天然气在中国向低碳能源过渡历史时期的关键作用
华 贲
华南理工大学天然气利用研究中心
摘要：煤占一次能源70%的中国在2030年可再生能源达到1/3之前的历史时期，快速、普遍推广天然气冷热电联供（CCHP）和天然气车船（LNG）。这可使新增部分工业、建筑物能效提高一倍、碳排放减少70%，石油进口少增加上亿吨/年，经济发展所需能源和电力供应得到保障，电网昼夜调峰问题基本解决；并且可节省数以万亿元计的投资、和数亿吨/年的能耗。这是中国向低碳过渡的历史时期最重要的能源战略。摈弃传统思维、转变观念，是中国抓住机遇、利用科技成果、跨越式实现低碳发展的关键。
关键词：低碳能源 能效 天然气 冷热电联供 天然气车船 转变观念
引言：
从1997年的“京都议定书”到2009年的“哥本哈根协议”开始了人类向低碳能源转型的时代。这是一个相当长的历史时期。即使到本世纪中的2050年，按照“京都议定书”的目标、碳排放总量降低到1990年的一半，即100亿吨/年多一点的时候，可再生能源也只能占到总能耗的一半左右。另一半仍然需要依靠化石能源---石油、煤和天然气。从现在到2050年共40年的历史时期，特别是在前20年，即到2030年期间，这三种化石能源如何博弈、消长，才有利于实现向低碳转型的目标呢？这需要我们拓宽时、空的视野，从一次能源到终端利用，从现状到未来，全面分析、判断，才能高屋建瓴、制订出正确的能源战略。
一、 从能源资源、耗量、和碳排放约束看三种化石能源的博弈走势[1]
1、到2030年，30亿人口的新兴国家将要实现工业化，使世界一次能源消耗继续增加。IEA判断，届时世界总能耗约比2005年增长60%；达到250亿tce/a。向低碳能源转型的进程将使可再生能源占比增加到1/3，其余2/3还将依靠煤、石油和天然气，总量约比2005年的133亿tce/a增长28%，达到170亿tce/a。
2、从资源角度看，bp公司2009年估计：按照煤、天然气、石油已知的资源量和目前的耗量，还分别够用185年、67年和42年。但是5年来美国页岩气戏剧性的快速增长导致了一场世界能源“静悄悄的革命”，改变了上述预期。仅就美、中两国来说，页岩气资源可用100—150年。按照MIT 2010年6月报告的估计，这将使天然气在三者的博弈中稳占上风。即使按照“石油峰值论”的反对者的估计，假设石油资源能比2009年的已知量增大一倍，也不过能用84年。石油居一次能源首位的位置注定要被天然气超过；只是时间问题而已。
3、从碳排放约束的角度看，大规模用于发电和化工的煤的CO2扑集和封存（CCS），目前的成本约在￥250元/吨CO2（中国）和38欧元/吨CO2（欧洲）左右。IEA 估计，到2020年，科技进步导致CCS 成本降低能够使10%的煤实现CCS利用。但其成本是否能够与天然气竞争仍是一个问题。至于石油，不论其终端产品是交通燃料还是化工产品，所产生的CO2都是在弥散状态下释放的，无法CCS。而天然气采用冷热电联供技术应用时碳排放仅为燃煤的1/4。
综此，从现在到2030年，在三种化石能源中，天然气将增长最快、占比不断攀升。煤的耗量消长取决于CCS 的成本降低程度。而石油的总耗量虽然还会小幅增长一段时间，但占比必将不断下降。
二、 天然气是提高能效、减排二氧化碳的关键一次能源
1、化石能源高效利用的理论基础是热力学第二定律。占总能耗2/3 以上的工业和建筑物耗能中，各种温位的热能多于电能。2007年中国工业终端耗能中以煤为主的燃料供热占65.4%、电占22.6%；按照中国住建部的统计，建筑物耗能中65%是采暖和空调，15% 是生活热水，14%是电，6%是炊事。传统的供能模式一方面用天然气烧锅炉生产这些低品位热能，是典型的“高能低用”；另一方面用天然气单纯发电，效率最高不过45~60%，其余近半温度低的热能作为“废热”排弃了。如果采用分布式冷热电联供能源系统DES/CCHP，燃料先发电，低品位余热再“联供”蒸汽和热水；实现“高能高用，低能低用，温度对口，梯级利用”的科学用能，效率就能够达到80%以上。
2、由中、美两国能流图的数据可以计算出两国工业耗能的总效率：煤占11%的美国工业能效是80%，而煤占62%的中国工业能效仅为52%。因为美国天然气发电效率在50%以上，CCHP已占总发电量的8%，而中国煤电效率只有35%，部分季节的CHP也只占7%左右。由此可见，煤长期占一次能源的70%是中国能效比世均低13个百分点的主要原因[2]。
3、从OECD国家发展历程来看，1970年代末一次能源开始向天然气转型和包括CCHP技术的能源科技进步使能效逐步提高。日本和韩国正是利用了这个历史机遇，在经济起飞和实现工业化阶段人均能耗比美、英等国大大降低。而20多年之后，中国深圳在2008年人均GDP达到1万美元时的能耗为5.7 tce/p.a。个中原因，是值得深刻反思的。参见表1.
表1 几个国家人均GDP达到1万美元时的人均能耗
美国 英国 日本 韩国
时间 1960年代 70年代 80年代 90年代
人均能耗，tce/p.a 8 6 4.1 3.9
4、天然气分布式冷热电联供系统（DES/CCHP）可使能效大大提高
分布式冷热电联供能源系统（DES/CCHP）是上世纪70年代末先后在美国、欧洲和日本等自由市场经济国家发展起来的。当时它们都已经实现了工业化和城市化，新建DES绝大多数都是不涉及城市中道路开挖、管线敷设的“楼宇型”或“用户型”；但是数量仅占2.8%的、平均装机容量78MW的“区域型”DES却占总发电量的42.8%。按照美国能源部的统计,DES比传统模式能效提高46%[3]。
中国发展DES/CCHP虽然迟了30年，但今天中国的国情与他们有很大的不同：处在全球化、低碳转型和快速实现工业化、城市化，大批新建数十km2的新工业区和新城区的历史时期，加上城市人口众多、居住密集，工业、CBD、住宅三种功能区集中布局等特定条件，使得中国需要并可能采用人类取得的各种最新科技成果，并基于本国国情集成创新，发展一大批百MW级的、比西方国家的CCHP效率更高的区域型CCHP能源利用系统。图1和表1是一个广东省某市38km2工业园区的能源规划实例：由表1数据可见，按传统分供模式冷、热、汽耗气303MW，联供模式耗气174MW，效率几乎提高一倍。如果发电装机容量与按照区域内冷、热、汽需求总量和时空分布匹配适当，总能效可达90%以上。由此可见，普遍推广天然气CCHP系统是中国提高能效的战略举措。
图1 某工业园冷热电联供能源系统布局图
表1 某工业园区常规分供系统与CCHP系统各项能耗和总能耗的比较
