城鄉能源系統碳排放核算與減排路徑

江億

城鄉能源系統的分類和邊界

探討城鄉能源系統的碳中和路徑，首先要把邊界范圍定義清楚。從能源供給側的角度來看，城鄉能源系統有電力供應、市政系統的熱力供應;從能源消費側的角度來看，城鄉能源系統主要有工業、交通、建筑三大部門。

從工業來看，分成流程工業和非流程工業。流程工業主要指冶金、有色、化工、建材等，非流程工業主要指機電產品、信息業、生物制藥、輕紡、造紙、橡膠等。流程工業以能源作為基本原料，不光作為燃料還是生產過程的原料，非流程工業用能則主要是用它作為燃料提供熱量，再就是用電，間接的碳排放是用電造成的，直接的是燃料提供熱量。

交通主要是貨運、客運，還有就是乘用車，未來乘用車將逐漸實現電氣化。從交通部門管理來看，以前比較多的關注營運車輛，包括貨運和客運。所以，以前統計數據很多都不包括中國現在有的這接近3億輛私家車，對它的能源的用能數據統計的渠道都不一樣。以后慢慢的車輛電氣化了，全社會擁有3億多輛電動小轎車，充電都是在社區或者在辦公的地方，這就意味著跟建筑緊緊地綁到一塊了。我們發現為小轎車提供充電的電力系統和建筑用電系統在很多場合是連在一起的，而且特征、性質也很類似于建筑用能，因此建議把這部分歸到建筑用能來管理、分析和統計。

從建筑領域來看，有公共建筑與居住建筑區分，城鎮建筑與農村建筑區分，各自特點不同，應該把它們定義清楚。此外，還有市政系統維持整個城市的運行，也有對應的碳排放。把各塊分類邊界搞清楚，可以清楚地看到各部分到底該怎么做才能實現零碳。

工業用能現狀與低碳發展路徑

下面再來考慮分析我國未來碳中和的情景。到2060年，我國人口可能會稍微減少一點，在14億以下;中國是制造業大國，一二三產業中，二產比例會比發達國家高點，比現在稍微低點。現在人均1.2萬億美元，將來能漲到4萬億美元，也就是總數為五十幾萬億美元，工業增加值到16萬億美元。在這個規模下，實現零碳的關鍵點首先是優先用電，終端用能盡可能減少對各種化石燃料的依賴，充分考慮到改為先進技術和全面電氣化之后導致的用能效率的提高。

從這些角度出發，分別看一看工業、交通和建筑這三個主要領域未來會是什么樣。圖1是中國和幾個發達國家目前的工業用能狀況，圖2是中國和這幾國在幾個主要的制造業領域的用能占比。

可以看出中國單位制造業的增加值能源顯著高于發達國家，這并不是因為我國生產、制造用能效率太低，而是兩個原因造成的。一是制造業的結構比例不一樣，我國鋼鐵、有色、建材比西方國家的比例高得多，幾乎占50%。鋼鐵、有色、建材的旺盛需求是為了滿足高速城鎮化發展和基礎設施建設的需要。這部分用能高，但產品增加值不高，這是導致制造業單位產值能耗高的一個重要原因。另一個原因是我國產品相對低端，同樣的東西價格太低，導致我國單位產值能耗太高。

未來，工業很重要的一個方面是結構調整，減少鋼鐵建材的占比，增加高附加值的機電產品、信息、生物等產品。一方面，隨著大規模的城鎮化建設跟基礎設施建設逐漸“軟著陸”，我國社會經濟發展的重點包括制造業發展的重點也會調整，將轉為信息業、生物產業和第三產業，這樣調整產業結構慢慢會順過來。另一方面，加強產品性能，從低端到中端再到高端提高產品附加值，減少單位產值的能耗。

更重要的任務是改變生產過程中的工業用能方式。對流程產業來說，面臨著工業流程和工藝方式的改變，例如中國的鋼鐵產業現在90%為長流程，從礦石出發，西方包括印度短流程的比例比咱們高得多，現在中國經過這么多年的發展，存在中國這片土地上的鋼材，一些統計表明我國人均量快接近美國的人均量了，所以逐漸廢鋼鐵的可獲得量就多了，因此會提高短流程的比例，減少長流程的比例。此外，發展新技術，比如拿氫還原替代焦炭。

化工領域也將面臨大變革，因為原料變了，需要改變生產方式，減少對化石能源的依賴，有可能將來把其他部門CCS（碳捕獲與封存）產生的CO₂再變為化工的重要原料，將來以氫和CO₂為重要原料的新型化工業將興起。另外，建材將來也要發生革命性變化，也將改變生產工藝，改變整個生產方式。

而輕工業、食品業、機電業、信息業面臨的就不是改變工藝，他們的用能一個是用電，再就是需要熱量。用電有可再生電力供給，熱量有蒸汽、熱水，該從哪來，怎么滿足這些非流程工業的熱是供應問題，這又變成了一件必須要解決的事。

再看工業領域，分成流程工業和非流程工業，這就會發現一個重要特點：冶金、有色、建材、化工，將來一定還會保留一部分，以滿足經濟社會發展需要。即使流程改變之后，從總的生產過程來看，還會釋放出大量的余熱，高溫部分，這些年通過回收余熱、余壓發電做得挺好。但是對于150℃以下或者200℃以下的余熱，很多時候都排掉了，尤其是100℃以下的余熱。因為沒有化石能源了，回收這塊熱量非常重要，可以用于其他非流程工業生產過程和建筑對熱量的需求，這是對流程工業提出的余熱回收的要求。

非流程工業如機電、生物、信息、輕工等，現在還用7億噸標煤的化石能源，這些化石能源主要用來提供大量的中低品類的熱量用于生產。這里面有50億～60億GJ（吉焦）熱量，部分熱量可以回收實現循環經濟，但是總量是欠缺的。現在的做法是拿化石燃料補，把鋼鐵、冶金流程工業排在中低品位熱量回收回來給它們用，替代這些工業所用的化石燃料。這兩類工業在熱量上是互補型的，但不是在同一個地方，不是挨著的，甚至還挺遠，產熱和需要熱的時間也不一樣，所以需要建設大規模的跨區域熱網和跨季節儲熱系統，把熱量回收起來，為非流程工業供熱。這兩邊的熱量的參數壓力包括蒸汽還是熱水，溫度參數也不一樣，可以通過由熱泵和其他裝置組成的熱量變換器實現單獨的一對一的提供，分別根據所需要的壓力、溫度進行熱量轉換，從而滿足非流程工業對熱量的不同需要。

中國工業現在每年是5萬億度電，未來由于電氣化還會漲到7萬億度電，還要額外7億噸標煤用于流程工業，產生出50億～60億GJ的熱量用于非流程工業和建筑，非流程工業有些地方還得用燃料，得用3億噸標煤，這是工業未來的情況。

交通用能現狀與低碳發展路徑

中國現在交通還是以油為主，電力在里面發揮的作用不大，貨運跟客運之比，貨運占了40%，客運占了60%。中國貨運交通的問題，一個是未來燃煤、建材、鋼鐵的量變少了，貨運交通負荷將大規模減少。隨著煤被替代，鋼材、建材的量減少了，中國好幾條運煤專線的貨運總量將減少。從整個貨運結構上，中國現在鐵路占的比例太少，大家都知道美國鐵路弱，但是美國鐵路在貨運上占的比例居然比中國還高。而鐵路是特別容易實現電氣化的，并且還是高效率，所以提高貨運的鐵路占比，盡可能減少公路占比，這應該是地面交通貨運非常重要的一點。

從客運上看，現在我國人均公里數比發達國家低得多，隨著現代化國家的建設推進，可能城內交通和城際周轉量會大幅度增加。中國高鐵客運發展得挺好，一是靠高鐵有效減少城際間航空運輸和城際間的汽車運輸，另一個重要點就是大力推動交通電氣化，私家車完全可以實現電氣化，短途運輸的汽車也可以實現電氣化，比較困難的只剩下長途重載貨車和長途大巴，但電池太沉，充電速度跟不上，未來可以考慮用氫燃料等。所以，應盡可能逐漸減少長途客運大巴、長途貨運，改成鐵路、高鐵，總之重點還是改成能夠用電氣化實現的運輸方式。

通過估計分析，到了2060年交通實現電氣化，電力需求大概在2萬億度電，還有1億噸標煤左右的燃料，像航油、遠航輪船，當氫原料還不能替代的時候需要一些燃料，這是交通未來的狀況。

建筑用能現狀與低碳發展路徑

建筑低碳的路該怎么走？現在建筑相關的碳排放，1/3以上是由于大量基建蓋房、建筑材料如鋼材、水泥的生產過程和運輸及建造過程導致的碳排放，盡管歸到了工業碳排放，其責任還是在建筑這邊的。現在我國建筑總量660億平方米，同時還有100億平方米開工還沒竣工的工地在蓋房子，將來蓋完了會達到750億平方米。屆時，我國人均建筑面積（包括居住建筑和非居住建筑）達55平方米，將超過日本、韓國、新加坡這些亞洲發達國家的人均建筑擁用量。所以，我國蓋房子應該告一段落，不能再使勁新增房子了，同時要避免拆舊的蓋新的，那樣就會沒完沒了地循環下去。應該把建設重點由蓋新房轉為修舊房，通過精細的修繕實現加固延壽和提升質量，這樣既能滿足社會發展對房屋、建筑環境不斷提高的需求，同時還能大規模減少對鋼鐵、水泥等建材的旺盛需求，從而實現碳減排。

另一重頭是建筑運行，現在600多億平方米，將來700多億平方米，這些房子都要使用、運行。為了滿足運行要求產生的碳排放怎么能降下來，這要求堅持建筑節能的方向，維持綠色節約的建筑用能模式。與發達國家相比，我國無論是人均建筑運行用能還是單位建筑面積都低得多。之所以低，主要是由于不同的使用模式。我總說“部分時間和部分空間”，沒人的時候，各種設備都關了;而美國都是全時間全空間，不管有人沒人，建筑物里面的燈總亮著，空調通風總開著，這種使用模式是目前用能差別非常大的最主要原因。維持使用模式，同時讓建筑機電系統和建筑形式能夠適應這種“部分時間、部分空間”使用模式，這是我國阻止建筑運行用能迅速增長的關鍵點。

除了要堅持實現持續的建筑節能事業之外，面對零碳要求，還需要做全面電氣化，因為以后主要的零碳能源來自于電。除了電氣化，還要改變用電模式，未來電力中大規模大比例的是風電光電，而風電光電又是不穩定的，很難根據使用側的變化及時調整，所以就得實現柔性用電。應該通過改造，讓建筑有更大的儲能能力和靈活用電能力，從而根據風電光電的變化改變我們從電網獲取的電力，為電力的零碳化做出貢獻。

要實現柔性用電，就需要特別大的儲能能力，實際上經過分析，中國未來最大儲能資源就是將來可能的3億輛電動私家車，怎么把3億輛電動私家車儲能資源充分調動起來，這件事要跟建筑結合在一塊考慮。因為這些車輛90%的時間或者停在社區停車場，或者停在上班的地方、附近的停車場，而這些都跟建筑相連，所以全面建設智能有序充電樁，不是插上就是充，而是電多就充上，電少從車中取電，把充電樁的電力納入建筑配電系統，跟建筑用電聯動，建筑加上智能充電樁合起來變成虛擬電廠，為電力系統調頻調壓，這將成為零碳下建筑的新任務，可以為實現碳中和做新的貢獻。另一個任務是建筑消耗的熱量，尤其是北方建筑的采暖，是由化石能源提供，將來要為建筑找到零碳的熱源，滿足建筑用熱的各種要求。

從這點出發，考慮到未來，如果建筑總規模控制在750億平方米，而且不再大拆大建，建筑用材量減少了，綠色使用模式能夠維持住，同時把各種各樣的余熱回收起來解決建筑用熱問題，現在是2020年中國建筑用電接近2萬億度電，考慮到將來建筑的全面電氣化，規模又大了，再加上私家車，一共是4萬億度電，需要的熱量是50GJ一年。

零碳愿景下的能源供給方案

這樣一來，我們分析得出了下表。為什么非要上一點調峰火電呢？比較了各種各樣的模式，從總的經濟成本等各方面來看，火電調峰是經濟上最合算的方案。

關于燃料：調峰火電1.5萬億度電，用4.5億噸標煤作為燃料，其中1/3的生物質燃料，其他是燃煤燃氣，排放12億噸CO₂。調峰火電發電的同時，還能熱電聯產，全年輸出70億GJ的熱量。流程工業用3萬億度電，另外還需要額外的7億噸標煤的燃料，滿足生產過程的需要，排放14億噸CO₂，還輸出50億GJ的熱量。輕工業包括機電產品等，這些非流程工業用4萬億度電，還用3億噸標煤排放6億噸CO₂，還需要70億GJ的熱量，交通消耗2萬億度電，1億噸標煤的油，排放2億噸CO₂。建筑用4萬億度電，需要50億GJ的熱量，核電一年能出70億GJ 的熱量、1.5萬億kWh核電，調峰火電也能出70億GJ的熱量，加上流程工業的50億GJ熱量，三樣加起來輸出190億GJ的熱量。需求側一個是建筑的50億GJ，一個是非流程工業70億GJ，加起來共120億，輸出大于需求。考慮到有些余熱不是那么好回收，尤其是地理位置相距太遠，長途輸送經濟性有問題，把這些不合適的因素考慮進去之后，這樣等于只用不到70%輸出的熱量就能滿足我們對熱量的需要了。

剛才碳排放加起來是30億噸，燃料一共需要15.5億噸，其中我國有10億噸的生物質能源，現在的秸稈、生畜的糞便加上城市綠化的產物保守計算6億～7億噸標煤，還差3億～4億噸標煤。已有好幾個機構都在研究用蘆竹規模種植，一畝產10噸，這樣可利用廢棄的土地搞點蘆竹類的生物質燃料，合起來一年提供10億噸標煤的生物質燃料。跟15.5億比還差6億噸燃料，由燃煤燃氣解決，再通過CCS回收CO₂，一年回收12億噸CO₂，就能用于化工建材，這樣整個大系統就能平衡。

按照這個表，可以認為能源側基本平衡了，也不需要過多的碳匯。要想實現這個目標，就得干這幾件事：一是建立新型零碳電力系統，實現電力系統的革命，其中包括改變電源結構和調控方式，這是一個革命性變化。包括電源從現在集中電源改成集中和分布相結合的電源供給，現在電網調節靠電源側發電機組調節，未來要變成電源和終端聯合調節。現在系統是源隨荷動，未來通過比較好的儲能方式使源和荷之間可以解偶，就成為“荷隨源動”或“源荷協同”。可靠性保障的方式，包括分析方法也和現在不一樣了，這是電力系統大的變化。與大的變化相應的是要有足夠大的儲電系統，從而滿足風電光電儲蓄的需求，這個儲電系統單獨投資是巨大的，很可能主要部分要依靠電動車電池資源。另外，要實現電力系統大比例的風電光電，這是低密度的能源，粗算一下需要1億畝土地或空間資源。到哪里去找這樣的資源？屋頂資源就是非常好的發展光電的空間資源。

第二是要建設帶有跨季節儲能設施的跨區域熱網，以全面協調低品位熱量的供、需、儲。主要包括三個方面：首先是剛才說的火電出來的熱量，什么時候出熱？需要電網調峰發電時調峰火電產熱，核電則全年持續出熱，流程工業得看市場狀況決定生產狀況，熱量產出的時間跟需求熱量的時間不同步。這些熱源的產生與需求之間在時間上不匹配，核電一年均勻的出余熱，建筑采暖冬天才用熱，這就得有大規模跨季節儲熱設施，解決時間上的不匹配。其次，有大規模的熱網解決熱源產生地與需求地之間地理上的不匹配，再次，還得有多種類型的低品類熱量變換器解決熱量產生和需求之間參數的不匹配。這三大問題，現在部分問題已得以解決或者也看明白方向了，有些還得努力攻關。

另外，剛才說要用好私家電動車電池資源，為配套建立全覆蓋的智能有序充電樁，實現“一位一樁”、即停即插，隨時讓電池在那連接著保持備用的狀態，同時促進交通電氣化的發展。

對建筑來說，以前是節能降耗，讓建筑表面發電是以前沒有的事，現在就變成非常重要的功能了，用余熱供暖，通過建筑連接充電樁，建筑實現柔性用電，這都給建筑賦予了新的重要任務。

對交通來說，電氣化是頭等大事，然后貨運結構、貨運方式結構的調整，一個是提效，一個是配合電氣化解決中國高速路，大量的長途貨運大卡車一定不是未來，也不適合電氣化。

工業涉及到流程的改造、能源結構的調整，對于流程工業來說把余熱回收回來用上，對非流程工業來說，通過熱源改造不使用化石燃料了，而是從別的地方回收回來的熱量為它服務。

碳中和目標“兩步走”的設想

面對這些任務，我們提出中國碳中和目標的“兩步走”設想。第一步，中國能源革命最主要任務是建立零碳新型電力系統。第二步，圍繞整個能源結構的轉型，倒逼工業、交通、建筑改變自身用能結構。其邏輯一定是先立后破，先把新型電力系統建立起來，再把煤電廠砍了。只有先建立起足夠的綠電供應系統，才能改變消費側，沒有足夠的綠電供應，讓工業、交通、建筑都電氣化幾乎不可能，最后只能僵在那了。所以一定要先立后破，建立新型零碳電力系統就成為至關重要的核心點，是整個中國能源革命的突破口。而要建立新型電力系統，關鍵解決兩大矛盾：一是在哪安裝風電光電，二是怎么解決儲存調節問題，整個矛盾集中在這兩點上，這是當前我們面臨的最主要問題。

從這一邏輯關系和順序出發，我們發現農村屋頂可以完成未來規劃的光伏總量的一半，甚至還能多點，農村屋頂可以解決安裝空間問題，并且能夠解決部分電力的消納、調節問題。這對整個電力系統的運行是一個革命性變化，剛開始很難在全國一下鋪開，可以先在農村嘗試這種新型電力系統，這是第一步。第二步是城市做光儲直柔改造，主要目的不是為了利用屋頂面積，而是解決柔性用電靈活調控，參與調控、成為電力系統的虛擬電廠。要想干這些事，必備條件是車輛電氣化，尤其小型私家車和農用車的電氣化，這為上面這兩步需要的儲能任務提供足夠的儲能資源。與此同時，建立余熱回收系統，把跨區域的熱網跟大型跨季節儲熱裝置慢慢建立起來，提供零碳熱源，這都可以同時進行。

從這點出發，我們覺得可以把中國能源革命分成2035年之前和2035年之后兩段。2035年之前主要有以下任務：一是完成電力系統、低碳供熱系統的建設，形成新型能源供給系統的雛形，加快汽車電力化和充電樁系統的建設，建筑的光儲直柔建設，農村新型能源系統的建設。二是跨區域熱網系統的建設，包括北方城市供熱系統的降低回水溫度改造，這些都是急著要做的。

反之，工業領域是我們“看家”的東西，正是持續增長的制造業使中國GDP在這么惡劣的國際環境下保持持續增長，因此不能一開始就對制造業大動手術，還要保留它繼續運行。我國工業體系建成現在的生產能力，主要是2000年以后，到現在這些生產線還沒達到投資回收的年限，沒到更新換代的時候，所以應該維持運行。而上新的項目，無論是化工廠還是鋼廠，則必須按照新的零碳工藝考慮。這樣一來，這十幾年時間抓緊對新型能源系統建設，風電光電起來了，電力足夠充足，成本也降低了，就會形成對燃煤火電的競爭優勢。所以，應該靠市場競爭來減少傳統產業，而不是強制關閉。并且新能源系統的建設工程會帶動起巨大的新型制造業，從而替代現在拉動GDP的基建行業。基建行業變小了，但新制造業會大發展，從而維持經濟的發展。比如說電動車產業現在非常火，很多企業涌現出來了，電池產業也成了增長特別快的巨無霸產業。光伏、風電設備，包括電力電子器件產業，將來跟信息類芯片同等重要，規模可能比信息類芯片還大。中國在這方面并不是那么落后，通過市場需求推動，抓一下，這塊起來后，將來規模不得了。另外，直流低壓配電、直流電器設備，將有每年幾萬億的市場，還有農機具電氣化、直流化等產業。所以，應該抓緊研究各個制造業零碳轉型具體技術路線和工藝，做好技術儲備，這是第一步。

到了2035年以后再開始第二步，那時候已經建成低運行成本、高可靠性的新型零碳能源系統，可以為制造業提供更多的廉價電力。同時，制造業多數生產能力和生產線也已經回收了初投資，進入更新換代期，本身就要求做產業結構調整和工藝改造。經過十幾年的研發，技術儲備也差不多了，可以全面開展制造業的產業結構調整和低碳轉型工藝過程改造，到2050年前后我國就能夠成為制造業強國。

從這個思路出發，大概分這兩步。整體的順序應該是先電力后其他，重點就是電力;先農村后城市，電力也是農村先行;先建筑、交通后工業，因為建筑、交通改造不會影響我國經濟發展，不會拖制造業后腿，還能形成新的工業產業的市場需求，所以能促進制造業。這些完成后再進行工業低碳轉型，就會特別順利。

總的來說，這是我們新一代人的重大使命，是人類歷史長河中人類發展模式的重大轉折點，就像當年引入煤炭，引入化石能源，人類開啟工業革命一樣，現在要把化石能源停掉，全面開發可再生能源，以實現未來可持續發展。以上內容就是探討在碳中和的背景下，城鄉能源系統建設到底該怎么做，很多事也就能夠看得更清楚了。