江億院士：城鄉(xiāng)能源系統(tǒng)碳排放核算與減排路徑

 

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(yè)大國，一二三產(chǎn)業(yè)中，二產(chǎn)比例會比發(fā)達(dá)國家高點，比現(xiàn)在稍微低點?，F(xiàn)在人均1.2萬億美元，將來能漲到4萬億美元，也就是總數(shù)為五十幾萬億美元，工業(yè)增加值到16萬億美元。在這個規(guī)模下，實現(xiàn)零碳的關(guān)鍵點首先是優(yōu)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(jìn)技術(shù)和全面電氣化之后導(dǎo)致的用能效率的提高。

 

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

 

可以看出中國單位制造業(yè)的增加值能源顯著高于發(fā)達(dá)國家，這并不是因為我國生產(chǎn)、制造用能效率太低，而是兩個原因造成的。一是制造業(yè)的結(jié)構(gòu)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(zhèn)化發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要。這部分用能高，但產(chǎn)品增加值不高，這是導(dǎo)致制造業(yè)單位產(chǎn)值能耗高的一個重要原因。另一個原因是我國產(chǎn)品相對低端，同樣的東西價格太低，導(dǎo)致我國單位產(chǎn)值能耗太高。

 

未來，工業(yè)很重要的一個方面是結(jié)構(gòu)調(diào)整，減少鋼鐵建材的占比，增加高附加值的機電產(chǎn)品、信息、生物等產(chǎn)品。一方面，隨著大規(guī)模的城鎮(zhèn)化建設(shè)跟基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸“軟著陸”，我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重點包括制造業(yè)發(fā)展的重點也會調(diào)整，將轉(zhuǎn)為信息業(yè)、生物產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)，這樣調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)慢慢會順過來。另一方面，加強產(chǎn)品性能，從低端到中端再到高端提高產(chǎn)品附加值，減少單位產(chǎn)值的能耗。

 

更重要的任務(wù)是改變生產(chǎn)過程中的工業(yè)用能方式。對流程產(chǎn)業(yè)來說，面臨著工業(yè)流程和工藝方式的改變，例如中國的鋼鐵產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在90%為長流程，從礦石出發(fā)，西方包括印度短流程的比例比咱們高得多，現(xiàn)在中國經(jīng)過這么多年的發(fā)展，存在中國這片土地上的鋼材，一些統(tǒng)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(fā)展新技術(shù)，比如拿氫還原替代焦炭。

 

化工領(lǐng)域也將面臨大變革，因為原料變了，需要改變生產(chǎn)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(chǎn)生的CO2再變?yōu)榛さ闹匾?，將來以氫和CO2為重要原料的新型化工業(yè)將興起。另外，建材將來也要發(fā)生革命性變化，也將改變生產(chǎn)工藝，改變整個生產(chǎn)方式。

 

而輕工業(yè)、食品業(yè)、機電業(yè)、信息業(yè)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(yè)的熱是供應(yīng)問題，這又變成了一件必須要解決的事。

 

再看工業(yè)領(lǐng)域，分成流程工業(yè)和非流程工業(yè)，這就會發(fā)現(xiàn)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(jīng)濟社會發(fā)展需要。即使流程改變之后，從總的生產(chǎn)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(fā)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(yè)生產(chǎn)過程和建筑對熱量的需求，這是對流程工業(yè)提出的余熱回收的要求。

 

非流程工業(yè)如機電、生物、信息、輕工等，現(xiàn)在還用7億噸標(biāo)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(chǎn)。這里面有50億～60億GJ（吉焦）熱量，部分熱量可以回收實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟，但是總量是欠缺的?，F(xiàn)在的做法是拿化石燃料補，把鋼鐵、冶金流程工業(yè)排在中低品位熱量回收回來給它們用，替代這些工業(yè)所用的化石燃料。

 

這兩類工業(yè)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(yuǎn)，產(chǎn)熱和需要熱的時間也不一樣，所以需要建設(shè)大規(guī)模的跨區(qū)域熱網(wǎng)和跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)，把熱量回收起來，為非流程工業(yè)供熱。這兩邊的熱量的參數(shù)壓力包括蒸汽還是熱水，溫度參數(shù)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(xiàn)單獨的一對一的提供，分別根據(jù)所需要的壓力、溫度進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)換，從而滿足非流程工業(yè)對熱量的不同需要。

 

中國工業(yè)現(xiàn)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(biāo)煤用于流程工業(yè)，產(chǎn)生出50億~60億GJ的熱量用于非流程工業(yè)和建筑，非流程工業(yè)有些地方還得用燃料，得用3億噸標(biāo)煤，這是工業(yè)未來的情況。