低碳时代的中国城市能源规划.doc

低碳时代的中国城市能源规划华 贲(华南理工大学天然气利用研究中心，广东 广州 510640)摘要：气候变化要求世界石油、煤、天然气、可再生能源按占一次能源比率的排序逆转。中国一次能源中煤的比重也需从70%逐步降到30%；且须采用CCS技术。这使得城市从一次能源到终端利用的路线图发生重大变化：煤退出工业燃料领域，主要用于气化多联产和发电；采用以集约化为主导的、9种不同类型的冷热电联供技术的天然气分布式能源系统（DES/CCHP）将成为城市工业、商住的主要能源。这要求基于中国国情、在系统规划和运营机制两方面集成创新。相应的城市能源规划必须细化，与工、交、主功能区块布局时空规划无缝衔接配合；并且量化反映城市发展规划是否符合国家下达的能源强度、碳强度指标。关键词：低碳能源 终端利用 冷热电联供分布式能源系统 城市能源规划一、低碳发展要求世界和中国一次能源构成重大转型气候变化已成为世界各国面临的最紧迫问题之一。2009年12月的哥本哈根会议以世界192个国家的声音，肯定了会议前夕国际能源署（IEA）提出的“450情景方案”的三个具体目标中的两个，即：全球平均气温不应比工业化开始前高出2摄氏度；这要求全球排放量减到1990年（209亿吨CO2当量）的一半。为此发达国家应当减少至少80%温室气体排放量，发展中国家的温室气体排放量应当比“通常情况下”低15%-30%。至于第三个目标，即碳排放的峰值年和减排到1990年排放的一半的时限，以及发达国家以资金和技术支持发展中国家减排的具体安排，留待2010年末的墨西哥会议解决。文献1、2、3研究了能耗、一次能源构成和应用碳捕获和封存（Carbon Capture and sequestation,CCS）技术三者与CO2排放之间的制约关系，并推算出了在上述减排目标和进程下世界能耗和一次能源构成变化的走势。见图1图1 低碳发展的世界能源构成变化走势未来的10-20年，即2020-2025年，将是世界一次能源构成的转折点。石油与可再生能源（I、IV两条曲线）在一次能源构成中的排位互换；而煤和天然气两者（II、III两条曲线）的走势高低将取决于煤的CCS利用技术经济指标与非常规天然气开采成本和规模两者之间的博弈。科技进展我们现在还难以预测。图中最右端的能源构成，是IEA提出的2050年在总能耗约225亿tce/a之下，可再生能源、天然气、煤、石油四种能源的构成比与目前刚好逆转，而且大部分的煤通过CCS利用；对应的CO2排放量能够控制在108亿吨/年的情景。至于今年末的墨西哥坎昆会议上对长期目标时间点的共识是否在2050年，还是推迟到2060年？并不改变图上各曲线变化的趋势，只不过各条曲线的斜率变化都放缓而已。在目前世界能源转型和低碳发展的格局中，中国处于最特殊的地位。这是由下列几个因素决定的：中国是人口第一大国，由于煤占一次能源近70%的能源禀赋， CO2排放不仅总量最多，人均也已超过世均，但是人均GDP还远很低，属于发展中国家。这决定中国继续完成工业化和城镇化只能走低碳发展之路。未来10-20年中国的总能耗还会增加，CO2排放也将经历一个先增再减的过程；两个峰值年都可能在2023-2030年之间。但在达到峰值年之后，中国的碳减排将与世界同行；见表1。表1 20052050年中国CO2排放总量、能源碳强度和总能耗的变化预计项目 / 时间 2005 2020 2030（1） 2030（2）2050（60？）CO2排放,tCO2/人均,t/p.a 51/ 3.9 74/ 5.3 60/4.1 54/ 3.7 22/1.5 能源碳强度 2.3 1.7 1.25 1.2 0.67高碳能源比率 0.93 0.71 0.52 0.5 0.28煤CCS使用比例 0 0.1 0.3 0.4 0.6总能耗,亿tce/人均,tce/p.a 22.2/1.7 41/2.93 48/ 3.3 45/3.1 33/ 2.2煤 (亿t/a / %) 15.15/69.7 30.5 /52.5 29/43 25.2/40 14/30石油 (亿t/a / %) 4.68/21.0 5.0 /17.4 5.7/17 5.0/ 16 2.3/10天然气(tcm/a /%) 0.06/2.7 0.4 /12.4 0.56/15 0.59 /17 0.45/18 其它（亿tce/a / %) 1.47/6.6 7.3/17.7 12/25 12.2/27 14 /42上述趋势分析的基本思路是：核能与可再生能源以5%的年率持续增长，10年后中国非常丰富的非常规天然气资源得以大规模开发，煤的CCS利用比率2020年以后的30年间从10%提高到60%，石油因资源的有限性和CCS利用的规模限制将在2020年左右达到峰值后逐步减少3。二、城市一次能源到终端利用（工业、商住、交通）的新格局1、 低碳时代一次能源在城市用能中的格局低碳发展要求世界和中国的一次能源消费格局在30-40年间完成如图1所示的重大转型。煤碳最终必须在扑捉和封存二氧化碳的条件下（CCS）才能利用；由于CCS 的经济规模所限，这使它必然退出城市终端用能市场；而转向发电和煤气化多联产为主，（后者就是带冷热电联供的现代煤化工Multi-Producted Coal Chem., MCC/CCHP）；部分用于制水泥和炼铁（煤或合成气直接还原炼铁将替代传统的焦炭/高炉）。可再生能源将大部分用于电力生产，部分直接用于向低品位、低能量密度的建筑物用能和化工原料。天然气超过石油成为主要的工业和民用燃料。2、 未来10-20年城市能源需求的挑战按照表1的估算，2020年中国的总能耗/人均能耗将分别由2005年的22.2增加到2020年的的41亿tce / 2.93 tce/p.a。显然在这个完成工业化和城镇化的历史时期内，增加的能耗主要是在城市工业、建筑物和交通三大领域。按天津市供热办的数据，该市集中供热负荷将由目前的200万m2增加到2013年的2400万m2和2020年的5500万m2。按国家发改委能源所的数据，珠三角城市建筑面积2030年将达到160亿m2，接近目前的4倍。目前广东空调耗电已占电网夏季高峰负荷的一半，如此大幅度增长的供能需求增长，按照现在的利用模式和能效，是不可承受的。3、CHP和DES/CCHP在能源终端利用中的地位至少在本世纪中叶之前，气候变化所要求的能源转型，还容许使用一半的化石能源。迄今在中国占总能耗80%-85%的工业和商住建筑物耗能中，大部分都是低品位的热能。例如占中国能耗近四成的过程工业，终端能耗热/电比在5以上，大部分在400C以下；建筑耗能的80%的温位与环境温度只差10-30C。按照热力学第二定律，化石能源的化学能转换为电力的效率不可能为100%，必定有一部分以较低温位的热量的形式传递到环境。热电联产(CHP)正是运用这个规律，同时产电和热，因而提高能源转换效率的。但是传统CHP的热电比取决于特定的技术，不能适应各种终端用户变化的需求。发达国家近30年来建筑物能效大大提高。一是维护结构热工性能改进，二是采用分布式冷热电联供系统（Distributed Energy System / Combined Cold, Heat and Power，DES /CCHP）集成各种热机、热泵、吸收制冷、可再生能源技术，实现化石能源“吃干榨净”的高效利用。前者使住宅单位面积耗能逐年降低，仅为中国的一半。后者使公共建筑一次能源的终端利用效率提高到70%以上。可以说，只要人类还使用化石能源和生物质能，CHP和 DES/CCHP就是科学用能的必由之路；永远不会过时。发达国家正在继续和加深这些措施，并成为他们完成减排指标的重要途径。丹麦全国DES/CCHP产生的电力已经超过50%，美国2000年已定下2020年达到29%的目标。而中国CHP装机虽占10%，产电量则远低于此。发展空间还很大。4、终端用能模式的转型和和效率提高的途径按照国际市场天然气价格，中国城市终端用天然气和煤的等热值比价约为2.53倍。简单地用天然气替代煤，用于城市供暖和工业锅炉，单位面积采暖费用和蒸汽价格都将至少增加1倍。这是居民和工业企业都无法承受的。同时，这也使天然气下游市场难以按照市场机制开拓。另方面，按照这种传统模式以气代煤，能效提高有限，二氧化碳减排也只有40-50%。不能适应中国节能减排的目标要求。这是摆在当前中国城市用能面前的一道难题。与发达国家相比，中国的国情特点一是城镇化要求继续新建大量新城镇和住区；二是城市工业区、商业中心、居住区的布局和模式与西方大不相同。这使得中国能够、而且必须在借鉴西方国家DES/CCHP经验和技术基础上，依照具体国情，自主创新，创立中国自己的城市终端用能模式和DES系统。在政府主导的经济体制下跨越式发展：伴随工业化和城镇化的进展，使多数工业园区供能和建筑物能耗占80%的采暖、空调、热水和占14%的用电，尽可能用天然气DES /CCHP加可再生能源集约化高效联供。不足部分由电网提供。迄今绝大部分交通能源依赖石油产品的局面将随着加速的科技进步而根本改变。占中国1.3亿t/a柴油耗量的近半的中、重型卡车、部分公交车将改用高效、廉价、低排放的LNG；智能电网所推进的插电式汽车将替代大部分小型轿车的燃油；第二代生物燃油将提供大部分航空燃料；非粮乙醇和煤基二甲醚将取代部分仍做车用燃料的汽、柴油；太阳能制氢气/燃料电池车也将在20年后实现商业化应用。上述交通替代能源科技以及高铁、城市公共交通的发展所带来的在经济上、能效上和CO2排放上的优势，必将在今后20-40年替代绝大部分汽柴油。这样就可以使耗量逐渐减少的石油，与带CCS的煤气化和生物质多联产一道，主要用于有机化工原料。这种情景，表示于下面的图2中。电天然气商住用能品粮DES/CCHP核、再生能 电电 工业用能智能电网BI0煤 交通用能气化多联产轻烃、石油油加工 有机化工 图2 低碳时代一次能源到终端利用的新格局三、新格局下城市能源供应系统建设、运营和监管机制1、 发电、供热、制冷能源转换联产-终端供应组合呼唤集成创新必须指出的是，CCHP决不是反对者简单理解的0.2MPa抽汽加热120C热水供暖，蒸汽吸收制冷供712C冷水这样概念化的组合。它是基于科学用能，即“高热高用、低热低用，温度对口、梯级利用”的思想，严格按照热力学第二定律和火用经济学理论，采用系统工程方法，在对各种冷热电用户8650 h/a负荷统计、分析的基础上，采用各种燃气作功发电技术、各种制冷技术、热泵技术、再生能源利用技术，以及强化传热技术，集成建模和优化求解而得到的，在经济效益、能效、碳减排三个方面都比较好的组合方案。是现代系统科学、信息科学、管理科学与各种能源转换、传递科学和技术的集成。某些CCHP项目效果不显著，是源于过于简单化的理解和主观的组合所致4。目前许多北方大城市迫于环境和碳减排压力，正在大规模淘汰燃煤的CHP供暖和工业供热机组。有些城市正在走大规模地源或海水源热泵路线。因地质条件、或没有打井位置的中心区，只能以天然气联合循环机组为基础，寻找其它的热泵热源。一批中国特色的天然气CCHP创新系统将脱颖而出。此外，非采暖期怎么办？总不能单纯发电吧？如何开发常年的生活热水供应市场？如何开拓公共建筑夏季供冷的用户？这在中国南、北方的不同城市，情况是很不相同的。如果说，燃煤CHP供热机组还常常亏损的话，以比煤贵2-3倍的天然气为热源按常规CHP供暖，没有集成的技术突破和机制创新，经济上是完全不可行的。此外，随寒流来去采暖期热负也有成倍的波动；热负荷也是随城区建设逐步扩大。这要求系统必须有一定的柔性和前瞻性。不仅适应四季、昼夜等气候条件变化，也须考虑到能源价格等市场条件的变化和园区规模的扩展，甚至新的成熟技术的采用。几十个工程规划的经验表明，由于气候条件、负荷的时间变化和空间分布、附近可用的余热和再生能源的情况等的不同，每一个项目的规划方案都是不一样的。例如，最近的几个项目规划生活热水的生产/供应方案都不一样。有的采用35C左右的汽轮机冷凝潜热循环冷却水，在能源站内用不同的废热或低温余热加热到45-50C，连续输送到分散在用户负荷中心的热水站储罐，再根据实际情况，分别采用热水型蒸汽吸收制冷即梯级利用过的70C左右的温排水，蒸汽吸收热泵，电压缩热泵，太阳能集热器，小（微）型CCHP的余热，等等当地可用的、最便宜的方式，加热到65C左右，供随时使用。包括管网、储罐等投资折旧在内，热水成本只是天然气家用热水器成本的一半。工业的CCHP项目，还必须建立在采用能量系统优化技术规划和改进能源利用的总体方案的基础上。一个过程工业企业，首先必须优化工艺和总流程，降低工艺总用能；然后再采用换热网络优化匹配、低温热系统优化利用、余热升级利用等技术提高能量回收循环利用率；这样，需要通过CHP 或CCHP 由一次能源转换供入的冷、热、电的负荷将会大大减少。国务院把能量系统优化列为“十一五”重大节能工程的真意，就在于此 。2、中国城市规模化能源集成供应系统的类型中国地域广阔，各城市的气候和产业特点千差万别，DES/CCHP大致可有下列几种类型：（1）、北方集中供暖为主型。如上节所述，首先必须满足大部分城市居民冬季供暖的需求。进而考虑非采暖期如何开拓冷和热水用户，延长机组设备利用时间和提高天然气转换效率；如何与地、水、工业废热等各种低温热源，和可再生能源相结合来适应四季不同的供能服务。（2）、 南方区域供冷为主型。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，规划天然气能源转换机组的规模和类型；同时以向附近住区建筑物居民提供生活热水来充分利用能源转换价值链末端的极低品位余热，提高能源利用效率。（3）、大型过程工业（园区）。过程工业多以热加工为主；不论南、北方，主要热用户是从数十t/h到数百t/h不等的蒸汽，而且多半是是24 h/d连续用汽。这类型项目采用2-3台6B级或9E级燃气轮机+余热锅炉为基本配置的联合循环机组为基础，配以抽凝、背压式汽轮机组；能够使能源转换效率达到70%以上。（4）、大型联合循环调峰机组离散制造业园区（见后面实例）。（5）、现有乡镇企业工业园区。有不同类型，过程工业为主的有数十t/h到数百t/h不等的蒸汽负荷，离散制造业耗电和空调制冷。特点是商业建筑、住区与工业园区毗邻或交错；联供蒸汽、热、冷的负荷有利于提高能源转换效率。（6）、大城市规划新区。布局规划有两种不同类型；一是整个城市统筹布局，大工业区、住区和CBD各自集中，相互隔离；三类区域供能需求不同，较难实现集成联供。另一种是分多个区块、或中心城区加卫星城区（副中心区）规划布局，在每个区块内规划工业区、住区和CBD，这样的功能区较小、相互之间的距离近；有可能集成联供。（7）、新规划中小城镇，类如大城市的一个区块；在几平方公里范围内，根据气候条件和自身负荷特点，可规划一个或几个集约化的冷热电联供能源系统。（8）、独立的公共建筑群。南方现有城市中心没有条件规划大型DES，可以规划有条件的公共建筑群小型DES/CCHP；如医院、学校、机关，或密集的酒店、商厦集群。空调冷水、热水需求都有；负荷在1-5MW左右。（9）、现有分散电源点联合循环机组的改造。以广东为例，已建30多台9E联合循环机组汽轮机都是纯凝的。按照附近城镇各类冷、热、蒸汽具体需求负荷，部分改造为抽凝、背压机，可以大大提高能源效率和运营的经济效益。3、城市能源供应系统建设、运营和监管机制显然，上述各种类型的能源供应系统的简单描述已经勾画出一个新的高科技服务行业的雏形。而且这不是一个孤立的行业，而是同城区工业、商住、交通的规划、布局密切交织在一起。因此其发展有自己的规律性要求。（1）、必须由政府牵头，在城市发展总体规划格局下，统一规划、布局；否则完全无法建设；（2）、能源供应服务属于公用事业，牵涉千家万户民生，但又不是要害部门，无需由政府包办或国有企业垄断。OECD国家30年的经验表明，由电力、燃气、能源服务等利益相关方按照市场机制合组的，允许包括多种所有制的股份公司，作为投资建设和运营的主体；有利于平衡各方利益、抵御各种风险；（3）、政府在统一规划下，主持投资建设的项目业主招标，适当给以融资支持、税收优惠，提供良好的投资运营和技术、设备等各方面的支持，十分必要。（4）、能源供应服务公司在一个区域内具有市场的独占性。因此各种能源供应服务价格须由政府部门监管，必要时举行公众听证会，平衡各方利益。目前一些地方的一些企业，以“抢滩登陆”的心态，期望从地方政府手中获取区域排他性燃气特许经营权入手，获得地区能源供应的垄断经营权和定价权，从而获取超额的利润。事实上已经有了这样的实例；不仅会侵害用户的利益，而且给能源供应服务行业的健康发展带来了负面的影响。必须意识到，城市能源供应服务企业，属于带有公益性质的，长期稳定、低风险、低收益的行业。政府的支持、优惠和监管，是保障其公益性，维护广大用户利益，促进行业发展、就业扩大、社会稳定的基石。企业片面追求利润、不尽社会责任，或政府方支持、监管缺位，都是不能容许的。四、新格局下城市能源规划如何制定？低碳经济是前所未有的新事物，新能源格局下的城市第二代能源供应系统如何规划，也是一个崭新的课题。从时间和空间两方面，都需要拓展视野、高屋建瓴；要求工作方法和机制上的创新。1、经济社会发展目标和约束条件今后10-20年，国家经济社会发展目标和生态、环境碳减排约束条件，都已基本确定。国家将把这些指标分解落实到各省、市来。在科学发展观的指导下，一个城市的发展规划将不仅仅体现为GDP的总量和人均年增长数据，而必将有城市化率、能源强度、碳强度，以及总能耗、总排放量等各项指标的约限。换句话说，城市的科学发展规划必须给出类如表1各栏中列出的、与国家发展规划相应的数据，描绘出城市在生态约束下科学发展格局。不能像以往那样，仅凭GDP 目标、一次能源消耗和能源弹性系数的历史数据外推出未来各年份的能源需求总量就万事大吉。文献2研究了产业结构、能效、一次能源构成对能源强度、碳强度，以及总能耗、总排放量等的影响关系。显然，低碳经济时代的城市能源规划，必须做到这样的深度。2、 目标约束下城市发展规划初稿的制定首先可以根据城市在地区中的定位，拟定发展规划的初稿，包括一、二、三各产业的发展规模、比率和内容，工业、商住、交通三大耗能领域的空间布局以及按时间发展进度。城市功能区的空间布局规划对于能源规划有决定性的影响。如上所述，如西方许多城市，工业区、住区和CBD在空间上相互分开的大一统布局，必然带来工作日大流量、长距离的人流交通负荷。三种功能区的能源需求也各不相同，必须分别规划。分多个区块、在每个区块内规划布置工业区、住区和CBD的， 则有可能实现冷热电需求互补，提高能效。总之，城市发展和建设布局规划初稿是进一步制订能源供应规划的基础。3、 工业、商住、交通能源规划的细化有了工业、商住、交通，和空间布局初步规划，就可以进一步细化制订能源利用的具体规划方案了。以尽可能提高规模化的天然气DES/CCHP能源供应系统在城区的覆盖率为指针，依照具体情况，参照上述9种类型能源供应系统，制订具体方案。不排除因考虑能源供应的优化而反馈调整功能区的布局。深圳市光明新区是一个有一定典型意义的例子。这个在原有的两个镇基础上新规划的156km2、100万人口的城区，以高科技离散制造工业园区为目标；基于新设一个39F天然气调峰机组的电力布局需要，规划了一个以该电站为主体的DES/CCHP能源供应系统，兼有向工业厂房和CBD供冷，向居民供应生活热水的优势；可使发电成本显著降低，天然气能源利用效率提高到75%以上5。南方远离居民区的纯CBD或离散制造业工业区，仅有空调制冷负荷，没有热水负荷，低品位余热没有适宜用户，就难以达到更高的能效。单纯以普通市民住区为对象规划区域供冷，按目前的生活水平和经济能力，也还难以实现。北方城市则不然，气候条件要求集中供热覆盖所有的居民住宅；必须以此为供能规划目标。但夏季空调负荷则只有商业和公共建筑的需求。蒸汽需求则取决于过程工业的布局安排。集约化的DES/CCHP系统设置与城市功能区规划布局之间，有可能需要多次反馈、协调，这就是中国国情所要求的集成创新。交通能源规划需要落实到功能区块空间布局所要求的交通方案，包括市内优先发展的轨道交通-接驳巴士/BRT衔接的规划；各类中、重型卡车，公交车采用LNGV的产业链开发规划；小轿车逐步转向插电式汽车、混合动力车或DME、掺加甲醇或非粮乙醇汽油的规划；以及长远的氢气燃料电池车的规划。有了上述细化的规划工作，就可以相当准确地估算出各区块和全市工业、商住用能对天然气和电力供应的需求总量和空间分布，以及交通用电、LNG和其它燃料的数量，以及按年度增长、变化的趋势。4、 立足于能源规划的城市发展规划落实到每个区块的、与功能区规划融为一体的多个DES/CCHP系统规划所包含的冷、热水、蒸汽管线（网）的网络和路由，必须与城区道路和绿化规划协同配合。原来各自独立规划的高、低压供电网络、商住炊事用低压天然气管网，在冷热电联供的能源系统规划下，自然也会大不相同。这就给城市规划道路和配套的共同管沟奠立了基础。更重要的是，细化的能源规划能够给出城市对天然气、石油、煤、可再生能源的需求逐年增长数据，便可以据此推算是否能够满足国家下达的各项指标了。城市中心虽然不再燃煤，但市郊燃煤电厂和外部电网供入的电力，都是要追溯到实际消耗的一次能源和碳排放量的。规划之中还必须列入相应的燃煤电厂、市内现代煤化工、炼焦和水泥企业燃煤排放的CO2通过