江亿院士:城乡能源系统碳排放核算与减排路径

文章来源:可持续发展经济导刊江亿2022-05-12 13:59

工业用能现状与低碳发展路径

 
下面再来考虑分析我国未来碳中和的情景。到2060年,我国人口可能会稍微减少一点,在14亿以下;中国是制造业大国,一二三产业中,二产比例会比发达国家高点,比现在稍微低点。现在人均1.2万亿美元,将来能涨到4万亿美元,也就是总数为五十几万亿美元,工业增加值到16万亿美元。在这个规模下,实现零碳的关键点首先是优先用电,终端用能尽可能减少对各种化石燃料的依赖,充分考虑到改为先进技术和全面电气化之后导致的用能效率的提高。
 
从这些角度出发,分别看一看工业、交通和建筑这三个主要领域未来会是什么样。图1是中国和几个发达国家目前的工业用能状况,图2是中国和这几国在几个主要的制造业领域的用能占比。
 
可以看出中国单位制造业的增加值能源显著高于发达国家,这并不是因为我国生产、制造用能效率太低,而是两个原因造成的。一是制造业的结构比例不一样,我国钢铁、有色、建材比西方国家的比例高得多,几乎占50%。钢铁、有色、建材的旺盛需求是为了满足高速城镇化发展和基础设施建设的需要。这部分用能高,但产品增加值不高,这是导致制造业单位产值能耗高的一个重要原因。另一个原因是我国产品相对低端,同样的东西价格太低,导致我国单位产值能耗太高。
 
未来,工业很重要的一个方面是结构调整,减少钢铁建材的占比,增加高附加值的机电产品、信息、生物等产品。一方面,随着大规模的城镇化建设跟基础设施建设逐渐“软着陆”,我国社会经济发展的重点包括制造业发展的重点也会调整,将转为信息业、生物产业和第三产业,这样调整产业结构慢慢会顺过来。另一方面,加强产品性能,从低端到中端再到高端提高产品附加值,减少单位产值的能耗。
 
更重要的任务是改变生产过程中的工业用能方式。对流程产业来说,面临着工业流程和工艺方式的改变,例如中国的钢铁产业现在90%为长流程,从矿石出发,西方包括印度短流程的比例比咱们高得多,现在中国经过这么多年的发展,存在中国这片土地上的钢材,一些统计表明我国人均量快接近美国的人均量了,所以逐渐废钢铁的可获得量就多了,因此会提高短流程的比例,减少长流程的比例。此外,发展新技术,比如拿氢还原替代焦炭。
 
化工领域也将面临大变革,因为原料变了,需要改变生产方式,减少对化石能源的依赖,有可能将来把其他部门CCS(碳捕获与封存)产生的CO2再变为化工的重要原料,将来以氢和CO2为重要原料的新型化工业将兴起。另外,建材将来也要发生革命性变化,也将改变生产工艺,改变整个生产方式。
 
而轻工业、食品业、机电业、信息业面临的就不是改变工艺,他们的用能一个是用电,再就是需要热量。用电有可再生电力供给,热量有蒸汽、热水,该从哪来,怎么满足这些非流程工业的热是供应问题,这又变成了一件必须要解决的事。
 
再看工业领域,分成流程工业和非流程工业,这就会发现一个重要特点:冶金、有色、建材、化工,将来一定还会保留一部分,以满足经济社会发展需要。即使流程改变之后,从总的生产过程来看,还会释放出大量的余热,高温部分,这些年通过回收余热、余压发电做得挺好。但是对于150℃以下或者200℃以下的余热,很多时候都排掉了,尤其是100℃以下的余热。因为没有化石能源了,回收这块热量非常重要,可以用于其他非流程工业生产过程和建筑对热量的需求,这是对流程工业提出的余热回收的要求。
 
非流程工业如机电、生物、信息、轻工等,现在还用7亿吨标煤的化石能源,这些化石能源主要用来提供大量的中低品类的热量用于生产。这里面有50亿~60亿GJ(吉焦)热量,部分热量可以回收实现循环经济,但是总量是欠缺的。现在的做法是拿化石燃料补,把钢铁、冶金流程工业排在中低品位热量回收回来给它们用,替代这些工业所用的化石燃料。
 
这两类工业在热量上是互补型的,但不是在同一个地方,不是挨着的,甚至还挺远,产热和需要热的时间也不一样,所以需要建设大规模的跨区域热网和跨季节储热系统,把热量回收起来,为非流程工业供热。这两边的热量的参数压力包括蒸汽还是热水,温度参数也不一样,可以通过由热泵和其他装置组成的热量变换器实现单独的一对一的提供,分别根据所需要的压力、温度进行热量转换,从而满足非流程工业对热量的不同需要。
 
中国工业现在每年是5万亿度电,未来由于电气化还会涨到7万亿度电,还要额外7亿吨标煤用于流程工业,产生出50亿~60亿GJ的热量用于非流程工业和建筑,非流程工业有些地方还得用燃料,得用3亿吨标煤,这是工业未来的情况。
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