【文献研读】中国电热政策与碳减排之间的权衡（重新编辑）
文献来源：
J Wang,Zhong,H.,Yang,Z.,Wang,M.,& Kang, C. Exploring the trade-offs between electric heating policy and carbon mitigation in china. Nature Communications.11，1-11 (2020). DOI：10.1038/s41467-020-19854-y.
一、引言
自2015年以来，中国颁布了一系列政策，以电力替代室内燃烧，用于农村居民供暖，电热政策为空气质量的显著改善做出了贡献，使数亿人受益。然而，这一转变导致了电力负荷和相关的碳排放的急剧增加。本文旨在量化中国的电加热政策对国家碳排放的贡献程度，为了量化中国电加热政策引起的CO2，我们提出了一个同时考虑发电和农村居民供暖部门的理论模型。
二、数据
本文对华北地区河北、河南、山东和山西四省的碳排放进行了模拟。农村空间采暖造成的温室气体排放需要农村常住人口、住房面积、户用采暖煤耗、户用电采暖负荷、屋顶太阳能发电等数据。为了评估中国电力系统的热煤消耗量和相关的碳排放，本文收集了火力发电机参数、可再生电力和电力系统负荷数据。
室外气温数据来源于世界气象组织整理的数据集(https://www.energyplus.net/weather)。
太阳辐照度和发电数据可从国家可再生能源实验室获得(https://pvwatts.nrel.gov)。
三、方法
本文采用EnergyPlus软件模拟了家庭采暖煤耗和电采暖负荷，提出了一个同时考虑发电和农村居民供暖部门的理论模型。探索了中国电加热政策与国家碳减排之间的联系，并分析了导致不同地区政策实施效果不同的关键因素。
四、结论
4.1 省级电热政策导致的碳排放
图1 : 2015年实施电热政策后河北(HB)、河南(HN)、山东(SD)、山西(SX)四省碳排放估算。每三个条形分别代表政策执行率分别为45%、50%和55%时，平均电热组合的碳排放量增量。每个方框表示扫描电加热混合(n=12)获得的碳排放量增量。每个框的最小/最大值表示碳排放量增量的最小/最大值。
我们量化了2015年采暖季中国北方四省发电和农村居民取暖的碳排放量。根据中国北方11个城市的数据，电加热器一般占79.24%-100%的农村居民使用电采暖设备。相反，一些居民使用热泵和光伏电加热。电加热器、热泵和光伏电加热的平均比例分别为91.01%、6.58%和2.41%。EHP的实施导致省级碳排放显著增加。我们关注两个主要的不确定性来源，即政策执行率(PIR)和电热混合(EHM)。设计了三个PIR分别为45%、50%和55%的比较。电加热器、热泵和光伏电加热的比例分别在区间[80%，100%]，[0，20%]和[0，10%]内。当考虑到两个因素联合的不确定性，河北、河南、山东和山西的碳排放增量达到[9.32，14.97]，[12.32，21.23]，[20.97，32.16]和[9.21，14.57]兆吨。
基准情况设计为50%政策执行率和平均电热混合。在基准情况下，山东释放的二氧化碳最多，相当于27.63兆吨，而其他三个省，即河北、河南和山西，二氧化碳量分别为12.42、17.20和12.15兆吨。我们观察到，箱线图中的电热混合不确定性可能比政策执行率中的不确定性对增量碳排放产生更大的影响。基于平均电热混合，由政策执行率不确定性引起的碳排放在河北、河南、山东和山西最大偏差分别为2.46、3.76、4.94和2.54兆吨。然而，在固定政策执行率的前提下，电热混合不确定性导致的碳排放最大偏差在四个省份分别达到3.58、6.22、6.85和3.22兆吨。
省际碳排放差异主要来自三个关键因素：气候条件，如环境气温；使用电采暖的农村居民人口和热煤耗率。环境气温对家庭煤炭消耗和电加热负荷有直接影响。环境气温越低，维持室内温度所需的热能越多。在图2a，冬季河南和山东的每小时环境空气温度中值分别为5.45和−0.56°C。因此，在四个省份中，山东的单户日均电采暖负荷最高，为54.35 KWh，而河南的值最低，为36.71 KWh。图2还显示，电加热负荷增量与省级农村居民人口呈正相关。如图2所示，边际单元的热煤耗率直接影响单位电热负荷的碳排放强度。
图2b ：电加热政策实施影响碳排放的影响因素
如图2b所示，边际单元的热煤耗率直接影响单位电热负荷的碳排放强度。由于中国高度依赖煤炭发电，除了可再生能源削减的情况外，在现有发电资源的基础上，增加的电加热负荷通常由边际燃煤发电机平衡。河南发电容量系数在四个省份中最低，为47.78%。燃煤发电机的热煤耗率相对较低，边际值等于275.9千克/兆瓦时。因此，河南单位电热负荷的碳排放强度仅为397.51 kg/MWh。然而，作为电力输出大省，山西的发电容量系数最高，为66.33%。山西的边际热煤耗率为368 kg/MWh，因此单位电热负荷的碳排放强度可高达635.71 kg/MWh。
4.2 中国电采暖政策的国家影响
图3 ：2015年执行电加热政策后中国北方地区的碳排
将河北、河南、山东和山西的基本情况结果推广到中国北方的其他省份。考虑到50%的农村居民用电采暖替代原煤。在基准情况下，2015年中国北方地区的碳排放增量预计将达到135.60兆吨。考虑到政策执行率和电热混合中的联合不确定性，排放水平可能在101.69至162.89兆吨之间变化（见图3b）。中国电采暖政策造成的碳排放与全球不同国家的年排放总量相当。例如，这种增量碳排放约占法国年排放量的31.02-49.69%。
基于PIR和EHM不确定性，2020年中国碳排放增量可达168.80万吨，变化范围为130.03 ~ 197.87万吨。另一方面，中国的城市化进程将减缓由EHP引起的碳排放的增长。与2015年相比，预计2030年农村人口HB从48.67下降到32.54%，HN从53.15下降到34.00%，SD从42.99下降到25.00%，SX从44.98下降到24.59%。2030年PIR可能进一步增加到90%左右，而EHP造成的碳增量排放量将下降到119.19-177.47百万吨。
4.3 低碳电加热途径的技术经济分析
可再生能源的削减一直是中国的一个严重问题，造成了清洁能源资源的巨大浪费。图4a说明了四个省的电加热负荷与可再生能源匹配的影响。随着可再生能源满足的电热负荷越来越多，由电热泵产生的碳排放也在不断减少。为了完全抵消增加的碳排放，HB、HN、SD和SX的年新增可再生能源需求可分别达到19.20、25.21、36.06和12.28 TWh，分别占2015年各省用电量的0.60%、0.71%、0.70%和0.88%。通过安装分布式光伏资源，可以有效限制电采暖造成的增量碳排放。此外，我们还发现，各省人均每千瓦碳排放量的减少量与辐照度水平高度相关。山东的日平均辐照度为2.88KW/m2，强于河北和河南。因此，山东具有更高的碳减排率。然而，尽管山西的辐照度略弱，但山西的碳减排率高于山东。这是因为山西的单位电热负荷的碳排放强度较大。
图4 ：热泵（HPS）替代电加热器（EHS）的比例与地区的碳排放增量关系
推广热泵替代电加热器是降低碳排放的有效解决方案。这是因为热泵性能系数通常高于电加热器。为了完全抵消碳排放增量，预计河北的热泵比例要求达到[68.33%，80.26%]，河南为[63.56%，74.69%]，山东为[70.67%，82.86%]，山西为[78.28%，91.82%]。
图5 ：中国北方不同城市家庭平均年成本
比较7个案例，包括煤炭、EHs、HPs、屋顶太阳能与扶贫项目(PAP)、高水平补贴、中等水平补贴和屋顶太阳能无补贴。太阳能补贴对在农村居民中推广分布式光伏系统起着重要作用。由于补贴最高，在太阳能供电的电采暖案例中，光伏发电的成本最低，甚至低于一些城市使用环境健康服务的成本。在补贴高的PV-PAP和PV-H中，平均年化成本分别在[1792.77，3413.05]和[1975.64，3605.11]之间变化。然而，中国政府宣布在2019年将太阳能补贴降至0.18元/千瓦时。PV-M和PV-N中的成本分别显著增加到[2656.17，4334.98]和[3300.87，5026.42]。
五、结论
为了减少农村居民的污染物排放，中国政府出台了电采暖政策，用电采暖代替烧原煤。然而，电加热可能导致电网负荷需求显著增加。尽管在农村居民中有效地减少了原煤，但中国的电加热政策会导致电力部门释放大量的碳排放。针对中国和其他类似情况的国家，提出了两种低碳电加热途径，即平衡电加热负荷与可再生能源，提高电加热效率。特别是，通过整合省际可再生能源可以有效地抵消由电采暖政策引起的碳排放增加。在过去的几年中，中国政府通过提供补贴鼓励北方的农村居民改用电暖气。尽管采取了这种有利的政策，但对于中国北方的农村居民来说，电加热仍然太昂贵。财政补贴会对使用光伏电加热的年成本产生重大影响,光伏脱贫项目的成本甚至可以低于使用电加热的成本。
六、建议
首先，政府必须探讨任何新政策与现有政策之间的潜在不兼容之处。对电采暖政策造成的温室效应的低估可能会阻碍中国未来的碳减排进程。同时，电加热的日益普及可能导致发电能力和灵活负荷跟踪资源的短缺。二是建议政府将大规模可再生能源发电与电采暖负荷相匹配。考虑到热泵和光伏的资本成本相对较高，最好在中国北部和西部省份容纳过剩的可再生能源。考虑到潜在的网络拥塞，未来应系统地评估发展跨省可再生能源和分布式太阳能系统的碳减排绩效。我们建议政府应该提供足够的激励措施，鼓励农村居民用电取暖。在中国，目前热泵的成本对于农村住宅空间供暖来说仍然太高。一次性补贴和电费折扣不足以推广热泵作为主要的供暖设备。
七、讨论
优点：量化中国的电加热政策对国家碳排放的贡献程度。为了量化中国电加热政策引起的CO2，提出了一个同时考虑发电和农村居民供暖部门的理论模型。探索了中国电加热政策与国家碳减排之间的联系，并分析了导致不同地区政策实施效果不同的关键因素。
缺点：理论模型中并没有包括输电和配电网络，可能会低估未来可再生能源的削减。在未来的工作中，网络拥塞对可再生能源削减和相关碳排放的影响值得深入研究。
END
文献研读人：河南大学2020级土地资源管理硕士研究生 -王倩倩