1 低碳發展要求世界和中國一次能源構成重大轉型

 

  氣候變化已成為世界各國面臨的最緊迫問題之一。2009 年12 月的哥本哈根會議以世界192 個國家的聲音，肯定了會議前夕國際能源署( IEA) 提出的“450 情景方案”的3 個具體目標中的2 個，即全球平均氣溫不應比工業化開始前高出2 ℃，這要求全球排放量減，到1990 年( 209 億tCO2當量) 的50%。為此發達國家應當減少至少80% 的溫室氣體排放量，發展中國家的溫室氣體排放量應當比“通常情況下”低15% ～ 30%。至于第3 個目標，即碳排放的峰值年和減排到1990 年排放量的50% 的時限，以及發達國家以資金和技術支持發展中國家減排的具體安排，留待2010 年年末的墨西哥會議解決。能耗、一次能源構成和應用碳捕獲和封存( Carbon Capture and Sequestation，CCS) 技術三者與CO2排放之間的制約關系，并推算出了在上述減排目標和進程下世界能耗和一次能源構成變化的走勢。

 

  未來的10 ～ 20 年，即2020 ～ 2025 年，將是世界一次能源構成的轉折點。可再生能源與石油( 曲線Ⅰ和Ⅳ) 在一次能源構成中的排位互換;而煤和天然氣( 曲線Ⅱ和Ⅲ) 的走勢高低將取決于煤的CCS技術的經濟指標與非常規天然氣開采成本和規模兩者之間的博弈。圖1 中最右端的能源構成是在IEA提出的2050 年總能耗約225 億tce / a 的情況之下，可再生能源、天然氣、煤和石油4 種能源的構成比與目前剛好逆轉，且大部分的煤通過CCS 利用，對應的CO2排放量能夠控制在108 億t / a 的情景。至于2010 年年末的墨西哥坎昆會議中對長期目標時間點的共識是否是2050 年，還是推遲到2060 年，并不會改變圖中各曲線變化的趨勢，只不過各條曲線的斜率變化都將放緩而已。

 

  在目前世界能源轉型和低碳發展的格局中，中國處于最特殊的地位。這是由下列幾個因素決定的:中國是世界人口第一大國，由于煤的消耗占一次能源近的70% ，CO2排放不僅總量最多，人均也已超過世界平均值，但是人均GDP 還很低，屬于發展中國家。這決定了中國繼續完成工業化和城鎮化只能走低碳發展之路。未來10 ～ 20 年中國的總能耗還會增加，CO2排放也將經歷一個先增再減的過程，2 個峰值年都可能出現在2023 ～ 2030 年之間。但在達到峰值年之后，中國的碳減排將與世界同行.

 

  核能與可再生能源以5% 的年率持續增長，10 年后中國非常豐富的非常規天然氣資源得以大規模開發，煤的CCS 利用比例2020 年以后的30 年間從10% 提高到60% ，石油因資源的有限性和CCS 利用的規模限制將在2020 年左右達到峰值后逐步減少。

 

  2 城市一次能源到終端利用( 工業、商住和交通) 的新格局

 

  2. 1 低碳時代一次能源在城市用能中的格局

 

  低碳發展要求世界和中國的一次能源消費格局在30 ～ 40 年間完成如圖1 所示的重大轉型。煤最終必須在捕獲和封存CO2的條件下( CCS) 才能利用;由于CCS 技術的經濟規模所限，使它必然退出城市終端用能市場，轉向發電和煤氣化多聯產為主( 后者即是帶冷熱電聯供的現代煤化工Multi-Producted Coal Chemistry /Combined Cold，Heat andPower，MCC /CCHP) ，部分用于制水泥和煉鐵( 煤或合成氣直接還原煉鐵將替代傳統的焦炭/ 高爐)。

 

  可再生能源將大部分用于電力生產，部分直接用于低品位、低能量密度的建筑用能和化工原料。天然氣超過石油成為主要的工業和民用燃料。

 

  2. 2 未來10 ～ 20 年城市能源需求的挑戰按照表1 的估算，中國的總能耗/ 人均能耗將分別由2005 年的22. 2 億tce / 人和1. 7 tce / ( 人·a) 增加到2020 年的41 億tce / 人和2. 93 tce / ( 人·a)。

 

  顯然在這個完成工業化和城鎮化的歷史時期內，增加的能耗主要是在城市工業、建筑和交通3 大領域。

 

  由天津市供熱辦的數據可知，該市集中供熱負荷將由目前的200 萬m2 增加到2013 年的2 400 萬m2和2020 年的5 500 萬m2。由國家發改委能源所的數據可知，珠三角城市建筑面積在2030 年將達到160 億m2 ，接近目前的4 倍。目前廣東空調耗電已占電網夏季高峰負荷的50% ，如此大幅度增長的供能需求增長，按照現在的利用模式和能效，是不可承受的。

 

  2. 3 CHP 和DES /CCHP 在能源終端利用中的地位

 

  至少在21 世紀中葉之前，氣候變化所要求的能源轉型還容許使用一半的化石能源。迄今為止，在中國占總能耗80% ～ 85% 的工業和商住建筑能耗中，大部分都是低品位的熱能。例如，占中國能耗近40% 的過程工業，終端能耗熱/ 電比在5 以上，大部分在400 ℃以下;建筑能耗的80% 的溫位與環境溫度只差10 ～ 30 ℃。按照熱力學第二定律，化石能源化學能轉換為電力的效率不可能為100% ，必定有一部分以較低溫位的熱量的形式傳遞到環境。熱電聯產(CHP) 正是運用這個規律，同時產電和熱，提高了能源轉換效率。但是傳統CHP 的熱電比取決于特定的技術，不能適應各種終端用戶變化的需求。

 

  發達國家近30 年來建筑物能效大大提高，一是圍護結構熱工性能有所改進，二是采用分布式冷熱電聯供系統( Distributed Energy System /Combined Cold，Heat and Power，DES /CCHP) 集成各種熱機、熱泵、吸收制冷和可再生能源技術，實現化石能源“吃干榨凈”的高效利用。前者使住宅單位面積能耗逐年降低，僅為中國的50% ，后者使公共建筑一次能源的終端利用效率提高到70% 以上。可以說，只要人類還使用化石能源和生物質能，CHP 和DES /CCHP就是科學用能的必由之路，永遠不會過時。發達國家正在繼續和加深研究這些措施，并成為他們完成減排指標的重要途徑。丹麥全國DES /CCHP 產生的電力已經超過50% ，美國2000 年已定下2020 年達到29% 的目標，而中國CHP 裝機雖占10% ，產電量則遠低于此，發展空間還很大。

 

  2. 4 終端用能模式的轉型和效率提高的途徑

 

  按照國際市場天然氣的價格，中國城市終端用天然氣和煤的等熱值比價約為2. 5 ～ 3 倍。簡單地用天然氣替代煤用于城市供暖和工業鍋爐，單位面積供暖費用和蒸汽價格都將至少增加1 倍。這是居民和工業企業都無法承受的。同時，這也使天然氣下游市場難以按照市場機制進行開拓。另一方面，按照這種傳統模式以氣代煤，能效提高有限，CO2減排也只有40% ～ 50% ，不能適應中國節能減排的目標要求。這是擺在當前中國城市用能面前的一道難題。

 

  與發達國家相比，中國的國情特點如下:一是城鎮化要求繼續新建大量新城鎮和住區;二是城市工業區、商業中心和居住區的布局及模式與西方國家大不相同。這就使得中國能夠、而且必須在借鑒西方國家DES /CCHP 經驗和技術的基礎上，依照具體國情，自主創新，創立中國自己的城市終端用能模式和DES 系統。在政府主導的經濟體制下實現跨越式發展:伴隨工業化和城鎮化的進展，使多數工業園區80% 的供暖、空調、熱水能耗和占14% 的用電能耗可以盡可能地用天然氣DES /CCHP 加可再生能源集約化高效聯供，不足部分由電網提供。

 

  迄今為止，絕大部分交通能源依賴石油產品的局面將隨著科技的加速進步而根本改變。占中國柴油耗量近半的中、重型卡車、部分公交車將改用高效、廉價、低排放的LNG;智能電網所推進的插電式汽車將替代大部分小型轎車的燃油;第二代生物燃油將提供大部分航空燃料;非糧乙醇和煤基二甲醚將取代部分仍作為車用燃料的汽、柴油;太陽能制氫氣/燃料電池車也將在20 年后實現商業化應用。上述交通替代能源科技以及高鐵、城市公共交通的發展所帶來的經濟、能效和CO2排放方面的優勢，必將在今后20 ～ 40 年替代絕大部分汽、柴油。這樣就可以使耗量逐漸減少的石油與帶CCS 的煤氣化和生物質多聯產一道，主要用于有機化工原料。

 

  3 新格局下城市能源供應系統建設、運營和監管機制

 

  3. 1 發電、供熱、制冷能源轉換聯產———終端供應組合呼喚集成創新

 

  必須指出的是，CCHP 決不是反對者簡單理解的0. 2 MPa 抽汽加熱120 ℃ 熱水供暖，蒸汽吸收制冷供7 /12 ℃冷凍水這樣概念化的組合。它是基于科學用能，即“高熱高用、低熱低用，溫度對口、梯級利用”的思想，嚴格按照熱力學第二定律和經濟學理論，采用系統工程方法，在對各種冷熱電用戶8650 h / a 負荷統計、分析的基礎上，采用各種燃氣作功發電技術、各種制冷技術、熱泵技術、再生能源利用技術，以及強化傳熱技術，集成建模和優化求解而得到的，在經濟效益、能效、CO2減排3 個方面都比較好的組合方案，是現代系統科學、信息科學、管理科學與各種能源轉換、傳遞科學和技術的集成。某些CCHP 項目效果不顯著，是源于過于簡單化的理解和主觀的組合所致。

 

  目前許多北方大城市迫于環境和CO2減排壓力，正在大規模淘汰燃煤的CHP 供暖和工業供熱機組;有些城市正在走大規模地源或海水源熱泵路線;因地質條件有限或沒有打井位置的中心區，只能以天然氣聯合循環機組為基礎，尋找其它的熱泵熱源。

 

  由此，一批中國特色的天然氣CCHP 創新系統將脫穎而出。除此之外，需要考慮的問題是非供暖期怎么辦? 如何開發常年的生活熱水供應市場? 如何開拓公共建筑夏季供冷的用戶? 對于中國南、北方的不同城市，情況大不相同。如果說燃煤CHP 供熱機組還常常虧損的話，以比煤貴2 ～ 3 倍的天然氣為熱源按常規CHP 供暖，沒有集成技術的突破和機制的創新，經濟上是完全不可行的。

 

  此外，隨寒流來去供暖期熱負荷也有成倍的波動，同時熱負荷隨城區建設的逐步擴大而增長。這就要求系統必須有一定的柔性和前瞻性，不僅可以適應四季、晝夜等氣候條件的變化，也應考慮到能源價格等市場條件的變化和園區規模的擴展，甚至新的成熟技術的應用。幾十個工程規劃的經驗表明，由于氣候條件、負荷的時間變化和空間分布、附近可用的余熱和再生能源的情況有所不同，每一個項目的規劃方案都是不一樣的。例如，一個項目采用35℃左右的汽輪機冷凝潛熱循環冷卻水，在能源站內用不同的廢熱或低溫余熱加熱到45 ～ 50 ℃，連續輸送到分散在用戶負荷中心的熱水站儲罐，再根據實際情況，分別采用當地可用的、最便宜的方式，將其加熱到65 ℃左右，供隨時使用。這些方式主要包括熱水型蒸汽吸收制冷，即梯級利用70 ℃左右的溫排水、蒸汽吸收熱泵、電壓縮熱泵、太陽能集熱器、小( 微) 型CCHP 的余熱等。包括管網、儲罐等投資折舊在內，熱水成本只是天然氣家用熱水器成本的一半。

 

  工業的CCHP 項目還必須建立在采用能量系統優化技術規劃和改進能源利用的總體方案的基礎上。一個過程工業企業，首先必須優化工藝和總流程，降低工藝總用能，然后再采用換熱網絡優化匹配、低溫熱系統優化利用、余熱升級利用等技術提高能量回收循環利用率。這樣，需要通過CHP 或CCHP 由一次能源轉換的冷、熱、電負荷將會大大減少。國務院把能量系統優化列為“十一五”國家重大節能工程的真正意義就在于此。

 

  3. 2 中國城市規模化能源集成供應系統的類型中國地域廣闊，各城市的氣候和產業特點千差萬別，DES /CCHP 大致可有下列幾種類型。

 

  1) 北方集中供暖為主型。如3. 1 節所述，首先必須滿足大部分城市居民冬季供暖的需求。進而考慮非供暖期如何開拓冷用戶和熱水用戶，延長機組設備利用時間和提高天然氣轉換效率; 如何將地、水、工業廢熱等各種低溫熱源和可再生能源相結合來適應四季不同的供能服務。

 

  2) 南方區域供冷為主型。以滿足城市商業、行政中心區公共建筑集中供冷需求為主，規劃天然氣能源轉換機組的規模和類型;同時向附近住區居民提供生活熱水，以充分利用能源轉換價值鏈末端的極低品位余熱，提高能源利用效率。

 

  3) 大型過程工業( 園區)。過程工業多以熱加工為主，不論南、北方，主要熱用戶是工業用蒸汽，規模從數十t / h 到數百t / h 不等，而且多半是24 h 連續用汽。這類項目可采用2 ～ 3 臺6B 級或9E 級燃氣輪機+ 余熱鍋爐為基本配置的聯合循環機組為基礎，配以抽凝和背壓式汽輪機組，能夠使能源轉換效率達到70% 以上。

 

  4) 大型聯合循環調峰機組———離散制造業園區。本文4 節中給出了具體實例。

 

  5) 現有鄉鎮企業工業園區。有2 種基本類型,過程工業園區的負荷以蒸汽為主，用量從數十t / h到數百t / h 不等;離散制造業園區以耗電和空調制冷負荷為主。鄉鎮企業工業園區的特點也是商業建筑、住區與工業園區毗鄰或交錯，聯供蒸汽、熱、冷的負荷有利于提高能源轉換和終端供應效率。

 

  6) 大城市規劃新區。布局規劃有2 種不同類型:一是整個城市統籌布局，大工業區、住區和CBD各自集中，相互隔離，三類區域供能需求不同，較難實現集成聯供;另一種是分多個區塊或中心城區加衛星城區( 副中心區) 規劃布局，在每個區塊內規劃工業區、住區和CBD，這樣的功能區較小、相互之間的距離近，有可能集成聯供。

 

  7) 新規劃的中小城鎮。在幾km2 范圍內，根據氣候條件和自身負荷特點，可規劃1 個或幾個集約化的冷熱電聯供能源系統。

 

  8) 獨立的公共建筑群。南方現有城市中心沒有條件規劃大型DES，但可以規劃公共建筑群小型DES /CCHP，如醫院、學校、機關或密集的酒店和商廈集群。其特點是同時有空調冷水和熱水需求，負荷在1 ～ 5 MW 左右。

 

  9)現有分散電源點聯合循環機組的改造。以廣東為例，已建的30 多臺9E 聯合循環機組汽輪機都是純凝的。按照附近城鎮各類冷、熱、蒸汽的具體需求負荷，可部分改造為抽凝和背壓機，可以大大提高能源效率和運營的經濟效益。

 

  3. 3 城市能源供應系統建設、運營和監管機制上述各種類型能源供應系統的簡單描述已經勾畫了出一個新的高科技服務行業的雛形。這不是一個孤立的行業，而是同城區工業、商住、交通規劃和布局密切交織在一起的。因此其發展有自己的規律性要求。

 

  1) 必須由政府牽頭，在城市發展總體規劃格局下，統一規劃、布局，否則完全無法建設。

 

  2) 能源供應服務屬于公用事業，牽涉千家萬戶民生，但又不是要害部門，無需由政府包辦或國有企業壟斷。OECD 國家30 年的經驗表明，由電力、燃氣和能源服務等利益相關方按照市場機制組合且允許包括多種所有制的股份公司作為投資建設和運營的主體，有利于平衡各方利益、抵御各種風險。

 

  3) 政府在統一規劃下，主持投資建設的項目業主招標，適當給以融資支持、稅收優惠，提供良好的投資運營和技術、設備等各方面的支持是十分必要的。

 

  4)能源供應服務公司在一個區域內具有市場

 

  的獨占性。因此各種能源供應服務價格需由政府部門監管，必要時應舉行公眾聽證會，平衡各方利益。

 

  目前一些地方的一些企業以“搶灘登陸”的心態，期望從地方政府手中獲取區域排他性燃氣特許經營權，從而獲得地區能源供應的壟斷經營權和定價權，以獲取超額的利潤。這不僅會侵害用戶的利益，而且也給能源供應服務行業的健康發展帶來了負面的影響。必須意識到，城市能源供應服務企業屬于帶有公益性質的、長期穩定、低風險、低收益的行業。政府的支持、優惠和監管是保障其公益性，維護廣大用戶利益、促進行業發展、擴大就業、社會穩定的基石。企業片面追求利潤、不盡社會責任，或政府方支持和監管缺位，都是不能容許的。

 

  4 新格局下城市能源規劃如何制定

 

  低碳經濟是前所未有的新事物，新能源格局下的城市第二代能源供應系統如何規劃也是一個嶄新的課題。從時間和空間兩方面來分析，都需要拓展視野、高屋建瓴，要求在工作方法和機制上有所創新。

 

  1) 經濟社會發展目標和約束條件

 

  今后10 ～ 20 年，國家經濟社會發展目標和生態、CO2減排等約束條件都已基本確定。在科學發展觀的指導下，一個城市的發展規劃將不僅僅體現為GDP 的總量和人均年增長數據，而必將有城市化率、能源強度ε、碳強度κ，以及總能耗、總排放量等各項指標的約限。換句話說，城市的科學發展規劃必須給出類如表1 中列出的、與國家發展規劃相應的數據，描繪出城市在生態約束下的科學發展格局。

 

  不能像以往那樣，僅憑GDP 目標、一次能源消耗和能源彈性系數的歷史數據外推出未來各年份的能源需求總量就萬事大吉。文獻研究了產業結構、能效、一次能源構成對能源強度ε、碳強度κ，以及總能耗、總排放量等的影響關系。顯然，低碳經濟時代的城市能源規劃必須做到這樣的深度。

 

  2) 目標約束下城市發展規劃初稿的制定

 

  首先可以根據城市在地區中的定位，擬定發展規劃的初稿，包括一、二、三各產業的發展規模、比率和內容，工業、商住、交通3 大耗能領域的空間布局以及按時間發展的進度。城市功能區的空間布局規劃對于能源規劃有著決定性的影響。如上所述，如西方許多城市，工業區、住區和CBD 在空間上相互分開的統一布局必然帶來工作日大流量、長距離的人流交通負荷。3 種功能區的能源需求也各不相同，必須分別規劃。分多個區塊、在每個區塊內規劃布置工業區、住區和CBD 有可能實現冷熱電需求互補，提高能效。總之，城市發展和建設布局規劃初稿是進一步制訂能源供應規劃的基礎。

 

  3) 工業、商住、交通能源規劃的細化

 

  有了工業、商住、交通和空間布局的初步規劃，就可以進一步細化制訂能源利用的具體規劃方案了。以盡可能提高規模化的天然氣DES /CCHP 能源供應系統在城區的覆蓋率為指針，依照具體情況，參照3. 2 節中9 種類型能源供應系統來制訂具體方案。不排除因考慮能源供應的優化而反饋調整功能區布局的可能。

 

  深圳市光明新區是一個有一定典型意義的例子。這個在原有2 個鎮的基礎上新規劃的156 km2、100 萬人口的城區，以高科技離散制造工業園區為目標，新設了1 個3 × 9F 天然氣調峰機組的電力布局需要，規劃了1 個以該電站為主體的DES /CCHP能源供應系統，兼有向工業廠房和CBD 供冷，向居民供應生活熱水的優勢，可使發電成本顯著降低，天然氣能源利用效率提高到了75% 以上。

 

  南方遠離居民區的純CBD 或離散制造業工業區，僅有空調制冷負荷，沒有熱水負荷，低品位余熱沒有適宜用戶，就難以達到更高的能效。單純以普通市民住區為對象規劃區域供冷，按目前的生活水平和經濟能力，也還難以實現。北方城市則不然，氣候條件要求集中供熱覆蓋所有的居民住宅，必須以此為供能規劃目標。但夏季空調負荷則只有商業和公共建筑的需求，蒸汽需求則取決于過程工業的布局安排。集約化的DES /CCHP 系統設置與城市功能區規劃布局之間有可能需要多次反饋、協調，這就是中國國情所要求的集成創新。

 

  交通能源規劃需要落實到功能區塊空間布局所要求的交通方案，包括市內優先發展的軌道交通———接駁巴士/BRT 銜接的規劃;各類中、重型卡車，公交車采用LNGV 的產業鏈開發規劃;小轎車逐步轉向插電式汽車、混合動力車或DME、摻加甲醇或非糧乙醇汽油的規劃;以及長遠的氫氣燃料電池車的規劃。

 

  有了上述細化的規劃工作，就可以相當準確地估算出各區塊和全市工業、商住用能對天然氣和電力供應的需求總量和空間分布，交通用電、LNG 和其它燃料的數量，以及各能源消耗按年度增長、變化的趨勢。

 

  4) 立足于能源規劃的城市發展規劃

 

  落實到每個區塊的、與功能區規劃融為一體的多個DES /CCHP 系統規劃所包含的冷、熱水，以及蒸汽管線( 網) 的網絡和路由，必須與城區道路和綠化規劃協同配合。原來各自獨立規劃的高、低壓供電網絡、商住炊事用低壓天然氣管網，在冷熱電聯供的能源系統規劃下，自然也會大不相同。這就給城市規劃道路和配套的共同管溝奠立了基礎。

 

  更重要的是，細化的能源規劃能夠給出城市對天然氣、石油、煤、可再生能源的需求逐年增長數據，據此便可以推算各類能耗是否能夠滿足國家下達的各項指標。城市中心雖然不再燃煤，但市郊燃煤電廠和外部電網供入的電力都是要追溯到實際消耗的一次能源和碳排放量的。規劃之中還必須列入相應的燃煤電廠、市內現代煤化工、煉焦和水泥企業燃煤排放的CO2通過CCS 技術捕獲和封存的逐年進展數據，這是控制碳排放指標所必須的。

 

  文獻給出了由產業結構、能效和一次能源構成估算能源消耗和能源彈性系數的關聯式。

 

  人們通常誤以為節能降耗取決于風機、水泵、家電等耗能設備或產品的效率，或建筑物墻體等的保溫性能。上述分析表明，無論是在國家層面，還是對于一個城市，節能減排，即單位GDP 耗能和排碳，或能源強度ε 和碳強度κ 降低等指標的落實，根本上取決于制訂經濟社會發展規劃與制訂一次能源到終端利用規劃的密切配合與協同。其間的關系是清楚的、可分析推算的、可控制的。市政府只把指標分解下壓到區、縣、企業一級是無濟于事的。反之，通過2 個規劃的協同制訂，落實工業、商住和交通領域能量系統優化以及冷熱電聯供技術和機制的創新和升級，就完全有可能實現低碳、高能效的經濟、社會科學發展目標。