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pood
低碳时代的中国城市能源规划
华
贲
(
华南理工大学天然气利用研究中心，广东
广州
510640)
摘要：
气候变化要求世界石油、煤、
天然气、可再生能源按占一次能源比率的
排序逆转。中国一次能源中煤的比重也需从
70%
逐步降到
30%
；且须采用
CCS
技
术。这使得城
市从一次能源到终端利用的路线图发生重大变化：煤退出工业燃料领
域，主要用于气化多
联产和发电；采用以集约化为主导的、
9
种不同类型的冷热电<
/p>
联供技术的天然气分布式能源系统（
DES/CCHP
）将成为城市工业、商住的主要能
源。这要求基于中国国情、在系统规划和
运营机制两方面集成创新。相应的城市能
源规划必须细化，与工、交、主功能区块布局时
空规划无缝衔接配合；并且量化反
映城市发展规划是否符合国家下达的能源强度ε、碳强
度κ指标。
关键词：
低碳能源
终端利用
冷热电联供分布式能源系统
城市能源规划
一、低碳发展要求世界和中国一次能源构成重大转型
气候变化已成为世界各国面临的最紧迫问题之一。
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
CO
2
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。
pood
文献
[1
< br>、
2
、
3]
研究了能耗、一次能源构成和应用碳捕获和封存（
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
图
1
低碳发展的世界能源构成变化走势
未来的
10-20
< br>年，即
2020-2025
年，将是世界一次能源构成的
转折点。石油
与可再生能源（
I
、
IV
两条曲线）在一次能源构成中的排位互换；而煤和天然气
两者（
II
、
III
两条曲线）的走势高低将取决于煤的
CCS
利用技术经济指标与非常
规天然气开采成本和规模两者之间的博弈。
科技进展我们现在还难以预测。
图中
最右端的能源构成
，是
IEA
提出的
2050
年在总能耗约
225
亿
t
ce/a
之下，可再生能
源、天然气、煤、石油四种能源的构成
比与目前刚好逆转，而且大部分的煤通过
CCS
利用；
对应的
CO
2
排放量能
够控制在
108
亿吨
/
年的情景。
至于今年末的墨西
哥坎昆会议上对长期目标
时间点的共识是否在
2050
年，还是推迟到
< br>2060
年？并
不改变图上各曲线变化的趋势，只不过各
条曲线的斜率变化都放缓而已。
在目前世界能源转型和低碳发
展的格局中，
中国处于最特殊的地位。
这是由
< br>pood
下列几个因素决定的：
中国是人口第一大国，
由于煤占一次能源近
70%
的能源禀<
/p>
赋，
CO
2<
/p>
排放不仅总量最多，人均也已超过世均，但是人均
GDP
还远很低，属
于发展中国家。
这决定中国继续完
成工业化和城镇化只能走低碳发展之路。
未来
10-20
年中国的总能耗还会增加，
CO
2
排放也将经历一个先增再减的过程；两个
峰值年都可能在
< br>2023-2030
年之间。但在达到峰值年之后，中国的碳减排将与世
界同行；见表
1
。
表
1
<
/p>
2005
—
2050
年中国
CO
2
排放总量、能源碳强
度
ω
和总能耗的变化预计
项目
/
时间
2005
2020
2030
（
1
）
2030
（
2
）
2050
（
60
？）
CO
2
排放
,tCO
2
/
人均
,t/p.a
51/ 3.9
74/ 5.3
60/4.1
54/ 3.7
22/1.5
能源碳强度
ω
2.3
1.7
1.25
1.2
0.67
高碳能源比率
γ
0.93
0.71
0.52
0.5
0.28
煤
CCS
使用比例
β
0
0.1
0.3
0.4
0.6
总能耗
,
亿
t
ce/
人均
,tce/p.a
22.2/1.7 41/2.93
48/ 3.3
45/3.1
33/ 2.2
煤
(
亿
t/a / %)
15.15/69.7 30.5
/52.5
29/43
25.2/40
14/30
石油
(
亿
t/a / %)
4.68/21.0
5.0 /17.4
5.7/17
5.0/ 16
2.3/10
天然气
(tcm/a
/%)
0.06/2.7
0.4 /12.4
0.56/15
0.59 /17
0.45/18
其它（亿
tce/a / %)
1.47/6.6
7.3/17.7
12/25
12.2/27
14 /42
上述趋势分析的基本思路是：核能与可再生能源以
5%
的年率持续增长，
10
年后中国非常丰富的非常规天然气资源得以大规模开发，煤的
CCS
< br>利用比率
2020
年以后的
30
年间从
10%
提高到
< br>60%
，石油因资源的有限性和
CCS
< br>利用的规
模限制将在
2020
年
左右达到峰值后逐步减少
[3]
。
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二、城市一次能源到终端利用（工业、商住、交通）的新格局
1
、
低碳时代一次能源在城市用能中的格局
低碳发展要求世界和中国的一次能源消费格局在
30-40
年
间完成如图
1
所
示的重大转型。煤碳最
终必须在扑捉和封存二氧化碳的条件下（
CCS
）才能利
用；由于
CCS
的经济规模所限，这使它必
然退出城市终端用能市场；而转向发
电和煤气化多联产为主，
（
后者就是带冷热电联供的现代煤化工
Multi-Producted
Coal Chem., MCC/CCHP
）
；部分用于制水泥和炼铁（煤或合成气直接还原炼铁
将替代传统的焦炭
/
高炉）
。可再生能源将大部分用于电力生产，
部分直接用于向
低品位、
低能量密度的建筑物用能和化工原料。
天然气超过石油成为主要的工业
和民用燃料。
< br>
2
、
未来
10-20
年城市能源需求的挑战
按照表
1
的估算，
2020
年中国的总能耗
/
人
均能耗将分别由
2005
年的
22.2
增加到
2020
年的的
41
亿
tce / 2.93 tce/p.a
。
显然在这个完成工业化和城镇化的
历史时期
内，
增加的能耗主要是在城市工业、
建筑物和交通三大领域。<
/p>
按天津市
供热办的数据，
该市集中供热负
荷将由目前的
200
万
m
2
增加到
2013
年的
2400
万
m
2<
/p>
和
2020
年的
5500
万
m
2
。按国家发改委能源所的数据，珠三角城市建筑
面积
2030
年将达到
160
亿
m
2
，接近目前的
4
倍。目前广东空调耗电已占电网
夏季高峰负荷的一半，
如此大幅度增长的供能需求增长，
按照现在的利用模式和
能效
，是不可承受的。
3
、
CHP
和
DES/CCHP
在能源终端利用中的地位
至少在本世纪中叶之前，
气候变化所要求的能源转型，
还容许使用一半的化
石能源。
迄今在中国占总能耗
80%--85%
的工业和商住建筑物耗能中，
大部分都
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是低品位的热能。例如占中国能耗近四成的过程工业，终端能耗热
/
电比在
5
以
上
，大部分在
400°
C
以下；建筑耗能
的
80%
的温位与环境温度只差
10-
30°
C
。
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
年来建筑物
能效大大提高。一是维护结构热工性能改进，二是
采用
分布式冷热电联供系统
（
< br>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
高效利用。
前者使住宅单位面积耗能逐年降低，
仅为
中国的一半。
后者使公共建
筑一次能源的终端利用效率提高到<
/p>
70%
以上。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。
发达国家正在继续和加深这些措施，
并成为他们完成减排指标的重要途径
。
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。
而中国
CHP
装机虽占
10%
，
产电量则远低于此。
发展空间还很大。
4
、
终端用能模式的转型和和效率
提高的途径
按照国际市场天然气价格，中国城市终端用天然气
和煤的等热值比价约为
2.5
—
3
倍。简单地用天然气替代煤，用于城市供暖和工业锅炉，单位面积采暖费
用和蒸汽价格都将至少增加
1
倍。这是居民和工业企业都无
法承受的。同时，这
也使天然气下游市场难以按照市场机制开拓。
另方面，
按照这种传统模式以气代
煤，能效提高有限，二氧化
碳减排也只有
40-50%
。不能适应中国节能减排的目
标要求。这是摆在当前中国城市用能面前的一道难题。
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与发达国家相比，
中国的国
情特点一是城镇化要求继续新建大量新城镇和住
区；二是城市工业区、商业中心、居住区
的布局和模式与西方大不相同。这使得
中国能够、而且必须在借鉴西方国家
DES/CCHP
经验和技术基础上，依照具体
国情
，自主创新，创立中国自己的城市终端用能模式和
DES
系统。
在政府主导
的经济体制下跨越式发展：
伴随工业化和城镇化的进
展，
使多数工业园区供能和
建筑物能耗占
80%
的采暖、空调、热水和占
14%
的用电，尽可能用天然气
DES
/CCHP
加可再生能源集约化高效联供。不足部分由电网提供。
迄今绝大部分交通能源依赖石油产品的局面将随着加速的科技进步而根本
改变。
占中国
1.3
亿
t/
a
柴油耗量的近半的中、
重型卡车、
部
分公交车将改用高效、
廉价、
低排放的
LNG
；
智能电网所推进的插电式汽车将替代大部分小型轿车的
燃
油；
第二代生物燃油将提供大部分航空燃料；
非粮乙醇和煤基二甲醚将取代部分
仍做车用燃料的汽、柴油；太阳能制氢气
/
燃料电池车也将在
20
< br>年后实现商业化
应用。
上述交通替代能源科技以及高铁、
城市公共交通的发展所带来的在经济上、
能效上和
CO
2
排放上的优势，必将在今后
< br>20-40
年替代绝大部分汽柴油。这样就
可以使耗量逐
渐减少的石油，与带
CCS
的煤气化和生物质多联产一道，主要
用
于有机化工原料。这种情景，表示于下面的图
2
中。
天然气
电
DES/CCHP
商住用能
核、
再生能
电
智能电网
工业用能
BI0
电
煤
pood
气化多联产
交通用能
加工
轻烃、
石
油
有机化工
图
2
低碳时代一次能源到终端利用的新格局
三、新格局下城市能源供应系统建设、运营和监管机制
1
、
发电、
供热、制冷能源转换联产
---
终端供应组合呼唤集成创新
必须指出的是，
CCHP
决不是反对者简单理解的
0.2MPa
抽汽加热
120°
C
热水供暖，蒸汽吸收制冷供
7
—
12°
C
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
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
< br>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。某些
CCHP
项目效果不
显
著，是源于过于简单化的理解和主观的组合所致
[4]
。
目前许多北方大城市迫于环境和碳减排压
力，正在大规模淘汰燃煤的
CHP
供暖和工业供热机组。
有些城市正在走大规模地源或海水源热泵路线。
因地质条
件、
或没有打井位置的中心区，
只能以天然气联合循
环机组为基础，
寻找其它的
热泵热源。一批中国特色的天然气<
/p>
CCHP
创新系统将脱颖而出。此外，非采暖
期怎么办？总不能单纯发电吧？如何开发常年的生活热水供应市场？如何开拓
公共建
筑夏季供冷的用户？这在中国南、北方的不同城市，情况是很不相同的。
如果说，燃煤<
/p>
CHP
供热机组还常常亏损的话，以比煤贵
2-3
倍的天然气为热源
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