“雙碳”背景下天然氣與新能源融合發(fā)展路徑及策略

石云，潘繼平，王愷，趙思行

中國海油集團能源經(jīng)濟研究院

0 引言

1 “雙碳”背景下中國能源轉(zhuǎn)型趨勢

1.1 中國能源結(jié)構(gòu)向清潔低碳化轉(zhuǎn)型

“雙碳”已成為中國能源轉(zhuǎn)型的核心戰(zhàn)略，中國能源系統(tǒng)正向多元化、清潔化、低碳化變革。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告2023》，2022 年全國非化石能源發(fā)電量31 443×108kW·h，在總發(fā)電量中的占比從2012 年的21.4%提升至36.2%。多數(shù)研究機構(gòu)對能源轉(zhuǎn)型的認識基本一致，區(qū)別在于對能源轉(zhuǎn)型速度的預測以及不同轉(zhuǎn)型速度下化石能源峰值的差異。根據(jù)中國石油天然氣集團有限公司2021 年發(fā)布的《世界與中國能源展望》數(shù)據(jù)，參考情景下2030 年中國能源需求將達到峰值，約60×108tce，2060 年能源需求為45×108～ 55×108tce；2030 年非化石能源占一次能源比例增至26%左右，2060 年增至80%；煤炭占比持續(xù)下降，2030 年降至43%，2060 年降至5%；2030 年前石油占比穩(wěn)定在18%，2060 年降至6%；2030 年天然氣占比增至12%，2060 年降為9%。

1.2 天然氣需求仍將保持穩(wěn)步提升

“雙碳”背景下，從中長期來看，“更高效、更低碳、更靈活”的天然氣是支持國家實現(xiàn)清潔低碳戰(zhàn)略的重要抓手，肩負“碳減排”與“保供應”雙重責任。根據(jù)中國海油集團能源經(jīng)濟研究院內(nèi)部模型測算，預計2040 年前，天然氣消費仍將保持增長，2040 年左右天然氣消費達峰，峰值約6 500×108m3。工業(yè)部門始終是最大的天然氣用戶，預計2040 年左右達峰時工業(yè)用氣量約3 000×108m3，2060 年仍保持2 300×108m3以上；發(fā)電用氣需求預計在2040 年左右達峰，峰值約1 200×108m3，2060年降至1 000×108m3；建筑部門天然氣需求在2035年前后達峰，峰值約1 250×108m3，2060 年降至650×108m3；交通部門用氣量受電力、氫能等清潔能源的推廣影響較大，前景較難預測，能源轉(zhuǎn)型速度不同，用氣需求差異較大，預計2060 年用氣需求為100×108～ 700×108m3。

1.3 未來天然氣將實現(xiàn)與新能源融合發(fā)展

目前，中國已步入構(gòu)建現(xiàn)代能源體系的新階段。未來隨著非化石能源占比的提升，尤其是當其在能源消費中的占比超過70%后，新能源的不確定性、波動性、間歇性帶來的供電保障和消納問題將成為中國能源發(fā)展的核心和關(guān)鍵。天然氣清潔、低碳、高效，在一次能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與終端用能“電氣化”水平提升過程中，將發(fā)揮提升能源質(zhì)量、穩(wěn)定電力輸出、促進多能融合等作用。天然氣發(fā)電運行靈活、啟停時間短、爬坡速率快、調(diào)節(jié)性能出色，是未來為風電、光伏發(fā)電等新能源電力提供調(diào)峰服務的主要來源之一，也是新型能源體系構(gòu)建過程中的主要能源，在中國能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過程中作為新能源的“伙伴能源”，將實現(xiàn)與新能源融合發(fā)展［2-4］。

2 天然氣與新能源融合發(fā)展路徑

本文所述的新能源是指太陽能、風能、地熱、氫能、生物質(zhì)能等。天然氣與新能源融合主要涉及電力和熱力領(lǐng)域，融合路徑分別從縱向（沿天然氣產(chǎn)業(yè)鏈）和橫向（與不同新能源品種）兩個維度來研究。

2.1 縱向維度

天然氣與新能源在縱向維度的融合發(fā)展，是指通過天然氣與新能源的協(xié)同布局，技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新以及體制機制、法規(guī)標準等協(xié)同改革，推動天然氣在上游生產(chǎn)、中游輸配、下游利用等環(huán)節(jié)與新能源進行因地制宜的融合，實現(xiàn)能源供應更高質(zhì)量，系統(tǒng)運行更加協(xié)調(diào)，資源利用更有效率的一種發(fā)展模式［5］。天然氣與新能源融合發(fā)展路徑見圖1。

在上游領(lǐng)域，可以實現(xiàn)天然氣與風能、太陽能等新能源的協(xié)同開發(fā)，提高資源利用率，同時利用新能源發(fā)電可以有效降低油氣田用能，提高低碳化水平。海上風電開發(fā)與海上油氣田開發(fā)具有極強的協(xié)同效應：一方面，可以利用海上油氣田工程地質(zhì)資料、環(huán)境數(shù)據(jù)、施工資源等，實現(xiàn)與海上風電開發(fā)共享共建，降低海上風電開發(fā)邊際成本，同時可以利用海上風電給海上平臺供電，在降碳的同時提高海上風電經(jīng)濟性；另一方面，海上油氣田生產(chǎn)的天然氣用于發(fā)電可以更大規(guī)模地為海上風電資源提供調(diào)峰服務，提高海上風電的消納，遠期可以利用海上風電制氫來緩解棄風現(xiàn)象，這也是未來深海風電實現(xiàn)輸送的可能方式。

帶狀皰疹后遺神經(jīng)痛（Postherpetic Neuralgia，PHN）是帶狀皰疹（Herpes Zoster）最常見的并發(fā)癥，指帶狀皰疹皮損愈合后疼痛持續(xù)超過1月者，好發(fā)于體質(zhì)虛弱者和老年人[1] 。該病以劇烈的燒灼樣、電擊樣、撕裂樣疼痛為臨床特征，纏綿難愈，嚴重損害患者的情感、睡眠和生命質(zhì)量[2] 。其治療方法較多，但治愈率低。筆者采用針刺配合熱敏灸治療PHN42例，取得較好療效，現(xiàn)報道如下。

在中游領(lǐng)域：首先可通過天然氣管道摻氫輸送實現(xiàn)與氫能的融合；其次，天然氣主干管道中輸送的天然氣壓力通常較高，而給下游終端用戶的供氣壓力通常較低，這就需要通過調(diào)壓站進行降壓，在調(diào)壓的過程中釋放出大量的能量，可將此壓力能回收利用進行發(fā)電，降低用能成本；最后，在LNG（液化天然氣）氣化轉(zhuǎn)化為常溫氣態(tài)的過程中，可以釋放大量的冷能，對LNG 冷能進行充分合理的回收利用，可以極大地提高LNG 接收站能源利用效率，提高經(jīng)濟效益。

在下游領(lǐng)域，天然氣發(fā)電可作為新能源電力的調(diào)峰電源，在天然氣中摻入一定比例的氫氣可以提高發(fā)電效率，提升燃氣發(fā)電的經(jīng)濟性，并且降低碳排放。此外，利用新能源谷電制造壓縮空氣，可將燃氣發(fā)電的效率提升20% ～ 25%，碳排放相應降低?；ゎI(lǐng)域，天然氣可參與制氫。交通領(lǐng)域，可打造“油、氣、電、氫、服”綜合能源站。城市燃氣領(lǐng)域，天然氣可與地熱能等融合實現(xiàn)聯(lián)合供暖。

2.2 橫向維度

天然氣與新能源在橫向維度的融合，是指通過天然氣與多種能源產(chǎn)品互補，開拓單一能源產(chǎn)品無法高效開發(fā)的潛在市場，主要包括天然氣與風能、太陽能的融合，天然氣與氫能的融合以及天然氣與地熱能的融合。

2.2.1 天然氣與風能、太陽能融合

天然氣與風能、太陽能的融合主要是天然氣發(fā)電參與風電、光伏發(fā)電調(diào)峰。在構(gòu)建新型能源體系過程中，電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力對于支撐高比例新能源并網(wǎng)、提高大電網(wǎng)運行安全性和可靠性至關(guān)重要［6］。靈活性資源主要包括煤電靈活性改造、燃氣機組、抽水蓄能和電化學儲能。其中：抽水蓄能是較好的調(diào)峰方式，但受制于地理條件，發(fā)展空間受限；電化學儲能大規(guī)模應用尚需時日，且發(fā)展上限需考慮鋰、鈷、鎳等資源約束；相較燃煤發(fā)電，燃氣發(fā)電調(diào)峰技術(shù)成熟，碳排放強度約為燃煤發(fā)電的50%，且負荷調(diào)節(jié)范圍寬、響應快速，是未來較好的調(diào)峰選擇。各類靈活性資源對比見表1。

表1 各類靈活性資源對比

國家發(fā)展和改革委員會（簡稱國家發(fā)展改革委）、國家能源局于2021 年7 月發(fā)布發(fā)改運行〔2021〕1138 號《關(guān)于鼓勵可再生能源發(fā)電企業(yè)自建或購買調(diào)峰能力增加并網(wǎng)規(guī)?！返耐ㄖ?，提到促進可再生能源發(fā)展關(guān)鍵在于消納，保障可再生能源消納關(guān)鍵在于電網(wǎng)接入、調(diào)峰和儲能，支持氣電作為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)電源［7］。國務院《2030 年前碳達峰行動方案》及國家發(fā)展改革委《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》相關(guān)文件也提到，要因地制宜建設(shè)既滿足電力運行調(diào)峰需要又對天然氣消費季節(jié)差具有調(diào)節(jié)作用的天然氣“雙調(diào)峰”電站，推動天然氣及氣電與可再生能源融合發(fā)展、聯(lián)合運行［8］。

截至2021 年底，中國靈活性調(diào)節(jié)電源裝機約25 068×104kW，其中：氣電10 859×104kW（調(diào)峰機組約5 000×104kW），煤電純凝機組靈活性改造約10 000×104kW，抽水蓄能3 639×104kW，新型儲能570×104kW［9-10］。中國靈活性調(diào)節(jié)電源裝機容量僅占電力總裝機容量的10.5%，遠低于發(fā)達國家。

根據(jù)《世界與中國能源展望》（2021 版），預計2030 年非化石能源占一次能源比例增至26%左右，2060 年增至80%。隨著新能源占比快速增加，電力調(diào)峰需求隨之升高，預計中國燃氣發(fā)電裝機在2020—2030 年從約1×108kW 快速增長至2.2×108kW，到2050 年超過3×108kW，約占全國電力總裝機容量的5%。近期，氣電發(fā)展一方面來源于部分地區(qū)限制燃煤發(fā)電和供熱，另一方面來自電網(wǎng)對調(diào)峰電源的需求，未來將主要來源于電力調(diào)峰需求。

過去幾年，天然氣發(fā)電用氣增長較快，從2017年的430×108m3增長至2021 年的620×108m3。未來，隨著新能源發(fā)電裝機的高比例接入，燃氣發(fā)電作為靈活性電源的定位逐步明確，年發(fā)電小時數(shù)將逐步降低，發(fā)電用氣量的增速將有所放緩。預計2025年和2030 年發(fā)電用氣量將分別達到750×108m3和900×108m3，并于2040 年前后達到高峰，峰值約1 200×108m3。

2.2.2 天然氣與氫能融合

氫能產(chǎn)業(yè)主要分為上游制氫、中游儲運和下游利用三大環(huán)節(jié)。氫能與天然氣在產(chǎn)業(yè)鏈上具有相似的特征，具有融合發(fā)展的可能性［11-12］。

上游領(lǐng)域的融合主要是在天然氣制氫方面。天然氣制氫技術(shù)主要包括天然氣水蒸氣重整制氫、天然氣部分氧化制氫和天然氣自熱轉(zhuǎn)化制氫?？梢酝ㄟ^以下3 種方式進行天然氣制氫：在天然氣資源地重整制氫，二氧化碳就近封存，實現(xiàn)“灰氫”變“綠氫”；在天然氣加注站利用小型設(shè)備制氫，實現(xiàn)氣氫聯(lián)合加注；依托LNG 接收站天然氣重整制氫，利用冷能的同時副產(chǎn)干冰。

天然氣與氫能在中游儲運領(lǐng)域的融合主要是天然氣管道摻氫輸送［13］。與新建純氫輸送管道相比，天然氣管道摻氫輸送投資低、經(jīng)濟性相對較好，且可以利用天然氣管道已有的終端客戶資源，便于推廣。但天然氣管道摻入氫氣后，可能造成運輸效率下降，同時涉及氫脆問題等，管線鋼等級越高，氫脆敏感性越大。對于在運行的天然氣管道摻氫，需要根據(jù)實際情況進行評估［14-15］。應繼續(xù)加強在摻氫比、混氫工藝、管材相容性及終端設(shè)備適應性等方面的技術(shù)研究并完善相關(guān)標準體系，推動天然氣摻氫的技術(shù)應用，促進氫能產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展。支線管網(wǎng)鋼材等級相對較低，可以優(yōu)先考慮在支線管網(wǎng)摻氫輸送供終端用戶使用，提高能源效率的同時減少碳排放。未來，隨著技術(shù)不斷成熟，可將西北地區(qū)可再生能源制取的氫摻入天然氣管道，大規(guī)模輸送至中東部氫能需求較大的地區(qū)。

天然氣與氫能在下游領(lǐng)域的融合主要有氣、氫綜合加注以及天然氣與氫氣混合燃料的燃氣輪機。在氫燃料電池汽車尚未大規(guī)模發(fā)展時，可以“以氣養(yǎng)氫”實現(xiàn)過渡。隨著小型化天然氣制氫設(shè)備成本下降，氫燃料電池汽車達到一定規(guī)模后，天然氣加注站內(nèi)制氫具有較好的經(jīng)濟性和較大的發(fā)展?jié)摿ΑＮ磥碇鸩酱蛟臁坝?、氣、電、氫、服”綜合能源站，不僅能給汽車加油、加氣，還能實現(xiàn)充電、加氫等，實現(xiàn)價值最大化。此外，在對現(xiàn)有燃氣發(fā)電廠進行適當調(diào)整后，在聯(lián)合循環(huán)機組中混摻一定比例的氫氣燃燒，可以大幅降低碳排放量［16］。

2.2.3 天然氣與地熱資源融合

天然氣與地熱能融合路徑主要為聯(lián)合供暖。地熱水通過換熱器換熱達到熱網(wǎng)設(shè)計水溫后進行供熱，若地熱井出水溫度較高，可以設(shè)置多級換熱器，通過充分的階梯換熱實現(xiàn)能源高效利用。地熱能可能存在出水不穩(wěn)定和衰減現(xiàn)象，可通過與天然氣聯(lián)合供熱，構(gòu)建以地熱為基礎(chǔ)能源，天然氣作為補充能源的聯(lián)合供熱模式，實現(xiàn)能源合理配置，推動能源高效利用。

國家發(fā)展改革委等八部門2021 年發(fā)布的《關(guān)于促進地熱能開發(fā)利用的若干意見》（簡稱《意見》）提出，到2025 年中國地熱能供暖面積達到21×108m2，到2035 年達到42×108m2。根據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告》，北京市民用住宅采暖耗熱為36 W/m2，若采用天然氣供暖，1 m2供熱面積在120 d供暖期內(nèi)耗氣量約10 m3。孫赫晨等［17］通過典型案例對地熱和天然氣聯(lián)合供暖最佳配比進行研究，得出最佳配比為地熱能供熱占比40%，天然氣供熱占比60%。根據(jù)《意見》規(guī)劃的地熱能供熱面積，若其中20%采用地熱與天然氣聯(lián)合供暖，預計2025年天然氣需求量為25×108m3，2030 年天然氣需求量為50×108m3。

3 天然氣與新能源融合策略

一是，在中東部重點省份積極布局氣電廠，為快速增加的新能源電力進行調(diào)峰?！笆奈濉逼陂g，廣東、浙江、江蘇、山東、河北等中東部重點省份新能源電力裝機增長快，天然氣調(diào)峰需求大。結(jié)合各區(qū)域內(nèi)資源和用能特點，積極布局一批調(diào)峰燃氣電廠，以大型電廠為核心，構(gòu)建終端側(cè)氣電與新能源發(fā)電就近利用模式，為未來新增的新能源并網(wǎng)提供調(diào)峰服務。

二是，未來在沿海地區(qū)打造“海上風電+天然氣協(xié)同開發(fā)+氣電”模式，實現(xiàn)多能融合。沿海地區(qū)是中國重要的電力負荷中心，應充分發(fā)揮海上風電與海上油氣資源協(xié)同開發(fā)優(yōu)勢，降低油氣田耗能，提高綜合效益。未來逐步打造“海上風電+氣電”融合新模式，通過氣電作為調(diào)峰電源，提高海上風電資源獲取的可能性，提高海上風電消納能力。遠期實現(xiàn)海上風電制氫，將多余電能轉(zhuǎn)化為氫氣（儲能），解決新能源電力儲存難的問題，平抑新能源發(fā)電的波動性；也可將氫氣通過船舶或者摻入天然氣管道輸送上岸，供終端用戶使用，實現(xiàn)多能融合；或者將氫氣與天然氣混合進行發(fā)電，逐步實現(xiàn)純氫發(fā)電。

三是，在西北地區(qū)打造“可再生能源+氣電”能源基地。中國西北地區(qū)風、光資源豐富，2013—2021 年，風電、光伏發(fā)電等可再生能源裝機容量增長近40 倍，但最大用電負荷及用電量增長均不到3倍，因此需將電力外送至中東部負荷中心進行消納。西北地區(qū)同時又是中國重要的天然氣生產(chǎn)基地，在西北地區(qū)打造氣電與新能源發(fā)電聯(lián)合外送模式，以風電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電為核心，建設(shè)氣電調(diào)峰機組，平抑可再生能源給電力系統(tǒng)帶來的不穩(wěn)定性，通過第三方電網(wǎng)、熱網(wǎng)，實現(xiàn)能源遠距離輸送。

四是，在工業(yè)園區(qū)等負荷中心打造“天然氣分布式能源+新能源”分布式能源綜合站。所謂“分布式能源”是指分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，根據(jù)用戶能源需求不同，實現(xiàn)能源對口供應，能源利用效率高。在工業(yè)園區(qū)等負荷中心建設(shè)利用天然氣、太陽能、風能、地熱能、生物質(zhì)能等聯(lián)合供熱、供電的綜合能源站，實現(xiàn)能源的綜合利用和梯級利用（見圖2）。構(gòu)建以“分布式能源+儲能”為主體的微電網(wǎng)，實現(xiàn)綜合效益最大化的同時，將風電和光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性因素在微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)進行消除，減少對上級電網(wǎng)的沖擊。

圖2 “天然氣分布式能源+新能源”分布式能源綜合站示意

4 推進天然氣與新能源融合發(fā)展的建議

天然氣與新能源融合發(fā)展有助于兼顧能源清潔化與能源安全雙重目標，對中國實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要的推動作用，是未來發(fā)展的趨勢。但目前仍存在天然氣發(fā)電定位不清晰、融合標準規(guī)范不完善、油氣與新能源一體化開發(fā)細則不明確、海上油氣礦權(quán)與海上風電發(fā)展用海矛盾等問題，需要在政策和技術(shù)層面進一步完善。

一是，進一步明確天然氣發(fā)電的行業(yè)定位，鼓勵以天然氣發(fā)電為主的電力調(diào)峰設(shè)施建設(shè)。建議國家層面出臺相關(guān)政策支持文件，明確天然氣發(fā)電的行業(yè)定位，充分發(fā)揮天然氣發(fā)電在未來電力調(diào)峰調(diào)頻體系中的作用，進一步完善天然氣發(fā)電為新能源調(diào)峰的價格機制，助力新型能源體系建設(shè)。

二是，在國家能源局發(fā)布的《加快油氣勘探開發(fā)與新能源融合發(fā)展行動方案（2023—2025 年）》基礎(chǔ)上，進一步制定油氣與新能源協(xié)同開發(fā)實施細則，加快解決海上油氣礦權(quán)與海上風電發(fā)展用海矛盾問題。將海上風電發(fā)展和海洋油氣開發(fā)納入國家統(tǒng)一規(guī)劃，對于油氣開發(fā)與海上風電發(fā)展重疊的區(qū)塊統(tǒng)一審批，簡化協(xié)同開發(fā)審批流程，加大對海上油氣與風電協(xié)同開發(fā)以及沿海海上風電和天然氣發(fā)電融合發(fā)展的政策支持力度。

三是，統(tǒng)籌安排油氣與地熱開發(fā)，打造地熱+多能互補綜合智慧能源系統(tǒng)。地熱資源與油氣開發(fā)技術(shù)相似，部分區(qū)域重疊，建議油氣企業(yè)統(tǒng)籌兩種資源，協(xié)同開發(fā)。優(yōu)選地熱資源豐富區(qū)域，充分發(fā)揮地熱資源可調(diào)節(jié)、易儲存的優(yōu)勢，構(gòu)建以地熱能為基礎(chǔ)的“地熱+天然氣+太陽能”的綜合智慧能源系統(tǒng)，提升能源效率和供能安全性，打造地熱+多能互補的綜合智慧能源供應體系。

四是，完善氣電與新能源融合的標準規(guī)范，加強技術(shù)研發(fā)，促進融合業(yè)務成熟穩(wěn)定發(fā)展。“雙碳”背景下，中國能源體系和電力系統(tǒng)發(fā)生結(jié)構(gòu)性改革，“氣電+新能源”融合模式是未來的發(fā)展趨勢。建議加快建立切實可行的融合模式標準規(guī)范，加強技術(shù)攻關(guān)，解決制約融合發(fā)展的技術(shù)瓶頸，對融合項目的建設(shè)加以規(guī)范和引導。