中国电力基础设施的物质-能源-碳排放关联关系研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李玎 |
| 答辩日期 | 2022-12 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 沈镭 ; Ayman Elshkaki |
| 关键词 | 电力基础设施 物质-能源-碳排放关联关系 动态物质流分析模型 中国 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然资源学 |
| 英文摘要 | 全球能源转型和气候变化的双重压力叠加，导致能源生产消费替代格局加速调整，而电力是未来能源消费的主要方式，以太阳能和风能为主体的清洁能源将逐步替代传统的化石能源，这个变化引起电力基础设施的原材料消耗及其带来的碳排放发生变革。然而，电力基础设施建设规模扩张且转型，导致其建筑物质（钢材、水泥、有色金属）的需求大量增加且结构发生变化。中国虽然矿产资源种类齐全，但品质不高，钢材、铜等用量大的基础原材料在很大程度上依赖进口，中国是世界上温室气体排放第一大国，燃煤发电在能源生产与消费结构中占主导地位，全球和中国能源转型必然带来电力、水泥、钢材等制造业产生更为严重的高耗能和高排放，使得中国电力基础设施的发展和变革与能源和资源消耗以及碳排放之间产生紧密关联。 基于以上背景，本文以“中国电力基础设施的物质-能源-碳排放关联关系研究”为题，旨在揭示能源转型与低碳发展过程中电力行业绿色发展的主要影响因素、驱动力和作用机理，刻画电力基础设施建设的能源和大宗原材料物质消耗与碳排放之间关联关系与耦合机理，提出电力行业绿色发展路线图和政策建议。作者通过运用存量驱动的动态物质流分析模型，将电力基础设施分为发电系统和输配电系统两大部分，首次创建了中国省级层面电力基础设施物质流账户数据库，对动态物质流结果进行了敏感性分析。通过清晰刻画中国电力基础设施的物质存量消费格局，揭示了资源消耗与能源、碳排放关联关系，总结了其历史演变和区域差异情况，提出了能源结构变化对物质-能源-碳排放关联关系的影响。 论文取得以下主要研究成果和创新性结论： 1、将电力基础设施划分为发电系统和输配电系统两大部分，创新性地构建了中国电力基础设施动态物质流核算方法，首次建立了中国省级层面电力基础设施物质存量数据库。论文通过大量文献资料梳理和企业实地调研工作，确定了中国电力基础设施不同物质消耗的关键参数，运用存量驱动的MEFA动态物质流分析模型，首次建立了中国省级层面电力基础设施物质流账户数据库。从电力基础设施能源与物质关联关系方面，清晰刻画了中国电力基础设施的物质存量消费格局。截至2018年，中国电力基础设施对水泥、钢材、铝和铜的物质需求量超过7亿吨，其中水泥资源的消耗最多，且主要存在于水电站建设之中，西南地区水泥物质存量最多。钢材需求量比铜和铝等物质大两个数量级。2012年后由于太阳能发电部门快速发展，铝材需求迅速增多。水泥和钢材主要来自发电系统，铝主要来自输配电系统。中国输电线路材料存量主要存在于500kV电压等级，主要分布在华北和西北地区。西北地区物质资源消耗主要存在于750kV特高压输电线路。 2、刻画了中国八大经济区和省级电力基础设施物质存量及发电系统碳排放的时空演变特征。在过去的三十年里，中国电力基础设施的空间分布已经从沿海地区转移到中西部地区，水电和核电更具有区域的集中性，西北经济区装机容量增长速度最快。西南经济区水泥强度最高，长江中游其次，北部沿海经济区最低。水泥物质存量结构发展存在明显的区域聚集性，主要赋存四川、云南、湖北和重庆等省份。钢材物质存量存在较大区域差异，大部分经济区钢材占比13%左右，可将省份划分为水电主导型、火电主导型和综合型三类。西北经济区钢材物质强度最高，其次是西南经济区。西北经济区铝物质存量最多。南方地区铜物质主要赋存于火电和水电中。西南地区由于水电设施需要的水泥物质较多，且水泥碳排放强度大，18%的装机容量贡献了中国33%的碳排放。四川、云南、湖北、广东新增装机碳排放最多。 3、揭示了中国电力基础设施能源-物质-碳排放关联关系。水泥的物质强度在水电设施中远高于其他种类的发电厂。太阳能和风电的普及提升了整体的钢材的使用量。西南经济区和西北经济区铜物质强度最高，西南经济区主要由于高水电占比，西北经济区主要由于光伏和风电发展速度快。论文初步估算了电力基础设施建筑物质碳排放，总结了其演变关系和区域差异情况。改革开放后，中国电力随着经济迅速增长，新建了诸多火电厂和水电站，1993-2018年单位装机容量物质整体呈上升趋势，电力基础设施单位装机容量碳排放不断下降。从碳排放部门结构来看，单位装机容量碳排放也均在下降，且水电（约817t/MW）>太阳能（约593t/MW）>风电（约285t/MW）>火电（约200t/MW）>核电（约144t/MW）。 4、研究了能源结构变化对中国电力基础设施物质-能源-碳排放关联关系的影响。论文预测了双碳目标情景、常规转型情景和电气化加速三种情景下，中国发电系统5大部门的资源消耗情况，且预测了中国在能源转型发展过程中物质资源需求与碳排放环境影响。未来40年内，火电部门的物质资源消耗将减少，而风能、太阳能、核能将继续增加。太阳能的物质存量增长最快，其次是风能和核能。水电物质存量将增加，但增长将减少。单位装机容量的水泥水平下降，而单位装机容量的钢材、铝、铜水平上升。这是由于技术进步，大型机组在火力发电和水力发电中的份额不断增加，同时可再生能源的装机容量不断增加，与火力发电和水力发电相比，可再生能源所需的水泥（水泥占整个物质存量的很大比例）更少，这表明电力系统向可再生能源结构转型将降低物质强度，减少资源消费影响。2020-2060年，电力基础设施的单位装机容量碳排放先略有上升然后下降，五大发电部门的存量装机的单位碳排放均在下降，且整体水平水电>太阳能发电>风电>火电>核电。碳排放的物质结构将继续以水泥和钢材为主导，但铝的碳排放贡献将逐步增大。 5、提出了促进电力基础设施绿色低碳转型建设的发展战略。研究建议限制物质强度高的小型火电厂和水电站的投资，制定和完善电力基础设施绿色低碳建设的政策和技术标准，通过改进设计、物质创新和替代等方式提升电力基础设施的物质效率，在全国范围内建立省区级的合适的寿命管理和回收系统，以便处理将来大量且不断增加的退役电力基础设施产生的废物并实行当地回收再利用机制。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 148 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199750]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李玎. 中国电力基础设施的物质-能源-碳排放关联关系研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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