天然气在中国向低碳能源过渡历史时期的关键作用

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

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是一个广东省珠海市26 km2横琴新区的能源规划实例：由表1数据可见，按传统分供模式冷、热、汽耗天然气1.57亿m3/a，联供模式耗天然气1.0亿m3/a，效率提高36%。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 横琴新区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

三、 天然气是中国2010-2030年间以低碳能源支撑经济增长的关键

1、过去10年中国经济以年增10%的速度增长主要是依靠每年多耗2-3亿吨煤碳。2010年中国耗煤32.5亿吨占世界48.3%，是中国的碳排放已达67亿吨/年、居世界第一位的主要原因。中国政府要兑现所承诺的到2020年单位GDP 碳排放降低40-45%的目标，就必须彻底改变这种靠消耗更多的煤碳维持低能效耗燃煤的、恶性循环的发展模式。为此，“十二五”能源规划提出到2015年中国煤耗“封顶”在38亿吨/年的指标。而且新增的煤碳主要用于新建先进的超超临界坑口电站和纯氧煤气化多联产。因此，所有中、东部新工业园区、新城区占能耗60--80%的燃料需求都不可能继续依靠燃煤，只能转向天然气。

2、“十二五”能源规划天然气消耗每年增加300亿m3/a、约合0.39亿tce/a。采用传统利用技术远不能保障年增1亿多tce/a的能源需求。在工业和商住终端耗能中采用先进、高效的天然气DES/CCHP利用技术，使能效比传统技术提高1倍，300亿m3/a天然气就能够替代相当于0.8亿tce/a的煤炭，支撑工业化和城镇化的能源需求;实现到2020年单位GDP 碳排放降低40-45%的目标。

3、由于中国开发常规与非常规天然气起步很晚，迄今资源状况尚未摸清;在相当长的时期内，一部分天然气(30%左右)还靠进口。而近10--20年天然气的国际贸易价格很可能维持高位。以目前情况为例，东南沿海地区天然气与煤的等热值国内消费比价格在2 –2.5之间;采用传统模式以天然气替代煤无论单纯发电、还是单纯产汽、供热，成本都远高于耗煤而无法承受。在全国范围内较快地普遍推广上述较大型天然气DES/CCHP，就能够靠提高能效来降低成本。

四、 天然气冷热电联供系统是保障中国电力供应可靠性和调峰的关键[4、5]

1、中国能源/电力的地缘分布特点一是自西向东长距离输送;二是与世界一样：随着可再生能源占比增大，调峰问题愈益尖锐。对此，单纯采用特高压“西电东送”和建设大批抽水蓄能电站的传统战略，不仅仅耗费数以万亿元计的投资和巨量能源消耗，而且难以保障负荷中心的电力供应可靠性;并且增加7%的电力长输损耗，和25%的抽水蓄能损耗。为了弥补这些损耗，又需要增加一次能源的开采、消耗和碳排放，并且降低总体能源利用效率。按照2020年规划发电量8万亿kWh、西电东送占一半、抽水蓄能占13%、约1万亿kWh估算，两项电量损失约0.53万亿kWh;按照最先进的发电煤耗310g/kWh计，也须增加1.6亿tce/a、占总能耗3.5%的能耗。因此，有必要跳出传统思维寻求新的办法。

2、分布式冷热电联供能源系统(DES/CCHP)保障电力供应的可靠性在OECD国家已有成功的经验。2003年北美电网故障导致的大停电电事故发生时，大部分地方电力供应中断，生产和生活受到重大影响。但在政府机关如国防部、大型企业以及其他设置有DES/CCHP的地方却能照常供电;并且在电网故障排除后还可以协助电网黑启动。所以在该事故发生后，墨西哥城和纽约市“亡羊补牢”，分别新建了6个和5个分布式电源。本世纪初美国能源部规划2010年DES/CCHP发电占总电量的14%，2020年达到29%。奥巴马总统最近的能源政策也强调了加速发展DES/CCHP的重要性。

3、DES/CCHP就地供应冷热电汽，减少部分高峰时段的电力负荷，具有帮助电网“削峰”的作用。但是如果在夜间的“谷段”也运行、并且发电上网，就会增加电网调峰的负担。在当前中国国情、和智能电网即将广泛推行的条件下，中国可以集成创新，使绝大部分区域型CCHP系统昼开夜停、16小时/天运行;兼做调峰电站。

(1)、在智能电网的架构下，尽管用户端实行实时自动变化的分时电价，但在发电端情况却较复杂。为了鼓励清洁能源，不可能对核电、风电、太阳能发电实行分时上网电价;否则会造成它们的亏损。但为了鼓励天然气DES/CCHP参与调峰，必须对它实行分峰谷时段的上网电价：谷段上网电价不高于用户端，这样迫使它夜间停机，避免资源的浪费;平段和峰段给与比同时段工业用电价高一点(例如0.1元/kWh)的上网电价。这样，大型天然气DES就能够有积极性成为电网的调峰机组。电网公司也不会亏，因为工业用电占75.4%，价格低的民用电只占11.8%，高价的商用电站10.2%(2008年数据);占8.4%的调峰气电主要还是服务于工商业的。

(2)、在上述电力法第25条的规定下，只要电网公司参与和融入在“一个供电营业区内”规划建设的DES/CCHP,并且认为它是在这个区域内唯一的“供电营业机构”，那么电网公司派驻的人员(GCS)代表DES/CCHP在区内直供电力就完全符合电力法第25条。能源站所发的电，除自用(包括供冷)外，全部按照实时上网电价计算成本，由GCS按照实时分时电价就地或上网销售。

(3)、负责DES机组运行调度的GCS在保证蒸汽、热水、空调冷水供应等终端能源服务前提下，可以完全根据电网平衡的需要，操作联合循环机组的开、停、负荷高低。这在技术上没有问题：在设置够24小时用量的储水罐条件下，16 h/d运行生产的热水足以保证傍晚到夜间集中使用的需要;大部分制造业的蒸汽需求也是16 h/d运行的;空调夜间可使用低谷电力。24h/d运行的过程工业多半都有专用的CHP蒸汽动力系统

4、如果中国“十二五”新增的1200亿m3/a天然气能够用于在经济发达的电力负荷中心建设上千个类如本文二、4节所述的大型DES/CCHP，在水电、核电、新能源发电保持不变下，就能够使气电装机增加到1.1亿kW，发电量增至0.5万亿kWh/a,占比由4.5% 提高到8.4%，超过美国2000年水平;同时使煤电增幅相应减少;煤电量占比由70%降至66%。到2020年气电装机可增加到2.2亿kW、占总量14%左右，相当于美国2010年的水平，将大大增强电力供应的可靠性。并且大大减少西电东送的比率，和抽水蓄能电站的建设规模;再加上大规模设置的插电式汽车电池夜间充电，就能够极大地缓解电网调峰的挑战。

五、 天然气是中国交通能源多元化、降低石油对外依存度的关键

1、交通能源多元化，替代石油产品，是全世界的必然趋势

随着世界向低碳能源的转型，首当其冲的就是目前还占世界一次能源首位(35%)的、主要用于交通燃料的石油，大部分将在2050年被其它低碳清洁能源替代。图2是交通能源多元化趋势的预计。

图2 未来交通能源构成变化趋势预计

I--石油，II—L/CNG，III—电，IV—生物质，(V—石油用于有机化工的量)

事实上，今年3月21日欧盟委员会已向欧洲议会提出了2050年禁止汽柴油车，2030年汽柴油车减半的法案。EIA估计生物燃料2040年成航空燃料主力，2050年占全球运输业的25%。国际天燃气车组织预计世界天然气交通工具将以年增17.8%的速度增长，到2020年将达6500万辆，约为2005年汽车总量的9%。随着科技进步的加速，上述转型的进程很可能还将加快。

2、天然气是到2020年中国降低石油对外依存度的关键

如本文第一部分所述，在向低碳能源转型的历史进程中，石油、煤、天然气三种化石能源的博弈消长，在从现在到2020年期间最为关键。近年来中国石油对外依存度快速攀升，2011年上半年已超过54%，对国家战略安全构成威胁。主要依靠石油的交通能源向低碳转型已成为迫在眉睫的战略需求。

交通燃料占美国石油消费的69%(2002年);其中，汽油消耗是柴油的2倍。2010年中国石油加工量4.23亿吨。60%是汽柴煤油;其中柴油1.59亿吨、汽油0.77亿吨、煤油0.17亿吨。可见中国与美国相反、柴油是汽油消耗的2倍。但在目前的中国媒体上，“新能源汽车”几乎成了“交通能源替代”的同义语，且其内涵完全局限于替代汽油的插电式或混合动力的小汽车。而从上述数据分析看来，柴油的替代对减少石油消耗比汽油更重要、更紧迫;应当提升到替代石油进口和交通能源向低碳转型的战略高度来对待。

3、中国NGV 发展的现状和前景

按照国际天燃气车组织的统计，到2009年中国天燃气车保有量已有50万辆，居世界第7位。2008年世界金融危机之前石油价格一度冲高到$147/桶，国内油品价格随之调高，极大地促进了中国天燃气车的发展。国内在运行的LNGV大致是1m3天然气能够替代1升柴油(或汽油)。按照目前国内L/CNG加气站的市场价格￥4-5元/m3，替代7-8元/升的汽柴油有相当大的经济效益。因此，在我国西部主要大城市如重庆、西安、成都、乌鲁木齐等城市，替代汽油的CNG出租车已经普及。而在新疆、长沙、北京等地，LNG替代柴油的公共汽车、城际客车、重型卡车、以及长江、大运河的船舶，均已开始快速发展。

目前，引进、消化国外技术的200--500kW的车用天然气发动机、和700-1000kW船用中速天然气发动机国产化批量生产能力已经形成。燃料箱、加气设施、整车制造等产业也都已经国产化。进口LNG接收站的陆续投运、和中国特色的小型LNG市场的迅速壮大，已经形成了市场化的LNG供应链。汽柴油持续涨价拉大了与车、船用天然气的差价。这些都为LNGV的快速发展奠立了基础。但是，LNGV替代柴油包括制造业产业链(发动机、燃料箱、整车制造等)，LNG供应链，加气站规划、布局，运输公司车、船生命周期置换等几个价值链远比CNG复杂;需要由中央和地方政府若干有关部门的统筹、协调规划。不可能由任何一个企业推动起来。这正是中国LNGV产业发展缓慢的主要原因。

按照上述已经具备的基础条件，只要各级政府行动起来，做好发展NGV特别是LNGV的规划和各项支撑政策，在到2030年的历史时期内，中国天然气替代石油作为交通燃料的产业，必定能够极快速地发展;而且作为LNGV硬件制造业基地，引领世界这一产业的潮流。到2020年和2030年，中国的交通燃料市场将至少需要500亿m3/a和1000亿m3/a天然气(约占总量12—16%)用于交通燃料，替代4000万t/a和8000万t/a柴油;减少成亿t/a的石油进口。

六、 能源低碳转型呼唤观念、政策和机制的转变

1、 观念决定一切----特别是政策和机制

国家“十二五”能源规划正确地加大了天然气增长的速度和规模。但是，长期以来许多习以为常的陈旧观念仍在主宰着人们、特别是各级政府一些决策层官员的思维;致使迄今还没有用好天然气、向低碳能源转型的思想准备和正确规划。兹举几个例子：(1)坚持认为中国能源资源禀赋是“富煤、缺油、少气”，以及“有天然气也要留给子孙后代”;(2)GDP增长是一切工作的中心，“该烧煤就烧，管它低碳不低碳!”;(3)“分布式能源就是楼宇型和用户型的，以MW级为限;大型天然气电站不叫分布式能源”;(4)大型天然气DES/CCHP协同电网调峰固然好，但它们不是电网公司的资产，少建特高压输电线路和抽水蓄能电站是可以节省资金，但不利于企业做大做强。(5)新能源汽车就是电动汽车;(6)“低碳”是西方资本主义国家“忽悠”中国、“遏制”中国发展的阴谋。(7)“中国的石油消费就是要要达到7-8亿吨/年，为此在军事上同美国较量是必然的”。这些观念，有的只是认识上的误区，有的还具有利益的驱动源;但危险性是一样的。

如上所述，由于历史和经济条件已经不是30年前的样子了;已经步入市场经济的中国，今天还沿袭传统的技术利用天然气，是很难大幅度提高能效、开拓天然气下游市场，以及替代燃煤、实现向低碳能源过渡的。因此，不改变上述观念，充分利用一切最新科技成果，并且结合国情、集成创新，中国在“十二五”开始就将面临极大的能源供应保障和碳排放持续上升的风险。

观念决定一切。没有观念的转变就谈不到政策、机制的转变，也谈不到规划的及时和正确的制订;更谈不到上述的各项举措的落实。

2、 “十二五”是走向低碳能源的转折点，也是最关键的时期

历史将会记载， 2010年代是世界向低碳能源、低碳经济和低碳发展模式转型的历史转折点。对一次能源构成迥异于世均、煤占70%、天然气只有4%的中国，尤其如此。中国没有时间“慢慢来”，等待上述观念自己慢慢转变。最晚到2012年，一俟大量天然气到来，各项新区建设展开，而国家的各项约束性指标下达，还指望燃煤的新开发区域的能源格局马上就会陷入窘境。因为不论是区域冷热电联供能源系统，电网发展还是天然气替代交通燃料，从统筹规划到逐步建设、实施，都需要20-30个月的时间。没有向低碳转型的CCHP新规划，企业就必然建传统模式的能源系统：锅炉、中央空调和1500-2000h/a的纯调峰电站。等到1-2年之后醒悟过来时，已建成的传统设施的改造更费投资;有的已成浪费。

中国再经不起这样的“折腾”了。也没有必要让这种折腾不断发生了。因为中国完全可以运用集中度极高的经济发展特色，利用当今“和平与发展”以及全球化的国际格局、看准自己的国情、实现集成创新的“跨越式发展”;而不走建了再拆、或盲目“照猫画虎”的弯路。能否从“十二五”开始快速转变就是关键。转变得越晚就越被动，越错过最好的时机。

3、 决策层转变观念，政策、规划和机制就能够跟上

中国各级政府的官员是同时代人中的精英。中国的广大工程技术人员和工农大众勤劳、智慧。只要决策层转变观念，相应的政策、规划和机制随即跟上，所需要的集成创新就会很快取得突破。自大庆油田开始摘掉“中国贫油”的帽子，最近短短几年之内风电、洁净煤产业和技术的快速发展，都能够说明这一点。

正在完成工业化和城市化历史使命的中国恰逢这历史性的低碳转型点，是极大的挑战，也是中国能源跨越式发展的极好机遇。创造了经济快速崛起“奇迹”的中国，一定能够把握住这个机遇，创出向低碳能源快速过渡的新“奇迹”。

参考文献：

[1]、华贲， 低碳时代的世界和中国能源结构，[J]世界石油工业， 2010，17(2),16-21,

[2]、华贲. 产业结构、能效与一次能源构成对能源强度的影响分析, [J]中外能源, 2010.15(5)1--7

[3]、华贲，区域型分布式冷热电联供能源系统的规划设计[J]中外能源，2011 16(3),13-20

[4]、华贲，区域分布式能源与智能电网安保调峰的战略协同，[J] 中国电业技术版 2011 (3)1 -6

[5]、华贲，分布式能源与电网优化配置和供电可靠性，中国发电2011年11期，24-26

The key role of natural gas in China’s historically transition period towards low carbon era

HUA Ben

Research Center of Natural Gas, South China University of Technology

Abstract：Before 2030, while renewable energy occupied 1/3 of total energy consumed, rapidly and thoroughly apply the natural gas CCHP and L/CNGV may doubled the energy efficiency of the industry and building sector, reduce 70% carbon emission of them; decrease hundreds million tons of imported petroleum, and guarantee the energy/power supply, basically solve the grid peak shower problem; as well as saving trillion Yuan RMB of investment and hundreds million tons of energy. It is the most important energy strategy in the transition historical period towards low carbon era. Reject ordinal idea, change concept is the key for China to seize opportunity, apply new technology and realize leaping development.

Key words：Low Carbon Energy, Energy Efficiency, Natural Gas, Compound Cold Heat and Power Supply, NGV, Change Idea

References：

[1]、Hua Ben, World and China's energy structure at Incoming Low-Carbon Era , World Petroleum Industry (in Chinese), 2010，17(2),16-21,

[2]、Hua Ben. Influence Analysis of Industry Structure, Energy Efficiency and Primary Energy Structure to the Energy Intensity. SINO-Global Energy (in Chinese), 2010, 15(5): 1–7

[3]、Hua Ben，Plan and Design of Compound Cold Heat and Power Energy System, SINO-Global Energy，2011 16(3),13-20

[4]、Hua Ben，The Strategic Synergy of Region Style Distributed Energy System with Power Supply Reliability and Peak Shaving, China’s Power Industry (Technology Version), 2011 (3)1 -6

[5]、Hua Ben，Distributed Energy System with Power Supply Reliability and Peak Shaving, China’s Power Industry， 2011 (11)

原标题：天然气在中国向低碳能源过渡历史时期的关键作用