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中国城市能源2050
价值中国推荐 2017-10-10 17:10 能源评论2017年第6期 解读此文 收藏此文

  面对巨大的挑战,中国必须大幅度调整能源系统结构,这既是积极应对气候变化、推动低碳转型、承担大国责任的义务,也是中国自身的战略需求。

  文·江亿

  《巴黎协定》提出,要通过全人类的努力实现未来因气候变化导致的大气升温不超过2摄氏度,这一目标预示着,到2050年,全世界二氧化碳排放总量不能超过150亿吨,中国的额度不会高于30~35亿吨。然而,2015年中国碳排放量已达105亿吨,如果持续当前的生活生产方式与能源利用模式,33年后几乎不可能将碳排放削减三分之二。


  面对巨大的挑战,中国必须大幅度调整能源系统结构,这既是积极应对气候变化、推动低碳转型、承担大国责任的义务,也是中国自身的战略需求。

  面向2050年的能源系统

  纵观发达国家的能源转型过程,在上世纪50年代之前,美国以及欧洲国家均以煤炭作为主要能源,从50年代初到70年代中期,这些国家掀起了一场以油气替代煤炭的能源革命,逐渐过渡到油气时代。到本世纪初,能源转型再次在欧美国家兴起,可再生能源崭露头角,让其碳排放A量进一步降低。数据显示,英国2016的碳排放量较1990年减少了约36%,已经降至自1894年以来除20世纪20年代煤炭开采纠纷期间的最低水平。

  这些国际经验激励了不少国人,他们希望中国能够走入相同的能源转型通道。2016年,煤炭在中国一次能源消费结构中占比61.3%,中国仍处于煤炭时代,很多人呼吁中国首先应该进入油气时代,尤其是提高天然气消费比重,以尽快降低碳排放,然后再向以可再生能源为主的能源结构转变。

  然而,如果以中国实际情况为基础进行分析,这种转型路径成本是极高的。从资源禀赋来说,中国富煤贫油少气,加大油气消费比例,需要进一步提高油气对外依存度,能源安全问题如芒在背。从技术条件来说,中国的燃煤发电技术全球领先,发电标准煤耗是世界上最低的,而各种燃气应用技术则比发达国家落后很多,燃气设备几乎全部依赖进口,放弃自身的优势技术,去追求劣势技术,并不一定明智。

  从能源转型进度分析,时间上也不允许中国走从油气时代过渡的老路。石油、天然气是化石能源,即使中国将全部燃煤都换为天然气,考虑到经济发展和用能增长,每年的碳排放量也很难低于70亿吨。如果先花10~15年时间进入油气时代,再花15~20年转向低碳时代,投入巨资打造的油气基础设施还未真正发挥作用,便要分期废弃掉,是不科学、不经济、不聪明的选择。

  考虑到能源革命的紧迫性,以及具体国情与资源分布特点,中国的能源转型可能应该一步到位地拥抱可再生能源,以可再生能源发电为基础规划未来的能源系统。

  按照30~35亿吨的年碳排放标准,可以这样规划中国2050年的能源结构。第一部分为电力,电气化水平达到50%以上,年发电量8.5万亿~9万亿千万时,其中核电1万亿、水电1.5万亿、风电和太阳能发电均为1万亿,这样非碳电力达到4.5万亿千瓦时,再由燃煤、燃气产生4万亿~4.5万亿千瓦时,由此造成的碳排放量大约为22亿吨。第二部分,非电燃料全年消费17亿吨标准煤,其中生物质提供8.5亿吨,燃煤燃气燃油提供8.5亿吨,综合起来形成的碳排放大致在14亿吨左右。与前面发电碳排放加总为每年36亿吨,略高于届时的碳配额,如果再通过进一步造林等碳汇活动,应该能够找回这1亿吨排放量,从而实现中国的低碳承诺。

  其实,由煤炭时代直接向以电为主的低碳时代过渡的能源转型方案,与中国能源需求未来发展方向是相契合的。本世纪以来,中国能源消费快速增长,主要拉动因素是持续大规模的基础设施建设,而这种大规模基建可能再持续十余年便将告一段落,只要不“大拆大建”,未来将不会像现在这样需要巨量钢铁、有色金属、水泥等依靠燃煤生产的建筑材料。到那时,能源需求尽管还会很高,用能结构已然不同,对煤炭需求大幅减少,对电力需求快速增加,恰好可以与低碳能源结构改造相适应。

  城市供热系统蓝图

  以可再生能源电力为中心,构建面向未来的能源系统,需要对能源需求端进行比较大的改造。中国的可再生能源地域分布与传统化石能源类似,绝大多数资源分布在“三北”地区,而能源需求中心在东部沿海地区,尤其是东部的城市,西电东输、北电南送的能源输送格局成为必然,这就要求东部城市必须满足大规模接入区外电力的条件。

  这并非一件容易做到的事情。目前,中国已经遭遇了比较严重的弃风、弃光、弃水问题,其中,约7成左右的弃风出现在供暖期,在供暖期弃风电量中,低谷时段弃风又占供暖期总弃风的80%。原因在于,现在的热电厂在供暖季调峰能力不足。热电厂除了发电,还要承担北方城市的供暖任务,且均采用“以热定电”的模式运行,这导致其在供暖季的发电量很难调控,难以为风电、太阳能发电腾出接纳空间。

  随着中国城镇化发展,城市供热需求还将增加。为了在不影响居民用热的情况下,增加城市能源系统对可再生能源电力的接纳能力,就要改变热电厂以热定电的运行模式。一个可行的办法是,采用“热电厂+蓄能罐+电动热泵”的方式,实现高效的能源转换和电力调峰。具体做法为,给热电厂加装巨型蓄热装置和调峰装置,在电力需求较大时发挥机组最大发电能力,靠蓄热装置供热,在电力需求较小时,只输出相当于最大容量40%左右的电力,其他全高效地转换为热能,除满足当时的供给要求外还蓄存到蓄能罐中。这样,可以根据电力负荷变化,在锅炉主蒸汽量仅在80%~100%范围内调节的条件下,实现对输出电力的连续调节,在避免高效电厂低效运行前提下解决区外电力的供需矛盾。

    充分利用纯凝电厂和各类工业余热作为热源,进行城市集中供热,也可以在很大程度缓解因供暖造成的电力消纳不足问题。目前,在冬季,全国纯凝火力发电厂有大约6亿千瓦热量可用,,五大耗能工业(钢铁、有色、建材、石化、炼油)排放的余热为2亿千瓦,如果取热电厂余热的70%和工业余热的50%作为城镇供热的基础热源,则二者合计为5.2亿千瓦,可为130亿平方米建筑提供40瓦/平方米的热量,只需再补充一部分用于调峰的末端燃气锅炉,就可以满足目前北方城镇集中供热系统的热源需求。

    未来的城市供热系统,应该是一张跨区域联接的大热网,把不同的低品位工业余热热源联接在一起,与分散在城市中的成千上万个热力站连接,通过大管网互通互联,输送到城市,根据电力需求变化调节热电厂出力,根据工厂生产需要互通有无,满足城市居民的热需求。这样的场景模式不但解决了当前的难题,还可以大幅度地提高城市能源利用效率。

    (作者系中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任,本文根据作者专访整理)

    文章来源于《能源评论》杂志,由编辑部与国网城市能源院联合策划出品
责任编辑:Karen
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