天然氣的利用及其相關(guān)碳排放——兼論美國頁巖氣的開發(fā)與影響

復(fù)旦大學(xué)能源研究中心 單鈺理 常 征 李海林

0 引言

自19世紀(jì)末20世紀(jì)初煤炭逐步取代薪柴成為世界第一能源以及后來又石油居上，百多年來，煤炭、石油和天然氣等化石能源一直占據(jù)著全球能源生產(chǎn)和消費(fèi)的90%左右。雖然近年來風(fēng)電、光電等清潔能源獲得了長足的進(jìn)步與增長，但其應(yīng)用規(guī)模與保障能力還極其有限，技術(shù)水平和商業(yè)化程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求。若延續(xù)現(xiàn)有生產(chǎn)生活模式，在未來可以預(yù)見的時(shí)間內(nèi)，世界的能源構(gòu)成仍將會以化石燃料為主。歐美日等發(fā)達(dá)國家仍將長期處于油氣為主的高級能源時(shí)代，石油仍將長期保持第一的位置，占比36.7%（美國2010）；天然氣第二，占比25.2%（美國2010），煤炭第三，占比21.2%（美國2010）；化石燃料三足鼎立之強(qiáng)勢依然持續(xù)。水電、核電仍舊為重要補(bǔ)充，占比8.6%（美國2010）；風(fēng)電、光電等可再生能源潛力巨大、增長迅速，但2010年在美國能源總消費(fèi)的占比僅為8.2%。

就資源條件來看，全球已探明的化石能源儲量足以滿足未來20年乃至以后相當(dāng)長時(shí)間的需求；得益于強(qiáng)大的市場需求和成熟的輸配體系，石油和煤炭還能夠在近、中、遠(yuǎn)期維持一定的增速；天然氣特別是非常規(guī)油氣的增產(chǎn)潛力巨大，但其消費(fèi)量的增長將主要取決于終端需求的固化和輸配管網(wǎng)的便利；水電、核電以及風(fēng)電、光電的絕對供應(yīng)量將會持續(xù)增長，但所占份額依然有限，能源利用清潔化、低碳化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)仍將需要相當(dāng)長的時(shí)間。

1 美國天然氣消費(fèi)的增長與碳基的削減

作為世界最主要的能源大國，美國能源長期引領(lǐng)并主導(dǎo)著全球的能源發(fā)展趨勢，特別是近年來以頁巖氣為代表的清潔能源大規(guī)模商業(yè)化利用，奠定了美國能源系統(tǒng)始于供應(yīng)端的清潔化、低碳化基礎(chǔ)。1990年到2010年的二十年間，美國石油的年消費(fèi)量基本維持在9億噸左右，變化不大，其占全美能源消費(fèi)的份額有所下降，從1990年的39.71%下降到2010年的36.70%；煤炭消費(fèi)量略有增加，但占比卻從22.70%下降到21.23%；天然氣消費(fèi)穩(wěn)步增長，占比從23.20%上升到25.15%；同期的非化石能源（核電、可再生能源、進(jìn)口電力等）占比從14.39%上升到16.91%。參見圖1。

圖1 美國能源結(jié)構(gòu)變化趨勢圖（1990·2000·201

煤燃燒時(shí)釋放出來的能量主要來自于煤中碳的氧化，而石油和天然氣燃燒釋放能量的一部分還來自于氫被氧化成水（H2O）的過程，石油的碳?xì)浔燃s為1∶2，天然氣（主要成分是甲烷CH4）的碳?xì)浔葹?∶4。以燃燒后釋放同等能量為碳含量的測度基準(zhǔn)，煤炭是CO2排放的第一來源、石油次之、而天然氣則是排放CO2最少的化石能源。從無煙煤、煉焦煤到柴油、汽油再到天然氣，伴隨發(fā)熱量的變化，其含碳量也有規(guī)律地發(fā)生著改變。由于化石能源在燃燒放熱過程中，所含的碳元素大多能夠最終氧化成CO2，因此含碳量的大小從本源上決定了化石能源潛在碳排放因子的大小，如無煙煤為26.8c-t/TJ、煉焦煤25.8 c-t/TJ、柴油20.2 c-t/TJ、汽油18.9 c-t/TJ、天然氣15.3 c-t/TJ等。

根據(jù)美國能源部能源信息署（EIA）提供的全球1980-2011年的能源消費(fèi)與CO2排放數(shù)據(jù)，計(jì)算得到煤炭、石油、天然氣利用相關(guān)CO2排放系數(shù)（即單位能源消費(fèi)量產(chǎn)生的二氧化碳排放量），如表1所示。

表1 煤炭、石油、天然氣利用相關(guān)CO2排放系數(shù)（1980-2011年平均值）

作為世界上天然氣利用最為成熟的國家，1990年到2010年美國的能源結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，清潔能源所占比重上升4.48%。按照等量異構(gòu)方法核算，美國的溫室氣體排放量本應(yīng)有較大幅度的降低，但由于總能耗的增加，特別是化石能源消費(fèi)量的增加，全美溫室氣體的排放量依然有所增加。與1990年相比，2010年美國石油消費(fèi)量增加0.88億噸標(biāo)煤、煤炭增加0.59億噸標(biāo)煤、天然氣增加1.81億噸標(biāo)煤，化石能源消費(fèi)量合計(jì)增加3.28億噸標(biāo)煤；核電、水電等非化石能源消費(fèi)量合計(jì)增加1.58億噸標(biāo)煤。粗略估算由化石能源增量所產(chǎn)生的溫室氣體排放量在6.5億噸CO2當(dāng)量左右，占溫室氣體排放全部增量的75%左右。但得益于天然氣占比的增加，化石能源相關(guān)二氧化碳排放的基底有所降低，參見圖2。

圖2 美國化石能源相關(guān)二氧化碳排放構(gòu)

2 頁巖氣的商業(yè)化開發(fā)利用加速美國能源的低碳化進(jìn)程

近10年來，全球能源領(lǐng)域最大的、最具商業(yè)影響力和規(guī)模替代效應(yīng)的技術(shù)進(jìn)步是在油氣領(lǐng)域主要是在天然氣開發(fā)領(lǐng)域取得的，而非在人們熱捧的可再生能源領(lǐng)域，也不是在迅猛成長的能源新興大國——中國，卻是在經(jīng)濟(jì)低迷的、傳統(tǒng)的能源強(qiáng)國——美國。

1）頁巖氣有力提升美國天然氣的生產(chǎn)優(yōu)勢

如圖3所示，2006年以后美國天然氣總產(chǎn)量的走勢與頁巖氣產(chǎn)量走勢基本相同，這意味著2006年后美國頁巖氣的增產(chǎn)不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)天然氣產(chǎn)量的下降，而且還支撐起天然氣總產(chǎn)量的增長。

圖3 美國頁巖氣與天然氣生產(chǎn)狀況（1980-2010，億立方米

依托水力壓裂等創(chuàng)新技術(shù)，美國頁巖氣快速地進(jìn)入商業(yè)化規(guī)模利用階段，產(chǎn)量從1990年的38.37億M3大幅增加到2010年的1376.88億M3，占當(dāng)年全美天然氣總產(chǎn)量的22.79%，使得美國超過俄羅斯成為世界第一大天然氣生產(chǎn)國，未來美國天然氣可采儲量以及產(chǎn)量的增長將主要來自于頁巖氣等非常規(guī)化石能源，預(yù)計(jì)2015年美國的頁巖氣產(chǎn)量將達(dá)到2800億m3，參見圖4。

圖4 美國頁巖氣產(chǎn)量變化趨勢圖（1990-2040）

2）頁巖氣有效降低美國天然氣的對外依存度

美國是世界上最大的天然氣消費(fèi)國，1995-2005年每年都需要從加拿大等國進(jìn)口1000億立方米左右的天然氣，對外依存度長期徘徊在20%以上的高位，如圖5所示。

圖5 美國天然氣生產(chǎn)、消費(fèi)與進(jìn)口狀況（1980-2011，億立方米

表2 美國天然氣對外依存度與頁巖氣產(chǎn)量占比

如表2所示，在美國天然氣對外依存度不斷下降的同時(shí)，頁巖氣產(chǎn)量占天然氣總產(chǎn)量的比重卻持續(xù)增長，從而有效地保障了美國天然氣自給率的提高。由此，美國天然氣長期依賴進(jìn)口的局面發(fā)生逆轉(zhuǎn)，天然氣價(jià)格也將大幅回落，再過5-10年美國可能轉(zhuǎn)而出口天然氣。

3）頁巖氣顯著改善美國能源安全格局

水力壓裂法開采頁巖氣技術(shù)在短短的幾年間就使美國的能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了引人注目的變化。盡管有關(guān)環(huán)境影響的爭論持續(xù)增加，但它正被證明不僅是能源供應(yīng)領(lǐng)域，更是能源安全領(lǐng)域的一個(gè)主要貢獻(xiàn)者。在顯著改善美國和地區(qū)能源結(jié)構(gòu)的同時(shí)，頁巖氣等非常規(guī)化石能源的開發(fā)將對全球能源結(jié)構(gòu)特別是油氣市場的供應(yīng)格局產(chǎn)生深刻的影響，也必將對全球能源安全狀況特別是大國的能源政策、經(jīng)濟(jì)政策乃至國家安全與外交政策產(chǎn)生長遠(yuǎn)的影響。

基于工程學(xué)方面的重大進(jìn)步和技術(shù)突破，也僅僅用了10年的時(shí)間，加拿大的“油砂”就從一種邊緣資源轉(zhuǎn)變成為一種重要資源，如今產(chǎn)油量已經(jīng)達(dá)到每天150萬桶，再過10年就可能實(shí)現(xiàn)每天300萬桶，從而使加拿大進(jìn)入全球前五大產(chǎn)油國之列；同樣依靠技術(shù)的進(jìn)步，巴西也可能在2020年左右從其豐富的“鹽下油”中每天提煉出500萬桶原油，從而取代委內(nèi)瑞拉，成為拉美石油的主產(chǎn)區(qū)，并可能成為未來美國進(jìn)口石油的一個(gè)主要來源；預(yù)計(jì)2020年前后，美國從“致密砂巖油”中提取石油的產(chǎn)量可能會達(dá)到每天300萬桶，相當(dāng)于美國日產(chǎn)原油總量的1/3，這也將從根本上改善美國的石油供應(yīng)和安全狀況。

對美國而言，這些新的油氣供應(yīng)源以從未想到的方式改善和強(qiáng)化著能源供應(yīng)特別是能源安全，使其能源供應(yīng)系統(tǒng)更富有彈性，這一變化不僅對美國乃至對世界的能源供應(yīng)和政治外交都具有非同尋常的意義。

以頁巖氣為代表的非常規(guī)天然氣在美國獲得了成功的商業(yè)化利用。這不僅有效地推動了美國能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，促進(jìn)了國家能源安全的改善，且相比煤碳、石油等化石能源，天然氣的潛在碳排放因子更低，燃燒能源獲取單位熱量所產(chǎn)生的二氧化碳排放更少，因此使其在能源消費(fèi)總量略有增長的情況下仍能實(shí)現(xiàn)碳排放總量控制乃至減少。

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