孙文文何国庆

(中国电力科学研究院有限公司,北京市 海淀区 100192)

0 引言

为应对气候变化威胁,把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃之内,并为把升温控制在1.5℃之内而努力,2015 年全球各国达成《巴黎协定》,开启了全球应对气候变化的新征程[1-2]。

2020年9月22日,国家主席习近平在第七十五届联合国大会上宣布:中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和[3]。同年12月12日在气候雄心峰会上进一步宣布:到2030年,中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右,风电、太阳能发电总装机容量将达到12×108kW 以上[4],在此背景下我国将会加速推动能源产业结构转型和结构调整,加快构建以新能源为主体的新型电力系统[5-8]。

为实现“3060”双碳目标,关键是要厘清当前我国能源供给结构及碳排放家底,在能源供给方面,厘清当前我国能源供给结构及化石能源占一次能源消费比重;在能源碳排放方面,厘清我国年碳排放量、碳排放主要来源部门及终端各部门对碳排放的贡献量。

国内部分学者针对上述2个方面已开展了相应研究,文献[9]研究了2017年我国主要能源供应、加工转换和消费情况,并绘制了2017年中国能流图,对我国能源消费和碳排放提出政策参考建议。文献[10-11]分别针对2015、2016年我国的能源消费结构和碳排放开展了研究,分析了国际形势、国内相关政策等因素对我国能源消费和碳排放的影响。

本文根据最新的《中国能源统计年鉴2019》[12]绘制了2018年中国能流图和碳流图,详细分析了2018年中国能源供给和消费结构,以及碳排放概况,最后从能源供给、终端消费和中间加工转化3个方面对我国能源转型进行展望。

1 基础方法和数据

1.1 桑基图

桑基图(Sankey Diagram)又称桑基能量分流图或桑基能量平衡图,是一种表现数据间包含和权重关系流向的特定类型流程图[13-14]。桑基图具有以下几个特点。

(1) 桑基图遵循能量守恒定律,即起始流量和结束流量相同,无论数据怎样流动,数据的总量从开始到结束都不能有任何的变化,不能在中间过程创造数据,损耗数据应该流向表示损耗的支点。

(2) 所有主支宽度的总和与所有分支宽度总和相等,保持能量的平衡;线条的宽度成比例地显示此分支占有的流量,线条的颜色代表不同的分支种类。

(3) 常见的布局形式有左右流向布局和上下流向布局,通过线条流动的位置和归属,来表现各类数据之间的包含与被包含关系。

1.2 碳排放核算

碳排放是关于温室气体排放的一个总称[15],而温室气体中最主要的组成部分就是二氧化碳,因此我们常说的碳排放可以理解为二氧化碳排放。二氧化碳排放量的计算方法参考《2006年IPCC 国家温室气体清单指南》[16],不同燃料品种、不同部门的二氧化碳排放量计算式为

式中:Eij为第i部门第j种燃料的二氧化碳排放量,t;Aij为第i部门第j种燃料的消耗实物量,t或m3;Nj为第j种燃料的平均低位热值,kJ/kg 或kJ/m3;Cj为第j种燃料的单位热值含碳量,kg/GJ;Oj为第j种燃料的碳氧化率;λ为碳转化为二氧化碳的系数。

能源对外依存度计算式为

式中:θED为能源对外依存度;ENI为能源净进口量,t或m3;EC为能源消费量,t或m3。

1.3 能流图和碳流图绘制边界条件

在绘制2018年中国能流图和碳流图时,为了使图形不过于复杂且能真实反映能源流动和碳排放情况,绘制图形时做了如下简化。

(1) 根据文献[17],在绘制能流图时对产业进行了划分,农、林、牧、渔业属于第一产业;工业和建筑业属于第二产业;交通运输、仓储和邮政业、批发、零售业和住宿、餐营业以及其他属于第三产业;生活消费独立于3个产业之外,包括城镇和乡村能源消费。

(2) 对不同燃料品种进行了合并,如原煤和煤炭制品统称为煤炭、原油及其石油制品统称为石油、天然气和液化天然气统称为天然气。

(3) 损失量包括2部分:一是能源在经营管理和生产、输送、分配、储存等过程中发生的损失以及由于自然灾害等客观原因造成的损失量;二是在能源加工、转换过程中投入能源和产出能源之间的损失量。此外,由于各种能源资源与消费进行平衡时会产生差额,我们将这部分能源差额称之为平衡差额,造成平衡差额的主要原因应是统计误差和在途能源的年初年末的差额。

(4) 二氧化碳是在化石能源的燃烧过程中产生的,因此在碳流图绘制时参考文献[7]的计算方法,即在计算碳排放时只考虑煤炭、石油和天然气在用于火力发电、供热以及终端能源消费时产生的碳排放,不考虑化石能源用于原材料、其他加工转化环节的碳排放。

2 2018 年我国能流图绘制及结果分析

2.1 总体情况

基于《中国能源统计年鉴2019》绘制了2018年中国能源流动图,如图1所示,本文中能源总量均以标准煤计量。2018 年我国一次能源生产总量为34.23×108t,较2017年增长5.1%。其中,原煤、原油、天然气和一次电力及其他能源分别占一次能源生产总量的76.6%、7.9%、6.0%和9.5%,2015—2018年能源占比统计情况如图2所示。

图1 2018年中国能流图Fig.1 Energy flow chart of China in 2018

图2 2015—2018年能源占比统计情况Fig.2 Statistics of energy share from 2015 to 2018

我国一次能源生产总量中原煤占比由2015年78.2%下降到2018年76.6%,降低1.6%,相比于其他能源,煤炭在我国能源生产结构中仍占据主导地位。2018 年原油生产量占比为7.9%,相比于2015年下降1.3%,原油生产量逐年下降,表明对外依存度逐年上升。此外,一次电力(指核电、水电、风电以及太阳能发电所发出的电力)及其他能源在我国能源结构供给中的比重进一步增大,这和我国实施的能源供给侧清洁化转型相关,即大力发展风电、光伏等可再生能源,可再生能源在能源供应结构中比重增加。总体来看,受我国能源资源“富煤缺油少气”等多重因素的影响,我国能源供给还是以化石能源为主,因此,要优化调整能源供给结构,加快可再生能源对常规化石能源的替代,构建清洁低碳的能源供应体系。

2018年我国能源消费总量43.56×108t,终端能源消费量34.07×108t,其中,第一产业、第二产业、第三产业和生活消费量分别为1.93×108、66.6×108、18.93×108和12.53×108t。第二产业占能源消费比重66.6%,占终端总能源消费的2/3,工业部门在我国能源消费中仍占据绝对比重,并没有明显的下降趋势,这是由于我国目前还处在工业化进程中,经济发展较快,经济结构仍然以“重”为主,尤其是工业部门内的重化工倾向较为明显。第三产业和生活消费能源比重稳中有增。总体来看,我国经济结构调整取得了一定进展,但与发达国家相比,我国经济结构仍以第二产业为主。因此,我国应继续深化经济结构,转变高耗能行业的发展方式以调控我国能源消费总量。2015—2018年各行业终端能源消费占比情况如图3所示。

图3 2015—2018年不同终端消费部门能源消费占比Fig.3 Share of energy consumption by different terminal consumption sectors from 2015 to 2018

2018年我国能源进口量10.902×108t(包括境内飞机和轮船在境外的加油量),出口量1.160×108t(包括境外飞机和轮船在境内的加油量),净进口量9.742×108t,能源对外依存度逐年增加,由2015年的16.82%增长到2018年的22.37%,年均增长1～2个百分点,我国能源安全风险进一步增大,但目前能源对外依存度仍然在合理的区间内。2015—2018年能源净进口量和对外依存度统计情况如图4所示。

图4 2015—2018年能源净进口量和对外依存度Fig.4 Net energy imports and external dependence from 2015 to 2018

2018年我国能源加工转换总投入40.64×108t,如图5所示。其中,火力发电、供热、炼焦和炼油分别投入15.26×108、2.43×108、5.42×108和10.75×108t。在能源加工转换环节,用于火力发电的能源消费量占比较大,达到38%。能源加工转换总产出29.56×108t,其中,火力发电、供热、炼焦和炼油产出分别为6.26×108、1.79×108、5.01×108和10.24×108t。

图5 2015—2018年能源加工投入、产出量和转换效率Fig.5 Energy processing input,output and conversion efficiency from 2015 to 2018

2018年能源加工转化总效率为72.74%,同比下降0.86个百分点,火力发电、供热、炼焦和炼油转化效率分别为41.04%、73.57%、92.38%和95.32%。此外,根据计算可知,若能源加工转化效率提高1个百分点,则能源总投入减少1.4个百分点,相当于减少0.56×108t投入,能源节约效果显著。因此,在能源结构优化调整中,提升能源加工转换效率是实现能源系统总体效率提高的一个重要方面。

2.2 煤炭

2018年我国煤炭可供消费量39.48×108t,其中,原煤生产量34.23×108t,同比增长4.9%;净进口量2.77×108t,同比增长5.4%;煤炭对外依存度7.02%,同比增长3.2%。总体来看,我国煤炭可供量充足,对外依存度逐年提高,但增加幅度有限,依旧在合理范围之内。2015—2018年煤炭生产量、净进口量和对外依存度如图6所示。

图6 2015—2018年煤炭生产量、净进口量和对外依存度Fig.6 Coal production,net import and external dependence from 2015 to 2018

2018年我国煤炭总消费39.75×108t,同比增长4.1%。其中:第一产业消费0.24×108t;第二产业消费38.13×108t;第三产业消费0.6×108t;生活消费0.77×108t。煤炭消费量的增加主要表现在第二产业中工业用煤的增长。2015—2018 年终端各部门煤炭消费量如图7所示。

图7 2015—2018年终端各部门煤炭消费量Fig.7 Coal consumption of terminal sectors from 2015 to 2018

2.3 石油

2018年我国石油可供消费量6.37×108t,如图8所示,同比增长8.4%。其中:原油生产量1.89×108t,同比下降1.1%;净进口量4.65×108t,同比增长10.5%;石油对外依存度73.03%,同比增长2%。总体来看,我国石油产量低,自供能力不足,主要依赖于对外进口,对外依存度高,国家石油安全面临较大风险挑战。

图8 2015—2018年石油生产量、净进口量和对外依存度Fig.8 Petroleum production,net import and external dependence from 2015 to 2018

2018年我国石油总消费6.22×108t,如图9所示,同比增长5.96%。其中:第一产业消费0.17×108t;第二产业消费2.64×108t;第三产业消费2.68×108t;生活消费0.73×108t。总体来看,我国石油主要用于第二产业和第三产业,占比分别为42.41%和43.05%,而工业和交通运输部门又是第二和第三产业中消耗石油最多的2个部门,2018年工业石油消费增速达到新高14.91%。

图9 2015—2018年终端各部门石油消费量及增速Fig.9 Petroleum consumption and growth of terminal sectors from 2015 to 2018

2.4 天然气

2018年我国天然气可供消费量0.28×108m3,如图10所示,同比增长13.2%。其中:天然气生产量0.16×108m3,同比增长8.2%;天然气净进口量0.12×108m3,同比增长33.23%。总体来看,由于我国能源资源中天然气短缺,供给能力不足,主要依赖于国外进口,2018年对外依存度达43.09%,此外,随着我国能源低碳化的转型,未来天然气的需求会持续增长。

图10 2015—2018年天然气生产量、净进口量和对外依存度Fig.10 Natural gas production,net import and external dependence from 2015 to 2018

2018年我国天然气总消费0.28×108m3,如图11所示,同比增长17.69%。其中:第一产业消费1.3×104m3;第二产业消费0.19×108m3;第三产业消费0.04×108m3;生活消费0.05×108m3。第二产业是天然气的主要消耗部门,年均占比在60%以上。工业部门中尤以制造业和发电/供热天然气消耗多,两者合计占比在90%左右,同时可以看出制造业天然气消费逐年增加且增速持续上升,发电/工业部门天然气消费增速呈下降趋势。总体来看,我国天然气消耗量逐年增长,年均增速持续升高,天然气对外依存度进一步加剧。

图11 2015—2018年终端各部门天然气消费量及增速Fig.11 Natural gas consumption and growth rate of terminal sectors from 2015 to 2018

2.5 电力

2018年我国电力可供消费量7.151×1012kW·h,如图12所示,同比增长10.32%。其中:火力发电5.096×1012kW·h,占比71.12%;水电1.232×1012kW·h,占比17.19%;核电0.294×1012kW·h,风电0.366×1012kW·h,占比5.11%。总体来看,火力发电仍然是我国第一大供电电源,未来一段时期内仍将占据主导地位。在我国经济持续稳定发展的前提下,电力供应仍将继续增长,随着能源低碳化的转型,火力发电增速将会放缓,风电、光伏等清洁能源发电会有很大的发展空间。

图12 2015—2018年各电源生产量及增速Fig.12 Production volume and growth rate of power supply from 2015 to 2018

2018年我国电力总消费7.151×1012kW·h,如图13所示。其中:第一产业消费0.124×1012kW·h,占比1.74%;第二产业消费4.998×1012kW·h,占比69.9%;第三产业消费1.023×1012kW·h,占比14.3%;生活消费1.006×1012kW·h,占比14.06%。总的来看,终端各部门用电量逐年增长,第一和第二产业增速较低,电能替代催生第三产业和生活消费用电量增速较快,未来会有更大的增长空间。

图13 2015——2018年终端各部门电力消费量Fig.13 Electricity consumption of terminal sectors from 2015 to 2018

3 2018 年我国碳流图绘制及结果分析

2018年我国碳排放总量99.12×108t,如图14所示。其中,煤炭产生的碳排放78.69×108t,增长3.08%,石油碳排放14.83×108t,增长1.9%,天然气碳排放5.60×108t,增长16.82%,煤炭、石油和天然气占碳排放比重分别为79.39%、14.96%和5.65%,如图15所示。总体来看,煤炭仍然是我国碳排放的主要来源,这是由我国的能源资源特性所决定的,短期内大幅度降低并不现实,但是可以发现煤炭在碳排放总量中的占比逐年下降,说明我国的能源供给侧改革效果已初步显现,未来,随着我国能源转型的提速,化石能源产生碳排放量将会进一步降低。

图14 2018年中国碳流图Fig.14 Carbon flow chart of China in 2018

图15 煤炭、石油和天然气碳排放量以及煤炭碳排放量占比Fig.15 Carbon emissions from coal,oil and gas and the proportion of carbon emissions from coal

2018年我国火力发电、供热、第一产业、第二产业、第三产业和生活消费碳排放量为39.86×108、6.38×108、1.05×108、36.87×108、10.22×108和4.76×108t,占比分别为40.21%、6.43%、1.06%、37.19%、10.31%和4.80%,如图16所示。由此可知,二氧化碳排放主要来自火力发电和第二产业,两者合计占比达到77.4%。

图16 终端各部门及加工转换环节碳排放量Fig.16 Carbon emissions of terminal sectors and processing and conversion links

第二产业碳排放82.64%来源于煤炭,其中又以工业碳排放占大头,未来要重点关注高耗能、高污染部门的节能减排,利用新技术、新工艺、新设备、新材料改造提升传统产业,提升工业整体技术水平,降低工业碳排放量。第三产业碳排放主要来源于石油,占比达79.26%,主要用于交通运输行业,因此,要继续在交通运输领域推广电能替代技术,积极推动电动汽车和轨道交通发展,提高电气化水平。

4 我国能源结构转型展望

在“双碳”目标背景下,我国将加快推进能源结构调整,提高可再生能源电力和电量消费占比,推动新型电力系统建设,构建清洁低碳、安全高效的能源体系,建议从以下3个方面发力,推动我国能源转型。

(1) 能源供给方面。最大限度开发利用风电、光伏发电等清洁能源;严控煤电发展规模,同时加快实施煤电灵活性改造,优化煤炭功能定位;因地制宜开发水电;在安全的前提下,积极有序发展核电,构建多元化的清洁能源供应体系。

(2) 能源消费方面。全面推进能源消费方式变革,推动终端用能清洁化、低碳化;压控煤炭、石油消费增速,抑制不合理能源消费;大力实施“以电代煤”、“以电代油”,推动工业、交通和建筑等重点行业电能替代,提高电能在终端能源消费中的比重,形成以清洁能源为主的能源消费结构。

(3) 能源加工转化方面。一是淘汰落后产能工艺、利用节能新工艺、新技术、新设备和新材料,促进产业结构升级;二是加强能效管理,制定科学的能效管理方案,建立能效评价体系,从而提高能源加工转化效率。