中国低碳能源格局中的天然气.doc

1、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 2C 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 400-600 bcm/

2、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CO 2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

3、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

4、碳捕获和封存（Carbon Capture and sequestation,CCS）技术三者与CO 2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

5、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。中1 20520中中中中中中图 1 20052050 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 1960 1970 1980 1990 2020-50能耗 tec/p.a 8 6 4.1 3.9 2.52、 20202050 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

6、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

7、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。天然气 DES/CCHP商住用能品粮图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 400C以下；建筑耗能的 80%的温位与环境温度只差 10-30C。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

8、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（Distributed Energy System / Combined Cold, Heat and Power，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、再生能工业和商住耗能，一次能源的终端利用效率可达 7

9、0%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

10、42%，占总能耗 70%。由此导致严重的环境污染，CO 2 排放量已达 62 亿 t CO2/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

11、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

12、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、6DES/CCHP 决不是简单理解

13、的 0.2MPa 抽汽加热 120C 热水供暖，蒸汽吸收制冷供 712C 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 8650 h/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 2

14、000 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

15、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/CCH

16、P 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 24 h/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

17、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，-162C LNG 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

18、。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；而且利益相关方博弈的局面与在西方国家完全不同。以港口、矿山、基建工程等领域的中、重型卡车、城际客车、公交车为用户的中国 LNGV 产业，必将在未来10-20 年内蓬勃发展起来 7。事实上，在 2008 年石油价格冲高的刺激下，各地

19、LNGV 的发展已经初见规模。新疆广汇公司采用国产化的潍柴动力 LNG 发动机重型卡车已在北疆普及千余辆；并正在毗邻我国的哈萨克斯坦境内取得一个区块的天然气开采权，计划通过管道输至境内液化供 1 万余辆重卡和城际客车 LNGV 所需。改装现有柴油发动机燃用 70%、30%柴油的项目，已在山西省成功推广。中海油公司已开始在几个大城市布点建设 LNG 加气站。到 2030 年，近亿吨/ 年的车用柴油被上千亿 m3/a LNG 取代，使石油进口依存度大大降低的前景是可以期盼的。四、2020-2030 中国低碳能源格局中天然气的需求分布和供应保障1、2020-2050 中国天然气消费规模论证- 提高能

20、效和碳减排的硬性需求按照上述三、四两节的分析估算，2020-2030 年保证中国经济低碳发展的低碳能源构成中，天然气必须快速增长；在一次能源中占比大幅度增加。(1)、调峰发电：2020 年中国发电装机 1700GW，核电规模 80 GW，相应的天然气调峰发电约为 130GW, 按 3500h/a,估算，需用天然气 1000 亿m3/a。2030 核电装机进一步增加，但是智能电网+ 插电式汽车的发展将缓解调峰负荷增长势头；发电用天然气需求月为 1200 亿 m3/a(2)、民用天然气: 2020 年按 14 亿人口燃气率 70%、人均耗气 80m3/p.a 计需天然气 800 亿 m3/a。到

21、2030 年，人口 14.7 亿，燃气率 80%、人均耗气76m3/p.a 计（DES 使生活热水耗气减少） ，需天然气 900 亿 m3/a。(3)、工业和商住能源用：按照天然气 DES/CCHP 取代工业园区中的燃煤锅炉和城市商住公共建筑物耗能项目推进情况预计，2020 年约需天然气 1800 亿m3/a；到 2030 年达到 2700 亿 m3/a。(4)、交通运输燃料：按 2020 年 50 万两重卡改用 LNG 估算，替代柴油 2 千万吨，耗天然气 250 亿 m3/a；2030 年达到 1000 亿 m3/a(5)、工业原料用天然气：主要是沿海炼油企业替代石脑油等轻烃用于制氢原料；

22、顾及 2020 年约需 150 亿 m3/a,2030 年达 200 亿 m3/a。以上各项天然气需求列表如下：年份/用途 发电 民用 工业商住 交通 原料 合计2020/亿 m3/a 1000 800 1800 250 150 4000% 25 20 45 6 4 1002030/亿 m3/a 1200 900 2700 1000 200 6000% 20 15 45 17 3 1002、中国天然气资源、产业发展和供应保障囿于“重油轻汽” 的指导思想， “九五” 末期中国天然气估计资源量仅为 11.5万亿 m3,产量仅 273 亿 m3/a。本世纪以来快速增长，新一轮评价的常规天然气资源量已

23、达 56 万亿 m3、探明储量“十二五”期间可达 3 万亿 m3；到 2020 年平均以 4000 到 4500 亿 m3/a 的储量在增长。可保障 2010 年产量超过 1000 亿m3/a，2020 年 2000 亿 m3/a 9。文献10认为天然气只是部份属于 “化石能源”，地层深处还有许多无机成因的天然气。这一观点已部分被证实。世界非常规天然气资源量约为常规天然气资源量的 4.56 倍。非常规天然气所掀起的世界能源“静悄悄的革命” 始于美国页岩气的开发。美国页岩气大体资源量 28 万亿 m3，近 5 年来产量快速上升；2009 年达到 898 亿 m3/a，这使美国已经改变了近三年内引

24、进 5000 万吨 LNG的计划，甚至成为 LNG 出口国。预计 2010 年页岩气将占全美天然气产量的15%。到 2015 年可能达到 2800 亿 m3/a。美国页岩气快速发展的主要推动因素，一是国家的大力扶植和优惠政策。二是开发成本不断降低 11。美国已经形成了页岩气的低成本技术体系和管理体系，使成本降到最低。我国致密气资源量约为 12 万亿 m3,埋深 2000 米内可开采的煤层气资源量为 36.8 万亿 m3。我国非常规天然气资源总量是常规天然气资源量的 5.01 倍。国土资源部最新数据显示，仅青藏高原内侧天然气水合物（可燃冰）就有 350亿吨标准油，页岩气 100 万亿亿 m3。低

25、渗透气 100 万亿亿 m3，煤层气 36.8万亿亿 m3。加上常规天然气，中国的天然气可采储量足够支撑中国 150 年到200 年的文明进程 12。 在日前刚刚结束的中美战略与经济对话（S两者按 80%到位率计，合计 1360 亿 m3/a。可以保障天然气对外依存度在 30%左右。这对于我国的能源供应安全，十分重要。以 2020 年天然气供需总量 4360 亿 m3/a 计，约合 5.6 亿 tce/a。若 2020 年中国总能耗为41 亿 tce/a，则天然气在一次能源中的比率为 13.7%。到 2030 年若天然气供需可达 6000 亿 m3/a（7.7 亿 tce/a）将占一次能源的

26、17%；若达 7000 亿m3/a（9 亿 tce/a）占一次能源的 20%。这仍低于世均比率。而包括天然气水合物的资源的中国人均气体能源资源占有量达 26 万 m3/p.a；2030 年以后，随着科技进步，产量还有很大的增长空间。中国“缺气”的帽子，应该摘了。五、未来世界和中国天然气市场格局走势探讨1、世界天然气发展和市场格局演变探讨2009 年以来，世界热议非常规天然气开采引发的能源变局。由于美国页岩气的开采成本只有 100-150 美元/千 m3，俄罗斯惊呼它原来的“世界天然气第一”霸主地位不再 14。远高于所有化石能源储量总和的非常规天然气资源开发将使世界在 2030 年左右进入“ 能

27、源的气体时代”；天然气将超过煤和石油，与可再生能源一起成为主要的一次能源。美、欧、中国因非常规天然气的开发而对进口天然气需求增长大幅度降低，将促使国际天然气贸易也将倾向于买方市场；天然气与石油的等热值比价有可能从现在的 0.7 降低到 0.6 以下。2、天然气发展对中国低碳能源格局走势的影响由于基数相差悬殊，中国天然气耗量超过煤的时间可能滞后于世界 10 年，到 2040 年左右；但趋势是肯定的。借鉴近年来在美国发生的变化，可以预期，低于常规天然气的开采成本将使非常规天然气在与煤 CCS 利用的博弈中居于有利地位。按目前中国已获批准的几个煤制天然气项目的经济分析，把褐煤价格定为 100 元 /

28、t 时的煤制气成本是 1.8 元/m 3。即使承认这个过低的煤价，考虑CCS 的费用也将使这个成本增加 2-3 倍。这将使中国重新思考 “以煤为主”的能源战略是否应当改变，并使中国持续发展所面临的能源供应、碳减排形势越来越好。3、中国天然气市场格局走势和对亚洲天然气市场的影响非常规天然气的异军突起，不会改变亚洲天然气市场的基本格局。澳大利亚、卡塔尔、伊朗、土库曼斯坦的天然气输出。日本、韩国、印度、中国大陆和台湾进口天然气的局面仍将持续。中国国内天然气的开发和对外依存度保持在 30%范围内，有利于亚洲天然气市场供需格局健康、平稳发展。由于人口众多，中国在相当长的历史时期，都还需要进口天然气，与资

29、源输出型的澳大利亚等国形成互补的贸易格局。合理的价格、平稳的市场将互利于供需双方。参考文献1 华贲. 低碳时代的世界和中国的能源结构， 世界石油工业 ，No.2, 2010Hua Ben. World and China Energy Structure in Low Carbon Era. World Petrol Industry. 2010.22 华贲. 低碳发展时代世界与中国的能源格局,中外能源, 2010.2:1-9Hua Ben. Outlook for Worlds and Chinas Energy Supply in 21 Era, Sino-Global Energy 20

30、10.2: 1-93 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,中外能源, 2010.5.Hua Ben. Influence Analysis of Industry Structure 袁 Energy Efficiency and Primary Energy Structure to the Energy Intensity Sino-Global Energy 2010.54、华贲，王小伍，低碳时代中国有机化工走势探讨， 化工学报2010 ，5 华贲，低碳时代中国的城市能源规划，将发表于建筑科学2010,12 期6 华贲.天然气冷热电联供能源系统M.北京：中国建筑工

31、业出版社，2010.27 熊标 华贲 加速开发中国 LNG 汽车产业链 中外能源 2007 2 12（1）：12-158、生物燃料：构筑低碳能源之路，中国石化报 2010-06-04 ，http:/ 成都10 、Robert A Hefner, 能源的气体时代， 能源思考， 2010.1-2，37-4511、吴国干：非常规天然气正改变世界能源格局，来源：中国能源网 2010-05-28 http:/ 100 年文明进程将依靠天然气，中国能源网http:/ 业界期待政策, 21 世纪网 2010-06-01 , http:/ 来源：俄新网 2010-03-15 http:/ 2010 年 11 月台北-西太平洋瓦斯资讯交换会议（GASEX）上做的特邀报告。）