中国城市能源2050

《巴黎协定》提出，要通过全人类的努力实现未来因气候变化导致的大气升温不超过2摄氏度，这一目标预示着，到2050年，全世界二氧化碳排放总量不能超过150亿吨，中国的额度不会高于30～35亿吨。然而，2015年中国碳排放量已达105亿吨，如果持续当前的生活生产方式与能源利用模式，33年后几乎不可能将碳排放削减三分之二。

面对巨大的挑战，中国必须大幅度调整能源系统结构，这既是积极应对气候变化、推动低碳转型、承担大国责任的义务，也是中国自身的战略需求。

纵观发达国家的能源转型过程，在上世纪50年代之前，美国以及欧洲国家均以煤炭作为主要能源，从50年代初到70年代中期，这些国家掀起了一场以油气替代煤炭的能源革命，逐渐过渡到油气时代。到本世纪初，能源转型再次在欧美国家兴起，可再生能源崭露头角，让其碳排放量进一步降低。数据显示，英国2016的碳排放量较1990年减少了约36%，已经降至自1894年以来除20世纪20年代煤炭开采纠纷期间的最低水平。

这些国际经验激励了不少国人，他们希望中国能够走入相同的能源转型通道。2016年，煤炭在中国一次能源消费结构中占比61.3%，中国仍处于煤炭时代，很多人呼吁中国首先应该进入油气时代，尤其是提高天然气消费比重，以尽快降低碳排放，然后再向以可再生能源为主的能源结构转变。

然而，如果以中国实际情况为基础进行分析，这种转型路径成本是极高的。从资源禀赋来说，中国富煤贫油少气，加大油气消费比例，需要进一步提高油气对外依存度，能源安全问题如芒在背。从技术条件来说，中国的燃煤发电技术全球领先，发电标准煤耗是世界上最低的，而各种燃气应用技术则比发达国家落后很多，燃气设备几乎全部依赖进口，放弃自身的优势技术，去追求劣势技术，并不一定明智。

从能源转型进度分析，时间上也不允许中国走从油气时代过渡的老路。石油、天然气是化石能源，即使中国将全部燃煤都换为天然气，考虑到经济发展和用能增长，每年的碳排放量也很难低于70亿吨。如果先花10～15年时间进入油气时代，再花15～20年转向低碳时代，投入巨资打造的油气基础设施还未真正发挥作用，便要分期废弃掉，是不科学、不经济、不聪明的选择。

考虑到能源革命的紧迫性，以及具体国情与资源分布特点，中国的能源转型可能应该一步到位地拥抱可再生能源，以可再生能源发电为基础规划未来的能源系统。

按照30～35亿吨的年碳排放标准，可以这样规划中国2050年的能源结构。第一部分为电力，电气化水平达到50%以上，年发电量8.5万亿～9万亿千万时，其中核电1万亿、水电1.5万亿、风电和太阳能发电均为1万亿，这样非碳电力达到4.5万亿千瓦时，再由燃煤、燃气产生4万亿～4.5万亿千瓦时，由此造成的碳排放量大约为22亿吨。第二部分，非电燃料全年消费17亿吨标准煤，其中生物质提供8.5亿吨，燃煤燃气燃油提供8.5亿吨，综合起来形成的碳排放大致在14亿吨左右。与前面发电碳排放加总为每年36亿吨，略高于届时的碳配额，如果再通过进一步造林等碳汇活动，应该能够找回这1亿吨排放量，从而实现中国的低碳承诺。

其实，由煤炭时代直接向以电为主的低碳时代过渡的能源转型方案，与中国能源需求未来发展方向是相契合的。本世纪以来，中国能源消费快速增长，主要拉动因素是持续大规模的基础设施建设，而这种大规模基建可能再持续十余年便将告一段落，只要不“大拆大建”，未来将不会像现在这样需要巨量钢铁、有色金属、水泥等依靠燃煤生产的建筑材料。到那时，能源需求尽管还会很高，用能结构已然不同，对煤炭需求大幅减少，对电力需求快速增加，恰好可以与低碳能源结构改造相适应。

以可再生能源电力为中心，构建面向未来的能源系统，需要对能源需求端进行比较大的改造。中国的可再生能源地域分布与传统化石能源类似，绝大多数资源分布在“三北”地区，而能源需求中心在东部沿海地区，尤其是东部的城市，西电东输、北电南送的能源输送格局成为必然，这就要求东部城市必须满足大规模接入区外电力的条件。

这并非一件容易做到的事情。目前，中国已经遭遇了比较严重的弃风、弃光、弃水问题，其中，约7成左右的弃风出现在供暖期，在供暖期弃风电量中，低谷时段弃风又占供暖期总弃风的80%。原因在于，现在的热电厂在供暖季调峰能力不足。热电厂除了发电，还要承担北方城市的供暖任务，且均采用“以热定电”的模式运行，这导致其在供暖季的发电量很难调控，难以为风电、太阳能发电腾出接纳空间。

随着中国城镇化发展，城市供热需求还将增加。为了在不影响居民用热的情况下，增加城市能源系统对可再生能源电力的接纳能力，就要改变热电厂以热定电的运行模式。一个可行的办法是，采用“热电厂+蓄能罐+电动热泵”的方式，实现高效的能源转换和电力调峰。具体做法为，给热电厂加装巨型蓄热装置和调峰装置，在电力需求较大时发挥机组最大发电能力，靠蓄热装置供热，在电力需求较小时，只输出相当于最大容量40%左右的电力，其他全高效地转换为热能，除满足当时的供给要求外还蓄存到蓄能罐中。这样，可以根据电力负荷变化，在锅炉主蒸汽量仅在80%～100%范围内调节的条件下，实现对输出电力的连续调节，在避免高效电厂低效运行前提下解决区外电力的供需矛盾。

充分利用纯凝电厂和各类工业余热作为热源，进行城市集中供热，也可以在很大程度缓解因供暖造成的电力消纳不足问题。目前，在冬季，全国纯凝火力发电厂有大约6亿千瓦热量可用，五大耗能工业（钢铁、有色、建材、石化、炼油）排放的余热为2亿千瓦，如果取热电厂余热的70%和工业余热的50%作为城镇供热的基础热源，则二者合计为5.2亿千瓦，可为130亿平方米建筑提供40瓦/平方米的热量，只需再补充一部分用于调峰的末端燃气锅炉，就可以满足目前北方城镇集中供热系统的热源需求。

未来的城市供热系统，应该是一张跨区域联接的大热网，把不同的低品位工业余热热源联接在一起，与分散在城市中的成千上万个热力站连接，通过大管网互通互联，输送到城市，根据电力需求变化调节热电厂出力，根据工厂生产需要互通有无，满足城市居民的热需求。这样的场景模式不但解决了当前的难题，还可以大幅度地提高城市能源利用效率。

来源：能源评论•首席能源观、国网城市能源院

作者：江亿

（中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任）