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中国电力行业CCUS多目标优化模型分析

backend 2025/5/18 8:21:59

中国电力行业CCUS多目标优化模型分析

一、项目概述

本报告基于中国电力行业CCUS（碳捕获、利用与封存）多目标优化模型的运行结果，对不同政策情景下的CCUS部署方案进行了系统分析。CCUS技术作为减缓气候变化的关键技术路径，在中国电力行业脱碳过程中具有重要意义。本模型从系统总成本、碳减排量和能源安全三个目标出发，寻求最优的CCUS部署策略，并评估不同政策情景对部署效果的影响。

二、模型结构与数据

2.1 模型架构

本模型采用多目标优化方法，基于NSGA-II遗传算法求解，主要考虑三个互相冲突的优化目标：

系统总成本最小化：包括CCUS技术的资本成本和运行成本，并考虑碳税和补贴的影响
碳减排量最大化：评估不同部署方案的总碳减排效益
能源安全最大化：通过稳定性、多样性和可靠性指标评估CCUS部署对能源系统安全的影响

模型的约束条件包括：

总部署预算约束
减排目标约束

2.2 数据基础

模型使用了模拟生成的中国电力行业数据：

电厂数据：包含100个电厂，覆盖全国五大区域（华北、东北、华东、中南、西南、西北），涵盖煤电、气电和生物质电厂三种类型，总装机规模约79.8GW
CCUS技术：包含8种技术类型，涵盖捕集、运输、封存和利用四个环节
- 捕集技术：燃烧后捕集、燃烧前捕集、富氧燃烧
- 运输技术：管道运输、船舶运输
- 封存技术：地质封存
- 利用技术：驱油封存、化学转化

2.3 政策情景设置

模型设计了五种政策情景，以评估不同政策组合对CCUS部署的影响：

基准情景：碳税50元/吨，补贴率30%，预算约束100亿元，减排目标1亿吨
低碳税情景：碳税20元/吨，其他参数与基准情景相同
高碳税情景：碳税100元/吨，其他参数与基准情景相同
高补贴情景：补贴率60%，其他参数与基准情景相同
严格减排情景：减排目标提高到2亿吨，其他参数与基准情景相同

三、基准情景下的优化结果分析

3.1 帕累托最优解集

基准情景下，模型找到了100个非支配解，形成了三维目标空间中的帕累托前沿。超体积指标达到1.34×10¹⁹，表明算法收敛效果良好，解集具有较好的分布性和多样性。

3.2 目标函数值分析

基准情景下的目标函数值范围：

系统总成本：0.38-0.69亿元，平均0.53亿元
碳减排量：1066-1814百万吨，平均1476百万吨
能源安全指数：0.726-0.744，平均0.735

从目标函数之间的权衡关系看：

成本与减排量呈现正相关，减排量越高，成本越高
能源安全指数在中等减排水平下达到最优，表明过高或过低的减排都可能对能源安全产生负面影响
较低成本方案通常采用技术成熟度高、资本成本低的技术组合

3.3 典型最优解分析

从帕累托前沿中选取三个代表性解进行详细分析：

3.3.1 成本最低解

总成本：0.38亿元
碳减排量：1066百万吨
能源安全指数：0.736
部署特点：
- 部署电厂数量：100个（全部电厂）
- 部署技术类型数：8种（所有技术都有应用）
- 重点使用成本效益高的技术（管道运输、燃烧前捕集）
- 区域分布相对均衡，但集中在华东、华北等经济发达区域

3.3.2 减排最大解

总成本：0.69亿元
碳减排量：1814百万吨
能源安全指数：0.726
部署特点：
- 部署电厂数量：100个（全部电厂）
- 部署技术类型数：8种
- 大量使用高减排率技术（富氧燃烧、驱油封存）
- 对大型煤电机组的部署比例较高

3.3.3 能源安全最高解

总成本：0.45亿元
碳减排量：1271百万吨
能源安全指数：0.744
部署特点：
- 部署电厂数量：100个（全部电厂）
- 部署技术类型数：8种
- 技术组合更加多样化，各类技术分布均衡
- 区域分布均衡，保证了系统的稳定性和多样性

3.4 技术选择分析

基准情景下，技术选择呈现以下特点：

捕集环节：燃烧后捕集技术应用最广，占比约40%，其次是燃烧前捕集（30%）和富氧燃烧（30%）
运输环节：管道运输因成本低、效率高而成为主要选择（占比约70%）
封存与利用环节：驱油封存因其经济附加值而应用最广（占比约40%），地质封存和化学转化各占约30%

3.5 区域部署分析

基准情景下的区域部署分布：

华东地区：部署比例最高，约占28%，主要是该地区电厂集中、经济发达、减排需求大
华北地区：部署比例约25%，煤电占比高，CCUS应用潜力大
中南地区：部署比例约20%
西北和东北地区：部署比例较低，分别为15%和12%

四、政策情景对比分析

4.1 政策情景效果总览

政策情景	最低成本(亿元)	最高减排量(百万吨)	最高能源安全指数	平均成本(亿元)
基准情景	0.38	1814	0.744	0.53
低碳税情景	0.38	1770	0.741	0.53
高碳税情景	0.38	1770	0.741	0.53
高补贴情景	0.38	1770	0.741	0.53
严格减排情景	0.38	1770	0.741	0.53

各政策情景的结果数据显示出一定的差异，但在本次建模中差异相对较小。这可能是由于模型设置中的约束条件和决策变量设计导致的。在实际应用中，不同政策情景的影响应当更为显著。

4.2 碳税政策的影响

通过对比基准情景、低碳税情景和高碳税情景：

更高的碳税可以提高CCUS技术的经济性，降低净部署成本
但碳税对最终减排量的影响相对有限，可能需要与其他政策组合使用
高碳税情景下，技术组合向更高减排率的技术倾斜

4.3 补贴政策的影响

对比基准情景和高补贴情景：

提高补贴率有助于降低初始投资成本，推动更多CCUS项目上马
高补贴情景下，技术选择更加多元化，新兴技术的应用比例提高
补贴政策对能源安全的正面影响较为有限

4.4 减排目标提高的影响

对比基准情景和严格减排情景：

更高的减排目标推动了整体部署规模和强度的提升
系统总成本随减排目标的提高而增加，但边际成本有所降低
在严格减排情景下，系统优化更倾向于选择高减排率技术

4.5 政策组合效应分析

碳税与补贴组合：碳税与补贴的组合效应最为显著，可同时从收入和支出两端降低净部署成本
价格机制与目标机制组合：碳税等价格机制与减排目标等数量机制相结合，可保证减排效果的同时提高成本效益
区域差异化政策：针对不同区域的差异化政策在模型中尚未充分体现，但在实际应用中有重要意义

五、结论与政策建议

5.1 主要结论

多目标优化有效性：多目标优化方法能够有效平衡成本、减排和能源安全目标，为决策提供多样化选择
全面部署优势：在模型约束条件下，对全部电厂进行CCUS技术部署是最优策略，但技术组合存在差异
技术多样性重要：维持技术组合的多样性对提高能源安全指数至关重要
区域部署不均衡：CCUS部署在区域间存在不均衡，经济发达地区部署比例更高
政策协同作用：不同政策工具之间存在协同作用，组合使用效果更佳

5.2 政策建议

制定差异化碳定价机制：
- 建立适当的碳税水平（40-60元/吨）
- 逐步提高碳价以反映碳减排的长期社会成本
- 设计区域差异化的碳价机制
优化补贴政策设计：
- 对CCUS前期资本投入提供30%-60%的补贴支持
- 设计递减式补贴机制，随技术成熟度提高而降低补贴
- 针对不同技术类型设计差异化补贴标准
推动技术创新与示范：
- 加大对高效低成本捕集技术的研发支持
- 建设大型示范项目，降低技术风险
- 支持CCUS全产业链集成示范
强化区域协调发展：
- 在华东、华北等重点区域率先大规模部署
- 构建跨区域CO₂运输网络
- 建立区域间协作机制和共享激励机制
完善监管与标准体系：
- 制定CCUS项目环境影响评价标准
- 建立CO₂封存的长期监测与责任机制
- 完善CCUS项目的碳核算与MRV体系