文献阅读 |到2035年实现清洁和低碳供暖的路线图: 中国北方省级层面分析

题目

Roadmap towards clean and low carbon heating to 2035: A provincial analysis in northern China

作者

Ma,  Sining; Guo, Siyue; Zheng, Dingqian; Chang, Shiyan; Zhang, Xiliang   

期刊

Energy

时间

2021.02

一作

单位

Institute of Energy, Environment and Economy, Tsinghua University, Haidian District, Beijing, 100084, China

链接

https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120164 

研究导读

       中国已经在中国北方地区（NRC）的清洁供暖方面做出了很多努力。虽然有很多关于中国北方地区供暖的研究，但大多数都集中在减少空气污染方面，对解决气候变化的潜在贡献以及各省和城乡地区的差异没有得到充分讨论。基于上述情况，本研究拟利用中国区域能源系统模型（C-RESM），在考虑空气污染物和碳减排的前提下，研究2035年全国农村地区省级供暖改造路线图。结果表明，现有的清洁供暖政策可以有效地减少空气污染，但对二氧化碳的减排还不够。如果同时实现2摄氏度的温升目标，到2035年，工业余热将在集中供暖地区得到充分发展，承担9%的供暖面积，而空气源热泵和生物质供暖在分布式供暖地区分别承担24%和26%。由于锁定效应，燃煤热电联产将继续承担城市集中供热系统的基本供热负荷，到2035年比重将达到20%左右。    

研究背景

      近年来，中国正面临着空气污染的问题。与中国南方相比，中国北方地区的空气污染呈现出明显的季节性特征，即北方地区的重污染天数通常出现在冬季。也就是说，北方地区的重污染天数通常出现在冬季。许多研究证明，中国北方地区的可吸入颗粒物浓度的增加与中国南方地区的空气污染密切相关。许多研究证明，北方地区的PM浓度上升与该地区的供暖活动密切相关。为了控制供暖部门产生的空气污染，"冬季清洁取暖计划 "的目的是为了控制空气污染。为了控制供暖部门产生的空气污染，中国北方冬季清洁取暖计划（WCHP）已被联合发布。为了控制采暖行业产生的空气污染，国家发展和改革委员会(NDRC)和9个省市联合发布了《中国北方冬季清洁取暖计划》。改革委员会（NDRC）和其他九个部门于2017年联合发布了《中国北方冬季清洁取暖计划》，以促进清洁取暖的转型。其中明确指出，要采取一批措施实现到2021年底，北方地区的清洁取暖比例达到70%。

       鉴于上述情况，以前的研究大多考虑了供暖部门的碳排放，但没有针对2℃和1.5℃的限制。同时，过去的研究只探讨了国家层面的路径，据我们所知，还没有现有的研究来分析省级层面的供暖路线图。因此，我们的研究旨在回答以下三个问题。

(1) 现有的清洁供暖政策将如何影响供暖部门的能源结构、空气污染物排放和二氧化碳排放？它是否足以实现气候目标？

(2) 哪些技术方案有助于实现大气污染物排放和二氧化碳排放的目标？

(3) 如何根据各省不同的供热需求和资源潜力，为省一级的供热部门适当地制定清洁和低碳的转型路线图？

     本研究应用了一个省一级的能源技术和排放模型。该模型描述了省一级城市和农村供热领域的差异，可以充分反映区域的区别。

研究方法

建模框架

       本研究采用中国区域能源系统模型（CRESM）来分析中国供热行业的转型路线图，跟踪转型对供热行业的能源结构、二氧化碳排放和大气污染物排放的影响。它以国际能源署（IEA）能源技术系统分析软件（ETSAP）开发的TIMES模型为基础，整合了MARKAL模型和EFOM模型的优点。凭借其对技术细节自下而上的描述，该模型已被广泛用于多时空、多区域的能源和排放的中长期综合战略规划研究中。

      C-RESM模型是一个省一级的能源技术和排放模型。排放模型，其中包括中国的30个省级行政区（西藏、澳门、香港和台湾地区因缺乏数据而未被包括在内）。每个行政区都有自己的 能源模块和排放模块。能源模块的目的是建立每个地区的参考能源系统。由许多供应侧和需求侧的技术组成，然后描述能源流萃取、转换和最终使用的技术组合。排放模块跟踪二氧化碳排放（CO2）和污染物（二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物）在燃料燃烧和其他过程中的排放。通过定义技术排放因子，跟踪燃料燃烧和其他过程中的二氧化碳和污染物排放（SO2、NOx和PM）。以 2015年为基准年，每5年为一个周期，C-RESM模型在不同的情景、假设和约束条件下，以最小的系统成本优化和组合能源-排放系统技术，以满足外生的最终能源服务需求。

供热模块

      为了研究北方地区供热部门当前和未来的能耗、排放和技术路线图，我们重建了C-RESM模型中的供热子模块，并具体描述了与该模块相关的一系列参数，如供热技术、供热需求和排放因子。供热模块的框架如图1所示。目前，研究中涉及的热量只包括民用建筑冬季采暖用的热量，暂时不包括工业生产或居民生活热水用的热量。

图1. 加热模块的框架

      在供热模块中定义了14种供热技术，分为集中式和分布式供热系统两类。根据对中国目前供热情况的调查，假定城市地区采用集中式和分散式供热，而农村地区只采用分布式供热。

      供热需求、技术参数、排放因子和能源供应约束是该模块的主要输入。每个技术的成本、效率和寿命等参数都在供热模块中定义。排放因子是在排放模块中加入的，能源供应约束被定义为技术采用的约束。通过这些关键输入，将用优化方法模拟2020年至2035年北方采暖地区的技术份额、能源消耗和排放。

      如图2所示，中国是一个幅员辽阔的国家，领土从北纬4度延伸到北纬53度。由于气候条件和现有的供热基础设施，中国北方和南方在冬季供热方面存在非常大的差异。在中国北方地区，最冷的月份平均温度一般低于0℃，冬季供暖需求大，区域供暖是主要的供暖来源。而在中国南方地区，最冷月平均温度一般在0℃以上，采用的是分布供热系统。因此，我们将重点放在中国北方地区的建模上。根据《建筑气候区域化标准》，该地区有15个省，包括北京、天津、河北、河南、山东、山西、黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、陕西、甘肃、青海、宁夏和新疆。

图2. NRC加热区的地理范围

情景设置

     研究定义了三种情景，以提供关于清洁供暖的见解，具体如下。

     1）基础方案（BS）。

该方案被设定为供暖发展的基线。未来的空气污染和碳排放都没有得到控制。中国北方城市和农村地区的供暖技术份额保持在2015年以来的水平上不变。

     2）清洁政策情景（PS）。

该情景被设定为发展路线图，在当前的政策形势下，可以缓解大气污染排放。供热技术份额将主要根据《中国北方冬季清洁取暖计划》设定的发展目标而变化，并遵循该计划规定的趋势。清洁供暖的份额将在2020年达到70%，在2035年超过95%的目标。

    3）清洁和低碳情景（CS）。

该方案被设定为基于缓解空气污染协调的路线图，以实现将全球变暖限制在2℃的目标。与PS相比，碳强度较低的供热技术得到充分发展。供热技术份额不仅可以实现《方案》中设定的清洁供热份额目标，还能在2035年减少50%的碳排放。50%的目标是参照低碳排放战略的建筑部门排放轨迹确定的。考虑到北方地区的供暖是建筑部门中化石燃料比例最高的子部门，本研究认为供暖部门必须遵循更严格的碳排放轨迹（1.5℃温控目标的排放轨迹）来实现2℃的目标。

研究发现

技术份额

       基于对中国北方冬季供暖发展趋势的不同考虑，供暖技术份额将随着供暖能源消耗和排放的变化而变化。在本研究中，BS显示了供暖发展中技术份额没有任何变化，而其他两种情况则反映了相关政策的影响。

       图3显示了在不同情景下北方城市和农村地区的技术份额的变化。在北部城市地区，集中供热将满足未来90%以上的热负荷。在PS和CS中，地区燃煤锅炉和家庭燃煤炉的份额将减少，到2035年，这两种低效和高污染的供暖方式将被完全淘汰。预计到2035年，地热泵在PS和CS中的份额将略有增加。但值得注意的是，在反映现行政策的情况下（PS），燃煤热电联产和燃气供热技术（区域燃气锅炉和家用燃气锅炉）的比例将大幅增加。特别是，燃煤热电联产将继续在PS中发挥重要作用，比例为49%。而在反映双控目标的情景下（CS），燃煤热电联产的比例为39%，虽然继续承担基本的供暖负荷，但所占份额明显低于PS。     

图3. 不同情景下北方（a）城市和（b）农村地区供暖部门的技术份额（2015-2035）。PS：清洁政策情景；CS：清洁和低碳情景

      在北方农村地区，分布式供暖在未来将和现在一样占主导地位。根据图4，在PS和CS中，家用燃煤锅炉将被其他清洁供暖方式取代。但是，由于农村地区散煤分布广泛，居民的传统取暖习惯难以改变，农村地区散煤替代的进程将比城市地区慢，2035年将有少量的家用燃煤锅炉残余。出于减少污染物排放的考虑，PS中的北方农村地区将主要实施煤改气和煤改电政策，使家用燃煤锅炉逐渐被家用燃气锅炉和 空气源热泵取代。在CS期间，到2035年，北方农村地区实现双控的供暖方案将以高效生物质炉为主，辅以小部分的空气源热泵。然而，考虑到北方农村地区生物质成型燃料的发展相对缓慢，以同时实现空气污染控制，CS期间的空气源热泵将作为2025-2030年期间替代能源的一部分，最初呈上升趋势，随后呈下降趋势。

      图4显示了2025年和2035年所有北方地区的技术份额。BS的情况也因为城市化率的提高而发生变化。在BS，2035年清洁取暖的份额仍为40%左右，而在其他两种情况下，2025年清洁取暖的份额将超过75%，2035年将超过95%。2035年，在CS方案下，工业余热、 空气源热泵和高效生物质炉的份额将分别为9%、24%和27%，而在PS方案下，这一份额将分别为1%、22%和5%。同样，在2035年，CS下的燃煤CHP系统和家用燃气锅炉的份额将分别为22%和2%，而PS下的份额将分别为28%和26%。

图4. 不同情景下北方所有地区供热部门的技术份额（2015-2035）。BS：基本情景；PS：清洁政策情景；CS：清洁和低碳情景

能源消耗

       在不同的情景下，北方地区冬季供暖的总能耗和结构呈现不同的趋势。图5显示了2015年和2035年北方供暖部门的能源消耗。到2035年，与BS相比，PS和CS的能源消耗将分别减少22%和27%。同时，能源结构将发生重大变化，使PS和CS的煤炭消费大幅下降。此外，在PS和CS中，居民取暖用煤的比例将减少到52%和45%，天然气的比例将增加到34%和22%，而电力的比例将分别提高到11%和19%。到2035年，国家发改委的采暖天然气消费量上限将达到600亿立方米，PS的天然气消费量将达到采暖天然气供应的上限。

图5. 中国所有北方地区的供暖部门的能源消耗（2015-2035）

北方城市和农村地区在能源消费总量和结构方面的许多差异是显而易见的。图6显示了2015-2035年期间北方城市和农村地区供热部门的能源消耗变化。在北方城市地区，BS下的能源消耗在2035年前将继续增加。然而，在PS期间，城市供暖能源消耗将明显在2025年后达到峰值，然后保持不变。到2035年，与BS相比，能源消耗将减少12%。在CS中，城市供暖能耗在2025年达到峰值后开始下降，因此，其能耗将比BS低21%。

图6. 在不同情况下（2015-2035年），北方（a）城市和（b）农村地区的供暖部门的能源消耗

      由于随着中国城市化率的提高，农村地区的常住人口不断减少，人均供暖面积也相应减少。因此，BS下的农村采暖能耗将继续下降，但将保持较高比例。PS和CS将加速农村采暖能耗的下降，其节能效果相似。到2035年，农村采暖能源消耗将比2015年减少66-69%。

       此外，煤炭、天然气和电力是北方城市地区的主要供暖能源形式。天然气消费在PS地区有很大的增长，而电力消费在CS地区有很大的增长。到2035年，在PS和CS中，天然气消费的比例将上升到36%和28%，电力消费的比例将分别增加到4%和19%。除了煤炭、天然气和电力之外，北方农村地区也使用生物质能供暖。天然气和电力消费在PS中明显增加，而电力和生物质在CS中呈现明显增长。到2035年，天然气、电力和生物质将分别占PS的27%、44%和15%；而电力和生物质将分别占CS的23%和65%。

排放量

       图7显示了2015-2035年国家资源中心的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物的总体排放情况。在BS中，尽管NRC的供暖部门的空气污染物在2015年达到了顶峰，但减排的速度很慢。北方供暖部门的二氧化碳排放量将缓慢增加，在2030年左右达到峰值。

       在污染物减排的效果方面，PS和CS没有区别。在未来，二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物的排放可以大大减少。到2025年，SO2、NOx和PM的减排量可分别达到60-61%、62-64%和74-75%，到2035年可分别达到85-88%、79-80%和91-93%。

     值得注意的是，在二氧化碳减排方面，PS和CS之间存在着明显的差异。在PS和CS中，二氧化碳排放在2015年至2020年间达到峰值，其中CS的减排效果更为突出。与2015年相比，PS和CS在2025年可以分别减少21%和25%的二氧化碳排放，在2035年可以分别减少38%和52%的二氧化碳排放。

     由于华北地区的供暖面积在不断变化，供暖技术的变化带来的减排效益在单位供暖面积的排放量上表现得非常突出。图8显示了2015-2035年CS下华北地区城乡供热强度的变化。尽管人口不断向城镇迁移，北方农村地区的供暖面积较小，但由于北方农村地区的建筑结构保温性差，供暖设备能效低，农村供暖的排放强度（单位面积的排放量）要高得多。在CS中，北方农村地区的空气污染物排放强度始终保持在一个较高的水平，其下降的速度比城市要慢。到2035年，城市大气污染物的排放强度保持在较低水平，但二氧化碳的排放强度高于农村地区。同时，无论是农村还是城市，二氧化碳排放强度的下降都明显慢于大气污染物的下降。

图7. 在不同的情景下（2015-2035年），NRC的供热部门的空气污染物和二氧化碳排放量

图8. 在不同的情景下（2015-2035年），NRC的供热部门的空气污染物和二氧化碳排放强度

各省之间的比较

      供暖需求、资源禀赋、现有供暖基础设施、技术成本和政策导向等不同因素会影响各省的改造路线图。综上所述，从单一控制大气污染物排放（PS）的角度看，各省的改造技术选择较多，改造路线图受技术成本、政策导向和现有供热基础设施的影响较大；从共同控制大气污染物和碳排放（CS）的角度看，具有共同控制优势的技术选择较少，因为这些技术大多取决于各省的相关资源禀赋。

     如图9所示，在北方城市地区，东北和西部地区主要依靠发展燃煤热电联产，而中部地区则多以燃煤热电联产和燃气锅炉的协调发展为重点。但是，在天然气消费方面也有区域特点。除中部省份有重点供气布局外，其他省份的天然气资源相对紧缺。对于气源不足、地热资源有限的地区，如中国东北和内蒙古，2035年燃煤热电联产的热负荷将占到需求量的80%以上，这对当地热电厂的装机容量提出了巨大挑战。在CS中，一些地区，如中国东北的辽宁，中国中部的内蒙古、山西、山东、河北、河南，中国西部的宁夏、新疆、陕西等，力争通过充分发展工业余热和空气源热泵，实现更大的协同减排效益。

     如图10所示，在北方农村地区，PS的变化反映了煤改电和煤改气政策的实施效果，表明在大多数省份前者超过了后者。另一方面，CS的变化率表明，各地区将通过生物质资源和空气源热泵来重新分配总的热源结构。

图9. 2035年BS、PS和CS各省的城市供热源结构

   图10. 2035年BS、PS和CS中各省的农村供暖来源结构

研究结论

       在研究中，分析了有助于实现空气污染物和二氧化碳减排的供热技术，并为北方地区提供了清洁和低碳的转型路线图。主要结论归纳如下。

      1)  现有的清洁供暖政策可以有效地减少空气污染，但在二氧化碳减排方面可能还不够。与2015年相比，到2035年，在PS和CS下，SO2、NOx和PM的减排量可以分别达到85-88%、79-80%和91-93%。与2015年相比，CS到2035年可以实现52%的二氧化碳减排量，比PS高14%。

      2) 采用三种清洁低碳的供暖技术，包括空气源热泵、工业余热和高效生物质炉，可以明显减少二氧化碳的排放。在CS中，空气源热泵、工业余热和高效生物质炉的份额将从2015年的几乎为零，到2035年分别增加到24%、9%和27%的北方地区供热部门。此外，热电联产仍将是北方地区最大的集中供热技术，到2035年，它将提供至少39%的城市供热。有必要进一步改善热电联产的调度。

      3)  更严格的共控约束将为北方地区的供热部门带来额外的能源节约。与BS相比，到2035年，PS和CS的能源消耗将分别减少22%和27%。空气源热泵和工业废热的使用是PS和CS能源消耗下降的重要原因。在CS，到2035年，电力和天然气将超过煤炭成为北部城市地区的主要供暖能源，而电力和生物质将成为北部农村地区的主要供暖能源。

     4)  考虑到其资源禀赋、供暖需求和现有的供暖基础设施等因素，提供国家发改委的清洁低碳供暖技术路线图。新疆、陕西、辽宁和河南这四个省份的城市地区工业余热和空气源热泵的比例较高（约40-50%）。高效生物质采暖炉可以在几个省份的农村地区广泛使用，特别是那些生物质资源丰富的省份。到2035年，吉林、河南、河北、山西和甘肃的高效生物质采暖炉的份额将超过70%。

      根据研究结果，建议制定中国北方地区2035年的供暖计划。新的计划不仅要考虑空气污染减排，还要考虑深度脱碳以实现中国新的气候承诺。

编辑&排版：刘心远

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