天然气有效利用对减少城市温室气体 排放的分析 .................................车 明

Energy of China - - 卷首语 -

车 明1,单维平1,于小迪1,吴媛媛2,刘安栋 1

(1. 北京市燃气集团有限责任公司,北京 100035;2. 北京市燃气集团研究院,北京 100011)

摘要:本文采用生命周期的方法,从温室气体排放和综合成本的角度,对北京地区用于发

电、供热、交通、公服、居民炊事的主要能源进行了对比研究。结果表明,在主要能源应用领域,在整个燃料链生命周期内,天然气与其他能源相比,在排放和成本方面具有一定优势。

关键词:温室气体排放;天然气;生命周期;成本

中图分类号:X74 文献标识码:A 文章编号:1003-2355-(2017)04-0032-07 Doi: 10.3969/j.issn.1003-2355.2017.04.006 Abstract: From the perspective of greenhouse gas emissions and integrated costs,the life cycle methodology is adopted to compare the main energy sources in Beijing including power generation, heating, transportation, public service, residents cooking. The results show that throughout the fuel chain life cycle, natural gas has certain advantages in terms of cost and emissions than other energy sources in the main application areas of energy.

Key words: Greenhouse Gas Emissions; Natural Gas; Life Cycle; Cost

1 引言

能源活动是温室气体产生的主要来源,而经济发展和人民生活水平提高又离不开能源活动,因此,能源转型就成为温室气体减排的关键,而主体能源的更替是能源转型的主要内容。受到各种因素影响,人类的能源活动很难在短时间内完全放弃化石能源。据国际权威机构预测,到 2030年,全球 80% 的能源消费依然来自化石能源,就全球而言,化石能源依然牢牢占据“主体能源”地位。

在主体能源调整过程中,天然气的重要性受到前所未有的关注。2016 年 6 月,在国际燃气联盟与 20 国集团能源部长会议联合举办的 G20 天然气日活动上,提出了“让天然气成为世界的主力能源”的观点 [1]。在《2016 年 G20 能源部长会议北京公报》中指出,天然气可以作为一种相对低排放强度的化石能源,在迈向低温室气体排放能源未来的过程中将起到重要且有效的作用。天然气 之所以被给予厚望,是因为与其他化石能源相比,天然气在各个领域的有效利用不仅减排效果明显,而且经济、可靠、可持续。

2 文献综述

对于天然气生命周期排放的研究,目前的文献主要集中于发电及交通领域。

2.1 发电领域各种燃料的温室气体排放研究油气行业气候倡议组织( OGCI )发表的《天然气与煤炭生命周期温室效应比较》报告认为,天然气发电生命周期的温室气体排放只有煤炭的1/2。

德意志银行发布的《天然气与煤炭生命周期温室气体排放比较》报告显示,以 EPA2011 年的方法评估,在充分考虑上游天然气开采的甲烷排放的情况下,天然气发电排放的温室气体仍比燃煤发电低 47%[2]。美国国会研究服务部发布的《煤炭与天然气在发电领域的全周期温室气体评估》报

告,调查了全美的电厂温室气体排放情况,根据电厂技术不同,美国现有电厂燃烧天然气产生的二氧化碳排放相当于燃煤的 42%~63%[3]。

2.2 汽车领域各种燃料的温室气体排放情况研究

王人洁等对压缩天然气( CNG )、柴油、纯电动公交车单车的生命周期排放情况进行了分析,结果表明:在 CO2 排放上,CNG 公交与纯电动公交持平,均低于柴油公交 [4]。

林晓丹等分析了北京市公交车的温室气体排放情况,结果表明:天然气公交车、混合动力公交车和纯电动公交车相对于柴油公交车的温室气体排放均有不同程度的降低。其中,混合动力公交车和天然气公交车具有更低的温室气体排放,其温室气体减排的潜力分别可达14% 和 13.31%,而纯电动公交车仅有 6.05% 的温室气体减排潜力 [5]。

3 研究方法

3.1 评价内容及研究边界生命周期评价是指以能量守恒定律和物质守恒定律为理论基础,对特定对象生命周期循环的考察,包括燃料链和材料链的分析评价。燃料链是指从能源原料的开采、运输和储运,到燃料的使用消耗为止的过程。材料链是指产品从需求、规划、设计、生产、经销、运行、使用、维修保养、直到回收再用处置的过程。

由于材料链工艺复杂,无准确数据,因此本文主要从燃料链入手进行生命周期评价。以 2015年北京地区用于发电、供热、汽车、公服、居民炊事 5大领域的主要一次能源为研究对象,比较在燃料链生命周期内,不同能源产生的温室气体排放和总成本情况,如表 1 所示。 3.2 燃料路径燃料路径是指在研究选取的能源品种范围内,能源从开采到最终利用的具体过程,是计算生命周期温室气体排放及成本核算的重要依据。本文中燃料路径包括石油路径、天然气路径、煤炭路径和电力路径。

(1)石油路径国内大庆油田开采的原油,一部分通过原油管道运至北京,在北京进行本地炼化,其中64%的汽油及 100% 的柴油为本地炼化;另一部分原油在河北、天津炼制后运输至北京,36%的汽油为外地炼化,再经过汽油或柴油车进行统一的运输、配送。

(2)天然气路径国内长庆油田开采并经净化处理后的天然气通过陕京一、二、三线管道运入北京。其中 CNG在北京本地压缩制造,LNG在内蒙古、陕西进行天然气液化或通过从国外进口,再通过柴油车运输至北京。

(3)煤炭路径内蒙古和山西开采的煤炭运输至北京。电厂发电用煤以铁路运输为主,铁路运输主要考虑电力机车运输,消耗的能源主要为电力;供热用煤以公路运输为主,公路运输主要考虑柴油重卡车运输,消耗的能源主要为柴油。

(4)电力路径

北京市用电中 57% 属于外调电力, 43% 属于本地发电。外调电主要考虑燃煤发电,本地发电主要考虑燃气发电。外调电来自河北、山西,通过电力输送至北京。本地燃气发电的原料气来自于陕京一、二、三线的管道气。

4 结果分析

4.1 环境评价结果与分析

4.1.1 发电领域在发电领域,燃煤发电和燃气发电的温室气体排放情况见表 2。

从计算结果可以看出,在生命周期内,燃气发电的总温室气体排放仅为燃煤发电的 1/2,在温室气体排放中以 CO2排放占主导地位。在 CO2 排放方面,燃气发电的 CO2排放也接近燃煤发电的1/2。在 CH4 和 N2O 排放方面,燃气发电的 CH4排放不到燃煤的 1/3,N2O 排放不到燃煤的 1/10。

通过理论计算,燃气发电的温室气体排放主要集中在使用阶段,约占总排放量的85%。使用阶段影响温室气体排放的主要因素为发电效率,随着燃气发电效率的提高,每发 1kWh 的电排出的 CO2会逐步降低。同时,燃气发电的CO2 排放远远低于燃煤发电排放,即便是燃煤发电效率提高到燃气发电水平,其每发 1kWh 电的 CO2 排放量仍比燃气现有发电效率下的CO2 排放量高42%。因此,在现有技术水平下,燃气发电的温室气体排放远低于燃煤发电,且随着技术进步,还有进一步降低的趋势。

4.1.2 供热领域在供热领域,燃煤锅炉房供热和燃气锅炉房供热的温室气体排放情况见表 3。

从计算结果可以看出,在生命周期内,燃气锅炉房供热的总温室气体排放仅为燃煤锅炉房供热的 56% ,接近 1/2 ,在温室气体排放中以 CO2排放占主导地位。在 CO2排放方面,燃气锅炉房 供热的 CO2排放约为燃煤锅炉房供热的 58%。在CH4 和 N2O 排放方面,燃气供热的 CH4 排放约为燃煤的 1/3,N2O 排放约为燃煤的 1/10。

通过理论计算,燃气供热的温室气体排放主要集中在使用阶段,约占总排放量的88%。使用阶段影响温室气体排放的主要因素为热效率,随着燃气锅炉热效率的提高,每提供 1GJ 的热量排出的 CO2会逐步降低,当热效率最高提高到 110%时,燃气锅炉的 CO 排放最低,为 50.5kg/GJ,约

2为现有平均热效率排放水平的84%。同时,燃气供热的 CO2排放远远低于燃煤供热排放,即便是燃煤供热热效率提高到燃气供热水平,其每提供1GJ 的热量的 CO2排放量仍比燃气现有供热效率下的 CO2 排放量高 54%。因此,在现有技术水平下,燃气供热的温室气体排放远低于燃煤供热,且锅炉热效率提高是有限的,即使燃煤锅炉技术提高,燃煤供热的温室气体排放也不可能低于燃气供热。

4.1.3 交通领域(1)小客车的温室气体排放情况天然气小客车的总温室气体排放量低于汽油小客车,略高于纯电动小客车,见表4。在 CO

2排放方面,天然气小客车的 CO2 排放低于汽油小客车,略高于纯电动小客车。在 CH4 和 N2O 排放方面,天然气小客车的 CH4 和 N2O 排放均略高于汽油小客车和纯电动小客车。

通过理论计算,燃气小客车的温室气体排放主要集中在使用阶段,约占总排放量的83%。使用阶段影响温室气体排放的主要因素为汽车发动机的燃烧效率。以温室气体中占主要成分的CO2进行分析,天然气小客车的 CO2 排放较纯电动小客车略高,这主要是由于目前天然气小客车大多采用的是改装的双燃料发动机,没有针对于天然气的燃烧特性进行优化,造成发动机燃烧效率相对于汽油发动机较低,百公里能耗较高;另一方

面,在 CNG 生产时,压缩机耗电中很大一部分来源于煤电,也带来了较高的 CO2 排放。

随着技术的进步,天然气发动机燃烧效率不断提高,天然气小客车的温室气体排放会大大降低。此外,随着清洁能源发电占比的提高,使得CNG 生产过程的 CO2排放也会不断降低,因此天然气小客车生命周期的温室气体排放将会进一步降低。(2)公交车的温室气体及气体污染物排放情况天然气公交车的总温室气体排放量略高于柴油公交车及纯电动公交车,见表5。在 CO2 排放方面,天然气公交车的 CO2排放低于柴油公交车,略高于纯电动公交车;在 CH4 和 N2O 排放方面, CH4 排放高于柴油公交车和纯电动公交车;N2O 排放低于柴油公交车,高于纯电动公交车。

通过理论计算,天然气公交车的温室气体排放主要集中在使用阶段,约占总排放量的84%。使用阶段影响温室气体排放的主要因素仍为汽车发动机的燃烧效率。CH4在总温室气体排放中占比较大,这主要是由于目前天然气发动机技术还有待进步,使用阶段百公里能耗相对柴油发动机能耗较高造成的。发动机燃料燃烧不完全带来较高的 CH4排放,同时在天然气生产、运输、使用阶段均有 CH4逃逸,使天然气公交车温室气体排放会略高于柴油公交车和纯电动公交车。

随着天然气汽车发动机燃料燃烧效率的提高, CO2、CH4、N2O 排放量均线性减少。随着技术的进步,当天然气公交车的百公里耗气量降低约15% 时,主要的温室气体 CO2排放量将会与柴油公交车相当;当天然气公交车的百公里耗气量降低约 38% 时,主要的温室气体 CO2 排放量会与纯电动公交车相当。因此,天然气在汽车领域的关键突破点是开发新型燃气发动机,优化燃烧过程减少使用过程排放,同时降低电力供应中的煤电比例,全面降低温室气体排放。 4.1.4 公服领域公服领域主要对比中餐燃气炒菜灶和电磁灶、燃气蒸箱和电蒸箱的温室气体排放情况,见表 6。

从生命周期来看,燃气蒸箱在总温室气体排放方面均优于电蒸箱,约为电蒸箱的70% ,在CO2、CH4、N2O 的排放上分别为电蒸箱的72%、32%、12%。而燃气炒菜灶的总温室气体排放略高于电磁灶,约为电磁灶的126% ,在 CO2、CH4、N2O 的排放上分别为电磁灶的 129%、57%、22%。

通过理论计算,燃气炒菜灶的温室气体排放主要集中在使用阶段,约占排放总量的86%。燃气炒菜灶在使用阶段排放较高主要是由 CO2 排放造成的,由于炒菜灶是明火加热,对流换热方式单一,造成使用阶段炒菜灶热效率较低。然而,燃气炒菜灶符合中国人的烹饪习惯,有加热快和功率大的特点,具有电磁灶无法替代的优势。

热效率是影响燃气炒菜灶的主要因素。随着热效率的提高,燃气炒菜灶的 CO2 排放会降低,当热效率提高到 36.2% 时,其 CO2 排放与电磁灶相当。将热效率提高到 36.2% 对于燃气炒菜灶来说相对较容易,仅略高于目前中餐燃气炒菜灶节能评价值,如果目前均能使用节能灶具,将热效率提高到Ⅰ级节能灶具水平,其 CO2 排放将低于电磁灶。因此,目前商用燃气蒸箱在温室气体排放上较电蒸箱优势明显,炒菜灶的温室气体排放稍高于电磁灶,但是具有电磁灶无法比拟的功率优势,且具备提高热效率降低排放的潜能。

4.1.5 居民生活领域居民生活领域主要对比家用燃气灶和电磁炉、燃气热水器和电热水器的温室气体排放情况,见表 7。

从生命周期来看,家用燃气灶具和热水器在各项温室气体排放方面均优于电气灶具和电热水器。燃气灶的总温室气体排放、CO2、CH4、N2O 排放

分别是电磁炉的 57%、59%、26%、12% ;燃气热水器的总温室气体排放、CO2、CH4、N2O 排放分别是电热水器的 37%、38%、17%、8%。

燃气灶具与燃气热水器的温室气体排放主要发生在使用阶段,分别约占总温室气体排放量的88% 和 86%。影响家用燃气灶具和燃气热水器温室气体排放的因素与公服燃气灶具相同,其CO2排放会随着热效率的提高而降低。但就目前燃气灶具的发展水平来看,灶具热效率能达到Ⅰ级能效的产品占比不到10%。Ⅰ级能效要求台式灶热效率达到 66%,嵌入式灶热效率达到 63%。如果按照 66% 的热效率计算,家用燃气灶具的 CO2 排放将减少到现值的80%。因此,在关系民生的居民领域,燃气灶具及燃气热水器的温室气体排放均大幅优于电磁炉及电热水器。

4.2 生命周期成本比较

4.2.1 发电领域通过对生命周期内环境成本的计算,可以得到各种能源发电的总成本,见表 8。

综合考虑环境排放的影响,从总成本上看,燃气发电低于光伏发电、略高于燃煤和风力发电。此顺序与内部成本的排序略有不同,由于煤炭生命周期内的环境排放问题,造成燃煤发电总成本高于风电。

4.2.2 供热领域通过对生命周期内环境成本的计算,可以得到燃煤锅炉房和燃气锅炉房供热的总成本,见表9。

虽然由于煤炭生命周期内的环境排放问题,造成燃煤锅炉房供热环境成本远高于燃气锅炉房供热成本,但就从总成本来看,燃气锅炉房供热成本仍然略高于燃煤锅炉房供热。

4.2.3 交通领域通过对生命周期内环境成本的计算,可以得到交通领域小型车和公交车的总成本,见表 10 和表 11。

从表 10 可以看出,使用不同能源的车辆的环境成本相差不大,天然气汽车略高于电动车、汽油车。从总成本上来看,天然气小客车的总成本最低,汽油小客车次之,纯电动车最高。

由于环境成本在总成本中占比很小,即便是将来电力结构调整,可再生能源发电比例提高或是发电的污染物控制水平提高,仍然会使纯电动车的总成本高于天然气小客车和汽油小客车的成本。同时,由于环境成本占比很小,各种能源小客车总成本的大小决定于其内部成本,随影响其内部成本的因素变化而变化。

从表 11可以看出,使用不同能源的车辆的环境成本相差不大,但与小客车的成本排序相反。天然气公交车环境成本低于柴油公交车,略高于纯电动公交车。从总成本上来看,天然气公交车的总成本最低,柴油公交车次之,纯电动公交车最高。4.2.4 公服领域通过对生命周期内环境成本的计算,可以得到公服用户常用燃气炒菜灶、燃气蒸箱和电磁灶、电蒸箱的总成本,见表 12。

由表 12 可以看出,无论是内部成本还是环境成本,电器灶具的成本均高于燃气灶具成本,造成了电器灶具的总成本均高于燃气灶具总成本,且具有较大优势。

而环境成本的高低与电器使用的电力来源有关。电力来源不同,环境成本不同。以上结果按照北京市用电中 57% 属于外调电力,43% 属于自供电力,外调电力按照 100% 煤电计算,自供电力按照 100% 燃气发电计算。如果改变电力结构,提高可再生能源电力的利用比例,总成本变化如表 13 所示。

由表 13 可见,随着电力结构中清洁能源比例 的提高,电器灶具的总成本呈下降趋势,当可再生能源电力比例提高到 10% 时,电器灶具的总成本仍远高于燃气灶具。

4.2.5 居民生活领域通过对生命周期内环境成本的计算,可以得到居民用户家用燃气灶具、燃气热水器和电磁炉、电热水器的总成本比较,见表 14。

从整体上来讲,电气具的总成本高于燃气具的总成本。热水器方面,燃气热水器在成本方面较电热水器具有绝对优势。灶具方面,由于家用领域灶具品牌繁杂、档次不一造成家用燃气灶与电磁炉的部分成本存在交叉,进而使总成本区间略有交叉。但由于家用燃气灶环境成本低于电磁炉环境成本,使交叉范围缩小。在总成本上,家用燃气具与电气具相比更具有成本优势。

5 主要结论

天然气作为未来能源转型的主力能源,占一次能源消费的比例将与日俱增。本文在燃气的各应用领域,与本领域其他能源用能进行了温室气体排放及综合成本的全面对比,分析了环境因素与经济成本,主要结论如下。

从排放上来看,在燃气的主要应用方向—发电和供热领域,燃气在减少温室气体排放上优于燃煤,燃气发电及供热的温室气体排放仅为燃煤发电及供热的 1/2。在交通领域,由于天然气汽车发动机技术仍处于发展阶段, CNG 生产阶段用电中煤电比例较高,造成天然气汽车总温室气体排放略高,但随着发动机技术的进步及煤改气进程的加快,有较大提升空间。在公服领域,

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4 存在不足和后续研究展望

改变固有模式对农村居民生活能源统计体系进行再设计,将煤、其他常规能源和可再生能源分开统计,并结合各自特点量身订制更适合的统计方法,可以降低推算比例,提高数据质量,有利于解决当前农村节能、治理污染和能源结构改善的问题,强化重点任务监测考核。但在实际应用和操作过程中可能还存在诸多不足之处亟待解决。

数据采集难。农村地域广袤,人员居住地点和能源使用也相对分散,基层统计力量薄弱,居民的数据意识和知识水平有限,对统计工作配合度较差,给数据的采集带来很大难度。另一方面,农村居民使用能源的来源渠道多样,计量状况差,往往难以获取准确用量,可能带来数据的偏差。

统计成本高。农村能源统计方法是在综合考虑当前农村基层统计基础,人员设施覆盖和调查成本基础上所做的权衡选择。实际操作中可能会带来统计成本、行政成本以及人力资源成本的大幅增加。例如,开展用煤户调查、多阶段分层抽样等要扩大调查范围和样本量,就需要比当前投入更大的资金和人力。因此,需要规划设定专门机构、专项资金以保障农村能源统计方法的具体实施。

抽样推算的科学性有待进一步验证。统计上保证数据准确的最好方法就是采用普查,但在实际中很难做得到。采用抽样调查是现实的选择,本研究对农村能源抽样的方法按照标志分层进行了改进,新的抽样方法依赖于所选标志的属性是否能够对农村用能做出合理的区分,新的样本代表性和推算科学性有待于后续研究进一步验证。

开展农村能源统计专项调查需要发展和改革委、统计、财政、农业以及多个部门协调进行,要充分利用好各部门的资源。同时,还需要各级乡镇政府的大力支持,宣传普及统计知识,保障统计工作的进行。逐步完善农村统计基础,是未来提高农村能源统计数据质量的根本所在。

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