中国风电和碳捕集技术发展路径与减排成本研究
引言
煤炭是我国经济社会发展的基础能源来源，燃煤发电是煤炭消费的重要来源，也是我国电源结构的主要组成部分。随着气候变化问题愈来愈成为国际关注的焦点，国际社会对我国碳排放问题的压力也逐渐增大，碳减排问题引起了政府和学者的高度关注。那么，我国以煤为基础的能源结构和电力结构如何走向低碳发展?“科技进步和科技创新是减缓温室气体排放，提高气候变化适应能力的有效途径”[1]，因此，本文将研究焦点集中于低碳能源技术推广与技术进步，其中风电技术和碳捕集技术是两类发展十分迅速的低碳技术。
我国风电累积装机容量从2000年的34.6万kW迅速增加到2010年的4473.3万kW，如图1所示。虽然目前我国已经是世界上风电装机最大的国家，但风电在我国一次能源结构中的比重仍然很小，2010年风力发电量占我国总发电量的比重仅为1.18%。
数据来源：中国可再生能源学会风能专业委员会(中国风能协会)[18]、中国电力企业联合会[19]。
图1 2000年-2010年我国风电装机容量和风力发电量变化
Fig. 1 Installed capacity and generation of wind power from 2000 to 2010
我国从2006年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006-2020年)中提出“开发高效、清洁和二氧化碳近零排放的化石能源开发利用技术”开始，到2007年6月《中国应对气候变化国家方案》正式将二氧化碳捕集及利用、封存技术作为应对气候变化的一项先进使用技术加大开发和推广力度以来，碳捕集与碳封存技术在我国的研究、开发与示范项目工作取得了重要进步。目前，我国有多个企业集团开展碳捕集和/或碳封存项目，主要项目如表1所示。
从表1中可以看出，我国碳捕集项目甚至刚刚处于起步阶段。风电和碳捕集与碳封存(CCS)两种低碳能源技术的未来发展都面临较大的不确定性，因此研究影响其未来发展的主要因素，如实现市场竞争程度的推广时间、减排潜力和减排成本等问题，就显得尤为重要。本文将通过研究试图回答以下几个问题：这两种能源技术能够在多长时间范围内，以多少代价，减排多少二氧化碳?两种能源技术之间将如何进行选择?
本文将首先构建我国低碳能源技术推广的概念模型，其次由技术学习曲线模型，将风电技术和碳捕集①技术的学习部分进行细化;并由此分析风电技术达到与煤电技术可竞争程度所需要的新增投资、学习投资、推广时间以及二氧化碳减排量，并探讨该技术面临的瓶颈及发展限制。最后，利用新建煤粉电厂碳捕集项目的技术学习曲线，分析达到相同二氧化碳减排量条件下，所需要的相关投资与推广时间。
2 国内外现有研究综述
能源技术的推广满足一定规律，Kramer等[2]认为全球技术推广遵循两个定律(law)，定律之一是从一项能源新技术可行(available)(产量达到1000TJ)阶段到该项技术成熟(materiality)(占到能源供应总量的1%)阶段，大约满足年均26%的指数增长，且需要经历30年的时间;定律之二是技术达到成熟之后，便开始以缓慢的线性方式增长。他们同时还指出，在技术达到一定规模之前，往往需要政府通过研究与开发(R&D)以及实施示范项目的方式来加以推动，达到可以推广的规模之后，技术成本将变得更加重要，此时政府应该通过市场机制对该项技术进行支持，直至降低到可以与其他技术进行竞争的程度。但能源技术达到成熟阶段之后面临更为重要的任务是解决基础设施规划与建设以及土地的利用等相关问题。
低碳能源技术进步在技术推广过程中将扮演重要角色，从而对低碳发展路线也将产生重要影响，技术成本降低是技术进步的主要表现。不管是技术推广的示范项目阶段，还是技术成熟阶段，技术成本始终是首要考虑之一，降低技术成本也是各种政策机制的主要目标。一般用技术学习曲线来表示技术成本的规模效应或学习效应，即，随着技术规模的不断扩大，技术成本不断降低的过程。Neij等[3]指出，在风电技术推广和发展过程中具有显著的技术学习效应;Rubin等[4]对应用于煤电的尾气脱硫装置(FGD)和选择性催化还原法(SCR)进行分析，认为二者均具有学习效应，并可作为碳捕集技术学习效应的参考。
技术学习曲线较早地可以追溯到Wright[5]的发现，即飞机制造过程中劳动生产力的学习效应。Arrow[6]据此提出了干中学模型，构建了技术学习曲线。
技术学习曲线也广泛应用于能源技术领域，早在1995年，Lund[7]就对风电技术学习曲线进行过探讨;Mackay等[8]应用技术学习曲线对太阳能电和风电进行成本分析，并进行二者之间的比较;Neij等[3]通过对丹麦、德国、西班牙和瑞典四国风电制造和风电安装成本的分析，分别得到不同国家、不同制造商的设备生产、设备安装部分的技术进步率;Junginger[9]通过基于全球风电场的相关数据，对全球风电场的技术进步率进行分析。
近年有一些研究也将方向集中于碳捕集技术。Riahi等[10，11]利用尾气脱硫技术的学习过程来模拟碳捕集技术的学习曲线，并将技术学习曲线内生化到综合能源系统模型MESSAGE-MACRO中进行分析，认为技术进步对未来能源系统的特征具有决定性的影响;Rubin等[12]用当前各种现存技术，如尾气脱硫技术、煤粉锅炉等7种技术的学习率，对未来的碳捕集电厂进行成本估计;M. van den Broek等[13]进一步地，专门针对二氧化碳捕集技术的电厂效率、捕集率以及能源(额外)需求量等影响运行成本因素的学习曲线进行研究。
技术学习曲线在我国能源领域的研究目前还相当少，郑照宁等[14，15]分别对我国风电和太阳能电的投资成本、累积装机等情况进行分析;李华林等[16，17]将技术学习曲线内生化到能源系统模型MARKAL中，对我国西部能源系统进行分析。
综合上述研究发现，当前国外相关研究主要集中于能源技术学习曲线自身参数的探讨，技术分类更为详细、技术细节更为具体;而仅有的国内少数研究尚无法解决本文提出的主要问题。本文将主要参考国外相关研究，将风电技术和碳捕集技术的学习部分进行细化，在此基础上，构建技术学习曲线;并由此分析风电技术达到与煤电技术可竞争程度所需要的新增投资、学习投资、推广时间以及二氧化碳减排量，并探讨该技术面临的瓶颈及发展限制。最后，利用新建煤粉电厂碳捕集项目的技术学习曲线，分析达到相同二氧化碳减排量条件下，所需要的相关投资与推广时间。
3 理论研究与模型构建
3.1 我国能源技术推广
的路径
我国能源技术推广也满足一定的规律，在发展初期，一般将以超常规的指数增长方式发展，分别以2000年到2010年我国风电装机容量数据和风力发电量数据为例，如图1所示。得到相应的拟合结果为：
相应的风电装机和发电量年均增长率高达67.4%和57.5%。无论是从发电量，还是从装机容量来看，风电在推广初期，其年均增长速度都大大高于26%[2]，这与相关国内外政策支持不无相关，但Kramer等[2]认为的指数增长速度实际上也考虑了政策的支持作用。
可以预见，在达到一定的发展规模之后，风电的发展速度将放缓。2010年，风电生产量仅占一次能源生产总量的0.206%，远低于1%的成熟水平。为了拟合其达到成熟阶段之后的发展速度，我们将以我国水电发展为例，1980年我国水电生产量占一次能源生产量的比例就达到1.2%②，近30年的发展如图2所示，为了反映不同时期的水电增长情况，本文将发展期分为80年代、90年代和2000年以来三个区间，相关的拟合结果如下所示：
上述增长路径也并非如Kramer等[2]认为的呈现缓慢的线性增长，主要原因可能是近30年改革开放以来，我国处于快速的工业化与城市化进程中，由需求侧增长的强劲拉动作用，使供应侧能源技术规模呈现指数增长，特别是近8年来，这一增长趋势更为明显。我国能源技术发展的路径用图3表示。
为了得到我国风电的技术学习参数b和技术学习率LR，我们将对国际先行经验进行分析。Neij等[3]通过对丹麦、德国、西班牙和瑞典四国风电制造和风电安装成本的分析，分别得到不同国家、不同制造商的设备生产、设备安装部分的技术进步率，平均值分别为93%和91%，相应地，风电设备生产、设备安装部分的技术学习率分别为7%和9%。他们还进一步区分了国内学习系统(national learning system)和国际学习系统(international learning systems)，认为后者是当国际生产商和工人在国与国之间流动所产生的学习效应。Neij等[3]指出，风机的国际学习系统已经初步形成，国际间技术学习率将进一步趋于一致。我国于2010年取消了“风电设备国产化率要达到70%以上，不满足设备国产化要求的风电场不允许建设”的规定，这意味着我国面对国际风电设备竞争更为开放，也更为激烈，但更重要的一点是，我国风机设备制造和安装的发展进入了国际学习系统中。
综合风电设备生产的技术学习率和设备安装的技术学习率，设定未来我国风电资本部分的综合技术学习率为8%，由此，得到b=0.12。
即，为实现平衡累积装机容量，需要新增资本投资35400亿元。学习投资占新增资本投资额的比重为11.3%。
4.1.3 实现平衡累积装机容量所需时间、风电新增运营投资以及减少的排放量
(1)实现平衡累积装机容量所需时间。若我们以2000年到2010年我国风电装机容量数据为基础，计算未来风电发展路径，即λ=0.515。
那么，由公式(11)，将相关结果代入，得：=6.1
即如果按照过去6年的风电发展速度，未来只需要6年左右就可以实现风电成本下降到与煤电成本相同的水平。但也应该看到，我国风电的大规模发展仍然主要依赖进口关键技术，国际范围内的技术学习效应尚未形成;另外，上述拟合结果基于近10年来，我国风电投资受到国内国际政策的鼓励，其发展从长期来看，不可维持。因此，我国风电的发展速度将低于上述拟合结果。
为了得出我国风电未来长期可能的发展路径，本文采用21世纪以来的水电增长路径作为未来风电发展的基本路径，原因主要有：①我国改革开放以后，水电得到了迅速发展，1990年小水电占水电总发电量的12.3%;1994年达到29%;到2003年这一数值达到40%，表明我国水电发展市场逐渐放开，受到市场供需关系影响明显;②进入21世纪，随着我国温室气体排放逐渐成为全球关注的焦点，针对我国碳减排的呼声也渐渐达到高峰，因此，作为可再生能源的一种，这一阶段的水电发展基本可以代表未来各种新能源技术的发展路径;③20世纪90年代，水电发展产生的生态、环境问题，曾在国际③国内产生过重大争论，这也部分影响了水电的发展，参考价值较小。由此得到其发展路径如公式(5)所示。取λ=0.11，即年均增长率达到11.6%，将风电初始累积装机容量和平衡累积装机容量结果代入，得：=28.6
即如果按照年均增长11.6%的速度，未来需要29年才可以实现风电成本下降到与煤电成本相同的水平。
(2)新增风电运营投资计算。风电实现累积平衡装机容量时，所需要新增加的运营投资额为：
由此得到，风电实现平衡累积装机容量的新增总投资额为：35400+1 3846=4 9246亿元，其中，风电新增资本投资占新增总投资的比例为71.9%，新增运营投资占新增总投资的比例为28.1%。
(3)未来二氧化碳的总减排量。未来29年总共减少的二氧化碳排放量如下：
4.1.4 风电相关计算结果的评价 上述计算过程所得到的理论结果在现实中很难实现，主要原因是风电技术自身的特点以及与风电发展相关的基础设施规划与建设问题。由于风力发电受到自然条件的制约，其发展的区位布局显得尤其重要;另外通常晚上风力资源相对白天风力资源丰富，调节电网的用电峰谷差也对风电发展具有决定性的影响。由于风电自身具备的这些特点，其发展通常不能超过一定的水平，否则将可能对电网造成震荡，不利于电力安全。就现有的电网技术而言，风电的容量占整个电网容量或局部电网容量的比例一般应在10%左右，突破这一限值，就可能会对电网产生较大的扰动[23]。
因此，假定到未来某一时点t，风电装机达到电网总装机容量的10%，以人均电力装机1kW的中等发达国家水平计算，风电装机应不超过15000万kW，经计算可得到t=16，即到2025年，在目前的电力技术条件下，风电装机将达到最大值，难以实现更大突破。
因此，在2025年之前，风电发展要更加重视长期整体布局问题和基础设施建设问题，即使如此，能够增加的风电装机容量也非常有限，除非电力储存技术等出现重大突破。另一种发展思路，即充分准备—研究与开发、示范项目建设—其他低碳技术，如碳捕集技术，到2025年实现两种技术的对接。
4.2 碳捕集技术的分析与比较
本节需要解决的问题是：如果发展碳捕集技术，为实现相同的二氧化碳减排量，新增资本投资和运营投资分别为多少?发展时间为多长?
本文以煤粉电厂(PC plant)的二氧化碳捕集为例，仅考虑PC电厂的锅炉
和蒸汽轮机部分(简称PC电厂部分)以及二氧化碳捕集部分的资本投资和运营投资，根据公式(7)，得到总成本之和为：
为简单起见，假定二氧化碳捕集系统全部安装于新建PC电厂，且二氧化碳全捕集，即二氧化碳捕集量占电厂二氧化碳排放量的100%。那么：
为使得其结果与风电结果具有可比性，假设在基准年，我国安装碳捕集的煤电装机容量将同样达到2500万kW;碳捕集技术的发展也遵循与风电相同的路径;煤电厂年发电小时数为5000h;燃煤电站的煤耗指标也为340g/kWh;二氧化碳排放系数为2.8。相关假设如下：
即，如果发展碳捕集技术，实现相同的二氧化碳减排量，仅需要22年，累积捕集装机容量将达到2 6610万kW。与风电发展相比，实现相同的二氧化碳减排量所需时间较短，相应的平衡捕集装机容量较低。
由于目前尚没有关于碳捕集相关成本的数据，本文采用Rubin等[12]的研究数据，有，
各个部分新增投资如下：
PC电厂部分新增资本投资：2594.65亿美元
PC电厂部分新增运营投资：427.546亿美元
碳捕集部分新增资本投资：572亿美元
碳捕集部分新增运营投资：479.446亿美元
4.3 结果比较
将风电技术与碳捕集技术各部分投资量以及减排成本列在表2中。从表2中可以看出，风电技术的单位减排成本为613.39元/t，与相关结果[24]比较来看，明显较低，反映了技术学习效应带来的成本下降;碳捕集技术成本相比风电技术略低，但考虑到碳运输和碳封存的成本，碳捕集与碳封存系统的单位减排成本将达到115美元，与风电技术相比较高。
风电技术的新增投资都主要集中在资本部分，占全部新增投资的比重达到71.9%，其中学习投资占8.1%;新建PC电厂碳捕集技术的新增投资主要集中在燃料成本部分和资本部分，分别占全部新增投资的比重为44.3%和43.75%，其中新增资本投资中，学习投资比重相当小，反映其学习效应不明显。将原有资本投资以及新增资本投资分摊到各年份，得到资本成本，相对新增投资更高。
从来看，根据IPCC[25]，碳封存能力在很长时间内都不会构成碳捕集与碳封存技术发展的制约。而风电发展因自身特点的影响而受到约束。因此，从长期来看，发展燃煤电站碳捕集与碳封存技术，是实现我国以煤为基础的能源结构下，实现大幅度减排二氧化碳的必然选择。当前我国需要将重点放在基础研究与开发以及发展示范项目上，并通过与国外合作、交流、学习的方式，积累经验，顺利实现到2025年与风电技术对接。
5 结论
本文首先对我国低碳能源技术的推广路径进行研究，在此基础上，通过风电和碳捕集技术的学习曲线，分析未来两种技术的推广时间、相关投资以及相应的二氧化碳减排量和减排成本等问题。
(1)我国低碳能源技术推广路径与国际已有研究揭示的路径不同，前者比后者增长更快，主要是由于我国快速经济增长导致的需求所拉动;
(2)以年均增长率11.6%的指数发展路径来拟合风电和碳捕集技术，理论上，我国风电将在未来29年降低到0.4元/kWh，期间可潜在地减排二氧化碳109.8亿t，单位减排成本为613.39元/t;为实现相同的减排量，新建PC电厂碳捕集技术则需要22年即可实现，单位减排成本为76.88美元/t，略低于风电技术成本，但考虑进碳运输和碳封存成本之后，单位减排成本将达到115美元，将比风电技术更高。
(3)从与其他相关研究结果的比较来看，本文研究得到的风电成本与CCS成本相比都较低，反映了技术学习效应对技术成本下降所带来的影响。
(4)在新增投资中，风电技术的新增投资主要集中在资本部分，占全部新增投资的比重达到71.9%，其中学习投资占8.1%;新建PC电厂碳捕集技术的新增投资主要集中在燃料成本部分和资本部分，分别占全部新增投资的比重为44.3%和43.75%，其中新增资本投资中，学习投资比重相当小，反映其学习效应不明显。
(5)在我国目前条件下，从中短期来看，发展以风电为主的可再生能源，相比碳捕集技术，技术更为成熟;但风电技术的发展仍然面临较为严峻的容量限制，本文分析认为，到2025年风电装机规模将达到峰值，更多地发展风电可能会对电网产生扰动，不利于电网安全。
(6)从长期来看，发展燃煤电站碳捕集与碳封存技术，是实现我国以煤为基础的能源结构下，实现大幅度减排二氧化碳的必然选择。当前我国需要将政策重点放在基础研究与发展示范项目上，并通过与国外合作、交流、学习的方式，积累经验，顺利实现到2025年与风电技术对接。
注释：
①CCS技术的成本主要表现在碳捕集部分，根据IPCC special report on carbon capture and storage，碳捕集部分成本占总成本的比重约为1/3.
②电热当量法计算，如果按发电煤耗法计算，则为3.8%.
③如在1996年世界可持续发展峰会上，曾将大水电排除在可再生能源范围之外。
④将1g标煤以1.4g原煤折算，并基于我国电力用煤含碳量一般50%～60%之间。
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