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(lái)考慮分析我國(guó)未來(lái)碳中和的情景。到2060年，我國(guó)人口可能會(huì)稍微減少一點(diǎn)，在14億以下；中國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，一二三產(chǎn)業(yè)中，二產(chǎn)比例會(huì)比發(fā)達(dá)國(guó)家高點(diǎn)，比現(xiàn)在稍微低點(diǎn)?，F(xiàn)在人均1.2萬(wàn)億美元，將來(lái)能漲到4萬(wàn)億美元，也就是總數(shù)為五十幾萬(wàn)億美元，工業(yè)增加值到16萬(wàn)億美元。在這個(gè)規(guī)模下，實(shí)現(xiàn)零碳的關(guān)鍵點(diǎn)首先是優(yōu)先用電，終端用能盡可能減少對(duì)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(gè)主要領(lǐng)域未來(lái)會(huì)是什么樣。圖1是中國(guó)和幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家目前的工業(yè)用能狀況，圖2是中國(guó)和這幾國(guó)在幾個(gè)主要的制造業(yè)領(lǐng)域的用能占比。

 

可以看出中國(guó)單位制造業(yè)的增加值能源顯著高于發(fā)達(dá)國(guó)家，這并不是因?yàn)槲覈?guó)生產(chǎn)、制造用能效率太低，而是兩個(gè)原因造成的。一是制造業(yè)的結(jié)構(gòu)比例不一樣，我國(guó)鋼鐵、有色、建材比西方國(guó)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(gè)重要原因。另一個(gè)原因是我國(guó)產(chǎn)品相對(duì)低端，同樣的東西價(jià)格太低，導(dǎo)致我國(guó)單位產(chǎn)值能耗太高。

 

未來(lái)，工業(yè)很重要的一個(gè)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(jī)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(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)包括制造業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)也會(huì)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(huì)順過(guò)來(lái)。另一方面，加強(qiáng)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(guò)程中的工業(yè)用能方式。對(duì)流程產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，面臨著工業(yè)流程和工藝方式的改變，例如中國(guó)的鋼鐵產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在90%為長(zhǎng)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(guó)經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展，存在中國(guó)這片土地上的鋼材，一些統(tǒng)計(jì)表明我國(guó)人均量快接近美國(guó)的人均量了，所以逐漸廢鋼鐵的可獲得量就多了，因此會(huì)提高短流程的比例，減少長(zhǎng)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?yàn)樵献兞耍枰淖兩a(chǎn)方式，減少對(duì)化石能源的依賴，有可能將來(lái)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?lái)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(lái)也要發(fā)生革命性變化，也將改變生產(chǎn)工藝，改變整個(gè)生產(chǎn)方式。

 

而輕工業(yè)、食品業(yè)、機(jī)電業(yè)、信息業(yè)面臨的就不是改變工藝，他們的用能一個(gè)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(lái)，怎么滿足這些非流程工業(yè)的熱是供應(yīng)問(wèn)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(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)重要特點(diǎn)：冶金、有色、建材、化工，將來(lái)一定還會(huì)保留一部分，以滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要。即使流程改變之后，從總的生產(chǎn)過(guò)程來(lái)看，還會(huì)釋放出大量的余熱，高溫部分，這些年通過(guò)回收余熱、余壓發(fā)電做得挺好。但是對(duì)于150℃以下或者200℃以下的余熱，很多時(shí)候都排掉了，尤其是100℃以下的余熱。因?yàn)闆](méi)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(guò)程和建筑對(duì)熱量的需求，這是對(duì)流程工業(yè)提出的余熱回收的要求。

 

非流程工業(yè)如機(jī)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(lái)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(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，但是總量是欠缺的?，F(xiàn)在的做法是拿化石燃料補(bǔ)，把鋼鐵、冶金流程工業(yè)排在中低品位熱量回收回來(lái)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(bǔ)型的，但不是在同一個(gè)地方，不是挨著的，甚至還挺遠(yuǎn)，產(chǎn)熱和需要熱的時(shí)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(chǔ)熱系統(tǒng)，把熱量回收起來(lái)，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(guò)由熱泵和其他裝置組成的熱量變換器實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的一對(duì)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(duì)熱量的不同需要。

 

中國(guó)工業(yè)現(xiàn)在每年是5萬(wàn)億度電，未來(lái)由于電氣化還會(huì)漲到7萬(wàn)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(lái)的情況。