中国电力行业煤改气的国内外影响外文翻译资料

 2022-12-21 16:44:20

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中国电力行业煤改气的国内外影响

文摘：对我国电力行业煤改气对能源消费和生产、贸易、经济活动的国内外影响进行了评价。我们发现，可再生能源发电的增长率假设是评估中国煤制气转换的经济后果的关键决定因素。用可再生能源补充天然气发电的能力导致中国和全球经济活动的减少幅度小于替代能源。

关键字：煤制气转换;电力行业;天然气;可计算一般均衡模型

1. 介绍

中国东部主要都市区的空气污染已经达到危险水平，其中大部分是由于煤炭。这导致当局对烟雾“宣战”，中国政府预计将增加天然气消费，以取代煤炭作为回应。然而，煤炭是中国最重要的能源商品，占能源消费的大部分。中国在全球煤炭市场中也发挥着关键作用，其生产和消费的煤炭量几乎与世界其他地区的总和相当。这样的煤炭生产水平提高了经济活动，同时大量的消耗也导致了空气污染的加剧。

作为治理这一污染的一步，中国中央政府于2013年9月宣布了《大气污染防治行动计划》，随后出台了更加严格的燃煤发电机组升级改造节能减排行动计划。该计划禁止新建现场使用的燃煤发电厂，并允许在烟雾影响最严重的地区（京津冀、长江和珠江三角洲）新建不属于热电联产的燃煤发电厂。这些地区占中国燃煤发电装机容量和发电量的近三分之一。该计划还为现有和新的燃煤发电厂制定了严格的效率和排放标准。政府希望刺激中西部地区的煤炭电力发展，并通过国家高压输电线路输送电力。由于基础设施建设需要时间，而中国西部现有的水资源短缺给燃煤发电带来了挑战，该计划可能会减缓中国燃煤发电的增长

在这个背景下潜伏着天然气，它只产生中国2%的电力。由于天然气在近中期内比其他替代能源更具有大规模替代煤炭的潜力，因此《行动计划》为东部煤炭限制区的煤改气提供了政策激励。这可能导致一些东部地区发生重大变化，电力行业从煤炭到天然气的重大转变将导致国家能源市场的重大变化。中国能源部门的庞大规模意味着这种转变也将影响国际能源市场。

有很多报纸都在考虑中国的电力行业，但大多数报纸的关注重点与我们的不同。它们往往集中在市场结构（Xuandchen，2006年；Duetal，2009年；Ngan，2010年）、发电的能源组合（Wang，2007年）或可再生能源的潜力（Cherni和Kentish，2007年；Ma和He，2008年）。其他明确考虑煤炭与天然气转换的国家集中在如何改善空气质量或减少汽车骨骼任务（Mao等人，2005年；Skeer和Wang，2006年；Delarue和Damp;apos;Haeseler，2007年；Jiangetal.，2008年；Sheehan等人，2014年）。

本文评估了国内外电力行业对我国煤制气转换的消费、价格和经济活动的影响。我们还通过测试可再生能源发展的替代假设来解决围绕这一政策问题的不确定性。我们的主要结论是，用可再生能源补充天然气发电的能力导致中国和全球经济活动的减少幅度小于替代能源。

2. 政策背景

中国一次能源消费总量和生产总量均以煤炭为主：2012年，煤炭占中国一次能源消费总量的66%，占一次能源生产总量的77%以上（图1）。自1980年以来，煤炭在消费和生产中所占的份额平均徘徊在70%以上。

煤炭生产也具有重要的经济成分。1980-2014年，煤炭开采增加值平均约占中国实际GDP的2.1%，到2011年稳步增长至实际GDP的3%以上，煤炭开采总产值略有下降，平均为1980-2014年实际总产值的1.5%，到2011年达到2%以上。

这与天然气形成了鲜明的对比。天然气开采增加值的分类数据表明，近年来，天然气开采增加值占实际国内生产总值的比例不到0.1%。图1中最下面两行显示，2012年天然气占总消费量和总产量的份额为4-5%，1980年以来的平均份额仅略高于1%。

从这个低起点开始，中国政府计划到2020年，天然气消费份额将上升到10%左右，其中大部分是以煤炭为代价的。这是怎么做到的？

鉴于中国天然气和煤炭价格之间的广泛分布，特别是传统天然气资源有限，以及非常规天然气资源开发的不确定性，从煤炭转向天然气需要不同类型的政策干预。上述《大气污染防治行动计划》促使各级政府出台一系列政策和指导方针，以确保其落实。其中许多配套计划包括在某些地区采取具体措施抑制煤炭消费，增加天然气的使用、生产和进口。总的来说，这些政策通过直接授权，通过改变天然气和煤炭之间的相对经济性，或两者的某种组合，间接地推动转换。

通过授权工作的政策有可能直接限制煤炭供应和需求，并在短期内直接提高天然气供应的可用性（并在长期内提高供应的经济性）。例如，《大气污染防治行动计划》要求在京津冀（北京、天津、河北）、长三角、珠三角三个地区降低煤炭消费。它还禁止在13个地区（47个城市）新建燃煤发电厂，以及其他重工业新项目。另一个例子是，国家发改委、国家能源局和环境保护部于2014年3月发布的《加强能源部门大气污染防治工作计划》，要求加快非常规天然气suc的开发。H为煤层气和页岩气。

其他政策则通过经济手段来实施，增加煤炭的相对使用成本或降低天然气的相对使用成本。例如，在许多情况下，MEP于2011年7月发布的空气排放标准对新工厂和现有工厂都比美国和欧洲的类似标准更严格。这些标准要求安装和运行各种类型的排放控制设备，如果其他设备保持不变，将增加燃煤发电的成本。另一方面，发改委于2012年10月更新的天然气利用政策旨在将天然气供应分配给一些地区的优先部门（包括发电部门）。这些优先行业不一定为这种天然气供应支付最高价格。

这些政策的结合将导致中国以牺牲煤炭为代价增加天然气消费。本文主要研究了煤制天然气转换对中国电力行业的潜在影响。在评估这种转换的影响之前，我们先在我们的建模框架中使用来实现这种转换。

3. 建模方法

我们使用CAI等人开发的全球贸易与环境模型（GTEM-C）的CSIRO变体来模拟煤与天然气的转换。（2015）。GTEM-C是一个混合模型，它将可计算一般均衡（CGE）模型的自上而下宏观经济表示与能源生产的自下而上细节相结合。GTEM-C采用GTAP的全球贸易和经济核心，这是广泛使用的GTAP CGE模型（Hertel，1997）的动态扩展。GTEM-C的当前版本包括13个全球区域的19个部门。对于这个建模练习，我们遵循Hertel等人的观点。（2008）和Beckman等人（2011）调整资本、劳动力和资源的替代，使煤、天然气和原油的长期供应弹性分别为1.0、0.5和0.25。此外，对GTEM-C中能源需求替代的价格弹性进行了校准，以反映Stern（2012）的经验结果。

GTEM-C通过修订的“技术包”方法（CAI和Arora，2015年）对电力部门进行了分解建模。重要的是，对于我们的研究问题，电力部门使用GTAP电力数据库（Peters，2015年）被分解为具有不同成本结构和碳强度的技术菜单。该模型的当前版本有8种技术：煤炭、石油、天然气、核能、水电、风能、太阳能和其他可再生能源。

在GTEM-C的CGE框架内，记录与发电生命周期相关的所有经济活动。这包括投资、就业、生产燃料的使用、利用可再生技术进行学习、向终端用户出售电力以及向家庭支付投资和就业费用。发电的这些技术细节（见图2）使GTEM-C成为中国电力行业煤制气转换建模的合适工具，同时也是评估其复杂影响的合适工具。GTEM-C模型还需要详细说明嵌入在交易能源商品中的全球能源流，以及化石燃料燃烧、工业过程和农业生产中排放的四种温室气体排放（CO、NO、CH和F气体）。这是通过将GTAP 9贸易和经济数据库与McDougall和Aguiar（2008年）、Rose和Lee（2008年）、Rose等人最近开发的能源和排放数据库联系起来实现的。（2010年）和Peters（2015年），用于2011年的基准年。在本研究中，我们还模拟了中国化石燃料消耗产生的四种主要空气污染物（二氧化硫、氮氧化物、PM2.5和PM10）的直接排放。排放因子（见表A1）取自文献（Klimont等人，2009年；Zhang等人，2009年；Wang等人，2011年；De Gouw等人，2013年）。

4. 情节

在本节中，我们将讨论以不同方式偏离此基线的基线校准和反事实场景。

4.1. 基线

我们校准了基线，以与美国环境影响评估局的国际能源展望紧密一致（IEO，2013年）。具体来说，我们从IEO 2013年的人口和实际GDP轨迹，以及对煤炭、石油和天然气生产的假设。我们还采用了一组来自电力部门（EPA，2015年）、运输部门（BP，2014年）和电力消耗（Bertoldi等人，2012年）现有能源效率提高文献的基线假设。各地区电力部门的技术组合也进行了校准，以与IEO 2013相匹配。在中国，煤炭发电量平均每年增长约3.0%，2040年达到10362太瓦时；而天然气发电量平均每年增长约7.2%，2040年达到934太瓦时。

4.2. 反事实场景

我们的反事实假设是，中国政府将在电力部门实施目标，以限制煤炭发电的增长。我们将近期的煤炭消费总量上限作为指导方针——2013年至2020年期间，煤炭使用增长率限制在18%，在此期间的年均增长率约为2%。在我们的反事实实验中，我们假设中国政府将在2015年至2040年间对燃煤发电实施类似的目标，将其年平均增长率从基线的3.0%降至2.0%。

我们通过将中国煤炭发电的年增长率降低1.0%作为基准，对目标进行了建模。这导致了中国煤炭发电量的峰值和下降轨迹，稳定在8000太瓦时左右（见图3）。到2040年，在反事实情况下，煤炭总发电量将增加48%，而不是基线的90%。换句话说，中国的燃煤发电量将比2040年的基准水平低约2385太瓦时。

我们模拟了两个不同的案例，以满足这2%的增长目标，基于对中国电力行业如何实现转换的不同假设。在“天然气和基准可再生能源”案例中，可再生能源技术的增长率保持在基准水平。在“天然气和附加可再生能源”案例中，可再生能源技术可以提高到基线水平以上，以满足非煤炭来源的电力需求。这代表了关于中国智能电网和上网电价系统发展的两个截然不同的假设，以适应可再生能源发电技术的增长。

5. 结果

我们接着看模拟结果，从发电量的变化开始，到中国的能源市场和经济，最后是全球影响。

5.1. 发电

我们的结果表明，中国的电力需求可能低于2040年的基线水平（图4，右下角），降低5%至8%，即780至1270twh。无论在何种情况下，总发电量的减少量都不到燃煤发电量减少量的一半。这表明，中国电力行业的煤炭替代天然气和/或可再生能源的数量相当可观。

从发电的具体情况来看，模拟结果表明，天然气发电的需求量可以增加2倍以上的基线量（图3）。增长率是高还是低取决于对可再生能源的假设（图4，左下角）：当可再生能源能够提高其增长率（pr）时，天然气发电的增长率较低，当可再生能源增长率限制在基线情况（pg）时，增长率较高。

关键是，基于可再生能源技术的更大发电量可以减少一半的转换带来的增量天然气电力需求。正如我们在下一节中所展示的，这对中国能源市场和经济有着重要的影响。

5.2. 国家能源市场与经济

一个重要的一点是，在任何一种情况下，煤炭仍然是2040年发电的最大一次能源（图4，左上角）。然而，在电力行业从煤炭转向天然气将导致煤炭产量和价格在任何情况下都会下降，这主要是因为需求下降（图5，左上和左下；图6，左上）。近年来，煤炭价格一直在下降，预计短期内仍将保持在较低水平，因为国内和国际市场都出现了严重供过于求的局面，以及由于向低成本采矿区转移而导致的平均煤炭开采成本下降。中国电力行业的需求减少也将影响煤炭价格。

正如我们所料，由于国内生产无法满足更高的需求，天然气价格会向相反的方向大幅上涨（图5，右上和右下；图6，右上）。

尽管煤炭价格较低，且煤炭在总发电量中占主导地位，但我们的模拟结果表明，在缓解方案中，电价可能比基线中高15%-35%（图6，左下角）。煤炭价格的下降趋势被天然气和可再生能源产生的更高成本电力的渗透所抵消（见图2，右面板）。

随着时间的推移，部分原因是通过实践学习（图6，右下角），可再生能源发电的成本预计将下降。然而，我们的研究结果表明，它仍将高于燃煤发电，并可能高于燃气发电，这取决于天然气价格。随着燃气和可再生能源发电在总电力供应中所占份额的增加，其成本高于燃煤发电成本对整体电价的影响仍然很大。

值得注意的是，在公共关系情景中，早期煤炭替代中有大量的可再生能源的吸收（图4，左下角），并且“做效应”的学习很快出现，在10年内将可再生发电技术的投入效率提高了10%以上（图6，右下角）。这有助于控制电价。

随着转换提高了电力和天然气的价格，中国的实际国内生产总值在这两种情况下都会下降，尽管这一措施没有包括任何减少污染的好处（图7）。然而，考虑到可再生能源（pr）的更快吸收，可以将GDP损失减少近一半。

如上所述，本计算不考虑由于减少燃煤产生的空气污染物而带来的健康和环境效益。在在线附录中，我们表明，考虑到发电用煤的巨大规模和中国的总能耗，煤制气转换可能对中国的空气污染产生重大影响（图A1）。

我们的模拟结果表明，由于电力部门的转换以及对能源价格和整个经济的消费的二次影响，中国的空气污染将显著减少。具体来说，2015年和2040年期间，二氧化硫、二氧化氮、PM10和PM25的累积排放量将分别下降80-90公吨（5-6%）、29-36公吨（3-4%）、6-75公吨（4-5%）和6-7公吨（4-5%）。尽管天然气是一种清洁（ER）燃烧的化石燃料，但是可再生技术在2040年控制空气污染方面超过了1%，这在公共关系案例中得到了证明。X

由于煤炭是中国最重要的一氧化碳排放源，因此这种转换也将有助于中国的碳减排努力（图A2）。到2040年，一氧化碳的累积排放量预计将比基线下减少11000-13000公吨，减少3-

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