摘要：為了實現向低碳轉型的目標，分別從能源耗量、資源量和碳排放約束3個不同角度分析了石油、煤和天然氣這3種化石能源的博弈走勢。結論指出：①從現在到2030年，天然氣的總耗量將增長最快，在總能耗的占比也將不斷攀升；②石油居一次能源首位的位置注定要被天然氣取代；③天然氣在中國低碳能源過渡時期具有節能減排、支撐經濟增長、調峰和降低石油對外依存度的關鍵作用；④應快速、普及推廣分布式冷熱電聯供能源系統，大力發展天然氣汽車/船產業，此舉可使中國新增部分的工業及建筑物能效提高一倍，碳排放減少70%，每年將減少1×108t的石油進口，保障經濟發展所需的能源和電力供應，基本解決電網晝夜調峰問題，并且每年將節省數以萬億元計的投資，減少數億噸的能耗。最后強調指出：能源低碳轉型呼喚觀念、政策和機制的轉變。
關鍵詞：中國；低碳能源；能效；天然氣；冷熱電聯供；天然氣汽車/船；能源戰略；轉變
自2009年底的哥本哈根會議，人類開始了向低碳能源轉型的時代。這是一個相當長的歷史時期，到21世紀中期的2050年，即使按照“京都議定書”的目標，屆時碳排放總量降低到1990年的一半(即100×108t/a)，可再生能源也只能占到總能耗的一半左右，另一半仍然還將依靠化石能源——石油、煤和天然氣。從現在到2050年近40年的歷史時期，特別是其前20年(即從現在到2030年期間)，這3種化石能源如何博弈、消長才有利于實現向低碳轉型的目標？這需要決策者拓寬時空視野，全面分析、判斷，才能高屋建瓴、制定出正確的能源戰略。
1 從能源耗量、資源量和碳排放約束看3種化石能源的博弈走勢
1) 到2030年，30億人口的新興國家將要實現工業化，這將使世界一次能源消耗量繼續增大。國際能源機構(International Energy Agency，IEA)判斷，屆時世界總能耗將比2005年增長60%，達到250×108t/a。向低碳能源轉型的進程將使可再生能源占總能耗的比例增加到1/3，其余2/3的能耗還將依靠煤、石油和天然氣。
2) 英國石油公司(BP)2009年估計：按照已知的資源量和目前的消耗量來看，煤、天然氣和石油還分別夠用185年、67年和42年。但是近5年來美國頁巖氣戲劇性的快速增長導致了一場世界能源“靜悄悄的革命”，改變了上述預期。按照美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)2010年6月的報告估計，僅就美國和中國來說，頁巖氣資源可用100～150年，這將使天然氣在3者的博弈中穩占上風。即使按照“石油峰值論”反對者的估計，假設石油資源能比2009年的已知量增大一倍，也不過能用84年。石油居一次能源首位的位置注定要被天然氣取代，這只是時間問題而已。
3) 從碳排放約束的角度看，目前大規模用于發電和化工行業的煤的二氧化碳捕集封存(CCS)技術的成本約為250元/t(38歐元/t)。IEA估計，到2020年，科技進步將導致CCS成本進一步降低，能夠使10%的煤實現CCS利用，但其成本是否能夠與天然氣競爭仍是一個問題。至于石油，不論其終端產品是交通燃料還是化工產品，所產生的二氧化碳都是在彌散狀態下釋放的，無法實現CCS。而天然氣采用冷熱電聯供技術應用時碳排放僅為燃煤的1/4。
綜上所述，從現在到2030年，3種化石能源中的天然氣的總耗量將增長最快，在總能耗的占比也將不斷攀升；煤的耗量消長取決于CCS成本的降低程度；而石油的總耗量雖然還會小幅增長一段時間，但占總能耗的比例必將不斷下降[1～3]。
2 天然氣是提高能效、減排二氧化碳的關鍵一次能源
1) 占總能耗2/3以上的工業和建筑物耗能中，各種溫位的熱能多于電能。2007年中國工業終端耗能中以燃煤為主的燃料供熱占65.4%、電能占22.6%；按照中國住房和城鄉建設部的統計，建筑物耗能中65%是采暖和空調用能，15%是生活熱水用能，14%是電耗能，6%是炊事用能。傳統的供能模式一方面是用天然氣鍋爐生產這些低品位熱能，是典型的“高能低用”；另一方面是用天然氣單純發電，用能效率最高不過60%，其余近一半的低溫度熱能作為“廢熱”被排棄了。如果采用分布式冷熱電聯供能源系統(Distributed Energy System/Combined Cooling，Heating and Power，簡稱DES/CCHP或DES)，燃料先發電，低品位余熱再“聯供”蒸汽和熱水，實現“高能高用，低能低用，溫度對口，梯級利用”的科學用能，用能效率就能夠超過80%。
2) 由中國和美國能流圖的數據可以計算出兩國工業耗能的總效率：煤占總能耗11%的美國工業能效是80%，而煤占總能耗62%的中國工業能效僅為52%。因為美國天然氣發電效率超過50%，DES已占總發電量的8%，而中國煤電效率只有35%，部分季節的DES也只占7%左右。由此可見，煤長期占一次能源的70%是中國能效比世界平均能效低13個百分點的主要原因[4]。
3) 從經濟合作和發展組織(0rganization for Economic Cooperation and Development，OECD)國家發展歷程來看，正是20世紀70年代末一次能源開始向天然氣轉型及能源科技進步(包括DES技術)使這些國家的能效逐步得以提高。日本和韓國正是利用了這個歷史機遇，在其經濟起飛和實現工業化階段的人均能耗比美國、英國等國家的人均能耗大為降低。當人均GDP達到1萬美元時，美國的人均能耗為8t/a，英國為6t/a，日本為4.1t/a，韓國為3.9t/a，而中國深圳2008年人均GDP達到1萬美元時的人均能耗為5.7t/a。個中原因，是值得深刻反思的。
4) 天然氣分布式冷熱電聯供能源系統可使能效大大提高。分布式冷熱電聯供能源系統是20世紀70年代末先后在美國、歐洲國家和日本等實行市場經濟體制國家發展起來的，當時這些國家都已經實現了工業化和城市化發展，其新建的DES絕大多數都是不涉及城市中道路開挖、管線敷設的“樓宇型”或“用戶型”，而平均裝機容量為78MW的“區域型”DES雖然數量僅占整個DES的2.8%，但其發電量卻占了總發電量的42.8%。按照美國能源部的統計，DES的能效比傳統模式能效提高了46%[5]。
中國發展DES雖然比上述國家遲了30年，但今天中國的國情與他們當時的國情有很大的不同：今天的中國正處在全球化、低碳轉型和快速實現工業化、城市化的進程中，擁有大批新建的新工業園區和新城區，城市人口眾多，居住密集，城市工業、商業、住宅3種功能區集中布局。這使得中國在基于本國國情基礎上對DES進行了集成創新，發展了一大批100MW級的、比西方國家DES效率更高的區域型DES能源利用系統。圖1為廣東省某市38km2工業園區的分布式冷熱電聯供能源系統布局圖。數據顯示該工業園區按傳統分供模式的供冷、供熱水和供蒸汽的耗氣量為1.57×108m3/a，而DES聯供模式耗氣量僅為1.0×108m3/a，效率提高36%。如果發電裝機容量與按照區域內冷能、熱水、蒸汽的需求總量和時空分布匹配適當，總能效可超過90%。由此可見，普遍推廣天然氣DES系統是中國提高能效的戰略舉措。
3 天然氣是中國2010—2030年間以低碳能源支撐經濟增長的關鍵
1) 過去10年中國經濟以年增10%的速度增長主要是依靠每年多耗(2～3)×108t煤。2010年中國耗煤32.5×108t，占世界煤耗的48.3%，這是中國的碳排放(已達67×108t/a)居世界第一位的主要原因。中國政府要兌現所承諾的到2020年單位GDP碳排放降低40%～45%的目標，就必須徹底改變這種低能效消耗燃煤的惡性循環發展模式。為此，中國“十二五”能源規劃提出到2015年煤耗“封頂”在38×108t/a的指標，且新增的煤炭主要用于新建先進的超超臨界坑口電站和純氧煤氣化多聯產。兇此，中國中、東部所有的新工業園區、新城區60%～80%的燃料需求都不可能繼續依靠燃煤，只能轉向使用天然氣。
2) 中國“十二五”能源規劃天然氣消耗每年增加300×108m3/a(約合耗煤0.39×108t/a)。采用傳統天然氣利用技術遠不能保障年增1×108t/a的能源需求，而在工業和商住終端耗能中采用先進、高效的天然氣DES利用技術，能使能效提高1倍，300×108m3/a天然氣就能夠替代相當于0.8×108t/a的煤炭，支撐中國工業化和城鎮化發展的能源需求，實現到2020年單位GDP碳排放降低40%～45%的目標。
3) 由于中國開發天然氣起步較晚，迄今資源狀況尚未摸清，在相當長的時期內，一部分天然氣(30%左右)還將依靠進口。而近20年天然氣的國際貿易價格很可能維持在高位(以目前情況為例，東南沿海地區天然氣與煤的等熱值國內消費價格比為2.0～2.5)。采用傳統利用模式以天然氣替代煤無論是用于單純發電，還是用于單純產蒸汽、供熱水，都會兇其成本遠高于耗煤而無法承受。在全國范圍內較快地普遍推廣上述較大型天然氣DES，就能夠靠提高能效來降低成本。
4 天然氣冷熱電聯供能源系統是保障中國電力供應可靠性和調峰的關鍵
1) 中國能源/電力有2個特點：①自西向東長距離輸送；②隨著可再生能源占比的增大，調峰問題日益尖銳。對此，單純采用特高壓“西電東送”和建設大批抽水蓄能電站的傳統戰略，不僅耗費數以萬億元計的投資和大量能源，而且難以保障負荷中心的電力供應可靠性，并且增加了7%的電力長輸損耗和25%的抽水蓄能損耗，為了彌補這些能源損耗，又需要增加一次能源的開采、消耗和碳排放，降低了總體能源利用效率。按照2020年規劃發電量8×1012kWh、“西電東送”占一半、抽水蓄能占13%估算，兩項電量損失約0.53×1012kWh，按照最先進的發電煤耗310g/kWh計，也須增加煤耗1.6×108t/a，占總能耗的3.5%。因此，有必要跳出傳統思維尋求新的解決辦法。
2) DES保障電力供應的可靠性在OECD國家已有成功經驗。2003年北美電網故障導致的大規模停電事故發生時，大部分地方的電力供應中斷，生產和生活受到重大影響。但在政府機關(如國防部)、大型企業以及其他設置有DES的地方卻能照常供電，并且在電網故障排除后還可以協助電網黑啟動。所以在該事故發生后，墨西哥城和紐約市“亡羊補牢”，分別新建了6個和5個DES。21世紀初美國能源部規劃2010年DES發電量占總電量的14%，2020年將達到29%。奧巴馬總統最近的能源政策也強調了加速發展DES的重要性。
3) DES能就地供應冷能、熱水、蒸汽和電，減少部分高峰時段的電力負荷，具有幫助電網“削峰”的作用。但是如果在夜間的“谷段”也運行DES，并且發電上網，就會增加電網調峰的負擔。在當前中國國情和智能電網即將廣泛推行的條件下，中國可以集成創新，使絕大部分區域型DES系統晝開夜停，每天運行16h，兼做調峰電站。
4) 如果中國“十二五”新增的1200×108m3/a天然氣能夠用在經濟發達的電力負荷中心建設上千個大型DES，在水電、核電、新能源發電量保持不變的條件下，就能夠使氣電裝機增加到1.1×108kW，發電量增至0.5×1012kWh/a，占比由4.5%提高到8.4%，超過美國2000年的水平。同時還能使煤電增幅相應減少，煤電量的占比由70%降至66%。到2020年氣電裝機可增加到2.2×108kW，占比為14%，相當于美國2010年的水平，這將大大增強電力供應的可靠性，并且大大減少“西電東送”的比率和抽水蓄能電站的建設規模，再加上大規模設置的插電式汽車電池夜間充電，就能夠極大地緩解電網調峰的挑戰[6～7]。
5 天然氣是中國交通能源多元化、降低石油對外依存度的關鍵
5.1 交通能源多元化，替代石油產品，是全世界的必然趨勢
在向低碳能源轉型的歷史時期，目前還占世界一次能源消費首位(35%)、主要用于交通燃料的石油大部分將在2050年被其他低碳清潔能源所替代。圖2是中國未來交通能源構成變化趨勢預測圖。事實上，2011年3月21日歐盟委員會已向歐洲議會提出了“2050年禁止使用汽柴油車，2030年汽柴油車使用減半”的法案。IEA估計生物燃料將于2040年成為主力航空燃料，到2050年其應用將占全球運輸業的25%。國際天然氣汽車協會預計世界天然氣交通工具將以年增17.8%的速度增長，到2020年將達6500萬輛，約為2005年汽車總量的9%。隨著科技進步的加速，上述轉型的進程很可能還將加快。
5.2 天然氣是到2020年中國降低石油對外依存度的關鍵
如前所述，在向低碳能源轉型的歷史進程中，石汛煤和天然氣3種化石能源的博弈消長，在從現在到2020年期間最為關鍵。近年來中國石油對外依存度快速攀升，2011年上半年中國石油對外依存度已超過54%，對國家戰略安全構成威脅。主要依靠石油的交通能源向低碳能源轉型已成為迫在眉睫的戰略需求。
交通燃料占美國石油消費的69%(2002年)，其中，汽油消耗是柴油消耗的2倍。2010年中國石油加工量為4.23×108t，其中60%是汽柴煤油(柴油為1.59×108t，汽油為0.77×108t，煤油為0.17×108t)，可見中國的石油消費與美國石油消費情況相反，柴油消耗是汽油消耗的2倍。但在目前的中國媒體上，“新能源汽車”幾乎成了“交通能源替代”的同義語，且其內涵完全局限于替代汽油的插電式或混合動力小汽車，而從上述數據分析看來，柴油的替代對減少石油消耗比汽油替代更為重要、更為緊迫，應當提升到替代石油進口和交通能源向低碳能源轉型的戰略高度來對待。
5.3 中國天然氣汽車(NGV)發展的現狀和前景
按照國際天然氣汽車協會的統計，到2009年中國NGV保有量已有50萬輛，居世界第7位。2008年世界金融危機之前石油價格一度沖高到147美元/桶，國內油品價格隨之調高，極大地促進了中國NGV的發展。國內在運行的液化天然氣汽車(LNGV)耗能是以1m3天然氣能夠替代1L柴油(或汽油)，按照目前國內LNG/CNG加氣站的市場價格4～5元/m3，替代7～8元/L的汽柴油有相當大的經濟效益。因此，在我國兩部主要大城市如重慶、西安、成都和烏魯木齊等，替代汽油的CNG出租車已經普及，而在新疆、長沙、北京等地，LNG替代柴油的公共汽車、城際客車、重型卡車以及長江、大運河的船舶均已開始快速發展。
目前，引進、消化國外技術的200～500kW車用天然氣發動機和700～1000kW船用中速天然氣發動機國產化批量生產能力已經形成，燃料箱、加氣設施和整車制造等產業也都已經國產化，進口LNG接收站的陸續投運和中國特色的小型LNG市場的迅速壯大，已經形成了市場化的LNG供應鏈，汽柴油持續漲價拉大了與車、船用天然氣的差價，這些都為LNGV的快速發展奠立了基礎。但是，LNGV替代柴油車的產業鏈(包括發動機、燃料箱和整車制造等)、LNG供應鏈、加氣站規劃及布局、運輸公司車/船生命周期置換等遠比CNG汽車產業的情況復雜，需要由中央和地方政府有關部門的統籌、協調規劃，不可能南任何一個企業推動起來。這正是中國LNGV產業發展緩慢的主要原因。
在已經具備的基礎條件之上，只要各級政府行動起來，制訂好發展NGV特別是LNGV的規劃和各項政策，從現在到2030年，中國天然氣替代石油作為交通燃料的產業必定能夠快速發展起來，且中國將作為LNGV硬件制造業基地引領世界這一產業的潮流。到2020年和2030年，中國的交通燃料市場將至少需要500×108m3/a和1000×108m3/a天然氣(占能耗總量的12%～16%)用于交通燃料，替代4000×104t/a和8000×108t/a柴油，每年將減少1×108t的石油進口。
6 能源低碳轉型呼喚觀念、政策和機制的轉變
6.1 觀念決定一切
國家“十二五”能源規劃正確地制訂了加快天然氣增長速度、加大其發展規模的戰略。但是，長期以來許多習以為常的陳舊觀念仍在影響著人們(特別是各級政府一些決策層官員)的思維，致使迄今還沒有用好天然氣、向低碳能源轉型的思想準備和正確規劃。下面舉幾個例子：①堅持認為中國能源資源稟賦是“富煤、缺油、少氣”；②GDP增長是一切工作的中心，“該燒煤就燒，管它低碳不低碳!”；③“分布式能源就是樓宇型和用戶型的，以MW級為限，大型天然氣電站不叫分布式能源”；④大型天然氣DES協同電網調峰固然好，但它們不是電網公司的資產，少建特高壓輸電線路和抽水蓄能電站是可以節省資金，但不利于企業做大做強；⑤新能源汽車就是電動汽車；⑥“低碳”是西方資本主義國家“忽悠”中國、“遏制”中國發展的陰謀；⑦“中國的石油消費就是要達到(7～8)×108t/a，為此在軍事上同美國較量是必然的”。這些觀念，有的只是認識上的誤區，有的還具有利益的驅動源，但其危險性是一樣的。
如上所述，已經步入市場經濟的中國，如果今天還沿襲傳統的技術利用天然氣，是很難大幅度提高能效、開拓天然氣下游市場、替代燃煤、實現向低碳能源過渡的。因此，不改變陳舊觀念，充分利用一切最新科技成果，并且結合國情集成創新，中國在“十二五”開始就將面臨極大的能源供應保障和碳排放持續上升的風險。
觀念決定一切。沒有觀念的轉變就談不到政策、機制的轉變，也談不到規劃的及時和正確制訂，更談不到上述各項舉措的落實。
6.2 “十二五”是走向低碳能源時代的轉折點，也是最關鍵的時期
歷史將會記載，21世紀10年代是世界向低碳能源、低碳經濟和低碳發展模式轉型的歷史轉折點。對一次能源構成煤占70%、天然氣只占4%的中國來說，更是如此。中國沒有時間“慢慢來”等待上述觀念自己慢慢轉變。最晚到2012年，隨著大量天然氣供應到位，各項新區建設工作順利展開，國家的各項約束性指標一旦下達，還指望燃煤的新開發區的能源格局馬上就會陷入窘境。因為不論是區域冷熱電聯供能源系統、電網發展還是天然氣替代交通燃料，從統籌規劃到逐步建設、實施，都需要20～30個月的時間。如果沒有向低碳能源轉型的DES新規劃，企業就必然沿用傳統模式的能源系統：鍋爐、中央空調和1500～2000h/a的純調峰電站。等到1～2年之后發現不能適應新的低碳經濟發展時，已建成的傳統能源設施改造將浪費更大的投資，甚至有的傳統能源設施將完全成為浪費。
中國再也經不起這樣的“折騰”了，也沒有必要讓這種折騰不斷發生了。因為中國完全可以運用集中度極高的經濟發展特色，利用當今“和平與發展”以及全球化的國際格局，看準自己的國情，實現集成創新的“跨越式發展”，而不走建了再拆、盲目“照貓畫虎”的彎路。能否從“十二五”開始快速轉變就是關鍵。轉變得越晚就越被動，就越容易錯過最好的時機。
6.3 決策層轉變觀念，政策、規劃和機制就能夠跟上
中國各級政府官員是時代的精英，中國的廣大工程技術人員和工農大眾勤勞、智慧。只要決策層轉變觀念，相應的政策、規劃和機制隨即跟上，所需要的集：成創新就會很快取得突破。
正在完成工業化和城市化發展的中國恰逢這歷史性的低碳能源轉型期，這對中國來說是極大的挑戰，也是中同能源跨越式發展的極好機遇。創造了經濟快速崛起“奇跡”的中國，一定能夠把握住這個機遇，創造出向低碳能源快速過渡的新“奇跡”。
7 結論
1) 天然氣因其資源豐富、可大幅度提高能效和單位碳排放低的特點，成為世界各國包括中國向低碳能源過渡時期最重要的一次能源。
2) 碳減排目標的約束使中國必須把“十二五”燃煤總量控制在38×108t/a的情況下，普及推廣天然氣冷熱電聯供，特別是在新工業園區和新城區，這是中國提高能效、減排C02和保障經濟發展所需能源支撐的最重要的戰略途徑。
3) 新開發區域天然氣CCHP系統按16h/d運行，保障供電安全和協同電網晝夜調峰，是支持中國電力產業低碳發展的最經濟、可靠的戰略舉措。
4) 至少到2030年，加速發展天然氣車船是中國交通能源低碳化、控制石油對外依存度增長、改善大氣質量的最重要途徑。
5) 決策層和各級政府轉變觀念、創新機制、規劃和政策先行，是實現上述戰略、保障中國順利向低碳社會轉型的決定因素。
參考文獻
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(本文作者：華賁 華南理工大學天然氣利用研究中心)
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