中國碳中和目標(biāo)下的天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展與貢獻(xiàn)

侯正猛，羅佳順，曹 成，丁國生

(1.四川大學(xué) 中德能源研究中心，四川 成都 610065；2.克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué) 地下能源系統(tǒng)研究所，克勞斯塔爾–采勒菲爾德 38678；3.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；4.中國石油勘探開發(fā)研究院，河北 廊坊 065007)

2020年9月，習(xí)近平總書記鄭重提出中國2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和目標(biāo)，這是中國首次向外界明確實(shí)現(xiàn)碳中和的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，表明中國政府履行巴黎氣候協(xié)定的堅(jiān)決意志，同時(shí)也傳遞出未來綠色發(fā)展的決心。2021年全國兩會(huì)后，各部委及省市陸續(xù)發(fā)布“雙碳”目標(biāo)行動(dòng)方案，出臺(tái)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)等細(xì)化跟進(jìn)政策。碳中和戰(zhàn)略在中國各地迅速實(shí)施推進(jìn)，意味著中國的能源結(jié)構(gòu)將積極邁向綠色低碳化，能源系統(tǒng)將迎來歷史性的轉(zhuǎn)型和跨越式的發(fā)展。

天然氣使用便利且穩(wěn)定高效，是中國一次能源系統(tǒng)中的重要組成部分，雖為傳統(tǒng)化石能源，但其燃燒產(chǎn)生的碳排放量遠(yuǎn)低于煤炭和石油。因此，作為較為清潔的化石能源，在中國以退煤為核心的能源轉(zhuǎn)型過程中天然氣能發(fā)揮重要作用。自“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)提出以來，周淑慧等[1]對(duì)“十四五”期間天然氣行業(yè)發(fā)展進(jìn)行了預(yù)測，段宏波等[2]基于多模型比較框架對(duì)未來中國一次能源和天然氣消費(fèi)進(jìn)行了探討，李孥等[3]以碳匯量為依據(jù)研究了碳中和目標(biāo)下天然氣產(chǎn)業(yè)的前景，段言志等[4]就其他綠色能源與天然氣的融合發(fā)展提出了發(fā)展意見和政策建議。但是，已有研究未明確天然氣作為低碳化石能源在碳中和目標(biāo)中的貢獻(xiàn)和其發(fā)展定位，并且隨著可再生能源市場不斷加碼，對(duì)于天然氣如何與綠色能源共同發(fā)展的路徑研究不夠深入具體。此外，天然氣該在新時(shí)代能源體系中扮演什么角色，發(fā)揮什么樣的作用都關(guān)乎行業(yè)發(fā)展前景及企業(yè)勘探開發(fā)投入，也直接影響到碳中和目標(biāo)能否順利實(shí)現(xiàn)，有必要進(jìn)行探討。本文梳理了天然氣對(duì)于“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的貢獻(xiàn)，明確了天然氣在碳達(dá)峰和碳中和過程中的主體能源地位，以及未來承擔(dān)氣電調(diào)峰的重要作用，并利用定基能源消費(fèi)彈性系數(shù)對(duì)天然氣消費(fèi)量進(jìn)行了大致預(yù)測。同時(shí)，基于對(duì)天然氣供需兩端的分析研判，提出了天然氣在碳中和時(shí)代與其他綠色能源協(xié)同式耦合發(fā)展思路，為行業(yè)發(fā)展提供參考和借鑒。

1 天然氣在碳中和中的作用

碳中和目標(biāo)的具體實(shí)現(xiàn)途徑主要包括減少碳排放和增加碳吸收。目前環(huán)境中二氧化碳的主要來源是化石能源燃燒，據(jù)國際能源署（IEA）統(tǒng)計(jì)，2020年全球與能源相關(guān)碳排放量下降為315×108t，但近十年全球能源相關(guān)二氧化碳排放量持續(xù)上升（圖1）[5]。中國作為世界最大的化石能源消費(fèi)國，碳排放同樣居全球首位，2020年二氧化碳排放總量超過100×108t[6]。中國因煤炭資源稟賦優(yōu)勢導(dǎo)致能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)特殊，煤炭燃燒所產(chǎn)生的碳排放量占總排放量的比例接近80%，遠(yuǎn)超世界平均水平。2020年中國煤炭使用量在一次能源結(jié)構(gòu)中占比達(dá)56.8%，這也表明中國能源系統(tǒng)勢必迎來重大的結(jié)構(gòu)調(diào)整、資源整合。中國實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)最根本的路徑是減少碳排放，即在擴(kuò)大能源供給可再生化的同時(shí)，降低煤炭和石油等高碳化石能源用量，尤其是控制煤電和終端用煤，增加以天然氣為代表的清潔化石能源使用[7–8]。培育天然氣逐步接替煤炭，提升天然氣在電力、工業(yè)等行業(yè)中的使用占比，并成為中國現(xiàn)代清潔能源體系的主體能源之一。

圖1 1990—2020年全球能源相關(guān)二氧化碳排放量統(tǒng)計(jì)[5]Fig. 1 Statistics of global energy-related carbon dioxide emissions from 1990 to 2020[5]

增加碳吸收同樣與天然氣行業(yè)緊密相關(guān)。碳吸收包括自然碳吸收和人為碳吸收，前者主要指碳匯，植物通過光合作用固碳；后者主要是通過碳捕集、碳利用和碳封存（CCUS）技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)固碳。具體而言，在天然氣開發(fā)過程中，利用二氧化碳強(qiáng)化常規(guī)天然氣、頁巖氣及煤層氣等資源開采，包括二氧化碳?jí)毫押万?qū)替，提高采收率的同時(shí)完成二氧化碳的長期有效封存。此外，利用二氧化碳和含雜質(zhì)工業(yè)附產(chǎn)氫氣以枯竭油氣藏等天然地質(zhì)環(huán)境作為大型生化反應(yīng)器制取人造甲烷，并大規(guī)模儲(chǔ)存于地下空間，實(shí)現(xiàn)碳資源的循環(huán)利用和天然氣合成與儲(chǔ)存。CCUS結(jié)合天然氣儲(chǔ)氣庫及管網(wǎng)，是推動(dòng)化石能源清潔化利用的關(guān)鍵配套技術(shù)，將在可再生能源發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

中國計(jì)劃30年完成從碳達(dá)峰到全面碳中和面臨著巨大挑戰(zhàn)，作者認(rèn)為當(dāng)前中國碳中和之路應(yīng)推動(dòng)能源發(fā)展多元化，逐步減少燃煤比例，大幅提高天然氣等低碳能源和可再生能源的比重，最后建立以天然氣、可再生能源、氫能等為主體的可持續(xù)能源體系。

2 中國天然氣發(fā)展前景

2.1 國內(nèi)外主要機(jī)構(gòu)研判

2020年，中國天然氣消費(fèi)量約3 240×108m3，較上年增加約130×108m3，占一次能源消費(fèi)總量的8.7%，相比于同期美國32.2%、日本20.8%、德國24.2%[9]，天然氣在中國能源消費(fèi)市場占比仍然較低。

在碳中和背景下，天然氣在中國能源市場中的中長期發(fā)展趨勢和前景更加值得關(guān)注。本文總結(jié)了國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)和學(xué)者針對(duì)不同發(fā)展情景對(duì)中國天然氣中長期消費(fèi)量的預(yù)測，詳見表1[1–3,10–14]。預(yù)測結(jié)果大體分為兩類：碳中和目標(biāo)年前達(dá)到峰值，隨后下降；碳中和目標(biāo)年前一直保持增長。包括國際能源署、BP、清華大學(xué)等機(jī)構(gòu)預(yù)測中國天然氣消費(fèi)量將在2030年至2040年間達(dá)到峰值，預(yù)計(jì)峰值水平在5 110×108～7 500×108m3之間，相較目前有大幅度增長，最大消費(fèi)量出現(xiàn)在清華大學(xué)《中國長期低碳發(fā)展與轉(zhuǎn)型路徑研究》[13]報(bào)告2.0 ℃情景中。2050年至2060年，多數(shù)情境中，天然氣消費(fèi)量在5 000×108m3左右。而中國石油及中國石油大學(xué)（北京）相關(guān)報(bào)告和研究顯示，多種情景下中國碳達(dá)峰后天然氣消費(fèi)量仍將增長。在中國石油《2050年世界與中國能源展望》[12]參考情境中，2050年中國天然氣消費(fèi)量達(dá)到6 700×108m3左右，氫能社會(huì)和碳中和情景下天然氣消費(fèi)量分別為5 900×108m3和5 500×108m3；中國石油大學(xué)（北京）李孥等[3]的研究顯示，在其所設(shè)定的情景A（煤炭與石油消費(fèi)量為0）的極端條件下，2060年天然氣消費(fèi)量為14 000×108m3，為所有預(yù)測中的最大值。各機(jī)構(gòu)預(yù)測的天然氣消費(fèi)量存在較大差距，主要原因是情境選擇有所不同，部分情境從數(shù)據(jù)方面滿足碳排放及理論控溫需要，并未考慮到國家現(xiàn)實(shí)發(fā)展需要和實(shí)際能源系統(tǒng)安全運(yùn)行需要。此外，不同機(jī)構(gòu)所展望的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)有所不同，導(dǎo)致消費(fèi)量出現(xiàn)明顯差異?？傮w而言，天然氣的重要性和清潔性日益凸顯，在中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比例具有較大上升空間，發(fā)展?jié)摿捎^。

表1 部分機(jī)構(gòu)對(duì)中國天然氣消費(fèi)量預(yù)測Tab. 1 Forecast of natural gas consumption in China by some institutions

2.2 基于定基能源消費(fèi)彈性系數(shù)法的多情景預(yù)測

根據(jù)中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢，并參考國務(wù)院《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中：“十四五”時(shí)期嚴(yán)格合理控制煤炭消費(fèi)增長，“十五五”時(shí)期逐步減少，以及工信部燃油車禁售令的推行，本文預(yù)計(jì)煤炭和石油在2030—2040年消費(fèi)達(dá)到峰值，考慮普通燃煤電廠和燃油汽車使用壽命，2060年前煤炭和石油在一次能源中仍占據(jù)一定比例，但總體使用量大幅度壓縮。燃?xì)獍l(fā)電將發(fā)展成為主要的調(diào)峰電源，因此，天然氣消費(fèi)仍存在較大上升空間。本文以此為理論依據(jù)，嘗試建立不同經(jīng)濟(jì)增長速度對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)情景、低速情景和高速情景。通過對(duì)比分析中國近年來能源消費(fèi)和經(jīng)濟(jì)增長的關(guān)系，根據(jù)量化預(yù)估和研究假設(shè)，采用定基能源消費(fèi)彈性系數(shù)法[15]對(duì)中國中長期一次能源消費(fèi)總量進(jìn)行計(jì)算，并通過設(shè)定天然氣在未來一次能源消費(fèi)的占比，進(jìn)而對(duì)天然氣消費(fèi)量進(jìn)行預(yù)測分析。

能源消費(fèi)彈性系數(shù)是一定時(shí)期能源消費(fèi)增長率與同期國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）增長率的比值，通常反映了能源消費(fèi)與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系。傳統(tǒng)的非定基能源消費(fèi)彈性系數(shù)數(shù)據(jù)獲取方便，計(jì)算簡單，如圖2所示，中國的能源消費(fèi)增速與經(jīng)濟(jì)增速匹配性較差，導(dǎo)致非定基能源消費(fèi)彈性系數(shù)波動(dòng)幅度較大，規(guī)律模糊（圖3），不利于定量分析。本文采用定基能源消費(fèi)彈性系數(shù)，即采用累計(jì)增速計(jì)算能源消費(fèi)彈性系數(shù)，其計(jì)算公式如下：

式中，et為定基能源消費(fèi)彈性系數(shù)，E0和G0分別為基年的能源消費(fèi)量和GDP，Et和Gt分別為第t年的能源消費(fèi)量和GDP。本次研究以1978年為基期，標(biāo)煤熱值7 000 kcal/kg，天然氣熱值8 500 kcal/m3。

中國定基能源消費(fèi)彈性系數(shù)整體較為平穩(wěn)（圖3），1979年以來呈現(xiàn)緩慢上升態(tài)勢。1998年中國GDP與能源消費(fèi)增速達(dá)到同期最低值（圖2），致使定基能源消費(fèi)彈性系數(shù)下降明顯。但隨著中國制造業(yè)迅猛發(fā)展，GDP增速與能源消費(fèi)增速顯著增長，能源消費(fèi)彈性系數(shù)也逐漸回升。與發(fā)達(dá)國家相比，中國因高煤炭占比的能源結(jié)構(gòu)，重工業(yè)和制造業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及高能耗的粗放型經(jīng)濟(jì)增長方式，導(dǎo)致能源消費(fèi)彈性系數(shù)顯著高于同期歐美發(fā)達(dá)國家，如圖3所示。歐美主要發(fā)達(dá)國家在過去幾十年內(nèi)經(jīng)濟(jì)增長速度普遍高于能源消費(fèi)增速，其中部分國家能源消費(fèi)出現(xiàn)負(fù)增長，定基能源消費(fèi)彈性系數(shù)下降為負(fù)值。2006年后，中國定基能源消費(fèi)彈性系數(shù)呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，并且“雙碳”目標(biāo)設(shè)立后，中國能源利用效率將不斷提高，單位GDP能耗持續(xù)下降，有理由相信該系數(shù)會(huì)繼續(xù)保持穩(wěn)定下降態(tài)勢。根據(jù)趨勢外推法，本文基準(zhǔn)情景下對(duì)2021年至2060年定基能源消費(fèi)彈性系數(shù)的預(yù)測如圖3所示，預(yù)測到2030年該系數(shù)下降為0.18，2060年該系數(shù)為0.08。

圖2 1979—2021年中國GDP和能源消費(fèi)增速Fig. 2 Growth rate of GDP and energy consumption in China from 1979 to 2021

圖3 各國定基能源彈性消費(fèi)系數(shù)Fig. 3 Fixed base energy consumption elasticity coefficient in various countries

此外，未來天然氣在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比提升已成為普遍共識(shí)，主流預(yù)測在10%～12%之間[16]，本文將天然氣消費(fèi)占一次能源消費(fèi)的比值假定為12%。

基準(zhǔn)情景中，各國及時(shí)擺脫新冠肺炎疫情困境，貿(mào)易恢復(fù)進(jìn)程加速，國內(nèi)國際雙循環(huán)持續(xù)發(fā)力。預(yù)計(jì)2021—2060年期間年均經(jīng)濟(jì)增速保持在3.5%左右，其中，前期2021—2030年間年均經(jīng)濟(jì)增長率為5.5%，后期2031—2060年降低為2.83%，但經(jīng)濟(jì)質(zhì)量更高，綠色低碳碳更加鮮明；預(yù)測2030年一次能源總消費(fèi)量從2020年的49.80×108t （噸標(biāo)準(zhǔn)煤）增長至60.78×108t，隨后增速放緩，2060年達(dá)到62.23×108t，見表2。以此計(jì)算得到2030年和2060年天然氣消費(fèi)量分別約為6 006×108m3和6 150×108m3。

表2 不同情境主要指標(biāo)及一次能源和天然氣消費(fèi)量預(yù)測Tab. 2 Main parameters in different scenarios and forecasts of primary energy and natural gas consumption

從表2可看出：低速情景中，全球受新冠肺炎疫情時(shí)間較長，國際關(guān)系持續(xù)緊張，貿(mào)易摩擦無明顯改善，中國經(jīng)濟(jì)更多依靠國內(nèi)大循環(huán)為主體，中國經(jīng)濟(jì)將保持平穩(wěn)增長。預(yù)計(jì)2021—2060年期間年均經(jīng)濟(jì)增速保持在2.5%左右，其中前10年經(jīng)濟(jì)年均增長率為4.5%，后30年經(jīng)濟(jì)增長率降低為1.83%；短期內(nèi)定基能源消費(fèi)彈性系數(shù)波動(dòng)較小，預(yù)測2030年仍為0.18，而受制于經(jīng)濟(jì)增速的放緩，預(yù)測2060年彈性系數(shù)為0.10，較基準(zhǔn)情景略有上升；綜合各項(xiàng)因素的影響，短期內(nèi)中國能源消費(fèi)總量穩(wěn)定增長，2030年一次能源總消費(fèi)量達(dá)到55.14×108t，隨后進(jìn)入平臺(tái)期，2060年下降至53.43×108t，2030年和2060年天然氣消費(fèi)量分別約為5 449×108m3和5 280×108m3。值得注意的是，相對(duì)較低的經(jīng)濟(jì)增速條件下，碳中和目標(biāo)年能源消費(fèi)總量和天然氣消費(fèi)量相較于碳達(dá)峰目標(biāo)年均有所下降。

高速情景中，世界各國得益于新冠疫苗的有效作用和國際關(guān)系穩(wěn)定向好，以及各項(xiàng)區(qū)域投資貿(mào)易保護(hù)協(xié)定，全球經(jīng)濟(jì)從疫情中加速恢復(fù)，而中國經(jīng)濟(jì)依靠以國內(nèi)大循環(huán)為主體、國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進(jìn)的發(fā)展格局高效驅(qū)動(dòng)，長期保持中高速增長。預(yù)計(jì)2021—2060年期間年均經(jīng)濟(jì)增速保持在4.5%左右，2021年到2030年年均經(jīng)濟(jì)增長率為5.5%，2030年以后年均經(jīng)濟(jì)增長率略微下降到4.16%；此情景下，2030年彈性系數(shù)為0.18，由于經(jīng)濟(jì)增長率較高，預(yù)計(jì)2060年彈性系數(shù)下降為0.06，略低于基準(zhǔn)情景；2030年一次能源總消費(fèi)量達(dá)到60.78×108t，2060年持續(xù)增長到68.20×108t，2030年和2060年天然氣消費(fèi)量分別約為6 006×108m3和6 740×108m3。

為保證模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次研究采用倒推法對(duì)天然氣消費(fèi)占比和消費(fèi)量進(jìn)行了核算?！禢ature》雜志最新研究成果顯示，2010—2016年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)年均吸收碳約11.1×108t[17]。第九次全國森林資源清查數(shù)據(jù)顯示中國森林全口徑碳匯為4.34×108t，折合15.91×108t 二氧化碳[18]，未來中國的陸地生態(tài)碳匯將維持在15×108t左右。此外，中國CCUS技術(shù)發(fā)展迅速，預(yù)計(jì)到2060年可實(shí)現(xiàn)的減排量為10×108～18×108t 二氧化碳[19]。因此，2060年中國陸地碳匯能力接近25×108～33×108t。以此為碳中和目標(biāo)年所允許的碳排放量，折算出可使用的化石能源量為9×108～12.5×108t （一噸標(biāo)煤估計(jì)排放二氧化碳為2.66～2.72 t），占所預(yù)測一次能源消費(fèi)總量的13%～24%。考慮到2060年主要的化石能源為天然氣，石油在交通運(yùn)輸中仍有少量使用，而煤炭將被其他方式加以利用，繼而證明天然氣占比12%有較強(qiáng)的合理性，預(yù)測天然氣消費(fèi)量達(dá)到5 280×108～6 740×108m3也有較好的準(zhǔn)確性。

多種情景預(yù)測結(jié)果存在差異，如圖4所示，經(jīng)濟(jì)增速放緩能源需求明顯下降，天然氣消費(fèi)量隨之減少。2030年天然氣消費(fèi)預(yù)計(jì)在5 449×108～6 000×108m3之間，中國實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)時(shí)天然氣仍具有5 280×108m3～6 740×108m3左右的消耗量。

圖4 不同情景下的天然氣預(yù)測消費(fèi)量Fig. 4 Forecast of natural gas consumption in different scenarios

總的說來，碳中和目標(biāo)導(dǎo)向下的化石能源消費(fèi)下降是能源發(fā)展的必然趨勢，能源結(jié)構(gòu)在由高碳化石能源為主向低碳和可再生能源為主的轉(zhuǎn)型過程中，天然氣作為清潔的化石能源，較之于煤炭與石油有著相對(duì)樂觀的發(fā)展前景。長期來看，即使碳中和目標(biāo)已達(dá)成，天然氣將成為可再生能源的有力支持，保障能源系統(tǒng)的穩(wěn)定供應(yīng)。上述討論提供了一個(gè)天然氣未來發(fā)展的參考情況，即煤炭與石油消費(fèi)占一次能源比例很低，在實(shí)現(xiàn)碳中和的基礎(chǔ)條件下，天然氣消費(fèi)將持續(xù)增長。

2.3 中國天然氣主要來源

2.3.1 常規(guī)天然氣、頁巖氣和煤層氣

2020年中國國內(nèi)生產(chǎn)天然氣1 888.5× 108m3（不含煤層氣），較2019年增長9.8%，其中頁巖氣產(chǎn)量約為200×108m3，較上年增加39.3%，占全年總產(chǎn)量比例達(dá)到10.6%[20]，成為天然氣產(chǎn)量主要增長點(diǎn)。近年來中國油氣勘探開發(fā)力度持續(xù)加大，天然氣新增儲(chǔ)量和產(chǎn)量均創(chuàng)歷史新高。2019年，全國新增天然氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量15 800×108m3，同比增加約6 000× 108m3。其中，常規(guī)天然氣和頁巖氣新增探明地質(zhì)儲(chǔ)量分別為8 091×108m3和7 644×108m3，新增技術(shù)可采儲(chǔ)量分別達(dá)到3 521×108m3和1 838×108m3。目前，中國常規(guī)天然氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量約為17.64×1012m3，頁巖氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量約為2×1012m3。頁巖氣主產(chǎn)區(qū)四川盆地等各地正加大開發(fā)力度，產(chǎn)量還將持續(xù)大幅提升，成為天然氣增產(chǎn)的主力軍。此外，中國煤層氣資源同樣豐富，2019年探明儲(chǔ)量約為3 040.7×108m3。2020年中國煤層氣產(chǎn)量為102.3×108m3，較上年增加13.5×108m3，增長15.2%[21]。保證天然氣的穩(wěn)定供應(yīng)，常規(guī)天然氣、頁巖氣及煤層氣都將發(fā)揮基礎(chǔ)性作用。

2.3.2 進(jìn)口管道氣和液化天然氣（LNG）

2020年中國進(jìn)口天然氣量達(dá)到10 166×104t（約1 400×108m3），其中，LNG進(jìn)口量為6 739.45×104t（約930×108m3），管道氣進(jìn)口量為3 453.11×104t（約480×108m3），總進(jìn)口量同比增長5.3%，其中，LNG進(jìn)口較2019年增加11.4%，管道氣進(jìn)口量下降4.9%[20–22]。中國已建成中亞、中緬和中俄天然氣管道，總設(shè)計(jì)年輸氣能力超過1 100×108m3，同時(shí)，截止2020年底中國共建成LNG接收站22座，年接收能力達(dá)到9 045×104t。目前，沿海LNG接收站在建的擴(kuò)容產(chǎn)能超過2 000×104t/a[20]，將在今明兩年陸續(xù)投運(yùn)?，F(xiàn)階段中國進(jìn)口管道氣主要來自中亞和俄羅斯，進(jìn)口LNG主要來源是澳大利亞和卡塔爾。2020年中國自美國的LNG進(jìn)口量大幅度增長，達(dá)到320.44 ×104t，而2019年從美國進(jìn)口LNG僅為27.6×104t[22–23]。2020年1月15日，隨著中美雙方簽署經(jīng)濟(jì)貿(mào)易協(xié)議，未來中國還將擴(kuò)大從美國進(jìn)口能源產(chǎn)品。2020年3月27日，中國和伊朗正式簽署為期25年的合作協(xié)議，加強(qiáng)兩國在經(jīng)貿(mào)、能源和安全領(lǐng)域的全方位合作，這代表中國天然氣進(jìn)口來源選擇更加多元化。

2.3.3 煤制合成天然氣（SNG）

煤炭作為中國的主體能源已久，主要用于發(fā)電和供熱等。隨著碳中和目標(biāo)的推進(jìn)，煤炭的使用量將逐步下降，預(yù)計(jì)到2060年，煤炭將完全退出發(fā)電行業(yè)，因此，急需拓展煤炭的使用途徑，推動(dòng)煤炭的清潔化利用。煤制氣作為一種合成天然氣，既可豐富煤炭的消納方式，也能在一定程度上緩解國內(nèi)天然氣供應(yīng)的緊張局面。尤其對(duì)于煤炭資源稟賦較好的省份，煤制氣是煤炭擺脫單一燃料屬性，實(shí)現(xiàn)煤炭高效清潔化利用的關(guān)鍵和重要發(fā)展方向。不同于油氣資源，中國的煤炭儲(chǔ)量充沛，資源量較大，已探明儲(chǔ)量約為10 000×108t，探明可采儲(chǔ)量為1 145×108t[24]。按目前1 t原料煤制產(chǎn)約300 m3天然氣的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，煤制氣產(chǎn)量可超過30 000×108m3。2019年全國煤制氣產(chǎn)量已達(dá)到36.8×108m3[22]，未來煤制氣產(chǎn)量存在巨大潛力，尤其是在富煤地區(qū)。

2.3.4 合成（人造）天然氣

利用“電轉(zhuǎn)氣+CCUS”實(shí)現(xiàn)人工合成天然氣，同時(shí)完成可再生能源的轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存。通過可再生電力電解水技術(shù)，制取綠色氫氣（H2）與氧氣（O2），氫氣可用于人工合成甲烷，氧氣用于富氧發(fā)電。與此同時(shí)，利用地下枯竭油氣藏等地下空間，注入工業(yè)副產(chǎn)品雜質(zhì)氫和二氧化碳，經(jīng)過微生物催化等方式制取生物甲烷，完成可再生能源大規(guī)模轉(zhuǎn)化為甲烷等清潔能源。該技術(shù)作為極具潛力的CCUS和儲(chǔ)能技術(shù)已在德國完成前期研究和室內(nèi)試驗(yàn)，目前已開展實(shí)地試驗(yàn)，應(yīng)用前景廣泛。

2.3.5 天然氣水合物

天然氣水合物又稱可燃冰，是一種在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結(jié)晶物質(zhì)，主要成分是甲烷和水分子，廣泛分布于深海或陸地永久凍土層中。研究表明，單位立方米的天然氣水合物分解可產(chǎn)生160倍體積的甲烷，其燃燒產(chǎn)物只有水和少量二氧化碳，是一種新型高熱值清潔能源。調(diào)查顯示，中國天然氣水合物主要分布在南海海域及青藏高原地區(qū)，遠(yuǎn)景資源量為12.15×1013m3，開發(fā)潛力巨大。2017年5月和2020年3月，中國已先后兩次在南海神狐海域成功對(duì)天然氣水合物進(jìn)行試驗(yàn)開采，其中第2輪試采累計(jì)產(chǎn)氣量超過86×104m3[25–26]。盡管天然氣水合物的開發(fā)處于初期階段且充滿挑戰(zhàn)，但其清潔、高能、分布廣、儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)為中國能源戰(zhàn)略提供了新的發(fā)展方向，是重要的能源技術(shù)儲(chǔ)備。

2.3.6 生物天然氣

生物天然氣是通過將生物質(zhì)厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物之一的沼氣凈化提純至天然氣級(jí)質(zhì)量制取而成，可用于發(fā)電，或直接作為建筑物供熱或工業(yè)鍋爐燃料用于供熱，還可用于熱電聯(lián)產(chǎn)。生物天然氣在中國鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)不僅能有效增加清潔能源的供應(yīng)，還能提供附屬價(jià)值（發(fā)酵過程產(chǎn)生有機(jī)肥料），具有很強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿?。生物天然氣也可依托現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)進(jìn)行輸運(yùn)，極大地提高了使用和運(yùn)輸便利性。根據(jù)國家發(fā)改委、國家能源局等部委指導(dǎo)意見，中國將加快促進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，預(yù)計(jì)到2025年，中國生物天然氣年產(chǎn)量將突破100×108m3，2030年超過200×108m3[27]。屆時(shí)，生物天然氣也將成為中國天然氣市場的有利補(bǔ)充。

2.4 中國天然氣主要使用場景

2.4.1 燃?xì)獍l(fā)電

隨著中國碳中和過程中電氣化的深入推進(jìn)及可再生能源發(fā)電占比大幅度提高，未來以風(fēng)光電為主的可再生電力將成為主體電源。但是，風(fēng)光發(fā)電的波動(dòng)性、間歇性等弊端易導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率失穩(wěn)等問題，對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。目前，德國可再生能源發(fā)電占比已超過50%，高比例的可再生能源裝機(jī)接入導(dǎo)致電網(wǎng)波動(dòng)加劇，德國電網(wǎng)已無法獨(dú)立完成調(diào)節(jié)任務(wù)，需借助周邊國家電力參與調(diào)峰，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定安全。由此可見，當(dāng)中國可再生能源發(fā)電規(guī)模達(dá)到一定程度后，要獨(dú)立實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)節(jié)需要更為充足的保障電源。

燃?xì)獍l(fā)電具有響應(yīng)迅速、運(yùn)行穩(wěn)定、部署靈活等優(yōu)勢，將成為重要的調(diào)節(jié)電源，肩負(fù)起電力系統(tǒng)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相及緊急事故黑啟動(dòng)任務(wù)。至2020年底，全國燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)9 751×104kW，占比僅4.4%[28]。2019年中國天然氣發(fā)電量為2 365×108kW·h，占比為3.2%，遠(yuǎn)低于同期美國和日本（38.6%和35.0%）等國家[9]。預(yù)計(jì)2060年，全國電力消耗量為15×1012～20×1012kW·h，僅按15×1012kW·h計(jì)算，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，調(diào)峰儲(chǔ)備電力占20%（3×1012kW·h），若由燃?xì)獍l(fā)電承擔(dān)，需要消耗5 010×108m3天然氣（熱效率60%）。由此可見，未來燃?xì)獍l(fā)電將成為天然氣消費(fèi)的主力軍。

2.4.2 工業(yè)用途

工業(yè)是能源消耗和碳排放的最主要領(lǐng)域，2019年，中國工業(yè)能源消費(fèi)占比超過60%，而工業(yè)碳排放占全年碳排放總量的比例達(dá)70%。煤炭是中國工業(yè)的主要燃料，尤其是在鋼鐵、建材、有色金屬等高耗能行業(yè)，因此，工業(yè)領(lǐng)域的碳減排需要大力推動(dòng)“以氣代煤”，減少高碳化石能源的燃燒，增加天然氣等清潔能源的使用。2019年中國工業(yè)用氣量達(dá)1 060×108m3，占比為34.8%[29]，但仍然偏低，不足以大幅度降低工業(yè)碳排放。因此，未來仍需提高天然氣的市場占有率，以及在高能耗制造業(yè)中的覆蓋率，積極推動(dòng)工業(yè)的清潔化發(fā)展。

3 天然氣與可再生能耦合發(fā)展

3.1 耦合發(fā)展基礎(chǔ)

據(jù)《新時(shí)代的中國能源發(fā)展》白皮書統(tǒng)計(jì)[30]，截至2019年底，中國天然氣、水電、核電、風(fēng)電等清潔能源消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量比重為23.4%，非化石能源占比達(dá)15.3%；中國可再生能源發(fā)電總裝機(jī)容量7.9×108kW，約占全球總量的30%，其中，水電、風(fēng)電、光電、生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量分別達(dá)3.56×108kW、2.10×108kW、2.04×108kW、2 369×104kW，均居世界首位。此外，中國地?zé)豳Y源同樣豐富，僅干熱巖資源總量初步評(píng)估折合約為856×1012t 標(biāo)準(zhǔn)煤[31]?？傮w而言，中國可再生能源資源儲(chǔ)量豐富，開發(fā)前景廣闊，部分可再生資源開發(fā)已取得顯著成績，但仍有巨大的挖掘潛力和利用空間。天然氣具有燃燒效率高，開發(fā)利用方式多樣，輸配儲(chǔ)用便利，所受外部限制較少等特點(diǎn)，使其可用于彌補(bǔ)可再生能源的劣勢，兩者也具備高質(zhì)量耦合發(fā)展和支撐能源綠色轉(zhuǎn)型的資源基礎(chǔ)和發(fā)展條件。在能源結(jié)構(gòu)低碳化的強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)下，天然氣可再生能源的協(xié)同發(fā)展將成為中國能源發(fā)展的重要方向之一。

3.2 耦合發(fā)展情景

耦合發(fā)展情景是指天然氣與光電、風(fēng)電、水電、氫能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉促Y源協(xié)同布局，通過能源利用技術(shù)和信息通信技術(shù)的共同創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)天然氣在生產(chǎn)開發(fā)、儲(chǔ)集輸配、消費(fèi)利用的上、中、下游等環(huán)節(jié)與可再生能源進(jìn)行靈活高效、因地制宜地相互嵌入，促進(jìn)多種能源優(yōu)勢互補(bǔ)的新型發(fā)展模式[4,32]。圖5為天然氣與可再生能源耦合式發(fā)展示意圖。

圖5 天然氣與可再生能源耦合發(fā)展示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the development of natural gas coupled renewable energy

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，5G、人工智能等信息技術(shù)將加速與能源行業(yè)的滲透和融合，天然氣與可再生能源深度耦合發(fā)展條件愈發(fā)成熟，能源系統(tǒng)運(yùn)行協(xié)調(diào)性和資源利用效率將大幅度提升。

3.2.1 上游生產(chǎn)

在天然氣開發(fā)過程中，可加強(qiáng)對(duì)新能源的利用，推動(dòng)傳統(tǒng)油氣生產(chǎn)方式向綠色能源生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。具體而言，采用更多電力鉆井和電驅(qū)壓裂技術(shù)，并可因地制宜地利用風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮茏鳛殡娏碓础Ｓ蜌馓镎緢鲞€可優(yōu)先使用風(fēng)電、光伏電、市電作為補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)能源綠色化。

在非常規(guī)天然氣開發(fā)過程中，引入CCUS技術(shù)，如圖5所示，加強(qiáng)二氧化碳強(qiáng)化開發(fā)頁巖氣技術(shù)的推廣運(yùn)用，提高致密氣藏開發(fā)效果的同時(shí)完成二氧化碳的封存、利用，實(shí)現(xiàn)零碳排放，甚至負(fù)碳排放。此外，甲烷本身就是重要的溫室氣體，其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)遠(yuǎn)高于二氧化碳，因此，需對(duì)天然氣開采過程中的甲烷排放進(jìn)行有效控制，保證天然氣行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

3.2.2 儲(chǔ)集運(yùn)輸

發(fā)展“電轉(zhuǎn)氣+天然氣管網(wǎng)”等相關(guān)技術(shù)。伴隨分布式能源的日益增長，能源輸送面臨的挑戰(zhàn)將與日俱增，與電力輸送相比，燃?xì)夤芫W(wǎng)輸送損耗更低。利用可再生能源制氫結(jié)合天然氣管網(wǎng)摻氫輸送的技術(shù)是解決氫能利用和運(yùn)輸?shù)挠行緩?，同時(shí)克服大規(guī)模風(fēng)光電消納問題。從2004年開始，全球范圍內(nèi)多國深入研究天然氣混氫相關(guān)應(yīng)用技術(shù)。2012年，德國建立了世界第一個(gè)“風(fēng)電制氫–天然氣管道摻氫輸運(yùn)”應(yīng)用示范項(xiàng)目，Uniper能源儲(chǔ)集公司在勃蘭登堡州Falkenhagen結(jié)合風(fēng)電和堿性電解技術(shù)制取氫氣，將制取的綠氫直接輸入天然氣管線，摻氫比例為10%。2018年，該公司在德國漢堡利用 PEM 電解（聚合物電解質(zhì)膜電解）技術(shù)將更高純度的氫氣輸送到天然氣管網(wǎng)中。2019年，德國薩克森–安哈爾特州在Schopsdorf啟動(dòng)了摻氫比例達(dá)到20%的天然氣管道運(yùn)輸項(xiàng)目[33]。中國天然氣基礎(chǔ)設(shè)施和輸配管網(wǎng)建設(shè)已較為完善，截至2019年，中國天然氣干線管道里程超過8.7×104km，輸氣能力超過3 500×108m3/a，隨著國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)組建運(yùn)營，管網(wǎng)建設(shè)和管理有望邁上新臺(tái)階，建議對(duì)部分現(xiàn)有的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施和管網(wǎng)進(jìn)行改造，以適應(yīng)摻氫天然氣的輸運(yùn)。

利用“電轉(zhuǎn)氣＋儲(chǔ)氣庫”實(shí)現(xiàn)可再生能源的轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存。電轉(zhuǎn)氣技術(shù)（如電解水制氫）作為重要的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)和儲(chǔ)能手段，可實(shí)現(xiàn)“儲(chǔ)存”風(fēng)能、太陽能的目的。同時(shí)，利用枯竭油氣藏、地下鹽穴等，將通過碳捕集技術(shù)收集的二氧化碳和可再生能源制取的氫氣經(jīng)過微生物催化等方式，實(shí)現(xiàn)二氧化碳加氫脫碳甲烷化，制取生物甲烷，完成可再生能源大規(guī)模轉(zhuǎn)化為甲烷等低碳清潔能源。除此之外，二氧化碳和氫氣還可用于制取甲醇，甲醇化學(xué)特性穩(wěn)定，運(yùn)輸方便，是一種清潔高效的優(yōu)質(zhì)燃料，也是重要的化工原料。

3.2.3 下游消費(fèi)

中國內(nèi)陸天然氣資源主要集中在西北、西南等中西部地區(qū)，隨著管道建設(shè)持續(xù)完善，天然氣將可靈活流通覆蓋中國主要能源消費(fèi)區(qū)域，因此，燃?xì)獍l(fā)電可部署在可再生能源分布比較集中和電網(wǎng)靈活性較差區(qū)域，推動(dòng)氣電與風(fēng)力、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等新能源發(fā)電融合發(fā)展。為三北地區(qū)的內(nèi)陸風(fēng)電光電、西南地區(qū)水電等提供充足的配套氣電調(diào)峰保障。并且，通過儲(chǔ)熱、電解水制氫等方式，應(yīng)對(duì)可再生能源的不確定性，減少棄風(fēng)棄光，提高可再生能源的利用效率。此外，分布式的燃?xì)怆娬究梢劳?G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)等通信技術(shù)，結(jié)合新型電網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天然氣與水、光、風(fēng)、生物、地?zé)岬瓤稍偕履茉炊嗄芑パa(bǔ)，并提供“冷、熱、電、氣”等多種能源服務(wù)；大力發(fā)展能源智能控制技術(shù)，利用數(shù)智能源網(wǎng)絡(luò)的信息交換和監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)和消費(fèi)平衡，做到按需供給，提高綜合能源利用效率。

4 結(jié) 論

1）“雙碳”目標(biāo)將深刻影響中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，但不同于煤炭和石油，天然氣由于相對(duì)清潔性和便利性仍具有較大的發(fā)展?jié)摿涂臻g，是能源體系中的重要組成部分。

2）通過多情景分析得出，到2030年，在低速情景和高速情景（同基準(zhǔn)情景）下，中國一次能源消費(fèi)總量分別為55.14×108t和60.78×108t，天然氣消費(fèi)量分別約為5 449×108m3和6 006×108m3。2060年，低速、基準(zhǔn)和高速3種情景下，一次能源消費(fèi)總量分別為53.43×108、62.23×108和68.20×108t，天然氣消費(fèi)量分別約為5 280×108、6 150×108和6 740×108m3，相較于當(dāng)前3 200×108m3水平，碳中和時(shí)期天然氣消費(fèi)量具有近一倍的增長空間。

3）建議在供給端擴(kuò)大常規(guī)天然氣生產(chǎn)的同時(shí)，加大頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)力度，同時(shí)，促進(jìn)天然氣水合物、人造天然氣和生物天然氣等產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，擴(kuò)大進(jìn)口LNG和管道氣貿(mào)易，提升中國天然氣的保障能力和技術(shù)儲(chǔ)備；燃?xì)獍l(fā)電將是未來天然氣的主要使用途徑，作為調(diào)節(jié)電源保障新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；在工業(yè)領(lǐng)域加大以氣代煤，提高天然氣在工業(yè)生產(chǎn)中的使用比例，促進(jìn)工業(yè)能源清潔化。

4）碳中和階段天然氣是可再生能源的有力補(bǔ)充，兩者應(yīng)相輔相成、協(xié)同發(fā)展。建議在天然氣行業(yè)中投入更多電力、電驅(qū)設(shè)備，大力發(fā)展二氧化碳，強(qiáng)化頁巖氣開采、CCUS等負(fù)排放技術(shù)；推進(jìn)天然氣管網(wǎng)和儲(chǔ)氣庫等基礎(chǔ)設(shè)施尤其是應(yīng)急調(diào)峰能力建設(shè)，實(shí)現(xiàn)電轉(zhuǎn)氣、儲(chǔ)氫、碳封存等技術(shù)的深度融合；結(jié)合新型電網(wǎng)，通過數(shù)字和智能技術(shù)改造管理和控制模式，實(shí)現(xiàn)天然氣儲(chǔ)集運(yùn)輸及消費(fèi)的智能化。