華南理工大學天然氣利用研究中心華賁

一、2009：世界和中國能源的第三次大轉型人類從19世紀開始工業化進程以來已經經歷了兩次能源構成的轉型。圖1給出了世界能源構成變化的歷史軌跡（黑線，為文獻[1]給出。圖中自2001至2100各點及灰色箭頭是本文所加。）。第一次大轉型開始于19世紀，由蒸汽機的發明和推廣應用所促成的由薪柴為主的可再生能源向煤的轉化。第二次是在20世紀初的20年間；從煤轉向石油。推動力是汽車和飛機的普遍使用。而從現在開始，人類間將開始第三次能源大轉型。即重點轉向可再生能源，并且化石能源內部結構重組。這次大轉型推動力主要是氣候變化，即自開始工業化一百多年來，特別是自1990年開始的近20年來，由于化石能源加速消耗、大氣中溫室氣體濃度急劇增加而導致的氣溫上升、冰山融化、海平面上升，和各種災害性氣象增加的頻度和速度都大大增加了。

圖1世界一次能源構成的變化軌跡以及發展趨勢氣候變化是我們這一兩代人面臨的最嚴峻挑戰之一。化石能源的過度使用加速了氣候變化和地球表面升溫人為的過程?？茖W家預測，地球生態警戒線是大氣中CO2濃度450ppm,地表溫升2℃；一旦超過2℃，就會朝著6～7度的嚴酷升溫發展，全球變暖將無法控制。2008年，全球CO2的總排放量已達300億噸/年，大氣CO2濃度已達400ppm。IEA預測，照此趨勢，2050年地表溫升就將達到2℃！此外，氣候變化導致的風暴、熱浪、洪水、冰災等災害也正在加劇。人類需要有一個所有國家參與的國際協議來劃分責任，落實避免災難的規劃和進程。

1997年的《京都議定書》，要求發達國家在1990年基準上，2008～2012年的5年間減排5.2%。2002年通過了《聯合國氣候變化公約》之后，在2007年制訂的《巴厘行動計劃》是氣候科學的關鍵一年。開始了“雙軌談判”；堅持在可持續發展框架下應對氣候變化，堅持“共同帶有區別的責任”原則。并且提出了“巴厘島路線圖”，指出了減排的具體途徑和措施、目標[2]。

圖2巴厘島路線圖指出的能源轉型的7項內容[2]2009年12月將在哥本哈根舉行的會議是一次更加重要的人類共同行動。目標是發達國家以1990年為基準年（總排放量約為21.5Gt/a），到2020年減排40%，全球排放將2020年左右達到峰值（450ppm），以后逐步降低；底線是控制溫升不超過2℃。美英等國帶頭表示了積極的態度。今年6月28日，美國奧巴馬政府已宣布到2020年減排2005年（5.87Gt/a）的17%，2050年減排83%（僅排放1Gt/a）。英國政府在7月15日發布的《英國低碳轉換計劃》白皮書中提出到2020年和2050年英國將碳排放量在1990年基礎上分別減少34％和80％。

相應于這些強制減排目標的措施，就是能源利用的大轉型。如圖2右側所概括，大體可分為兩類措施。自下而上的前3項：提高終端利用能效，提高電網效率（“智能電網”），和天然氣替代煤，旨在減少能源消耗的總量；而后4項：發展可再生能源、核能、工業和發電用能產生的CO2的捕集和封存（CCS），則著眼于大幅度增加零排放的清潔能源的比率。

二、氣候變化對世界和中國能源消耗總量和構成的約限1、按年增長0.8%計，2030年世界人口將從目前的67億增加到83億人。世界能耗總量約為240億噸標煤[3]（人均能耗為2.9tec/人年）?；诎屠鍗u路線圖和能耗與二氧化碳排放關系數據的分析，可以估算出2030年控制氣溫升高不超過2℃的世界CO2總排放量約為230億噸。為了滿足230億噸排放總量的約限，在240億噸能源消耗中，可再生能源（包括核能）必須占40%以上；石油和天然氣約占30%，煤約占30%,但是煤的一半須采用CCS利用。圖1中標志為2030年的紅點示出了這種能源構成的位置。從2030到2100，繼續朝這個方向前進；排放量進一步減低。

2、由于世界各國、各地區發展程度和時間不同，能耗和碳排放也存在極大的差異。圖3給出了1990—2002年世界各地碳排放的比較數據。

圖32002年世界各個地區CO2排放總量和人均量比較1990年，世界約排放21.5Gt/aCO2當量；其中發達國家排放約17Gt/a，占80%。自工業化以來的百多年間累計的排放比率，大致也是如此。而1990年中國溫室氣體凈排放量約為3.1Gt/a，占世界14.4%。

由于中國經濟近20年經濟起飛所帶來的能源消耗，特別是煤炭消耗急劇增長，到2008年全世界排放的30Gt/aCO2中，中國占了6.2Gt/a，即20.7%；成了第一位的排放大國。曾幾何時，60年前的1950年，中國CO2排放量為0.079Gt，僅占當時世界1.31%[4]。

分析各項數據的走勢可以看出，1990年以來導致世界氣候變化的各種因素中，中國因素起著相當大的作用：1990年以來中國新增能源消耗占世界的40%，其中中國新增煤炭消耗占世界的70%。這就導致世界新增溫室氣體排放量中，中國新增部分占了50%[2]。

美、歐、日等發達國家先后在上世紀中、晚期完成了工業化。他們已經經歷過了人均能耗較高的歷史時期；也積累了強大的經濟實力和科技基礎。低碳發展對于他們，首先是通過發展各種新能源科學技術進一步提高能效、降低能源消耗總量和人均能耗，以及然后才是加速發展無碳能源來實現的。特別是美國，奧巴馬政府期望藉領先發展新能源科學技術和能源金融機制，以保持世界領先地位。表1給出了大道各國達到人均1萬美元時能耗的歷史數據[5]。

表1人均GDP達到1萬美元的時間和能耗美國英國日本韓國年份60年代70年代80年代90年代能耗tec/p.a864.13.92008年美國的人均GDP為4.7萬美元，人均能耗為11tec/p.a，人均碳排放為19.5億噸。按照奧巴馬的計劃，到2020年減排2005年的17%，2050年減排83%，即2050年人均碳排放減為3.3噸。相應地，人均能耗也將大幅度降低。

按照計生委和發改委能源所的預測，2030年中國人口約14.7億，（占世界18%）；GDP約150萬億人民幣[6]。按照“共同但有區別的責任”原則，相信中國在哥本哈根會議上能夠爭取到的2030年二氧化碳排放約限可能在50億噸/年（占世界21.7%）左右，（人均碳排放3.4噸）。按照可持續地完成工業化的需要，屆時中國的總能耗將控制在44億tec/a，（人均能耗3tec/p.a）。按照不同一次能源排放CO2的數據和中國能源資源、自產能力，以及合理的進口規模、比率估算，相應于50億噸/年CO2排放的能耗構成應是：新能源可再生能源27%，石油16%，天然氣17%，煤40%（其中近一半約12億t/a采用CCS利用）；見下表。照此估算，2010-2030年期間，中國的能耗彈性系數為0.36。

表2碳排放控制的中國2030-2050年能耗及構成的估計項目時間2002%2030%2050%煤(億t/a/億tec/a)13.6/9.765.526.9/19.24020.2/14.432石油(億t/a/億tec/a)2.5/3.624.34.9/7.0164.4/6.314天然氣.31/0.42.758/7.51756/7.216(100bcm/a/億tec/a)其它1.117.511.92718.038（水電、核、再生，億tec/a)總計（億tec/a)14.8100441004510三、中國實現低碳能源發展的可能性討論：在20年內實現上述氣候變化對中國能源構成的約限目標，將是中國能源構成的180°大轉型；也是一個極大的挑戰。以下從四方面分析實現的可能性。

（1）、關于人均能耗。表1的歷史數據和美國政府今后的能源規劃說明，科技進步是促使能源利用效率快速提高的根本因素。只要能夠充分利用今后20年能源科技加速進步的成果，中國人均能耗不超過3tec/p.a是完全可能的。而2030年以后到2050年，中國已經完成了工業化，人口增長也步入常規，充分全世界的科技成果，不斷提高能效，總能耗應當不會有大的增長。

（2）、27%，11.9億tec/a可再生能源，能否實現？

按照最近2年中國可再生能源發展的速度，和對發展規劃的研究，這個目標是完全可以實現的。表3給出了最近的研究結果。注意，這里還沒有包括核能。

表3可再生能源發展規劃的最新研究[7]項目單位2010202020302050不包括水電億tec/a0.61.8-3.34-89-17水電2.33.64.64.1合計2.95-79-1213-21占一次能源%1025-1920-3030-40（3）、5800億m3/a天然氣的供應保障在政策的推動和各部門、各大公司的努力下，近年來我國天然氣從勘探開發、生產,到國外資源的利用和進口，都取得了很快的進展。天然氣消耗量以每年20%以上的速度增加。表4是根據各方面的信息估算的2020年我國天然氣供應情況。

表42020年中國天然氣供應總量和構成的估計總量350--450bcm/a，4.5--5.8億噸油當量/年國內生產160-180非常規天然氣80—120國內小計240–300，占70%進口管輸70—90進口LNG40—60（3100-4700萬tLNG/a）

國外小計110—150，占30%

（4）、近一半的煤通過CCS潔凈利用，能否實現？

表5列出了2008年4月頒布的煤化工規劃數據。

但自那時起的一年多以來，情況已經有很大變化。油價沖高和氣候變化壓力在中國掀起了一波波煤化工高潮。文獻[8]甚至提出了12億噸煤/年大化工的設構想；中國自主知識產權的氣化爐走出了國界[9]；IGCC等從煤發電角度考慮CCS的各種技術的規?；瘧靡惨哑鸩?。中國在煤CCS利用的技術和規模上，必將領先于世界。表2中煤CCS利用的目標，是完全可以實現的。

表52008年4月頒布的中國煤化工中、長期規劃[10]項目（百萬t/a）201020152020煤制油1.51030甲醇163866二甲醚51220煤制烯烴1.45.08估計耗煤，億t/a134.2四、中國低碳能源戰略芻議1、中國碳減排任務和途徑既有特殊性，也有后發優勢。

世界各國實現低碳發展都有三個共同的途徑。一是節制用能和提高能效，指標是降低總能耗和人均能耗；二是快速提高沒有CO2排放的核能和可再生能源的比率；三是采用CCS技術的化石能源（主要是煤）的潔凈利用。

與已經實現工業化的發達國家相比，中國的特殊性在于：（1）煤在一次能源中比率過高，占70%（世均28%），天然氣則過低（為3.5%，世均23%）；加上經濟的粗放性，致使能源利用效率低（36.8%，低于世均的50%）；（2）處于工業化中期，總能耗（28.5億tec/a和人均能耗2.1tec/p.a）

都還要增加；（3）除水電外，新能源及可再生能源基礎薄弱，成為主導一次能源還需要較長的時間；（4）煤的潔凈利用和CCS剛剛起步，受資金和技術的制約，也需要時間。

這個特殊性，特別是（1），既展示了中國減排任務的艱巨性，也指出了通過產業結構優化調整、改變粗放的發展模式，以及盡快調整化石能源中煤、油、氣的比率，實現藉總能效快速提高而減排的潛力和后發優勢。

2、在2030年之前的繼續工業化時期，中國碳減排的關鍵是降低能源需求總量增長的速度和比率；體現為能源彈性系數不能超過0.36。因為如果能源彈性系數繼續保持改革開放前30年的0.5的話，那么2030年中國總能耗將達60億tec/a，人均能耗4.1tec/p.a。由于屆時核能與可再生能源只能達到12億tec/a的規模；則其余48億tec/a化石能源導致的CO2排放量將超過100億噸，占屆時氣候變化所約束的世界排放總量40%以上；是不可接受的。因此，今后的20年，中國只能藉優化產業結構、節制用能和提高能效，使在0.36的能源彈性系數下保持經濟持續和實現工業化。

優化產業結構主要是藉宏觀調控抑制鋼鐵、化肥、電解鋁等一批高耗能產業的過度擴張和大量出口；在全球化的格局下，擯棄一切自給自足的小農經濟思想，以全方位評價（GSA）的思維[11]，依照資源、環境等要素配置，把產業鏈的不同環節安置在不同的國家和地區。不單純以目前和局部的經濟指標作為宏觀調控的尺度，而是以全生命周期分析（LCA）

的社會經濟效益、能效、碳排放3個指標來衡量產業發展的布局和取舍。幾年前，日本把全部先進的預焙槽電解鋁停掉，全部需求以回收廢鋁來滿足的時候，中國卻在保留許多落后的自焙槽工藝電解鋁得情況下，以幾百萬噸/年的規模擴張電解鋁，LCA研究指出，投資者獲取40億元/年的代價是社會效益損失上千億元[12、13、14]。

節制用能在中國政府所提倡的“循環型經濟，節約型社會”里有充分的闡述。不過目前無論在衣、食、住、行的各個領域，相當一部分人鋪張浪費、揮霍排場之風還很盛行；節制用能在中國的潛力還相當大。

3、在2030年之前，最重要的提高能效措施是盡快增加天然氣在一次能源構成中的比率。中國的GDP從1990年的1.87萬億增加到了2008年的30萬億。就是說，94%是近18年新增的。其中的工業、建筑和交通等增加部分，相當多是從國外（成套）引進的、先進的技術和設備。為什么能效卻比國外低13個百分點之多呢？

中國到2008年煤電轉換效率約35%，而天然氣聯合循環發電效率為50—55%；天然氣冷熱電聯供（DES/CCHP）的能源利用效率更在70%以上。而天然氣CCHP的CO2排放則只有煤電+燃煤鍋爐的1/4。

中國總能效比世均低13個百分點的一個重要原因，是天然氣在一次能源中的比率太?。唤涍^幾年的努力才從2.7%提高到3.5%，遠低于世均的23-25%。

把天然氣比率提高到17%，是中國能夠在人均能耗3tec/p.a下實現中等發達的最重要保證。主要戰略措施包括：⑴、作為主要工業燃料（包括68萬臺小鍋爐中的8成）的煤（占全國煤耗30%，其余55%發電，15%制水泥）盡可能采用集約化的天然氣DES/CCHP替代；（2）占建筑物耗能80%的采暖、空調、熱水和占14%的用電，盡可能用天然氣DES/CCHP集約化高效聯供；（3）占中國1.2億t/a柴油耗量近30%的中、重型卡車，改用高效、廉價、低排放的LNG車，（還可大幅度降低石油對外依存度，保障能源安全）

[15、16、17]。這3項技術在發達國家已經開發和成熟應用，但還沒有充分推廣。如果中國能夠隨著天然氣的快速普及而同時普及推廣這些技術，就能真正發揮“后發優勢”。此外還有用天然氣替代LPG等實現城市炊事燃料潔凈化，天然氣調峰發電等的節能減排效果，自不待言。

4、2030年之后到2050年，新能源、可再生能源利用和CCS的CO2減排作用將更加重要。因為到那時⑴、科技進步將使新能源開發成本大幅度降低，可供應量大大增加，占一次能源的百分比也將大大提高；⑵、公眾節能意識的普及和能源利用效率的進一步提高使總能耗比2030年不會有大幅度的增加，因而不僅化石能源在一次能源中所占的比率將穩步下降，而且絕對耗量也將遞減；⑶、bp公司剛剛宣布的“石油還能用42年、天然氣60年、煤122年”的推斷將徹底改變；三種化石能源資源將會被“細水長流”地“物盡其用”，直到百年以后。

5、“能源轉型”將不僅僅是一次能源的構成，更重要的是從一次能源到終端利用的模式和技術途徑。人們的觀念往往落后于時代的發展和進步，并采用習慣思維來計算和推理。圖4展示了從各種一次能源到工業和建筑物用能、交通用能、有機化工原料三類終端利用目前科技已經掌握的主要技術路線[18]。

以交通能源為例，雖然迄今為止絕大部分還是依賴石油產品（圖中深黑色線），但是不可以按照交通總量的擴大而對石油需求增張量作隨著線性外推。因為飛速的科技進步使電、LNG、煤基二甲醚、生物燃料和氫氣等替代能源，憑借它們在經濟上、能效上、和CO2排放上的優勢，必將在今后20-40年替代大部分汽柴油。智能電網所推進的電動和混合動力汽車將替代部分公交和私家車；新型高效LNG車將取代相當比率的柴油車；麻風樹、亞麻寄、藻類等為原料的第二代生物燃油2040年將占航空燃料的50%，非糧乙醇取代部分汽油；都已取得技術突破。氫氣燃料電池車也將在20年后實現商業化應用。

圖4從一次能源到終端利用途徑的大系統優化示意[18]再以有機化工原料為例，本來是從20世紀初才從煤化工轉為石油化工的。一百年后的今天，帶CCS的現代煤化工也在經濟上、能效上、和CO2排放三個指標上，初步具有了對石油化工的競爭力；雖然在不同國家、不同時期、不同條件下的具體比較結論會有不同。但是顯然，在大多數情況下，天然氣或碳一化工不會成為主流，因為從三個指標來衡量，碳一化工并不全比煤和石油化工好；但天然氣直接、高效發電和用作工商業燃料，卻有煤和石油難以比擬的優勢。

現代信息技術已經完全能夠追蹤所有上述技術途徑的最新科技成果的技術經濟數據，建立包括所有從一次能源到終端利用的模式和技術途徑的大系統模擬、展示和優化決策的模型；既可用于特定終端應用目標選取不同一次能源路線的比較決策，也可用于不同地區或國家在各個時期能源戰略輔助決策工具6、石油需求和資源優化利用芻議迄今的大部分能源規劃和預測研究，都估計中國石油需求繼續保持直線上升；到2050年達到7-8億噸/年[19]。這可能是因為他們都以現有的交通能源模式和有機化工原料路線為默認基準，采用線性外延的方法來估算的。但如圖1的歷史所提示和本節第5段所描述，經濟和環境的硬約束所推動的科技進步，將極大地改變今后的發展趨勢。消耗石油約11億t/a、60%依靠進口的美國，奧巴馬總統正是基于推動能源新科技發展的安排信心，才提出了徹底擺脫對中東石油依賴的日程表的。中國也沒有理由把交通和有機化工的能源供應吊在石油這一棵樹上；把石油對外依存度推向70%以上的對國家安全極為不利的局面。

除上述替代路線之外；值得一提的是目前我國石油資源的利用效率還有提高的空間。目前用作城市燃氣的2400萬t/aLPG，可以在10年之內用天然氣頂替出來用作化工原料。數以百萬噸/年計的油氣田伴生的乙、丙、丁烷，迄今還有不少放空或隨天然氣一起作為燃料燒掉。富含氫氣的數百億m3/a焦爐煤氣,仍以發電為主要的利用方向。近2000萬t/a用作燃料的煉廠氣中，也還有數百萬噸乙烷、乙烯等寶貴資源能夠分離出來利用。而目前需求日益增多的煉廠氫氣，仍主要依靠自產的輕烴水蒸汽裂解來制備。挖掘出這數千萬t/a化工原料資源的潛力，可以減少上億t/a的石油進口[17]。這都不是技術問題，而是粗放經營的體現。認真的系統優化研究應可證明，經過10-20年的努力，開發、推廣應用上述各個技術路線，是可以把中國石油需求控制在5億t/a之內的。

拓展時間和空間的視野，高屋建瓴、高瞻遠矚，充分認識科技進步的巨大潛力和關鍵作用，利用好全球化的正面因素，用大系統優化的思維認識和處理當今世界能源大轉型帶來的挑戰和機遇，盡到政府的責任、發揮它的政策、立法、規劃和組織職能；中國必將能夠同時完成現代化和能源轉型兩個歷史使命。

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