低碳时代的中国城市能源规划Word格式文档下载.docx

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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（CarbonCaptureandsequestation,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12005—2050年中国CO2排放总量、能源碳强度ω和总能耗的变化预计

项目/时间200520202030

（1）2030

（2）2050（60？

）

CO2排放,tCO2/人均,t/p.a51/3.974/5.360/4.154/3.722/1.5

能源碳强度ω2.31.71.251.20.67

高碳能源比率γ0.930.710.520.50.28

煤CCS使用比例β00.10.30.40.6

总能耗,亿tce/人均,tce/p.a22.2/1.741/2.9348/3.345/3.133/2.2

煤（亿t/a/%）15.15/69.730.5/52.529/4325.2/4014/30

石油（亿t/a/%）4.68/21.05.0/17.45.7/175.0/162.3/10

天然气（tcm/a/%）0.06/2.70.4/12.40.56/150.59/170.45/18其它（亿tce/a/%）1.47/6.67.3/17.712/2512.2/2714/42

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-ProductedCoalChem.,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/2.93tce/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400°

C以下；

建筑耗能的80%的温位与环境温度只差10-30°

C。

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（DistributedEnergySystem/CombinedCold,HeatandPower，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2.5—3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。

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120°

C热水供暖，蒸汽吸收制冷供7—12°

C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8650h/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