天然氣的利用及其相關碳排放——兼論美國頁巖氣的開發(fā)與影響

復旦大學能源研究中心 單鈺理 常 征 李海林

0 引言

自19世紀末20世紀初煤炭逐步取代薪柴成為世界第一能源以及后來又石油居上，百多年來，煤炭、石油和天然氣等化石能源一直占據(jù)著全球能源生產(chǎn)和消費的90%左右。雖然近年來風電、光電等清潔能源獲得了長足的進步與增長，但其應用規(guī)模與保障能力還極其有限，技術水平和商業(yè)化程度也遠遠不能滿足經(jīng)濟社會發(fā)展的需求。若延續(xù)現(xiàn)有生產(chǎn)生活模式，在未來可以預見的時間內(nèi)，世界的能源構成仍將會以化石燃料為主。歐美日等發(fā)達國家仍將長期處于油氣為主的高級能源時代，石油仍將長期保持第一的位置，占比36.7%（美國2010）；天然氣第二，占比25.2%（美國2010），煤炭第三，占比21.2%（美國2010）；化石燃料三足鼎立之強勢依然持續(xù)。水電、核電仍舊為重要補充，占比8.6%（美國2010）；風電、光電等可再生能源潛力巨大、增長迅速，但2010年在美國能源總消費的占比僅為8.2%。

就資源條件來看，全球已探明的化石能源儲量足以滿足未來20年乃至以后相當長時間的需求；得益于強大的市場需求和成熟的輸配體系，石油和煤炭還能夠在近、中、遠期維持一定的增速；天然氣特別是非常規(guī)油氣的增產(chǎn)潛力巨大，但其消費量的增長將主要取決于終端需求的固化和輸配管網(wǎng)的便利；水電、核電以及風電、光電的絕對供應量將會持續(xù)增長，但所占份額依然有限，能源利用清潔化、低碳化目標的實現(xiàn)仍將需要相當長的時間。

1 美國天然氣消費的增長與碳基的削減

作為世界最主要的能源大國，美國能源長期引領并主導著全球的能源發(fā)展趨勢，特別是近年來以頁巖氣為代表的清潔能源大規(guī)模商業(yè)化利用，奠定了美國能源系統(tǒng)始于供應端的清潔化、低碳化基礎。1990年到2010年的二十年間，美國石油的年消費量基本維持在9億噸左右，變化不大，其占全美能源消費的份額有所下降，從1990年的39.71%下降到2010年的36.70%；煤炭消費量略有增加，但占比卻從22.70%下降到21.23%；天然氣消費穩(wěn)步增長，占比從23.20%上升到25.15%；同期的非化石能源（核電、可再生能源、進口電力等）占比從14.39%上升到16.91%。參見圖1。

圖1 美國能源結構變化趨勢圖（1990·2000·201

煤燃燒時釋放出來的能量主要來自于煤中碳的氧化，而石油和天然氣燃燒釋放能量的一部分還來自于氫被氧化成水（H2O）的過程，石油的碳氫比約為1∶2，天然氣（主要成分是甲烷CH4）的碳氫比為1∶4。以燃燒后釋放同等能量為碳含量的測度基準，煤炭是CO2排放的第一來源、石油次之、而天然氣則是排放CO2最少的化石能源。從無煙煤、煉焦煤到柴油、汽油再到天然氣，伴隨發(fā)熱量的變化，其含碳量也有規(guī)律地發(fā)生著改變。由于化石能源在燃燒放熱過程中，所含的碳元素大多能夠最終氧化成CO2，因此含碳量的大小從本源上決定了化石能源潛在碳排放因子的大小，如無煙煤為26.8c-t/TJ、煉焦煤25.8 c-t/TJ、柴油20.2 c-t/TJ、汽油18.9 c-t/TJ、天然氣15.3 c-t/TJ等。

根據(jù)美國能源部能源信息署（EIA）提供的全球1980-2011年的能源消費與CO2排放數(shù)據(jù)，計算得到煤炭、石油、天然氣利用相關CO2排放系數(shù)（即單位能源消費量產(chǎn)生的二氧化碳排放量），如表1所示。

表1 煤炭、石油、天然氣利用相關CO2排放系數(shù)（1980-2011年平均值）

作為世界上天然氣利用最為成熟的國家，1990年到2010年美國的能源結構逐步優(yōu)化，清潔能源所占比重上升4.48%。按照等量異構方法核算，美國的溫室氣體排放量本應有較大幅度的降低，但由于總能耗的增加，特別是化石能源消費量的增加，全美溫室氣體的排放量依然有所增加。與1990年相比，2010年美國石油消費量增加0.88億噸標煤、煤炭增加0.59億噸標煤、天然氣增加1.81億噸標煤，化石能源消費量合計增加3.28億噸標煤；核電、水電等非化石能源消費量合計增加1.58億噸標煤。粗略估算由化石能源增量所產(chǎn)生的溫室氣體排放量在6.5億噸CO2當量左右，占溫室氣體排放全部增量的75%左右。但得益于天然氣占比的增加，化石能源相關二氧化碳排放的基底有所降低，參見圖2。

圖2 美國化石能源相關二氧化碳排放構

2 頁巖氣的商業(yè)化開發(fā)利用加速美國能源的低碳化進程

近10年來，全球能源領域最大的、最具商業(yè)影響力和規(guī)模替代效應的技術進步是在油氣領域主要是在天然氣開發(fā)領域取得的，而非在人們熱捧的可再生能源領域，也不是在迅猛成長的能源新興大國——中國，卻是在經(jīng)濟低迷的、傳統(tǒng)的能源強國——美國。

1）頁巖氣有力提升美國天然氣的生產(chǎn)優(yōu)勢

如圖3所示，2006年以后美國天然氣總產(chǎn)量的走勢與頁巖氣產(chǎn)量走勢基本相同，這意味著2006年后美國頁巖氣的增產(chǎn)不僅彌補了傳統(tǒng)天然氣產(chǎn)量的下降，而且還支撐起天然氣總產(chǎn)量的增長。

圖3 美國頁巖氣與天然氣生產(chǎn)狀況（1980-2010，億立方米

依托水力壓裂等創(chuàng)新技術，美國頁巖氣快速地進入商業(yè)化規(guī)模利用階段，產(chǎn)量從1990年的38.37億M3大幅增加到2010年的1376.88億M3，占當年全美天然氣總產(chǎn)量的22.79%，使得美國超過俄羅斯成為世界第一大天然氣生產(chǎn)國，未來美國天然氣可采儲量以及產(chǎn)量的增長將主要來自于頁巖氣等非常規(guī)化石能源，預計2015年美國的頁巖氣產(chǎn)量將達到2800億m3，參見圖4。

圖4 美國頁巖氣產(chǎn)量變化趨勢圖（1990-2040）

2）頁巖氣有效降低美國天然氣的對外依存度

美國是世界上最大的天然氣消費國，1995-2005年每年都需要從加拿大等國進口1000億立方米左右的天然氣，對外依存度長期徘徊在20%以上的高位，如圖5所示。

圖5 美國天然氣生產(chǎn)、消費與進口狀況（1980-2011，億立方米

表2 美國天然氣對外依存度與頁巖氣產(chǎn)量占比

如表2所示，在美國天然氣對外依存度不斷下降的同時，頁巖氣產(chǎn)量占天然氣總產(chǎn)量的比重卻持續(xù)增長，從而有效地保障了美國天然氣自給率的提高。由此，美國天然氣長期依賴進口的局面發(fā)生逆轉，天然氣價格也將大幅回落，再過5-10年美國可能轉而出口天然氣。

3）頁巖氣顯著改善美國能源安全格局

水力壓裂法開采頁巖氣技術在短短的幾年間就使美國的能源結構發(fā)生了引人注目的變化。盡管有關環(huán)境影響的爭論持續(xù)增加，但它正被證明不僅是能源供應領域，更是能源安全領域的一個主要貢獻者。在顯著改善美國和地區(qū)能源結構的同時，頁巖氣等非常規(guī)化石能源的開發(fā)將對全球能源結構特別是油氣市場的供應格局產(chǎn)生深刻的影響，也必將對全球能源安全狀況特別是大國的能源政策、經(jīng)濟政策乃至國家安全與外交政策產(chǎn)生長遠的影響。

基于工程學方面的重大進步和技術突破，也僅僅用了10年的時間，加拿大的“油砂”就從一種邊緣資源轉變成為一種重要資源，如今產(chǎn)油量已經(jīng)達到每天150萬桶，再過10年就可能實現(xiàn)每天300萬桶，從而使加拿大進入全球前五大產(chǎn)油國之列；同樣依靠技術的進步，巴西也可能在2020年左右從其豐富的“鹽下油”中每天提煉出500萬桶原油，從而取代委內(nèi)瑞拉，成為拉美石油的主產(chǎn)區(qū)，并可能成為未來美國進口石油的一個主要來源；預計2020年前后，美國從“致密砂巖油”中提取石油的產(chǎn)量可能會達到每天300萬桶，相當于美國日產(chǎn)原油總量的1/3，這也將從根本上改善美國的石油供應和安全狀況。

對美國而言，這些新的油氣供應源以從未想到的方式改善和強化著能源供應特別是能源安全，使其能源供應系統(tǒng)更富有彈性，這一變化不僅對美國乃至對世界的能源供應和政治外交都具有非同尋常的意義。

以頁巖氣為代表的非常規(guī)天然氣在美國獲得了成功的商業(yè)化利用。這不僅有效地推動了美國能源結構的優(yōu)化，促進了國家能源安全的改善，且相比煤碳、石油等化石能源，天然氣的潛在碳排放因子更低，燃燒能源獲取單位熱量所產(chǎn)生的二氧化碳排放更少，因此使其在能源消費總量略有增長的情況下仍能實現(xiàn)碳排放總量控制乃至減少。

[1]羅佐縣.美國頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀及其影響[J].中外能源，2012，17（1）

[2]金娜，李宇.美國能源結構及消費現(xiàn)狀[J].應用能源技術，2012，5（001）

[3]常征.基于能源利用的碳脈分析[D].上海：復旦大學,2012.

[4]馮躍威.美國頁巖氣開發(fā)策略研究--美國的頁巖氣之夢[J].國際石油經(jīng)濟，2012，20（1）

[5]李小地，梁坤，李欣.美國政府促進非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的政策與經(jīng)驗 [J].國際石油經(jīng)濟，2011，09（1）