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欧宝体育下载app:【能源“不可能三角”系列专题(二)】传统化石燃料的 “清洁性”困境发布时间:2022-08-08 | 来源:欧宝体育app官方下载 作者:欧宝体育手机版app下载

  【20211224】宏观专题:传统化石燃料的 “清洁性”困境 能源“不可能三角”系列专题(二)

  提到“碳中和”与节能减排等概念,大家的第一反应就是要拿化石燃料开刀,似乎直接砍掉所有的化石能源需求就可以完成“碳中和”的目标。然而随着中国能源需求逐年增加,仅仅依靠光、风、水等新能源远不能满足需求。与此同时,今年大规模限电的情况也在提醒我们,例如煤炭这样的传统化石能源还是我国能源安全的最后保障。

  本文中,“清洁性”主要是指燃料释放单位能量的同时所释放出的气体数量(本文中统一使用的衡量单位为gCO /MJ),我们在此称之为“清洁系数”,而清洁能源,如太阳能、风能等,理论上是不会产生二氧化碳排放的,故清洁系数为0。

  在实现“碳中和”的道路上,化石能源在受到“清洁性”打压的同时,似乎又有着自身“需求弹性”的支撑,面临着“清洁环保”与“刚性需求”之间无法调解的困境。

  所以我们认为,在清洁性方面,并不是简单地一刀切掉所有的化石燃料,而是根据化石燃料自身的碳排放特性去调整化石燃料这一部分的能源结构,保供的同时降低碳排放量。

  故本篇专题将从碳排放的角度出发,着重分析煤炭、原油以及天然气这三种化石燃料的清洁性,最终结合实际供需格局,给出化石燃料在“能源不可能三角”模型中清洁性方面的处理思路。

  值得强调的一点是,2021年12月中央经济工作会议明确表示,原料用能不纳入能源消费总量控制,故本文只考虑作为燃料提供能量使用的化石能源。

  谨慎削减煤炭用量,高效利用技术或是答案:考虑到能源安全的问题,煤炭的需求弹性非常低,要谨慎削减煤炭的用量;在未来,“怎么用”或将代替“用多少”,成为解决煤炭问题的正确答案。

  天然气是优质能源替代品,成品油是重要边际减量:天然气的单位碳排放可以释放更多热量,是煤炭的两倍有余,属于优质的能源替代品,未来可以尽可能提高其使用比例。而随着车载储能和生物柴油等技术的推广,成品油的需求弹性将大幅提高,且不涉及能源安全等问题,在未来或将成为碳排放重要的边际减量。

  推荐关注:煤炭深加工设备、商业车载储能设备、生物柴油、天然气供应;同时可关注因生物柴油在我国推广带来的植物油需求边际增量。

  “多煤少油缺气”的资源格局决定了煤炭在我国的重要地位,尤其是在能源领域。尽管近年来中国能源消费结构中,煤炭消费总量保持稳定,所占的比例正在下降,但仍占据55%以上。

  在本系列第一篇专题中我们也提到,目前想要依靠光伏和风能取代煤炭作为主要能源是不可能实现的,“传统能源清洁化”工作与发展新能源一样关键。即便从数据上讲,大幅削减煤炭的量可以产生最直接而明显的减排成果,但是在最后进行“能源不可能三角”结果计算时,我们会主动设置煤炭需求的最低下限。

  煤炭燃烧时产生二氧化碳是不可避免的,但能源安全与“碳中和”倒也不是二选一的简单问题,当前煤炭在利用方式上存在的主要问题就是使用方式较为粗犷,在清洁与高效利用方面煤炭仍有较大的提升空间,目前减少煤炭供能过程中碳排放的主要方法有:提高洗选率,提高燃烧利用效率。

  煤炭洗选是提高煤炭利用率的第一步,对原煤进行洗选可以初步去除50%以上的灰分,以及60%左右的无机硫;而灰分每减低1%,冶炼的焦炭使用量可以减少2.66%,每度电消耗的动力煤可以减少1%~1.5%。

  目前中国煤炭入洗率大约在80%左右,距离西方发达国家90%以上的洗选率尚有一定差距,且在技术升级上也存在一定空间。

  目前煤炭的主要供能方法为通过燃烧为锅炉供热,故提高燃烧利用率也是保障能量供应的同时减少碳排放的有效办法之一。

  而提高整体利用效率最直接的方法便是将分布式供热改为集中供热。在民用领域,以黑龙江某市为例,将居民分散式供暖改为集中供暖后,节约煤炭比例达到44%;而在热力需求占比达到70%工业领域,淘汰小容量锅炉同样是最主要的边际减量,进一步讲,将热电分产改为热电联产则可将能源使用效率进一步提升50%左右。

  除了使用设备的升级,燃烧前对煤炭的深加工,也同样是提高燃烧效率的有效方法之一。最简单的方法便是将煤炭研磨粉碎,而以目前较为先进的主流技术水煤浆为例,将70%左右的煤与30%左右的水混合加工而成的水煤浆,其燃烧效率较直接燃烧原煤可提高10%左右。除了燃烧效率外,其液体特性也使得其可以通过管道运输,减少运输途中交通工具产生的碳排放。

  天然气的主要成分为甲烷,占比约为85%,另外还有约9%的乙烷,剩余为丙烷、丁烷、氮气等气体,那么按照各成分权重计算,天然气完全燃烧每产生1molCO 可以放出859kJ热量,是纯净碳元素的2.2倍左右,而且相比煤炭,其中硫、硝等有害物质的含量要低得多。

  所以,我们认为天然气因为成分更加纯净,单位排放的热值更高,故在清洁性这一方面有希望成为煤炭的优质替代品,在本次“能源不可能三角”专题最终进行路径规划时,我们也会在约束条件内,尽可能地提高天然气的比例。

  中国天然气的使用量与所占比例一直在逐年提升,在能源结构中的占比已经由2001年的2.4%上升至2020年的8.4%,相比英国35%,德国23%,日本22%,美国30%的比例而言仍有差距,不过这与中国能源消费体量大、资源格局等多种因素有关。

  近年来,我国虽然常有大油气田发现,但是进口依存度依然较高,常年维持在30%以上,2018年与2019年更是接近45%,较高的进口依存度导致大幅提高天然气的比例存在较高难度。

  与此同时,天然气相比煤炭等燃料,其价格较高,经济效益较低;以近期天然气价格5000元/吨为例,每千克天然气价格为5元,所含热值约为12000大卡,而近期秦皇岛5500大卡动力煤价格约为600元/吨,可见天然气的单位热值价格约为动力煤的4倍。

  由此,在我国,一般多是在利润率较高的工业链下游才会使用天然气作为供能燃料,例如部分铜杆加工企业,而上游的精炼铜企业仍选择煤炭作为燃料,具体我们将在第三篇“经济性”专题中详细讨论。

  天然气供应紧张的局面在欧洲已经出现,就目前来看,天然气供应尚未做好进行大规模能源替代的准备,未来随着天然气在中国替代效应的深入,需求量的增加,天然气存在量价齐升的可能,可关注天然气开采、加工等行业。

  原油是重要的化工原料,中国能源消费总量中,原油的消费量增速正在放缓,所占比例也由2001年的21.2%小幅下降至2020年的18.9%。

  我国的成品油出率约在60%左右;原油作为能源而言,其碳排放主要来自三个环节,开采、提炼以及终端使用。

  曾有数据显示,一桶原油从开采到提炼再到运输到终端一共要产生720克二氧化碳,而按照60%成品油出率,汽油与柴油的二氧化碳排放系数均值为3kgCO /kg,得到一桶原油产生的成品油燃烧产生的二氧化碳排放达到249千克,所以后期减排的唯一方法就是减少成品油的终端使用量。

  成品油主要分为汽油、柴油和航空煤油,民用领域对应的消费群体分别为乘用车、商用车以及民航客机。

  不过现有的电动汽车大多实际续航里程较短,电池性能受气温的影响也很明显,只能满足短途城市内代步,这也是制约新能源汽车增速进一步提高,以及大规模进军商用车领域的重要因素。

  除了电能外,生物柴油也是一项可行的选择,由于生物燃料的固碳周期相比化石能源几乎可以忽略不计,被视为一种完全“零排放”的新型能源。

  2021年欧盟最新实行的《可再生能源指令Ⅱ》中,强制要求2030年生物柴油在交通部门中的消费比例要达到14%,(2019年消费比例为9.3%);同时强制要求传统生物柴油(未经使用的油脂)添加比例上限由7%下调至3.8%,先进生物柴油(提炼后的废弃油脂)的添加比例下限由0.5%提高至6.8%;与此同时,大英航空(British Airline)也于近期宣布将使用“回收食用油”作为飞机燃料,以减少80%以上的碳排放。

  而中国目前没有明确的政策支持,生物柴油的消费量约为每年50万吨,约占到2020年全年成品油消费量的0.13%,相较欧盟2019年9.3%的比例仍有巨大的提升空间。假设2030年前成品油消费量维持不变,生物柴油使用比例提高到5%,则其年需求增速可达到50%以上。

  面对能源消费所带来的环保压力,减少化石燃料的用量被视为通往碳中和之路的捷径,但是考虑到自身国情以及需求弹性,我们在构建“碳中和路线”的能源结构时,对主要化石燃料的定位为:减少成品油比例,以能源安全为界限保留一定煤炭比例,在允许范围内尽可能提高天然气占比。

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