中国城市区域供热系统的热源多样化将降低碳锁定的风险 LED 数字能源与低碳发展 2024年10月06日 10:00 贵州

2017年以来，中国的清洁供暖政策显著改善了空气质量。然而，非化石能源在中国城市区域供热系统中的份额仍然较低，且许多新的燃煤热电联产电厂正在建设中。中国要在 2030 年达到碳达峰，并在 2060 年实现碳中和，就必须对区域供热技术做出战略性选择。本研究发现，用新的和改进的燃煤热电联产电厂取代污染煤炭技术将导致大量的碳锁定，并阻碍相关燃煤发电机组的退役。扩大使用工业余热和空气/地源热泵，可以避免新建热电联产项目，并从2020年到2030年减少26%的碳排放。研究结果表明，政府最近提出的区域供热脱碳的建议非常重要。

研究基于《全球燃煤电厂追踪》（2023年6月），《全球钢厂追踪》（2022年3月），最近的同行评审文献、行业报告和中国城市基础设施统计年鉴等数据来源编制了中国燃煤电厂、钢铁厂、化工厂、核电厂和城市集中供热系统的基础设施数据库。基础设施数据库包含约 1,000 座燃煤电厂、约 170 座钢铁厂、约 150 座化工厂和两座核电厂。该数据库利用2020年中国城市基础设施数据，统计了中国北方15个省份约300个城市（包括地级市和县级市城区）的位置、集中供热能力和集中供热需求。研究还从《中国城市基础设施统计年鉴》中收集了2020年城市层面的城市固体废物（MSW）量和废水处理量数据。

使用各区域供热技术的特定排放因子来计算碳排放量。燃烧供热技术的二氧化碳排放因子来源于之前的研究（见原文补充注释 3 以及补充表 4 和 5）。对于基于电网的电力技术，研究利用国际能源署（IEA）既定政策和可持续发展情景中的数据以及拟定的省级可再生能源组合目标来估算 2020 年和 2030 年基于电网的电力碳强度（见原文补充表 6）。

根据单位容量 （C）、容量系数 (CF)、当地供暖天数 (HD) 和最大热电比 (HtPR) 计算区域供热潜力DHPP，如公式 (1)。

对于燃煤电厂，根据发电量和电力循环效率（η）使用公式（2）估算冷凝器中的可回收废热量（RWH）。冷凝器中包含的总能量输入的百分比表示为α（见原文补充表9）。同时，本研究使用大型电热泵技术的性能系数 (COP) 估算区域供热潜力，如公式 (3) 所示。

工厂（包括燃煤电厂、钢铁厂、化工厂、核电站）产生的热量需要通过长距离管道输送到城市。研究提出了从工厂到城市建设新供热输送管道的可能方案，都基于固定费用运输问题（FCTP）的优化算法，如公式（4）-（6）所示。

区域供热技术在第 t 年的单位热量年度化总成本（ATC）可以用公式（7）计算：

其中I表示初始投资成本（见原文补充表11），AF表示年金系数。本研究中将折扣率定为7%。

（1）常规情景（BAU）：假设燃煤电厂在其 2019 年容量因子下运行，直到其 30 年历史寿命结束，以及中国总发电量中非化石能源的占比将从 2020 年的35%增加到2030年的45%。

（2）加速电力行业脱碳情景：假设相同的电厂继续运行，但它们的容量因子在 2020 年至 2030 年期间降低 18%，以及中国总发电量中非化石能源的占比将在 2030 年增加到 67%。

为了代表2030年非化石供热技术与现有和新建热电联产部署的不同渗透水平，研究构建了三个区域供热投资情景，包括高煤、中煤和低煤（表1）。首先假设在高/中/低碳情景中，2030 年将使用20%/50%/80%的当地可用低碳供热资源（城市污水处理、废水处理、生物质能）。然而，在大多数城市，这些资源只能满足一小部分（通常小于10%）的供热需求。因此，需探索利用现有的煤炭热电联产资源和工业余热来满足剩余需求。在高煤方案中，工业余热未被考虑在内。所有三个情景都假设对现有燃煤电厂的现有热电联产资源进行优化利用。

研究评估了15种区域供热技术的二氧化碳排放、成本和可用性，包括5种化石燃料技术和10种非化石技术（图1），得到以下结果：

• 目前广泛使用的煤基技术，即燃煤锅炉和热电联产抽汽技术，成本低但二氧化碳排放高；

• 改进的燃煤热电联产技术与当前的煤基技术相比，成本和排放都大幅降低；

• 用非化石替代技术取代煤基技术面临资源有限和成本较高的挑战；

• 利用大型基于电网的电热泵从钢铁厂回收余热技术在2020年的成本与当前煤基技术相当，但排放大幅降低。随着电网脱碳，排放还可能进一步降低；

• 空气/地源热泵运营成本与燃煤锅炉相似，但资本成本较高。

碳排放

在高煤情景下，区域供热的总碳排放量在2030年将比2020年增加11%，但在中煤和低煤情景下将分别减少2%和26%（图2b）。

成本

在高煤和中煤情景下，单位热量的总供热成本在2020年至2030年期间将下降，而在低煤情景下供热成本将上升。对于低煤情景，本研究估计在2020年至2030年期间需要约1万亿人民币（约1400亿美元）的总资本投资来实现低碳区域供热技术的实施。因此，当前和预计的2030年碳价格仍然不足以实现近期清洁供热政策提案的全面实施。

新燃煤热电联产投资的碳锁定风险

新的燃煤热电联产厂将导致中国大多数北方城市在2020年至2030年期间的总碳排放量增加，这些电厂可能会锁定对煤炭的依赖，并在几十年内持续产生排放，阻碍向替代的低碳供热技术的过渡以及中国2060年碳中和目标的实现。

热电联产厂运行对碳锁定的影响

现有和新建热电联产电厂将在2020年至2060年期间累计锁定约19000太瓦时的燃煤发电量，并产生近30亿吨的排放。最有效的减少碳锁定的方法是避免新建热电联产厂并利用非化石替代方案。

新热电联产厂可以通过改进现有燃煤电厂的热电联产资源利用以及其他非化石选项来替代。对于新投产的热电联产厂，采用改进的热电联产技术并规划提前退役（或碳捕集改造）对于最小化未来排放将非常重要。

研究发现，中国城市区域供热系统中，以新建和改进的燃煤热电联产厂替代污染煤炭技术会导致大量的碳锁定，而扩大工业余热和空气/地源热泵的使用可以避免新建热电联产厂的需求，并在 2020 年至 2030 年期间将碳排放降低 26%。基于相关研究结果，为中国区域供热系统提供以下低碳转型策略：

一是“热电联产丰富”城市：改善现有热电联产资源的利用以取代污染性煤炭技术可以逐步转向低碳技术。通过改进措施，现有电厂资源可满足 2030 年约 41% 的城市区域供热需求。

二是“工业余热丰富”城市：最大限度地利用工业废热，预计CO₂排放量将相对2020年水平大幅减少50%以上，极大地帮助这些工业城市实现2030年CO₂排放峰值目标。此外，到 2030 年，大多数城市的单位热量总成本将保持与2020 年水平相当，而运营成本将平均增加约20%。

三是“供热资源有限”城市：需要广泛部署空气/地源热泵到 2030 年，以满足供暖需求。与 2020 年水平相比，这一部署将使 CO₂排放量平均减少 65%。然而，它也会使单位热量的总成本和运营成本增加一半以上。

技术发展与风险并存：任何技术的潜力与局限都需要合理被评估。例如，改进的燃煤热电联产技术虽能降低成本和排放，但存在碳锁定风险；而一些非化石技术虽环保但可能受资源限制。

注重区域差异与因地制宜：例如中国不同城市不仅在供热资源上存在明显差异，而且在供暖市场条件上也存在明显差异，因此，在制定供热策略时需要考虑完善。

减排是项复杂的系统工程：区域供热系统是能源系统的一部分，其低碳转型应与电力系统等其他能源子系统的发展统筹考虑。