城乡能源系统碳排放核算与减排路径


文|江亿   中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任


城乡能源系统的分类和边界

探讨城乡能源系统的碳中和路径,首先要把边界范围定义清楚。从能源供给侧的角度来看,城乡能源系统有电力供应、市政系统的热力供应;从能源消费侧的角度来看,城乡能源系统主要有工业、交通、建筑三大部门。

从工业来看,分成流程工业和非流程工业。流程工业主要指冶金、有色、化工、建材等,非流程工业主要指机电产品、信息业、生物制药、轻纺、造纸、橡胶等。流程工业以能源作为基本原料,不光作为燃料还是生产过程的原料,非流程工业用能则主要是用它作为燃料提供热量,再就是用电,间接的碳排放是用电造成的,直接的是燃料提供热量。

交通主要是货运、客运,还有就是乘用车,未来乘用车将逐渐实现电气化。从交通部门管理来看,以前比较多的关注营运车辆,包括货运和客运。所以,以前统计数据很多都不包括中国现在有的这接近3亿辆私家车,对它的能源的用能数据统计的渠道都不一样。以后慢慢的车辆电气化了,全社会拥有3亿多辆电动小轿车,充电都是在社区或者在办公的地方,这就意味着跟建筑紧紧地绑到一块了。我们发现为小轿车提供充电的电力系统和建筑用电系统在很多场合是连在一起的,而且特征、性质也很类似于建筑用能,因此建议把这部分归到建筑用能来管理、分析和统计。

从建筑领域来看,有公共建筑与居住建筑区分,城镇建筑与农村建筑区分,各自特点不同,应该把它们定义清楚。此外,还有市政系统维持整个城市的运行,也有对应的碳排放。把各块分类边界搞清楚,可以清楚地看到各部分到底该怎么做才能实现零碳。

工业用能现状与低碳发展路径

下面再来考虑分析我国未来碳中和的情景。到2060年,我国人口可能会稍微减少一点,在14亿以下;中国是制造业大国,一二三产业中,二产比例会比发达国家高点,比现在稍微低点。现在人均1.2万亿美元,将来能涨到4万亿美元,也就是总数为五十几万亿美元,工业增加值到16万亿美元。在这个规模下,实现零碳的关键点首先是优先用电,终端用能尽可能减少对各种化石燃料的依赖,充分考虑到改为先进技术和全面电气化之后导致的用能效率的提高。

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从这些角度出发,分别看一看工业、交通和建筑这三个主要领域未来会是什么样。图1是中国和几个发达国家目前的工业用能状况,图2是中国和这几国在几个主要的制造业领域的用能占比。

可以看出中国单位制造业的增加值能源显著高于发达国家,这并不是因为我国生产、制造用能效率太低,而是两个原因造成的。一是制造业的结构比例不一样,我国钢铁、有色、建材比西方国家的比例高得多,几乎占50%。钢铁、有色、建材的旺盛需求是为了满足高速城镇化发展和基础设施建设的需要。这部分用能高,但产品增加值不高,这是导致制造业单位产值能耗高的一个重要原因。另一个原因是我国产品相对低端,同样的东西价格太低,导致我国单位产值能耗太高。

未来,工业很重要的一个方面是结构调整,减少钢铁建材的占比,增加高附加值的机电产品、信息、生物等产品。一方面,随着大规模的城镇化建设跟基础设施建设逐渐“软着陆”,我国社会经济发展的重点包括制造业发展的重点也会调整,将转为信息业、生物产业和第三产业,这样调整产业结构慢慢会顺过来。另一方面,加强产品性能,从低端到中端再到高端提高产品附加值,减少单位产值的能耗。

更重要的任务是改变生产过程中的工业用能方式。对流程产业来说,面临着工业流程和工艺方式的改变,例如中国的钢铁产业现在90%为长流程,从矿石出发,西方包括印度短流程的比例比咱们高得多,现在中国经过这么多年的发展,存在中国这片土地上的钢材,一些统计表明我国人均量快接近美国的人均量了,所以逐渐废钢铁的可获得量就多了,因此会提高短流程的比例,减少长流程的比例。此外,发展新技术,比如拿氢还原替代焦炭。

化工领域也将面临大变革,因为原料变了,需要改变生产方式,减少对化石能源的依赖,有可能将来把其他部门CCS(碳捕获与封存)产生的CO2再变为化工的重要原料,将来以氢和CO2为重要原料的新型化工业将兴起。另外,建材将来也要发生革命性变化,也将改变生产工艺,改变整个生产方式。

而轻工业、食品业、机电业、信息业面临的就不是改变工艺,他们的用能一个是用电,再就是需要热量。用电有可再生电力供给,热量有蒸汽、热水,该从哪来,怎么满足这些非流程工业的热是供应问题,这又变成了一件必须要解决的事。

再看工业领域,分成流程工业和非流程工业,这就会发现一个重要特点:冶金、有色、建材、化工,将来一定还会保留一部分,以满足经济社会发展需要。即使流程改变之后,从总的生产过程来看,还会释放出大量的余热,高温部分,这些年通过回收余热、余压发电做得挺好。但是对于150℃以下或者200℃以下的余热,很多时候都排掉了,尤其是100℃以下的余热。因为没有化石能源了,回收这块热量非常重要,可以用于其他非流程工业生产过程和建筑对热量的需求,这是对流程工业提出的余热回收的要求。

非流程工业如机电、生物、信息、轻工等,现在还用7亿吨标煤的化石能源,这些化石能源主要用来提供大量的中低品类的热量用于生产。这里面有50亿~60亿GJ(吉焦)热量,部分热量可以回收实现循环经济,但是总量是欠缺的。现在的做法是拿化石燃料补,把钢铁、冶金流程工业排在中低品位热量回收回来给它们用,替代这些工业所用的化石燃料。这两类工业在热量上是互补型的,但不是在同一个地方,不是挨着的,甚至还挺远,产热和需要热的时间也不一样,所以需要建设大规模的跨区域热网和跨季节储热系统,把热量回收起来,为非流程工业供热。这两边的热量的参数压力包括蒸汽还是热水,温度参数也不一样,可以通过由热泵和其他装置组成的热量变换器实现单独的一对一的提供,分别根据所需要的压力、温度进行热量转换,从而满足非流程工业对热量的不同需要。

中国工业现在每年是5万亿度电,未来由于电气化还会涨到7万亿度电,还要额外7亿吨标煤用于流程工业,产生出50亿~60亿GJ的热量用于非流程工业和建筑,非流程工业有些地方还得用燃料,得用3亿吨标煤,这是工业未来的情况。

交通用能现状与低碳发展路径

中国现在交通还是以油为主,电力在里面发挥的作用不大,货运跟客运之比,货运占了40%,客运占了60%。中国货运交通的问题,一个是未来燃煤、建材、钢铁的量变少了,货运交通负荷将大规模减少。随着煤被替代,钢材、建材的量减少了,中国好几条运煤专线的货运总量将减少。从整个货运结构上,中国现在铁路占的比例太少,大家都知道美国铁路弱,但是美国铁路在货运上占的比例居然比中国还高。而铁路是特别容易实现电气化的,并且还是高效率,所以提高货运的铁路占比,尽可能减少公路占比,这应该是地面交通货运非常重要的一点。

从客运上看,现在我国人均公里数比发达国家低得多,随着现代化国家的建设推进,可能城内交通和城际周转量会大幅度增加。中国高铁客运发展得挺好,一是靠高铁有效减少城际间航空运输和城际间的汽车运输,另一个重要点就是大力推动交通电气化,私家车完全可以实现电气化,短途运输的汽车也可以实现电气化,比较困难的只剩下长途重载货车和长途大巴,但电池太沉,充电速度跟不上,未来可以考虑用氢燃料等。所以,应尽可能逐渐减少长途客运大巴、长途货运,改成铁路、高铁,总之重点还是改成能够用电气化实现的运输方式。

通过估计分析,到了2060年交通实现电气化,电力需求大概在2万亿度电,还有1亿吨标煤左右的燃料,像航油、远航轮船,当氢原料还不能替代的时候需要一些燃料,这是交通未来的状况。

建筑用能现状与低碳发展路径

建筑低碳的路该怎么走?现在建筑相关的碳排放,1/3以上是由于大量基建盖房、建筑材料如钢材、水泥的生产过程和运输及建造过程导致的碳排放,尽管归到了工业碳排放,其责任还是在建筑这边的。现在我国建筑总量660亿平方米,同时还有100亿平方米开工还没竣工的工地在盖房子,将来盖完了会达到750亿平方米。届时,我国人均建筑面积(包括居住建筑和非居住建筑)达55平方米,将超过日本、韩国、新加坡这些亚洲发达国家的人均建筑拥用量。所以,我国盖房子应该告一段落,不能再使劲新增房子了,同时要避免拆旧的盖新的,那样就会没完没了地循环下去。应该把建设重点由盖新房转为修旧房,通过精细的修缮实现加固延寿和提升质量,这样既能满足社会发展对房屋、建筑环境不断提高的需求,同时还能大规模减少对钢铁、水泥等建材的旺盛需求,从而实现碳减排。

另一重头是建筑运行,现在600多亿平方米,将来700多亿平方米,这些房子都要使用、运行。为了满足运行要求产生的碳排放怎么能降下来,这要求坚持建筑节能的方向,维持绿色节约的建筑用能模式。与发达国家相比,我国无论是人均建筑运行用能还是单位建筑面积都低得多。之所以低,主要是由于不同的使用模式。我总说“部分时间和部分空间”,没人的时候,各种设备都关了;而美国都是全时间全空间,不管有人没人,建筑物里面的灯总亮着,空调通风总开着,这种使用模式是目前用能差别非常大的最主要原因。维持使用模式,同时让建筑机电系统和建筑形式能够适应这种“部分时间、部分空间”使用模式,这是我国阻止建筑运行用能迅速增长的关键点。

除了要坚持实现持续的建筑节能事业之外,面对零碳要求,还需要做全面电气化,因为以后主要的零碳能源来自于电。除了电气化,还要改变用电模式,未来电力中大规模大比例的是风电光电,而风电光电又是不稳定的,很难根据使用侧的变化及时调整,所以就得实现柔性用电。应该通过改造,让建筑有更大的储能能力和灵活用电能力,从而根据风电光电的变化改变我们从电网获取的电力,为电力的零碳化做出贡献。

要实现柔性用电,就需要特别大的储能能力,实际上经过分析,中国未来最大储能资源就是将来可能的3亿辆电动私家车,怎么把3亿辆电动私家车储能资源充分调动起来,这件事要跟建筑结合在一块考虑。因为这些车辆90%的时间或者停在社区停车场,或者停在上班的地方、附近的停车场,而这些都跟建筑相连,所以全面建设智能有序充电桩,不是插上就是充,而是电多就充上,电少从车中取电,把充电桩的电力纳入建筑配电系统,跟建筑用电联动,建筑加上智能充电桩合起来变成虚拟电厂,为电力系统调频调压,这将成为零碳下建筑的新任务,可以为实现碳中和做新的贡献。另一个任务是建筑消耗的热量,尤其是北方建筑的采暖,是由化石能源提供,将来要为建筑找到零碳的热源,满足建筑用热的各种要求。

从这点出发,考虑到未来,如果建筑总规模控制在750亿平方米,而且不再大拆大建,建筑用材量减少了,绿色使用模式能够维持住,同时把各种各样的余热回收起来解决建筑用热问题,现在是2020年中国建筑用电接近2万亿度电,考虑到将来建筑的全面电气化,规模又大了,再加上私家车,一共是4万亿度电,需要的热量是50GJ一年。

零碳愿景下的能源供给方案

这样一来,我们分析得出了下表。为什么非要上一点调峰火电呢?比较了各种各样的模式,从总的经济成本等各方面来看,火电调峰是经济上最合算的方案。

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关于燃料:调峰火电1.5万亿度电,用4.5亿吨标煤作为燃料,其中1/3的生物质燃料,其他是燃煤燃气,排放12亿吨CO2。调峰火电发电的同时,还能热电联产,全年输出70亿GJ的热量。流程工业用3万亿度电,另外还需要额外的7亿吨标煤的燃料,满足生产过程的需要,排放14亿吨CO2,还输出50亿GJ的热量。轻工业包括机电产品等,这些非流程工业用4万亿度电,还用3亿吨标煤排放6亿吨CO2,还需要70亿GJ的热量,交通消耗2万亿度电,1亿吨标煤的油,排放2亿吨CO2。建筑用4万亿度电,需要50亿GJ的热量,核电一年能出70亿GJ 的热量、1.5万亿kWh核电,调峰火电也能出70亿GJ的热量,加上流程工业的50亿GJ热量,三样加起来输出190亿GJ的热量。需求侧一个是建筑的50亿GJ,一个是非流程工业70亿GJ,加起来共120亿,输出大于需求。考虑到有些余热不是那么好回收,尤其是地理位置相距太远,长途输送经济性有问题,把这些不合适的因素考虑进去之后,这样等于只用不到70%输出的热量就能满足我们对热量的需要了。

刚才碳排放加起来是30亿吨,燃料一共需要15.5亿吨,其中我国有10亿吨的生物质能源,现在的秸秆、生畜的粪便加上城市绿化的产物保守计算6亿~7亿吨标煤,还差3亿~4亿吨标煤。已有好几个机构都在研究用芦竹规模种植,一亩产10吨,这样可利用废弃的土地搞点芦竹类的生物质燃料,合起来一年提供10亿吨标煤的生物质燃料。跟15.5亿比还差6亿吨燃料,由燃煤燃气解决,再通过CCS回收CO2,一年回收12亿吨CO2,就能用于化工建材,这样整个大系统就能平衡。

按照这个表,可以认为能源侧基本平衡了,也不需要过多的碳汇。要想实现这个目标,就得干这几件事:一是建立新型零碳电力系统,实现电力系统的革命,其中包括改变电源结构和调控方式,这是一个革命性变化。包括电源从现在集中电源改成集中和分布相结合的电源供给,现在电网调节靠电源侧发电机组调节,未来要变成电源和终端联合调节。现在系统是源随荷动,未来通过比较好的储能方式使源和荷之间可以解偶,就成为“荷随源动”或“源荷协同”。可靠性保障的方式,包括分析方法也和现在不一样了,这是电力系统大的变化。与大的变化相应的是要有足够大的储电系统,从而满足风电光电储蓄的需求,这个储电系统单独投资是巨大的,很可能主要部分要依靠电动车电池资源。另外,要实现电力系统大比例的风电光电,这是低密度的能源,粗算一下需要1亿亩土地或空间资源。到哪里去找这样的资源?屋顶资源就是非常好的发展光电的空间资源。

第二是要建设带有跨季节储能设施的跨区域热网,以全面协调低品位热量的供、需、储。主要包括三个方面:首先是刚才说的火电出来的热量,什么时候出热?需要电网调峰发电时调峰火电产热,核电则全年持续出热,流程工业得看市场状况决定生产状况,热量产出的时间跟需求热量的时间不同步。这些热源的产生与需求之间在时间上不匹配,核电一年均匀的出余热,建筑采暖冬天才用热,这就得有大规模跨季节储热设施,解决时间上的不匹配。其次,有大规模的热网解决热源产生地与需求地之间地理上的不匹配,再次,还得有多种类型的低品类热量变换器解决热量产生和需求之间参数的不匹配。这三大问题,现在部分问题已得以解决或者也看明白方向了,有些还得努力攻关。

另外,刚才说要用好私家电动车电池资源,为配套建立全覆盖的智能有序充电桩,实现“一位一桩”、即停即插,随时让电池在那连接着保持备用的状态,同时促进交通电气化的发展。

对建筑来说,以前是节能降耗,让建筑表面发电是以前没有的事,现在就变成非常重要的功能了,用余热供暖,通过建筑连接充电桩,建筑实现柔性用电,这都给建筑赋予了新的重要任务。

对交通来说,电气化是头等大事,然后货运结构、货运方式结构的调整,一个是提效,一个是配合电气化解决中国高速路,大量的长途货运大卡车一定不是未来,也不适合电气化。

工业涉及到流程的改造、能源结构的调整,对于流程工业来说把余热回收回来用上,对非流程工业来说,通过热源改造不使用化石燃料了,而是从别的地方回收回来的热量为它服务。

碳中和目标“两步走”的设想

面对这些任务,我们提出中国碳中和目标的“两步走”设想。第一步,中国能源革命最主要任务是建立零碳新型电力系统。第二步,围绕整个能源结构的转型,倒逼工业、交通、建筑改变自身用能结构。其逻辑一定是先立后破,先把新型电力系统建立起来,再把煤电厂砍了。只有先建立起足够的绿电供应系统,才能改变消费侧,没有足够的绿电供应,让工业、交通、建筑都电气化几乎不可能,最后只能僵在那了。所以一定要先立后破,建立新型零碳电力系统就成为至关重要的核心点,是整个中国能源革命的突破口。而要建立新型电力系统,关键解决两大矛盾:一是在哪安装风电光电,二是怎么解决储存调节问题,整个矛盾集中在这两点上,这是当前我们面临的最主要问题。

从这一逻辑关系和顺序出发,我们发现农村屋顶可以完成未来规划的光伏总量的一半,甚至还能多点,农村屋顶可以解决安装空间问题,并且能够解决部分电力的消纳、调节问题。这对整个电力系统的运行是一个革命性变化,刚开始很难在全国一下铺开,可以先在农村尝试这种新型电力系统,这是第一步。第二步是城市做光储直柔改造,主要目的不是为了利用屋顶面积,而是解决柔性用电灵活调控,参与调控、成为电力系统的虚拟电厂。要想干这些事,必备条件是车辆电气化,尤其小型私家车和农用车的电气化,这为上面这两步需要的储能任务提供足够的储能资源。与此同时,建立余热回收系统,把跨区域的热网跟大型跨季节储热装置慢慢建立起来,提供零碳热源,这都可以同时进行。

从这点出发,我们觉得可以把中国能源革命分成2035年之前和2035年之后两段。2035年之前主要有以下任务:一是完成电力系统、低碳供热系统的建设,形成新型能源供给系统的雏形,加快汽车电力化和充电桩系统的建设,建筑的光储直柔建设,农村新型能源系统的建设。二是跨区域热网系统的建设,包括北方城市供热系统的降低回水温度改造,这些都是急着要做的。

反之,工业领域是我们“看家”的东西,正是持续增长的制造业使中国GDP在这么恶劣的国际环境下保持持续增长,因此不能一开始就对制造业大动手术,还要保留它继续运行。我国工业体系建成现在的生产能力,主要是2000年以后,到现在这些生产线还没达到投资回收的年限,没到更新换代的时候,所以应该维持运行。而上新的项目,无论是化工厂还是钢厂,则必须按照新的零碳工艺考虑。这样一来,这十几年时间抓紧对新型能源系统建设,风电光电起来了,电力足够充足,成本也降低了,就会形成对燃煤火电的竞争优势。所以,应该靠市场竞争来减少传统产业,而不是强制关闭。并且新能源系统的建设工程会带动起巨大的新型制造业,从而替代现在拉动GDP的基建行业。基建行业变小了,但新制造业会大发展,从而维持经济的发展。比如说电动车产业现在非常火,很多企业涌现出来了,电池产业也成了增长特别快的巨无霸产业。光伏、风电设备,包括电力电子器件产业,将来跟信息类芯片同等重要,规模可能比信息类芯片还大。中国在这方面并不是那么落后,通过市场需求推动,抓一下,这块起来后,将来规模不得了。另外,直流低压配电、直流电器设备,将有每年几万亿的市场,还有农机具电气化、直流化等产业。所以,应该抓紧研究各个制造业零碳转型具体技术路线和工艺,做好技术储备,这是第一步。

到了2035年以后再开始第二步,那时候已经建成低运行成本、高可靠性的新型零碳能源系统,可以为制造业提供更多的廉价电力。同时,制造业多数生产能力和生产线也已经回收了初投资,进入更新换代期,本身就要求做产业结构调整和工艺改造。经过十几年的研发,技术储备也差不多了,可以全面开展制造业的产业结构调整和低碳转型工艺过程改造,到2050年前后我国就能够成为制造业强国。

从这个思路出发,大概分这两步。整体的顺序应该是先电力后其他,重点就是电力;先农村后城市,电力也是农村先行;先建筑、交通后工业,因为建筑、交通改造不会影响我国经济发展,不会拖制造业后腿,还能形成新的工业产业的市场需求,所以能促进制造业。这些完成后再进行工业低碳转型,就会特别顺利。

总的来说,这是我们新一代人的重大使命,是人类历史长河中人类发展模式的重大转折点,就像当年引入煤炭,引入化石能源,人类开启工业革命一样,现在要把化石能源停掉,全面开发可再生能源,以实现未来可持续发展。以上内容就是探讨在碳中和的背景下,城乡能源系统建设到底该怎么做,很多事也就能够看得更清楚了。