从战略高度看待天然气与分布式能源

以冷热电联供为特色的分布式能源系统(DES/CCHP),是在上世纪70年代后期，伴随着“石油危机”后世界天然气的快速发展而开发、应用并已趋于成熟的技术。在OECD国家已有相当的规模，目前已占这些国家发电量的14%—40%，对其近30年来能效的提高起了重要的作用。在气候变化---碳减排的促进下，这些国家都在进一步加速DES/CCHP的发展和应用，并把它作为实现低碳发展的最重要途径之一，到2020年实现加倍的增长[1]。

由于我国在天然气利用方面比发达国家晚了30年，迄今仍然坚持“以煤为主”的能源战略思维，所以虽然十年之前就开始引进DES/CCHP理念和技术，并已在北京、上海、广州、重庆等几个大城市陆续建设了几十个DES/CCHP项目，但是多数项目还停留在照抄西方国家DES模式的阶段，规模不大、负荷单一，并且总量很小，在国家能源战略层面上的影响微乎其微。这是同中国天然气发展速度迟缓，迄今只占总能耗4%、远低于世界平均总能耗的24%分不开的。

中国能够依靠“以煤为主”的思路走入低碳时代，与世界各国一起实现2050年CO2减排到1990年排放量的一半的目标吗[2]？还是应当把发展符合中国国情的、集成创新的天然气DES/CCHP作为实现提高能效、完成低碳时代工业化和城市化的、最重要的近期（到2020—2030年）战略举措来看待？这是本文提出并进行讨论的问题。这个讨论的几个基本原则是：1、立足于中国在2030年完成工业化和城市化的历史任务的目标；2、不能离开气候变化对世界低碳产业发展的共同约束；3、科技进步是实现可持续发展的最强大力量；4、把能源终端利用需求与一次能源构成和转换结合起来研究和讨论；5、同时考虑经济性、能效、碳减排三个判据。

以下就是从完成上述战略目标出发，审视和讨论天然气DES/CCHP的几个要点：一、提高工业能效----用天然气代替煤这一传统工业燃料；途径：用工业园区DES/CCHP替代分散的小锅炉[3]文献[4]分析了中国近期到2020年低碳发展的最重要途径，即优化产业结构和尽快提高能效。中国要在2020-2030年完成工业化，工业占总能耗50%左右的局面还会维持若干年。所以提高工业能效具有决定性作用。与2002年的美国工业终端能效80%相比，2007年中国工业终端能效只有48.6%。主要原因在于煤在美国工业能耗中只占9%，而在中国则占62%[4]。

中国有52万多台分散的锅炉，92%容量不到10t/h，85%燃煤，大部分热效率不到70%。简单地用天然气替代煤来作为小锅炉燃料，即使热效率达到90%，能效也不过提高28%，而且用户在经济上难以承受。

提高中国工业能效的关键，是在“工业入园区”

的集约化科学发展模式下，以工业园区DES/CCHP替代分散的小锅炉，天然气先在燃气轮机和蒸汽轮机中发电，再抽出低压蒸汽供工业用，同时将更低品位的余热用于建筑物采暖、生活热水等。此举可使各种终端能源供应价格大幅度降低，能效成倍提高[3、4]。

二、提高占总能耗30%的商住能效[5]与100多年来陆续工业化的OECD国家不同，人口众多而且密集的中国的国情特点一是在几十年内集中建设新城镇和新工业园区；二是中国城市的工业、商业中心、居住三种功能区的布局和耗能模式与西方大不相同。这使得中国决不能照搬西方的工业DES、公共建筑DES分别规划的模式。中国必须在采用先进技术和借鉴西方国家DES/CCHP经验基础上，依照国情，自主创新，创立中国自己的城市终端用能模式和DES/CCHP系统。其特点有：1、在多数地区和项目中，有可能把工业园区供能和建筑物能耗占80%的采暖、空调、热水能耗和占14%的用电在一起集成优化配置，实现比西方更高的能源利用效率；2、抓住历史机遇，与工业化和城镇化的进展同步建设DES/CCHP；3、在政府主导的经济体制下，依据不同特点建设一批示范项目，统一规划、逐步推广。

中国地域广阔，各城市的气候和产业特点各不相同，DES/CCHP大致可有下列几种类型：北方以集中供暖为主型，在满足大部分城市居民冬季供暖的需求基础上，开拓非采暖季冷热水用户；南方以区域供冷为主型，以满足城市商业、行政中心区公共建筑集中供冷需求为主要负荷，以向附近住区建筑物居民提供生活热水来提高能源利用效率；还有大型联合循环调峰机组用于离散制造业园区、附近的城市居民商住区，也可以兼供冷热水；以及大城市规划新区和新规划中小城镇。如上所述，所有这些类型在多数情况下都有与工业和商住用能集成的机会。

三、发展双向互动、移峰填谷、保障供应安全的智能电网[6]智能电网是IT产业与能源产业结合的革命。它主要是通过终端传感器将用户之间、用户和电网公司之间形成即时连接的网络互动，从而实现数据读取的实时性（real-time）、高速性（high-speed）、双向性（two-way）的效果，整体性地优化电网的运行和管理、自动实现分时电价，提高电网的综合效率。智能电网要求在负荷中心发展大批分散式电源（DecenturalizedElectricitySource），用以减少电网输配负担、保障供电安全。DES/CCHP是智能电网天然的合作伙伴。在智能电网时代的中国，DES不仅能够保障大电网的安全，而且具有强大的调峰功能。因为大部分离散制造业工业园区和商住区的主要负荷都在白天；有了电网公司的参与，DES机组白天除了供冷供热外，电力也可以在区域内就地直供，多于外送部分才升压到220kV并网；夜间DES机组可以停机，采用廉价的低谷电制冷。这种“中国模式”的DES/CCHP能够达到最高的能效；可使DES的经济性大大改善同时，也使原来用于工业和商住能源的天然气也在DES得模式下具有了调峰的功能。这就使能使天然气用于调峰的发电总量成倍增加，详见下节和表1。到2020年上述工业和商住用能与发电调峰结合所耗用的2700亿m3/a天然气，可发电1万亿kWh/a，占总发电量14.4%，其中绝大部分可有调峰功能；加上DES/CCHP夜间用电网低谷电制冷；便可基本上解决中国电网昼夜调峰问题。可喜的是最近电网公司已经开始与大型园区分布式冷热电联供项目接触，洽谈参与投资建设和运营。这种合作共赢的机制将会给中国智能电网技术的普及应用带来示范性的推动效益。

讨论：1、天然气年发电时数4500h/a是按本文论述的昼夜调峰模式估算的，其余按目前我国平均实际数据——来源：中国机电工程学会热电联产专委会。

2、估算的2020年天然气DES/CCHP模式比传统模式装机容量少0.6亿kW、发电量小0.3万亿kWh/a，是因为DES/CCHP模式在发电的同时，可以利用低温余热供应生活热水；不仅节省燃料，而且节省商住用电。按2020年能耗40亿tce/a估算：设商住用能占30%，12亿tce/a，其中的15%，1.8亿tce/a用于生活热水。若其中40%用电热水器，而新建城区采用CCHP集约化供应热水，能够占其中的一半，即0.5×0.4×1.8亿tce/a×8140=0.3亿kWh/a的原用于生活热水的电耗可被节省下来(1tce=8141kWh)。

3、对比2020年的DES规划与国电规划可见，两者在水、核、新能源发电方面完全一样；不同的就是2010--2015—2020期间，电力增长主要依靠煤，还是主要依靠天然气DES？前者依靠增加4.6亿kW的煤电装机和近2.24万亿kWh/a的发电量支撑这10年的经济发展；而后者的思路是：煤电装机少增1.76亿kW，发电量少增0.84万亿kWh/a，⑴、靠提高煤电效率增加发电0.4万亿kWh/a；⑵、靠增加与工业和商住终端用能集成的天然气DES/CCHP装机多增加1.2亿kW、多发电0.55万亿kWh/a，并使发电和工业、商住用能效率大幅度提高。

到2020年，在负荷中心建设的DES/CCHP发电量达到1万亿kWh/a，与按照传统模式天然气联合循环发电的国电规划依靠建设“坚强”的大电网、“西电东送”的战略比较，可以节省5500亿kWh/a的长距离输电设施的投资建设费用。若按照6,000元/kW的单位投资、输电线路全年8650h/a满负荷输电计算，也要3800亿元人民币。按输变电损耗按7%计算，减少损耗385亿kWh/a，相当于4个200万kW的基荷燃煤电站4865h/a运行全年的发电量。减少这些损失，也就等于节省了这4个电站的投资。按单位投资4500元/kW计算，为4×200×4500=360亿元人民币。两项合计节省输电投资4160亿元。

而从发电设施投资来看，由于分布式发电比率增加，燃煤电站装机容量从9.81亿kW减少到8.05亿kW，减少了1.76亿kW；加上长输损耗减少的0.08亿，投资减少1.84×4500=8280亿元。而如果侧重发展大型DES的战略，单位投资大约3700元/kW；那么，2.2亿kW装机容量的DES发电设施的总投资不过2.2×3700=8140元。

另一方面，减少燃煤发电1万亿kWh/a，按煤耗360kgce/kWh计，相当于可以节省3.6亿tce/a的标煤，折合动力煤5亿t/a；按每吨煤投资300元计，又可以节省煤矿建设投资1500亿元，以及相应的煤炭运输设施建设费用。

五、提高能效、减少对煤炭的过度依赖随着大批新城区和新工业园区的建设和改造而快速发展气、电、冷、热集成就地直供的、有调峰功能的天然气DES/CCHP，是21世纪特殊历史机遇下中国的独创。加上普遍采用乏汽和排烟废热为主加热生活热水向居民集中供应，总能源利用效率可达90%以上。

到2020年，中国天然气总耗量将在4000亿立方米/年左右。市场研究表明，除了约1300亿立方米用于居民炊事、交通燃料和工业原料外；其余2700亿m3/a天然气，如果按传统模式分别用于发电、工业燃料、采暖等商住能源，只能发电4500亿kWh/a;而若都按照上述模式用于与电网调峰相结合的工业、商住DES/CCHP，就能在满足同样的蒸汽、冷、暖、热水终端需求的同时，发电1万亿kWh/a。比原来用煤的能源利用效率提高1倍。粗略估算，2700亿天然气（按热值折3.47亿tce/a）可替代折标煤6.94亿tce/a的动力煤9.7亿t/a。仅此就可使全国总能效升高6.8个百分点。加上LNGV、煤气化多联产、超超临界等等其它措施，使总能效提高接近目前的世界平均水平（50%），是很有可能的。

进一步分析煤炭平衡状况：2007年全国总耗煤26.6亿t/a。按照中国电机工程学会热电专委会的资料，2007年全国发电3.255万亿kWh/a；其中煤电占77.7%，2.53万亿kWh/a。按平均供电煤耗361gce/kWh计算，耗动力煤12.7亿t/a。按照国电规划，2015年发电4.17万亿kWh/a。但届时通过大力发展蒸汽参数高达700。C的超超临界发电技术、发展CHP和淘汰小机组，全国平均供电煤耗有望降低50g/kWh，降到310g/kWh。则全国发电耗煤为：4.17×310=12.9亿tce/a，折动力煤18.1亿t/a。

到2020年发电4.77万亿kWh/a；则全国发电耗煤为：4.77×310=14.8亿tce/a，折动力煤20.7亿t/a。再加上水泥、炼焦、工业和采暖用煤，届时全国总煤耗将达36—38亿t/a。这是目前权威专家普遍的看法[9]。

而按照上述DES规划，天然气DES/CCHP、发电与工业和商住用一次能源相集成，比传统燃煤情况少耗煤,9.7亿t/a；便可使中国煤碳增长压力大大减轻。

配合工业园区和新城区同步建设几千个总装机容量上亿千瓦的天然气DES/CCHP需要5-10年的时间。煤电结构优化调整也需要时间。因此最近几年燃煤还会在2009年30亿t/a的基础上增加。但随着上述进展，就有可能使2020年中国的煤炭消耗总量降回到30亿t/a的水平。这对于在保证工业化和城市化持续发展的同时抑制煤碳过度增加和控制CO2排放总量，具有重大意义[10]。

六、控制和逐步减排CO2我国对世界承诺到2020年碳强度比2005年降低40—45%。从2005年碳强度κ2.7tCO2/万元开始推算2020年时的CO2排放量：降45%时：κ=1.49，CO2排放101亿tCO2/a，人均7.21tCO2/p.a；降40%时：κ=1.62，CO2排放110亿tceO2/a，人均7.86tCO2/p.a，这意味着，中国的CO2排放量将占IEA提出的“450情景方案”2020年世界排放量307亿tCO2/a的33%--36%。这将使中国面临巨大的政治压力[8]。

如上所述，从工业燃料、商住能源、发电三个方面采用DES/CCHP总共可以替代燃煤9.7亿t/a，相应地，可以减排CO2D达19亿tCO2/a；并使能源利用效率提高到50%左右。加上优化产业结构、提高建筑物和交通能效等方面的贡献；到2020年中国的CO2总排放量有可能回落到74亿tCO2/a左右，占307亿tCO2/a的24%。对世界的低碳、可持续发展做出突出的贡献[10]。

七、继续和完成中国工业化、城市化的能源供应保障从现在到2020年，是中国继续并完成工业化和城市化的关键十年。此前的十年，中国GDP、工业增加值、总能耗的年增长率分别达到11%、15%和9%。今后十年的年增长率必须放缓到7%、10%和3%，才能达到低碳、可持续的目标。即使如此，每年净增加的能源消耗，也必须在1亿tce/a以上。靠哪种一次能源来满足这个增长的需求呢？首先，要排除2009年对外依存度已达53.14%的石油。其次，可再生能源即使以11.5%的年率增长，年均净增值也不到0.5亿tce/a；何况，它们大部分是用于发电的，不可能作为工业和采暖的燃料。继续完全依靠煤，则无法提高能效和减排CO2。因此，只能是采取“煤气并举，由煤转气”的战略。如果从2010到2020的10年间，中国平均每年增加天然气供应300亿m3/a（折合近0.4亿tce/a），到2020年达到4000亿m3/a以上，并且通过上述DES/CCHP途径用于工业和商住，使利用效率成倍提高，就有可能替代按照传统模式每年增加消耗的0.8亿tce/a的煤炭。从2011到2020年，随着采用DES/CCHP的天然气持续增长，中国煤炭每年新增的消耗量将会逐年减少，直至停止，并转为逐年降低。顶峰时间取决于DES/CCHP发展力度，大致在2015年左右。

八、天然气上、下游市场开拓和一次能源结构转型在理论上，各级政府和企业都知道低碳发展、优化一次能源结构的大趋势。但在实际行动上，就在哥本哈根会议之后的2010年，各地新发展的工业园区仍然纷纷申报建设2×300MW燃煤热电联产(CHP)机组。传统的“以煤为主”能源发展模式依旧。近几年来天然气生产和消耗量每年净增不到100亿m3/a。占一次能源仅4%的中国天然气产业，上游油气开发企业担心成百亿m3/a的长输管道天然气卖不出去；下游工业和商住天然气用户担心供应缺乏保障，价格过高、承受不起。近几年来天然气生产和消耗量每年净增不到100亿m3/a；形成“麻杆打狼，两头害怕”的僵局。这是与中国面临的、在低碳能源格局下实现工业化的要求极不相称的。个中的症结之一，是决策层迟迟没有下决心理顺天然气产业发展的市场和定价机制[11]。为什么下不了决心？恐怕是“两个都怕”的心理在主导。如果从战略高度看清天然气DES/CCHP在中国发展既有上述极好的机遇，又有极大的经济、节能和减排效益，是打开上述僵局之锁的唯一钥匙，也是促进天然气产业链上、中、下游均衡、快速、健康发展，推动中国加速一次能源结构转型的动力，决心就很容易下了。

九、低碳能源路线的投入产出经济分析比较前面第四节已经比较了传统和DES两条电力发展路线的投入产出数据。最近的多个文献已经论证，中国不缺少天然气资源，能源资源禀赋不是“富煤、少气”。只是传统和习惯思维遮住了视线。我国最近新一轮评价的常规天然气资源量已达56万亿m3，探明储量平均以4000到4500亿m3/a的速度增长。可保障2010年产量超过1000亿m3/a，2020年2000亿m3/a[12]。我国非常规天然气资源总量是常规天然气资源量的5.01倍，加上常规天然气，中国的天然气可采储量足够支撑中国150年的文明进程。中国页岩气主要资源地之一，在南方海相志留纪和寒武纪地层，与美国已经取得页岩气突破的地层基本类似，大致在靠近沿海的贵州、湖北、安徽、江苏、浙江一带。省去了长距离输送费用，这里1m3的价值相当于西部的1.2—1.3m3。最近中美两国签署了《美国国务院和中国国家能源局关于中美页岩气资源工作行动计划》，并已经划出江苏、辽宁两处实验区，成立页岩气合作工作组[13--15]。只要把天然气问题放到战略高度来认识，发挥在700MW水轮发动机、超临界发电、汽车和高铁等领域所展现出来的“中国速度”，未来10年，中国非常规天然气应至少能以美国速度（4年达到898亿m3/a）的一半快速增长；十年之后至少达到1000亿m3/a。加上常规天然气、煤层气，和进口管输气及LNG，2020年达到4000亿m3/a，应当是能够保障的。

中国常规天然气开发的单位投资费用为2至2.2亿元/亿m3天然气产能，折合1555-1710元/tce。

煤碳开发的单位投资费用约为300元/t煤碳产能；折合420元/tce。就是说，电力发展走分布式发电路线节省下来的煤炭开发投资1500亿元，加上电力、电网部分节省下来的140+4160=4300亿元，合计约5800亿元，用于天然气的开发，可开发常规天然气产能5800亿元/2-2.2亿元/亿m3=2636～2900亿m3；5800亿元/2-2.2亿元/亿m3=2636～2900亿2亿元/亿m3=2636～2900亿远超过所有国产新增天然气开发的投资费用。而且在上述比较中还没有涉及燃煤产生的CO2的扑集、封存费用。可见，天然气DES/CCHP路线在社会总投资方面也是低于“以煤为主”路线的。

十、适合于中国的分布式能源系统规模潜力分析按照上述分析，到2020年，中国需要建设装机容量总共220GW的DES/CCHP系统，按年运行时数4500h/a计，年发电量1万亿kWh/a。按照第一、二节中介绍的不同类型估算，大致有下列几档：前3类属于几十平方千米的新开发工业区或综合工商住区，是发展分布式冷热电联供能源系统的主力；占总装机容量的82%。在南方地区以过程工业用蒸汽、离散制造工业厂房和商业公共建筑空调、居民用生活热水三类负荷的集成为主；如正在规划的珠海横琴新区冷热电联供能源站、深圳观澜中部组团能源站、深圳光明新区调峰电站、清远顺德（英德）产业转移园能源站，以及以中山民众镇沙仔化工工业园、南朗镇/“华南中药城”、东莞东兴CCHP/东城工业园等为代表的新发展城镇的能源供应企业，都属于这三类（参见华南理工大学，《光明新区冷热电联供与中水回用专项规划》，《佛山顺德（英德）产业转移工业园节能规划》等研究报告）。到2020年仅在珠三角地区的发展潜力至少有上百个、总容量可达几十兆瓦。在北方地区，以超大城市中心区集中供暖+公共建筑空调，居民生活热水三类负荷的集成为主的前三类项目，目前正在开拓若干典型的示范项目；估计也会有数百个项目，装机容量近百兆瓦。在长江流域的许多新城区目前正在编制的规划表明，大部分适合于冷、热、电、汽都需要的3、4类项目。

前4类总共1000多个项目，总容量可达200GW，占90%以上。第6类总共1万个，总容量却只有4.5GW，占2%。可见，以最小的经济代价、最大的经济效益解决中国的能效和碳减排问题为战略目标来看待和发展分布式能源系统，必须着眼于大型的项目。充分发挥中国以地方政府为主导的社会主义市场经济的特色，充分配合新一轮工业化和城市化建设高潮，集中建设一批大规模的DES/CCHP项目，具有极其重要的战略意义。这是西方自由市场经济机制所不可能实行的。制约因素不是技术和资金，而是各级政府的能源战略观念，对天然气DES/CCHP的认识，和相应的政策支撑、各项规划保证。

目前，各级政府正在规划十二五科学发展之际，一大批工业园区、新城区、新城镇正在规划。大、中型集成工业/商住负荷的DES/CCHP项目商机恐怕远不止1000个。上述珠三角地区正在规划的，和正在江、浙和京、津地区规划的一批大、中型项目，便是明证。以广东省发改委核准的中电投珠海“横琴冷热电联供能源站”项目为例。该项目与今年4月国务院批准横琴新区揭牌庆典同日剪彩，发电机组和区域供冷系统可行性研究均已通过评审，正式报批，已列入2010年横琴四大重点建设项目。一期2台9F机组2012年底就将投运，作为横琴岛一期包括十字门CBD和澳门大学在内的25km2工业、商住区各种终端利用能源的供应商；远期再增加几台9F机组，服务全岛100km2，并有可能扩展到整个澳门地区。南方电网已经开始洽谈参与合作建设运营的机制。无锡太湖新城，金华西经济开发区、天津滨海新区等一批低碳能源规划项目也都策划中。

认识到DES/CCHP对中国提高能效、节能减排的重大战略意义，是中国走向低碳发展的关键。也是理清当前各方人士对中国碳减排的承诺众说纷纭、莫衷一是，前路迷茫、险不可测的局面的指路牌。当前，对DES/CCHP的认识和讨论应当尽快跳出抽象定义、文字概念，照搬国外项目，以及设备商家利益的局限。从中国低碳发展的战略高度，在项目实践中进一步科学地深入剖析、认识和创新，指引中国天然气DESCCHP走上快速发展之路。

参考文献：[1]、华贲，天然气冷热电联供能源系统，中国建筑工业出版社，2010.2，北京[2]、华贲，中国能源战略转型的历史机遇，世界石油工业，No.5,2010[3]、华贲，建设工业园区冷热电联供的能源系统，上海电力（3）pp.3-6，2009.[4]、华贲.产业结构、能效与一次能源构成对能源强度的影响分析,中外能源,2010.5.[5]、华贲，低碳时代中国的城市能源规划，将发表于建筑科学,2010,12期[6]、华贲，中国分布式能源发展机制创新的历史机遇，中国电业,2010第2期[7]、刘振亚，加快转变独立发展方式促进我国能源可持续发展，《能源政策研究》，2010.4pp.9-12[8]、《热电联产通讯》2010年第7期，pp.5；[9]、王显政，我国煤炭工业《能源政策研究》，2010.4pp.6-8[10]、华贲，低碳发展时代的世界与中国能源格局，中外能源，15（2）,1-9,2010[11]、华贲，中国天然气定价机制改革建议，天然气技术，3(6)1-3,2009，[12]、邱中建，中国天然气大发展，天然气工业，（10），1-9,2009[13]、吴国干：非常规天然气正改变世界能源格局，来源：中国能源网2010-05-28http://www.china5e.com/show.php?contentid=101804[14]、代松阳，韩晓平：中国未来100年文明进程将依靠天然气，中国能源网http://www.china5e.com/show.php?contentid=93625[15]、中美合作非常规天然气开发业界期待政策,21世纪网2010-06-01