天然氣在世界節能減排中的作用論述

摘 要

摘要：本文主要通過對不同化石燃料排放量不同計算方法的對比分析、各國能源構成情況及能源結構合理利用的重要性等方面，結合我國能源構成的實際情況論述了天然氣在世界節能減排
摘要：本文主要通過對不同化石燃料排放量不同計算方法的對比分析、各國能源構成情況及能源結構合理利用的重要性等方面，結合我國能源構成的實際情況論述了天然氣在世界節能減排中的重要地位。
1 前言
    能源是生活質量的基礎，是近代經濟發展的重要組成部分，缺乏豐富的能源供應，難以想象如何能滿足地球上當今的68億人口或2050年預期可能達到的90億人口需要。另一方面，氣候變化是人類面臨的主要挑戰，經濟發展需要能源供應繼續增長，當今C02排放量的70%與能源有關，國際能源署的基本數據(IEA2008年)表明，2050年C02的排放量將從1990年的20.6×109t碳增加到62×109t碳，60年中將增加3倍多。
    化石燃料燃燒后均會產生C02，但不同化石燃料因含C量的不同燃燒產生的C02也不同，使用的效率也有差異，因此其節能、減排的燃燒總效率也不同，因而就產生了不同能源結構有不同節能減排效果的問題。
    又由于任何能源均包括采集、處理、儲存、運輸、分配和終端應用等環節，不能僅根據一個終端應用(如燃燒)環節就對一種能源做出節能減排效果的評價，這就是壽命期評價(LCA)的意義。對氣體燃料而言，如天然氣的主要成份甲烷(CH4)，本身就是一種溫室氣體，對各個環節應做出漏泄的評價，因此，從客觀上不同能源的節能、減排效果分析本身就是一個相當復雜的問題，這與工程設計上必須已知燃料的元素或組成分析結果后，進行燃料計算得出燃燒產物的方法不同。
    對一個國家而言，其能源結構除與本國秉賦的能源資源有關外，還與其經過研究制定的本國能源政策有關。甚至會影響到能源的國際貿易和國家的安全政策。研究各國的能源結構有利于了解各國根據本國情況做出的政策思路，包括近期的和長遠的計劃。
    由于本研究命題涉及范同很大，非個人能力所及，只能從已有的資料做一些初步探討開始。
2 不同化石燃料排放量的計算
    國際上對不同化石燃料排放量計算的原始數據不完全相同，以下是國際燃氣聯盟(IGU)在不同年份發表的數據。
    (1) IGU(1991.5西班牙巴塞羅那會議)工作委員會報告“燃氣與環境”一文中的計算方法(以下用方法1表示)，見表1。

    (2) 2002年6月在法國尼斯召開的21屆燃氣大會上工作委員會8(WOC8)發表的“環境、安全與健康”一文中天然氣生產中漏氣率與油、煤相比的排放盈虧平衡圖(以下用方法2表示)，見圖1。

    該方法用生產、運輸中各種燃料的漏氣率表示其排放量的平衡圖。
    ●1995年全球天然氣工業CH4排放量為20000kt，產量(按低熱值計為79000×1015J，平均CH4排放量為0.26kt/1015J(即0.92g/kWh或19.329 C02eq/kWh)0.92g CH4/kwh相當漏氣率為1.3%。(當年世界天然氣的產量約為22000億m3)
    ●1990年油生產中CH4排放量17×106t，產量為3.18×109t，相當38×1012kwh，CH4的單位排放量為0.45gCH4/kWh(9.45g C02eq/kWh)。(17×1012g CH4/38×1012kWh=0.45CH4/kWh)
    ●硬煤CH4排放量22×106t，全球產量3.57×109t相當29.5×104kwh，CH4的單位排放量為0.75g CH4/kwh(22×1012g CH4/29.5×104kWh=0.75g CH4/kWh)
    若天然氣的漏損率達到4%～6%其排放量相當于油，若達到8%～13%則排放量相當于不同煤種。
    (3) 1997年在丹麥哥本哈根召開的第20屑國際燃氣會議的簡報上發表的不同的燃料燃燒后形成的溫室氣體量，其特點為單位采用每109J熱值的燃料燃燒后可產生的溫室氣體排放量(kgC02)。
 

    由于不同煤種和不同油種的燃燒可產生的溫氣體量也不同，圖中煤炭以褐煤和硬煤為代表，油量以重油和汽油代表。供不同燃料C02的排放量更細化。(以下用方法3表示)，見圖2：
    計算說明：
    1t標煤的熱量為29.3076GJ
    1t標煤的褐煤C02的排放量為29.3076×101=2960kg
    1t標煤的硬煤C02的排放量為29.3076×94.6=2772.4kg
    1t標煤的重油C02的排放量為29.3076×77.4=2268.3kg
    1t標煤的汽油C02的排放量為29.3076×74=2168.7kg
    1t標煤的天然氣C02的排放量為29.3076×56=1641.1752kg
    假設煤以平均值2866.2kg C02作代表
    假設油以平均值2218.5kg C02作代表
    可得結果：若煤為100，則油為2218.5/2866.2×100=77.4，氣為1641.18/2866.2×100=57.3
    (4) 2003年在日本東京22屆燃氣大會上特別報告《全球能源前景》一文中發表的計算方法。(以下用方法4表示)
    本方法認為排放量計算中不僅應考慮到燃料的性質，還應考慮燃燒的效率。方法中列出了所采用的煤、油、氣效率值，但未能對效率值得數量來源或依據做進一步的證明。效率應該是指本國使用該燃料的平均效率，與使用的設備有關，如深入的討論還會有很大的分歧。
    日本的分析認為：若煤為100，則油為75，氣為34。(考慮效率后的排放量)
   依據：C02排放量：煤100；油80；氣57。(未考慮效率時的排放量)
    采用的效率值%：煤33；油35；氣55。
    (5) 中國科學院能源領域戰略研究組在《中國2050年能源科技發展路線圖》中引用日本的數據(The Energy Data and Modeling Center，the Institute of Energy Economics，Japan，2008 Handbook of Energy Economics Statistics in Japan，2008)，當前已常作為我國在計算不同燃料排放量時的計算依據。(以下用方法5表示)
    宏觀計算中統一采用以下排放系數：煤炭2.66tC02eq/hce；石油2.02tC02eq/hce；天然氣1.47tC02eq/hce。
    現將以上5種不同的計算C02排放量方法匯總于表2中進行比較。
表2 5種計算CO2排放量方法的比較
 
煤
油
氣
方法1
100
64.6
47.9
方法3
100
77.4
57.3
方法4(a)
100
80
57
方法4(b)
100
75
34
方法5
100
75.9
55'3
由表2可知：
① 除表1所示和表2中日本考慮效率后的排放量方法外，其他方法的數據均類似，相差不大。說明此法的模型未考慮到不同燃料的使用效率，仍以終端燃料結果為依據，且并未從整個燃料鏈的排放量出發。
    ② 表2中，日本介紹了各種燃料考慮燃料效率后的排放量。美國資料也認為天然氣比其他燃料可少排放45%的C02，如采用高效燃燒技術甚至可能減少70%的C02。但效率應采取不同使用設備的平均綜合效率，這又是一個重要的研究課題。
    ③ 上述參考文獻2的方法考慮了整個燃料系統排放情況的比較。指出天然氣系統漏氣率與溫室氣體排放的關系。近年來，從燃氣鏈不同環節研究溫室氣體排放量的研究結果(壽命期評估)已逐漸增多，值得研究。
    ④ 排放量的計算結果應與大氣監測的數據相一致才有意義，真正達到可測量、可報告、可核實的水平，則尚需做很多工作。
3 各圈能源結構的分析
    當今我國研究節能、減排的許多文獻中均常出現以我國單位GDP的能耗與國外特別是發達國家的情況相比較，得出的結論是“差距很大，因而可挖的潛力也很大”，克服差距的手段是“科技進步”，采用的方法是關停產能落后的企業。，實際上節能減排不僅與科技進步有關，也與一個國家的能源構成有關。不同能源構成國家的節能減排在宏觀上存在許多不可比性，應有實事求是的分析。為此，本文根據國際燃氣聯盟多年公布的研究資料，做一些分析探討，從本世紀以來世界的能源構成開始。
    (1) 世界一次能源的消費構成、世界工業用能構成和世界發電用能構成可見表3、表4、表5

    2000年可再生能源的13.8%中：燃燒型可再生物和廢棄物(CRW)占11%，水電占2.3%，其它占0.5%。在其它的0.5%中，潮汐能占0.004%，風能占0.02%，太陽能占0.039%，地熱能占0.42%，其他占0.017%。WEC預測2020年加工轉化的生物能在全球再生能源的比重將接近60%。
    本世紀世界能源的構成經歷了上世紀70年代的能源危機(實質是石油危機)和隨后日本《京都議程》氣候變暖問題的議題，加上在我國召開的“十五”屆世界石油大會上提出了在本世紀中葉，天然氣將成為主要能源的預測，形成了表3所示的世界能源構成格局，其特點是3種主要化石燃料仍占主要地位，油、氣比重不斷提高，核能和可再生能源比例不高，但是發展迅速。耗能最大的工業部門用能的構成可見表4，其中電力消費將逐步上升為首位，也必然會注意到發電耗能的各種能源構成問題(表5)。從表3、表4和表5，可看到世界本世紀能源構成的趨勢，其中天然氣的地位尤應得到重視。
根據我國2005年-2010年國民經濟和社會發展統計公報中主要工業產品產量數據可匯總成表6，表中最后一項以標煤計的總計數則還包括了進口的能源數量)。
表6 我國一次能源的消費結構2005年-2010年—我國國民經濟統計
 
2005
2006
2007
2008
2009
2010
原煤(億t)
21.9
23.8
25.36
27.93
30.5
32.4
原油(億t)
1.81
1.84
1.87
1.90
1.89
2.03
天然氣(億m3)
500
585.5
693.1
760.8
851.7
967.6
發電量(億kwh)
24747
28344
32772
34668.8
37146.5
42065.4
其中：火電(億kwh)
20180
23573
27218.3
27900.8
29827.8
33301.3
水電(億kwh)
4010
4167
4828.8
5851.9
6156.4
7210.2
核電(億kwh)
557
604
730.1
916.1
701.3
738.8
總計(以標煤計)(億t)
22.7
24.63
26.56
29.10
31.oo
32.50
    表6中若以火力發電耗煤量以350g/kWh計，則2010年火電總量33301.3×1O8kWh，相當11.66億t標煤(折算成5500kcol/kWh的動力煤為14.84億t，相當32.4億t原煤的46%，)約占總能源的(11.66/32.5=0.36)36%，所占比例很高。但從發布的資料中難以得出工業部門和其他部門的能耗構成情況(如表4所表達的世界工業用能構成)。由表5可知，世界發電的能耗構成中主要是煤、氣、可再生能源和核能，燃油發電所占的比例較小。上述從世界一次能源的消費結構來看，我國是一個突出的“以煤為主”的能源消費國家，這可從研究和分析對比以下其他國家的情況后，得出一些有意義的認識。
    (2) 世界一些國家工業用能的構成(2006年)
    在參考文獻24屆世界燃氣大會工作委員會5(WOC5)資料中，國際燃氣聯盟對所屬會員國和地區工業用能的構成做了研究，經整理匯總后可見表7：

    由表7可知：
    ① 在工業用能構成中煤炭比重超過30%的國家和地區有：中國、印度、印尼等8個國家，其中排在前三位的是中國占57%，越南占53%、印尼占37%。除南非外，其他國家和地區用于工業的油、氣比重均高于我國。由于政治原因，南非的用能構成與我國類似，煤炭占主要地位，其煤制氣曾為我國所關注，近年天然氣發展較快。
   ② 我國單位GDP的能耗高于印度，原因之一是印度工業用油氣比重以及可再生能源的利用率均高于為我國。
   ③ 發達國家用于工業的油氣比重均很高，表現在單位GDP的能耗量也大大低于我國。
   ④ 世界工業用戶燃料構成中，燃氣比重超過30%的國家有美國、加拿大、墨西哥等33個國家，其中排在前3位的是卡塔爾占90%、阿聯酋占86%、弧美尼啞占85%，與這些國家天然氣資源的稟賦有關。而中國只占3%。
    ⑤ 工業用能構成中可再生能源比重超過20%的國家有10個，排在前面的3個國家是：菲律賓占50%、巴西占44%，瑞典占32%，應進一步研究。
    ⑥ 風能、太陽能、地熱能等在工業部門所占的比重較小。
表7說明了從節能、減排的觀點來看各國工業部門的能源構成，我國所處的地位十分不利。調整能源構成，發展氣體燃料是可選擇的重要途徑。
(3) 全球最終能源的消費量和C02的排放量(見表8)
表8 2005年全球最終能源消費和C02排放量
 
總量
工業%
民用%
商業%
交通%
其他%
合計
最終消費
285EJ
33
29
9
26
3
100
C02排放量
21GtC02
38
21
12
25
4
100
   由表8可知：
   2005年全球能源總消費量為285×108J(相當97.3億t標煤)，南表6可知，我國當年川能為22.74L,標煤約占全球的23.3%。C02的排放量210億t，如果按表3中2004年的能源消費結構計，相當每t標煤的能源排放2.16t(210×109tC02/97.3×109t=2.16tCO2eq/tce 6)C02。說明用能構成對C02排放量的影響很大。如我圍能源C02的平均排放量要達到這一值，則必須調整能源構成，發展氣體燃料是較現實的途徑。
4 能源的合理利用
為了盡可能防止和避免能源的轉換損失，不同能源的利用應根據效率與排放量，制定一個合理利用的原則，達到最佳利用的目的。根據參考文獻[2]中美國2002年-2006年一次能源的消費流程圖示，現整理成表9：
表9美國2002年-2006年一次能源的消費流程
供應方
消費方
民用與商業
工業
交通運輸
電力生產
合計
天然氣：1164Mtoe
392
399
33
340
1164
煤：2135Mtoe
8
189
—
1938
2135
石油：2559Mtoe
153
399
1952
55
2559
總計：5858Mtoe
553
987
1985
2333
5858
電力分配：2333Mtoe
1690
638
5
—
—
合計終端(用能)
2243
1625
1990
—
5858
注：Mtoe為百萬噸油當量
    由表9可知：
    (1) 美國主要用于電力生產的煤炭占83.07%，天然氣占14.57%，石油占2.36%(比例最小)。
    (2) 民用與商業中：電力占75.35%(相當間接消費煤炭62.59%，天然氣占10.98%，石油占1.78%)，其中煤炭轉換的電力比例較大，天然氣占17.47%，石油占6.82%，煤僅占0.36%。
    (3) 工業部門中電力占：39.27%(相當間接消費煤炭32.63%，天然氣5.72%和石油占0.92%)和油氣占49.1%，煤占11.63%。其中油、氣占主要比例。
    (4) 交通運輸部門主要為石油占98.09%，天然氣和電力所占比重很少，為1.91%(天然氣占1.65%，電力占0.26%)。
    (5) 一次能源的利用必須考慮到“最佳利用”的原則。
5 同際能源機構對2030年世界和我國能源需求的預測
表10 國際機構對世界油氣需求的預測(Mtoe)
 
油
氣
煤
2030年
5300
3800
5000
    IEA《世界能源展望2008》，石油遠大于核能、非烴水能及可再生能源所占比例的總和。
表11 國際機構對中國2030年，油、氣需求預測
機構
EIA(美國能源信息機構)
IEA(國際能源署)
結算情況
基
基
高增長
低增長
高油價
低油價
石油
8.08
8.O2
8.94
7.15
6.95
9.25
天然氣
2360
1981
2151
1811
2066
1896
    由表10和表11可知，在本世紀的上半葉，全球能源的消費構成仍以化石燃料為主。從歷史看，發達國家依靠化石燃料實現了本國的工業化和城鎮化，這一趨勢在本世紀上半葉仍繼續延伸。
6 幾點認識
    (1) 我國受單位GDP的能耗居高難降和應對氣候變化的壓力越來越大，多年來雖做了很大的努力，但難見明顯的成效。2010年我國消耗了世界能源的19.5%，使GDP達到世界的9.5%，單位GDP能耗高出世界平均值的一倍，是日本的4.9倍。重要的原因之一是受制于我國的能源構成的現狀。這一情況不是短期內能夠扭轉的。
    (2) 不同的能源構成有不同的能源利用效率及不同的溫室氣體排放量。從本文67個國家和地區的能源構成數據來看，我國這樣一個人口大國，以煤為主的能源構成是唯一的國家。能源構成的狀況不僅與發達國家相差甚遠，在亞洲國家和地區中也甚為突出。在建設資源節約型和環境友好型社會中遇到的困難也必然最多，科技創新的要求也最高，缺乏先例的國家經驗借鑒，科技效果要求的數量級很大。化石燃料仍是發展的主要基礎，但以煤為主的構成必須調整。
    (3) 從本文提供的示例可知，各種能源的合理利用十分重要。美國2002年-2006年一次能源的消費流程是根據上世紀70年代石油危機后得到的經驗逐步調整而形成的，新能源利用與能源的轉換利用受到大規模發展時經濟效益不佳的制約。，自上世紀70年代世界石油危機后，在能源構成世界上出現了大量的新技術，至今未能廣泛應用的原因就在這里。在我國也就是不能到處搞所謂的“形象工程”，脫離經濟效益的技術不會有時代的生命力。
    (4) 本文涉及的不同燃料溫室氣體排放量計算中的問題等，世界各國至今仍在深入研究。本文的圖2重新給了一些新概念，天然氣鏈從生產、處理、儲存、運輸、分配和終端利用各個環節的排放量研究已有一定數據發表，壽命期評估(LCA)正在被大家所接受。
    (5) 本文所引用的資料均是本世紀以來值得研究的數據，從中可看出世界各國對本世紀能源構成的共同發展方向。在化石燃料中，由于天然氣的碳/氫比較小，是唯一能滿足節能、減排要求的燃料，常稱為環境友好燃料。在世界各國的能源構成中，我國是所占比重最低的國家之一，改革開放以來的變化也很小。增加1000億m3的天然氣，相當于1.2億t的標準煤，按表2可算出燃料效率提高后的節能量和C02減排量。當今世界年消耗天然氣約2.48億m3，相當近29億t標煤，在世界能源、減排中有舉足輕重的作用，到2030年估計全球天然氣消費料將達4.5億m3-5億m3。國際研究表明，加上可再生能源，新能源和其它減排措施后，全球C02的濃度可能降低到1990年水平的要求。本世界以來天然氣已形成了較大的國際市場，發展天然氣已成為各國應對氣候變暖的首選方案。我國在國家“十二五”規劃綱要中已有反映。
    (6) 我國進口天然氣的主要障礙是氣價的承受能力較低，不僅低于發達國家，也低于一些發展中的國家。與我國經濟發展中長期依賴低煤價的原因有關，也與人民購買能力或內需擴大能力不足的情況相類似，是一個值得深入研究的問題。
    (7) 表7中某些國家工業用能中可再生能源所占的比重較高，值得進一步研究。
 
(本文作者：趙志楠 中國市政工程華北設計研究總院 300074)