahi等[10，11]利用尾氣脫硫技術的學習過程來模擬碳捕集技術的學習曲線，并將技術學習曲線內生化到綜合能源系統模型MESSAGE-MACRO中進行分析，認為技術進步對未來能源系統的特征具有決定性的影響;Rubin等[12]用當前各種現存技術，如尾氣脫硫技術、煤粉鍋爐等7種技術的學習率，對未來的碳捕集電廠進行成本估計;M. van den Broek等[13]進一步地，專門針對二氧化碳捕集技術的電廠效率、捕集率以及能源(額外)需求量等影響運行成本因素的學習曲線進行研究。
技術學習曲線在我國能源領域的研究目前還相當少，鄭照寧等[14，15]分別對我國風電和太陽能電的投資成本、累積裝機等情況進行分析;李華林等[16，17]將技術學習曲線內生化到能源系統模型MARKAL中，對我國西部能源系統進行分析。
綜合上述研究發現，當前國外相關研究主要集中于能源技術學習曲線自身參數的探討，技術分類更為詳細、技術細節更為具體;而僅有的國內少數研究尚無法解決本文提出的主要問題。本文將主要參考國外相關研究，將風電技術和碳捕集技術的學習部分進行細化，在此基礎上，構建技術學習曲線;并由此分析風電技術達到與煤電技術可競爭程度所需要的新增投資、學習投資、推廣時間以及二氧化碳減排量，并探討該技術面臨的瓶頸及發展限制。最后，利用新建煤粉電廠碳捕集項目的技術學習曲線，分析達到相同二氧化碳減排量條件下，所需要的相關投資與推廣時間。
3 理論研究與模型構建
3.1 我國能源技術推廣
的路徑
我國能源技術推廣也滿足一定的規律，在發展初期，一般將以超常規的指數增長方式發展，分別以2000年到2010年我國風電裝機容量數據和風力發電量數據為例，如圖1所示。得到相應的擬合結果為：
相應的風電裝機和發電量年均增長率高達67.4%和57.5%。無論是從發電量，還是從裝機容量來看，風電在推廣初期，其年均增長速度都大大高于26%[2]，這與相關國內外政策支持不無相關，但Kramer等[2]認為的指數增長速度實際上也考慮了政策的支持作用。
可以預見，在達到一定的發展規模之后，風電的發展速度將放緩。2010年，風電生產量僅占一次能源生產總量的0.206%，遠低于1%的成熟水平。為了擬合其達到成熟階段之后的發展速度，我們將以我國水電發展為例，1980年我國水電生產量占一次能源生產量的比例就達到1.2%②，近30年的發展如圖2所示，為了反映不同時期的水電增長情況，本文將發展期分為80年代、90年代和2000年以來三個區間，相關的擬合結果如下所示：
上述增長路徑也并非如Kramer等[2]認為的呈現緩慢的線性增長，主要原因可能是近30年改革開放以來，我國處于快速的工業化與城市化進程中，由需求側增長的強勁拉動作用，使供應側能源技術規模呈現指數增長，特別是近8年來，這一增長趨勢更為明顯。我國能源技術發展的路徑用圖3表示。
為了得到我國風電的技術學習參數b和技術學習率LR，我們將對國際先行經驗進行分析。Neij等[3]通過對丹麥、德國、西班牙和瑞典四國風電制造和風電安裝成本的分析，分別得到不同國家、不同制造商的設備生產、設備安裝部分的技術進步率，平均值分別為93%和91%，相應地，風電設備生產、設備安裝部分的技術學習率分別為7%和9%。他們還進一步區分了國內學習系統(national learning system)和國際學習系統(international learning systems)，認為后者是當國際生產商和工人在國與國之間流動所產生的學習效應。Neij等[3]指出，風機的國際學習系統已經初步形成，國際間技術學習率將進一步趨于一致。我國于2010年取消了“風電設備國產化率要達到70%以上，不滿足設備國產化要求的風電場不允許建設”的規定，這意味著我國面對國際風電設備競爭更為開放，也更為激烈，但更重要的一點是，我國風機設備制造和安裝的發展進入了國際學習系統中。
綜合風電設備生產的技術學習率和設備安裝的技術學習率，設定未來我國風電資本部分的綜合技術學習率為8%，由此，得到b=0.12。
即，為實現平衡累積裝機容量，需要新增資本投資35400億元。學習投資占新增資本投資額的比重為11.3%。
4.1.3 實現平衡累積裝機容量所需時間、風電新增運營投資以及減少的排放量
(1)實現平衡累積裝機容量所需時間。若我們以2000年到2010年我國風電裝機容量數據為基礎，計算未來風電發展路徑，即λ=0.515。
那么，由公式(11)，將相關結果代入，得：=6.1
即如果按照過去6年的風電發展速度，未來只需要6年左右就可以實現風電成本下降到與煤電成本相同的水平。但也應該看到，我國風電的大規模發展仍然主要依賴進口關鍵技術，國際范圍內的技術學習效應尚未形成;另外，上述擬合結果基于近10年來，我國風電投資受到國內國際政策的鼓勵，其發展從長期來看，不可維持。因此，我國風電的發展速度將低于上述擬合結果。
為了得出我國風電未來長期可能的發展路徑，本文采用21世紀以來的水電增長路徑作為未來風電發展的基本路徑，原因主要有：①我國改革開放以后，水電得到了迅速發展，1990年小水電占水電總發電量的12.3%;1994年達到29%;到2003年這一數值達到40%，表明我國水電發展市場逐漸放開，受到市場供需關系影響明顯;②進入21世紀，隨著我國溫室氣體排放逐漸成為全球關注的焦點，針對我國碳減排的呼聲也漸漸達到高峰，因此，作為可再生能源的一種，這一階段的水電發展基本可以代表未來各種新能源技術的發展路徑;③20世紀90年代，水電發展產生的生態、環境問題，曾在國際③國內產生過重大爭論，這也部分影響了水電的發展，參考價值較小。由此得到其發展路徑如公式(5)所示。取λ=0.11，即年均增長率達到11.6%，將風電初始累積裝機容量和平衡累積裝機容量結果代入，得：=28.6
即如果按照年均增長11.6%的速度，未來需要29年才可以實現風電成本下降到與煤電成本相同的水平。
(2)新增風電運營投資計算。風電實現累積平衡裝機容量時，所需要新增加的運營投資額為：
由此得到，風電實現平衡累積裝機容量的新增總投資額為：35400+1 3846=4 9246億元，其中，風電新增資本投資占新增總投資的比例為71.9%，新增運營投資占新增總投資的比例為28.1%。
(3)未來二氧化碳的總減排量。未來29年總共減少的二氧化碳排放量如下：
4.1.4 風電相關計算結果的評價 上述計算過程所得到的理論結果在現實中很難實現，主要原因是風電技術自身的特點以及與風電發展相關的基礎設施規劃與建設問題。由于風力發電受到自然條件的制約，其發展的區位布局顯得尤其重要;另外通常晚上風力資源相對白天風力資源豐富，調節電網的用電峰谷差也對風電發展具有決定性的影響。由于風電自身具備的這些特點，其發展通常不能超過一定的水平，否則將可能對電網造成震蕩，不利于電力安全。就現有的電網技術而言，風電的容量占整個電網容量或局部電網容量的比例一般應在10%左右，突破這一限值，就可能會對電網產生較大的擾動[23]。
因此，假定到未來某一時點t，風電裝機達到電網總裝機容量的10%，以人均電力裝機1kW的中等發達國家水平計算，風電裝機應不超過15000萬kW，經計算可得到t=16，即到2025年，在目前的電力技術條件下，風電裝機將達到最大值，難以實現更大突破。
因此，在2025年之前，風電發展要更加重視長期整體布局問題和基礎設施建設問題，即使如此，能夠增加的風電裝機容量也非常有限，除非電力儲存技術等出現重大突破。另一種發展思路，即充分準備—研究與開發、示范項目建設—其他低碳技術，如碳捕集技術，到2025年實現兩種技術的對接。
4.2 碳捕集技術的分析與比較
本節需要解決的問題是：如果發展碳捕集技術，為實現相同的二氧化碳減排量，新增資本投資和運營投資分別為多少?發展時間為多長?
本文以煤粉電廠(PC plant)的二氧化碳捕集為例，僅考慮PC電廠的鍋爐
和蒸汽輪機部分(簡稱PC電廠部分)以及二氧化碳捕集部分的資本投資和運營投資，根據公式(7)，得到總成本之和為：
為簡單起見，假定二氧化碳捕集系統全部安裝于新建PC電廠，且二氧化碳全捕集，即二氧化碳捕集量占電廠二氧化碳排放量的100%。那么：
為使得其結果與風電結果具有可比性，假設在基準年，我國安裝碳捕集的煤電裝機容量將同樣達到2500萬kW;碳捕集技術的發展也遵循與風電相同的路徑;煤電廠年發電小時數為5000h;燃煤電站的煤耗指標也為340g/kWh;二氧化碳排放系數為2.8。相關假設如下：
即，如果發展碳捕集技術，實現相同的二氧化碳減排量，僅需要22年，累積捕集裝機容量將達到2 6610萬kW。與風電發展相比，實現相同的二氧化碳減排量所需時間較短，相應的平衡捕集裝機容量較低。
由于目前尚沒有關于碳捕集相關成本的數據，本文采用Rubin等[12]的研究數據，有，
各個部分新增投資如下：
PC電廠部分新增資本投資：2594.65億美元
PC電廠部分新增運營投資：427.546億美元
碳捕集部分新增資本投資：572億美元
碳捕集部分新增運營投資：479.446億美元
4.3 結果比較
將風電技術與碳捕集技術各部分投資量以及減排成本列在表2中。從表2中可以看出，風電技術的單位減排成本為613.39元/t，與相關結果[24]比較來看，明顯較低，反映了技術學習效應帶來的成本下降;碳捕集技術成本相比風電技術略低，但考慮到碳運輸和碳封存的成本，碳捕集與碳封存系統的單位減排成本將達到115美元，與風電技術相比較高。
風電技術的新增投資都主要集中在資本部分，占全部新增投資的比重達到71.9%，其中學習投資占8.1%;新建PC電廠碳捕集技術的新增投資主要集中在燃料成本部分和資本部分，分別占全部新增投資的比重為44.3%和43.75%，其中新增資本投資中，學習投資比重相當小，反映其學習效應不明顯。將原有資本投資以及新增資本投資分攤到各年份，得到資本成本，相對新增投資更高。
從來看，根據IPCC[25]，碳封存能力在很長時間內都不會構成碳捕集與碳封存技術發展的制約。而風電發展因自身特點的影響而受到約束。因此，從長期來看，發展燃煤電站碳捕集與碳封存技術，是實現我國以煤為基礎的能源結構下，實現大幅度減排二氧化碳的必然選擇。當前我國需要將重點放在基礎研究與開發以及發展示范項目上，并通過與國外合作、交流、學習的方式，積累經驗，順利實現到2025年與風電技術對接。
5 結論
本文首先對我國低碳能源技術的推廣路徑進行研究，在此基礎上，通過風電和碳捕集技術的學習曲線，分析未來兩種技術的推廣時間、相關投資以及相應的二氧化碳減排量和減排成本等問題。
(1)我國低碳能源技術推廣路徑與國際已有研究揭示的路徑不同，前者比后者增長更快，主要是由于我國快速經濟增長導致的需求所拉動;
(2)以年均增長率11.6%的指數發展路徑來擬合風電和碳捕集技術，理論上，我國風電將在未來29年降低到0.4元/kWh，期間可潛在地減排二氧化碳109.8億t，單位減排成本為613.39元/t;為實現相同的減排量，新建PC電廠碳捕集技術則需要22年即可實現，單位減排成本為76.88美元/t，略低于風電技術成本，但考慮進碳運輸和碳封存成本之后，單位減排成本將達到115美元，將比風電技術更高。
(3)從與其他相關研究結果的比較來看，本文研究得到的風電成本與CCS成本相比都較低，反映了技術學習效應對技術成本下降所帶來的影響。
(4)在新增投資中，風電技術的新增投資主要集中在資本部分，占全部新增投資的比重達到71.9%，其中學習投資占8.1%;新建PC電廠碳捕集技術的新增投資主要集中在燃料成本部分和資本部分，分別占全部新增投資的比重為44.3%和43.75%，其中新增資本投資中，學習投資比重相當小，反映其學習效應不明顯。
(5)在我國目前條件下，從中短期來看，發展以風電為主的可再生能源，相比碳捕集技術，技術更為成熟;但風電技術的發展仍然面臨較為嚴峻的容量限制，本文分析認為，到2025年風電裝機規模將達到峰值，更多地發展風電可能會對電網產生擾動，不利于電網安全。
(6)從長期來看，發展燃煤電站碳捕集與碳封存技術，是實現我國以煤為基礎的能源結構下，實現大幅度減排二氧化碳的必然選擇。當前我國需要將政策重點放在基礎研究與發展示范項目上，并通過與國外合作、交流、學習的方式，積累經驗，順利實現到2025年與風電技術對接。
注釋：
①CCS技術的成本主要表現在碳捕集部分，根據IPCC special report on carbon capture and storage，碳捕集部分成本占總成本的比重約為1/3.
②電熱當量法計算，如果按發電煤耗法計算，則為3.8%.
③如在1996年世界可持續發展峰會上，曾將大水電排除在可再生能源范圍之外。
④將1g標煤以1.4g原煤折算，并基于我國電力用煤含碳量一般50%～60%之間。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
