中国低碳能源格局中的天然气

中国低碳能源格局中的天然气华贲华南理工大学天然气利用研究中心摘要：哥本哈根会议开启了世界走向低碳能源的新时代。控制温升不超过2°C要求把能源消耗产生的CO2控制在100亿tCO2/a。这将导致目前石油、煤、天然气、核能与可再生能源在总能耗构成中的比率逆转，和终端用能模式巨变。2020-2050年中国天然气将在工业燃料、商住和民用能源、调峰发电、交通几大领域占据主导或重要地位，并在冷热电联供分布式能源系统和C/LNGV技术领域自主创新，领先于世界。中国非常规天然气资源丰富、开发前景看好，自给率可达70%。2020-2030年中国天然气消费规模将达到400-600bcm/a，并对亚洲天然气市场发生积极、正面的影响。关键词：低碳能源格局天然气冷热电联供LNGV市场规模资源和供应保障亚洲市场格局前言：气候变化、碳减排约限下的世界能源构成格局[1-3]工业化以来的150年间，地表大气中CO2的浓度增加了35%，增加部分的80%来自于化石能源的使用；而其中的80%由工业化的OECD国家所排放。20世纪90年代以来，占世界总人口近半的“新兴国家”掀起了工业化高潮，导致了世界能源消耗的加速增长，和新一轮以CO2为主的温室气体浓度的快速增加，并将导致地表温度的加速上升、冰山融化、海平面上升，灾害天气增加和生态环境的破坏。气候变化已成为世界各国面临的最紧迫问题。2009年12月的哥本哈根会议以世界192个国家的声音，肯定了会议前夕国际能源署（IEA）提出的“450情景方案”的三个具体目标中的两个，即：全球平均气温不应比工业化开始前高出2摄氏度；这要求全球排放量减到1990年（209亿吨CO2当量）的一半。为此发达国家应当减少至少80%温室气体排放量，发展中国家的温室气体排放量应当比“通常情况下”低15%-30%。至于第三个目标，即碳排放的峰值年和减排到1990年排放的一半的时限，以及发达国家以资金和技术支持发展中国家减排的具体安排，留待2010年末的墨西哥会议解决。文献[1--3]研究了能耗、一次能源构成和应用碳捕获和封存（CarbonCaptureandsequestation,CCS）技术三者与CO2排放之间的制约关系，并推算出了在上述减排目标和进程下世界能耗和一次能源构成变化的走势。见图1。一、低碳经济下从一次能源到终端利用的变化趋势1、后工业化/低碳时代终端用能走势未来的20-40年间，伴随着世界因气候变化的挑战而进入由科技进步引领的低碳经济增长时期。但世界各国的发展是不平衡的；10亿人口的OECD国家已经进入后工业化阶段、人均能耗逐渐降低时，有30多亿人口“新兴国家”也步入工业化阶段。这使得人类利用能源总量继续增长；工业、商住、交通三领域耗能均衡增加；科技进步促进总能效将由目前的50%提高到55%以上；高质量的、与自然和谐的舒适生活所对应的人均能耗，将比现在大大减少；见表1。图12005—2050：中国能源结构变化走势图12005—2050世界（左）和中国（右）一次能源构成的变化趋势表1人均GDP达到1万美元的时间和能耗国家美国英国日本韩国新兴国家年代19601970198019902020-50能耗tec/p.a864.13.92.52、2020—2050年一次能源—终端利用的图景文献[4、5]探讨了从一次能源到终端利用路线的变化。占总能耗约7成的工业和商住用能将主要由天然气冷热电联供分布式能源系统+可再生能源+智能电网提供；而交通用能则呈现多元化的局面；卡车、部分公交车将改用高效、廉价、低排放的LNG；除高铁、地铁外、智能电网所推进的插电式汽车将替代大部分私家车；第二代生物燃油将成为航空燃料的主力；非粮乙醇、煤基DME等将替代大部分汽油；IEA估计2030年，生物燃料将占全球运输业的9.3%，2050年将达到25%[8]。太阳能制氢气/燃料电池车也将在20年后实现商业化应用。而有机化工原料将是石油、煤、生物质三家角逐的局面。见图2（太阳能制氢燃料电池车未标出）。3、低碳约束和科技进步改变和决定一切决定未来世界的发展的，一是人类可持续发展必须遵从的碳排放硬约束；二是不断的科技进步使人类能够利用新能源、提高能效、不断创新生产和生活方式。图2所描绘的全是目前正在研发、完全可以预期其成果的技术路径。图2低碳时代一次能源到终端利用的新格局二、中国发展天然气冷热电联供能源系统的历史机遇和创新前景1、冷热电联供能源系统是化石能源用于工业和商住的必然选择占世界总能耗70%左右的工业和商住建筑物耗能中，大部分都是低品位的热能。占工业能耗大多数的过程工业耗能热/电比在5以上，大部分在400°C以下；建筑耗能的80%的温位与环境温度只差10-30°C。按照热力学第二定律，化石能源的化学能转换为电力的效率不可能为100%，必定有一部分以较低温位的热量的形式传递到环境。热电联产(CHP)正是运用这个规律，同时产电和热，因而提高能源转换效率的。但是传统CHP的热电比取决于特定的技术，不能适应各种终端用户变化的需求。发达国家近30年来发展的分布式冷热电联供系统（DistributedEnergySystem/CombinedCold,HeatandPower，DES/CCHP），集成各种热机、热泵、吸收制冷、可再生能源技术，实现化石能源“吃干榨净”的高效、梯级利用。用于需要蒸汽、热和空调制冷的工业和商住耗能，一次能源的终端利用效率可达70%以上，甚至超过90%。可以说，只要人类还使用化石能源和生物质能，CHP和DES/CCHP就是科学用能的必由之路；永远不会过时。进入本世纪以来，发达国家正在进一步加深这些措施，丹麦全国DES/CCHP产生的电力已经超过50%，美国2000年已定下2020年达到29%的目标。有分析称这是未来美国完成减排指标的最重要途径。2、煤CCS利用和可再生能源不能解决中国未来20年的低碳能源需求天然气DES/CCHP商住用能品粮煤轻烃、石油油气化多联产交通用能智能电网工业用能BI0电电加工有机化工电核、再生能中国迄今一直认为自己的能源禀赋是“富煤、缺油、少气”，因而在近20年经济起飞、能源需求高速增长的历史阶段，主要依靠超速开发本国的煤炭资源。至今煤耗已近30亿t/a，占世界42%，占总能耗70%。由此导致严重的环境污染，CO2排放量已达62亿tCO2/a，占世界21%，人均排放也已超过世均。中国未来10-20年完成工业化和城镇化的这个历史时期，即使算上能效提高因素，总能耗也还需要持续增长。“以煤为主”的能源战略还能继续多久？安全、运输、污染等问题不说，为使CO2减排与哥本哈根协议的步调一致所必须采用的CCS技术需要大量的资金而且本身也耗能。按照IEA的估计，到2020年CCS应用只能占到煤耗的10%，成本30欧元/t。这是否能够经济地支持中国“以煤为主”的能源战略？尚待探讨。可再生能源利用成本降低和在总能耗中的比率增大，也是一个漫长的历史进程；以4-5%/a的速度增长，达到40-50%的份额也需要40年的时间（见图1）。总之，这两条低碳能源发展之路，都不能解决中国今后20年实现低碳工业化和城镇化的问题。这是中国在未来20年内面临的极大挑战。3、天然气替代煤作为中国工业和城市能源的历史任务、难点和出路未来20年中国低碳能源发展的最主要途径是发展天然气DES/CCHP替代煤用于工业和商住能源。理由有三：第一，天然气DES/CCHP的能源利用效率是燃煤的2倍。天然气占一次能源的比率，世均是24%，中国则不到4%，这也是中国的能效低于世均13个百分点的主要原因[3]。采用DES/CCHP把天然气在一次能源中的比率提高到15-20%，可使中国能效提高到世均水平；第二，天然气DES/CCHP的CO2排放仅为煤的1/4；减排的成本远远低于煤CCS；第三，未来10年，在进口天然气和LNG占一定比率、但价格较高的条件下，单纯以天然气替代煤供热和发电，用户都难以承受。天然气DES/CCHP因其高利用效率，可使终端供电、冷、热水、蒸汽的成本大幅度降低，原来烧煤的用户能够承担。所以这是未来10-20年中国实现低碳工业化和城镇化的唯一出路和战略保障。4、DES/CCHP在中国国情下的创新机遇[5、6]DES/CCHP决不是简单理解的0.2MPa抽汽加热120°C热水供暖，蒸汽吸收制冷供7—12°C冷水这样概念化的组合。它是基于科学用能，即“高热高用、低热低用，温度对口、梯级利用”的思想，严格按照热力学第二定律和火用经济学理论，采用系统工程方法，在对各种冷热电用户8650h/a变负荷统计分析的基础上，采用各种燃气作功发电技术、各种制冷技术、热泵技术、再生能源利用技术，以及强化传热技术，集成建模和优化求解而得到的，在经济效益、能效、碳减排三个方面都比较好的组合方案。是现代系统科学、信息科学、管理科学与各种能源转换、传递科学和技术的集成。DES/CCHP也不是局限于微燃机的1MW以下的小型系统。美国2000年统计表明，数量占78.6%的770个平均装机1MW的分布式能源站的容量占全美的10.3%，而数量占2.8%、平均容量78.1MW的27座大型能源站占总装机容量的42.8%。中国的DES系统规模更应当按照中国国情来规划。与100多年来陆续工业化的OECD国家不同，人口众多而且密集的中国的国情特点一是在几十年内集中建设新城镇和新工业园区；二是中国城市，工业区、商业中心、居住区的布局和耗能模式与西方大不相同。这使得中国决不能照搬西方的工业DES，公共建筑DES的模式。中国必须在采用先进技术和借鉴西方国家DES/CCHP经验基础上，依照国情，自主创新，创立中国自己的城市终端用能模式和DES/CCHP系统。其特点有四：1）、在政府主导的经济体制下，依据不同特点建设一批示范项目，统一规划、逐步推广；2）、抓住历史契机，DES/CCHP与工业化和城镇化的进展同步建设；3）、在多数地去和项目中，有可能把工业园区供能和建筑物能耗占80%的采暖、空调、热水和占14%的用电在一起集成优化配置，实现比西方更高的能源利用效率；4）、配合天然气产业快速发展、替代煤和发展智能电网的历史进程，在网电支持下，天然气加可再生能源DES/CCHP集约化高效联供解决城镇耗能问题。中国地域广阔，各城市的气候和产业特点千差万别，DES/CCHP大致可有下列几种类型：（1）、北方集中供暖为主型。在满足大部分城市居民冬季供暖的需求基础上，开拓非采暖季冷和热水用户；（2）、南方区域供冷为主型。以满足城市商业、行政中心区公共建筑集中供冷需求为主要负荷，以向附近住区建筑物居民提供生活热水来提高能源利用效率；（3）、大型过程工业（园区）主要热用户是从数十t/h到数百t/h不等的是24h/d连续用汽；（4）、大型联合循环调峰机组离散制造业园区也可以兼供冷和热水；（5）、现有乡镇企业工业园区；（6）、大城市规划新区；（7）、新规划中小城镇；（8）、独立的公共建筑群。；（9）、现有分散电源点联合循环机组的改造。三、中国发展LNGV的独特条件、战略需求和前景IEA预测，由于人口众多的新兴国家交通运输发展的需求，世界石油耗量还会增长。但由于资源的有限性和储采比限制，到2020年世界石油耗量将开始下降。如本文一、2节所述，科技进步将彻底改变交通能源的格局。其中，耗量最多的Desier柴油发动机车大部分将被LNG车取代。LNGV产业链各环节的技术，包括发动机、燃料箱、整车制造，-162°CLNG供应链和加气设施，均已突破和成熟。在美国和加拿大都有规模化的用例。在西方国家迄今未能大规模快速发展的原因，归咎于自由市场经济下，包括制造商、车主、LNG供应商等相关各方的利益博弈。中国在2005年已成为世界卡车最多的国家，而且正在持续快速增长。柴油消耗已成为推高现已超过50%的石油进口依存度的最大驱动因素。在中国的终端消费市场上，LNG价格只有柴油的3/5，热值却是柴油的1.23倍。伴随着工业化和城镇化的进程，和中国小型天然气资源就地液化为LNG、罐箱车船运输市场的发展，由地方政府主导、推进LNGV价值链构建的动力极强；而且利