2050年中國能源系統(tǒng)將是怎樣的？城市可再生能源供熱藍(lán)圖謀劃

《巴黎協(xié)定》提出，要通過全人類的努力實(shí)現(xiàn)未來因氣候變化導(dǎo)致的大氣升溫不超過2攝氏度，這一目標(biāo)預(yù)示著，到2050年，全世界二氧化碳排放總量不能超過150億噸，中國的額度不會高于30~35億噸。然而，2015年中國碳排放量已達(dá)105億噸，如果持續(xù)當(dāng)前的生活生產(chǎn)方式與能源利用模式，33年后幾乎不可能將碳排放削減三分之二。

面對巨大的挑戰(zhàn)，中國必須大幅度調(diào)整能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這既是積極應(yīng)對氣候變化、推動低碳轉(zhuǎn)型、承擔(dān)大國責(zé)任的義務(wù)，也是中國自身的戰(zhàn)略需求。

面向2050年的能源系統(tǒng)

縱觀發(fā)達(dá)國家的能源轉(zhuǎn)型過程，在上世紀(jì)50年代之前，美國以及歐洲國家均以煤炭作為主要能源，從50年代初到70年代中期，這些國家掀起了一場以油氣替代煤炭的能源革命，逐漸過渡到油氣時代。到本世紀(jì)初，能源轉(zhuǎn)型再次在歐美國家興起，可再生能源嶄露頭角，讓其碳排放A量進(jìn)一步降低。數(shù)據(jù)顯示，英國2016的碳排放量較1990年減少了約36%，已經(jīng)降至自1894年以來除20世紀(jì)20年代煤炭開采糾紛期間的最低水平。

這些國際經(jīng)驗(yàn)激勵了不少國人，他們希望中國能夠走入相同的能源轉(zhuǎn)型通道。2016年，煤炭在中國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比61.3%，中國仍處于煤炭時代，很多人呼吁中國首先應(yīng)該進(jìn)入油氣時代，尤其是提高天然氣消費(fèi)比重，以盡快降低碳排放，然后再向以可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

然而，如果以中國實(shí)際情況為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，這種轉(zhuǎn)型路徑成本是極高的。從資源稟賦來說，中國富煤貧油少氣，加大油氣消費(fèi)比例，需要進(jìn)一步提高油氣對外依存度，能源安全問題如芒在背。從技術(shù)條件來說，中國的燃煤發(fā)電技術(shù)全球領(lǐng)先，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗是世界上最低的，而各種燃?xì)鈶?yīng)用技術(shù)則比發(fā)達(dá)國家落后很多，燃?xì)庠O(shè)備幾乎全部依賴進(jìn)口，放棄自身的優(yōu)勢技術(shù)，去追求劣勢技術(shù)，并不一定明智。

從能源轉(zhuǎn)型進(jìn)度分析，時間上也不允許中國走從油氣時代過渡的老路。石油、天然氣是化石能源，即使中國將全部燃煤都換為天然氣，考慮到經(jīng)濟(jì)發(fā)展和用能增長，每年的碳排放量也很難低于70億噸。如果先花10~15年時間進(jìn)入油氣時代，再花15~20年轉(zhuǎn)向低碳時代，投入巨資打造的油氣基礎(chǔ)設(shè)施還未真正發(fā)揮作用，便要分期廢棄掉，是不科學(xué)、不經(jīng)濟(jì)、不聰明的選擇。

考慮到能源革命的緊迫性，以及具體國情與資源分布特點(diǎn)，中國的能源轉(zhuǎn)型可能應(yīng)該一步到位地?fù)肀Э稍偕茉矗钥稍偕茉窗l(fā)電為基礎(chǔ)規(guī)劃未來的能源系統(tǒng)。

按照30~35億噸的年碳排放標(biāo)準(zhǔn)，可以這樣規(guī)劃中國2050年的能源結(jié)構(gòu)。第一部分為電力，電氣化水平達(dá)到50%以上，年發(fā)電量8.5萬億~9萬億千萬時，其中核電1萬億、水電1.5萬億、風(fēng)電和太陽能(5.490, 0.01, 0.18%)發(fā)電均為1萬億，這樣非碳電力達(dá)到4.5萬億千瓦時，再由燃煤、燃?xì)猱a(chǎn)生4萬億~4.5萬億千瓦時，由此造成的碳排放量大約為22億噸。第二部分，非電燃料全年消費(fèi)17億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中生物質(zhì)提供8.5億噸，燃煤燃?xì)馊加吞峁?.5億噸，綜合起來形成的碳排放大致在14億噸左右。與前面發(fā)電碳排放加總為每年36億噸，略高于屆時的碳配額，如果再通過進(jìn)一步造林等碳匯活動，應(yīng)該能夠找回這1億噸排放量，從而實(shí)現(xiàn)中國的低碳承諾。

其實(shí)，由煤炭時代直接向以電為主的低碳時代過渡的能源轉(zhuǎn)型方案，與中國能源需求未來發(fā)展方向是相契合的。本世紀(jì)以來，中國能源消費(fèi)快速增長，主要拉動因素是持續(xù)大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，而這種大規(guī)?；赡茉俪掷m(xù)十余年便將告一段落，只要不“大拆大建”，未來將不會像現(xiàn)在這樣需要巨量鋼鐵、有色金屬、水泥等依靠燃煤生產(chǎn)的建筑材料。到那時，能源需求盡管還會很高，用能結(jié)構(gòu)已然不同，對煤炭需求大幅減少，對電力需求快速增加，恰好可以與低碳能源結(jié)構(gòu)改造相適應(yīng)。

城市供熱系統(tǒng)藍(lán)圖

以可再生能源電力為中心，構(gòu)建面向未來的能源系統(tǒng)，需要對能源需求端進(jìn)行比較大的改造。中國的可再生能源地域分布與傳統(tǒng)化石能源類似，絕大多數(shù)資源分布在“三北”地區(qū)，而能源需求中心在東部沿海地區(qū)，尤其是東部的城市，西電東輸、北電南送的能源輸送格局成為必然，這就要求東部城市必須滿足大規(guī)模接入?yún)^(qū)外電力的條件。

這并非一件容易做到的事情。目前，中國已經(jīng)遭遇了比較嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光、棄水問題，其中，約7成左右的棄風(fēng)出現(xiàn)在供暖期，在供暖期棄風(fēng)電量中，低谷時段棄風(fēng)又占供暖期總棄風(fēng)的80%。原因在于，現(xiàn)在的熱電廠在供暖季調(diào)峰能力不足。熱電廠除了發(fā)電，還要承擔(dān)北方城市的供暖任務(wù)，且均采用“以熱定電”的模式運(yùn)行，這導(dǎo)致其在供暖季的發(fā)電量很難調(diào)控，難以為風(fēng)電、太陽能發(fā)電騰出接納空間。

隨著中國城鎮(zhèn)化發(fā)展，城市供熱需求還將增加。為了在不影響居民用熱的情況下，增加城市能源系統(tǒng)對可再生能源電力的接納能力，就要改變熱電廠以熱定電的運(yùn)行模式。一個可行的辦法是，采用“熱電廠+蓄能罐+電動熱泵”的方式，實(shí)現(xiàn)高效的能源轉(zhuǎn)換和電力調(diào)峰。具體做法為，給熱電廠加裝巨型蓄熱裝置和調(diào)峰裝置，在電力需求較大時發(fā)揮機(jī)組最大發(fā)電能力，靠蓄熱裝置供熱，在電力需求較小時，只輸出相當(dāng)于最大容量40%左右的電力，其他全高效地轉(zhuǎn)換為熱能，除滿足當(dāng)時的供給要求外還蓄存到蓄能罐中。這樣，可以根據(jù)電力負(fù)荷變化，在鍋爐主蒸汽量僅在80%~100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的條件下，實(shí)現(xiàn)對輸出電力的連續(xù)調(diào)節(jié)，在避免高效電廠低效運(yùn)行前提下解決區(qū)外電力的供需矛盾。

充分利用純凝電廠和各類工業(yè)余熱作為熱源，進(jìn)行城市集中供熱，也可以在很大程度緩解因供暖造成的電力消納不足問題。目前，在冬季，全國純凝火力發(fā)電廠有大約6億千瓦熱量可用，，五大耗能工業(yè)（鋼鐵、有色、建材、石化、煉油）排放的余熱為2億千瓦，如果取熱電廠余熱的70%和工業(yè)余熱的50%作為城鎮(zhèn)供熱的基礎(chǔ)熱源，則二者合計(jì)為5.2億千瓦，可為130億平方米建筑提供40瓦/平方米的熱量，只需再補(bǔ)充一部分用于調(diào)峰的末端燃?xì)忮仩t，就可以滿足目前北方城鎮(zhèn)集中供熱系統(tǒng)的熱源需求。

未來的城市供熱系統(tǒng)，應(yīng)該是一張跨區(qū)域聯(lián)接的大熱網(wǎng)，把不同的低品位工業(yè)余熱熱源聯(lián)接在一起，與分散在城市中的成千上萬個熱力站連接，通過大管網(wǎng)互通互聯(lián)，輸送到城市，根據(jù)電力需求變化調(diào)節(jié)熱電廠出力，根據(jù)工廠生產(chǎn)需要互通有無，滿足城市居民的熱需求。這樣的場景模式不但解決了當(dāng)前的難題，還可以大幅度地提高城市能源利用效率。

（作者系中國工程院院士、清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心主任，本文根據(jù)作者專訪整理）