基于能流圖和碳流圖的我國能源結構轉型分析及展望

孫文文何國慶

(中國電力科學研究院有限公司,北京市 海淀區(qū) 100192)

0 引言

為應對氣候變化威脅,把全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在2℃之內,并為把升溫控制在1.5℃之內而努力,2015 年全球各國達成《巴黎協(xié)定》,開啟了全球應對氣候變化的新征程[1-2]。

2020年9月22日,國家主席習近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上宣布:中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和[3]。同年12月12日在氣候雄心峰會上進一步宣布:到2030年,中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右,風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12×108kW 以上[4],在此背景下我國將會加速推動能源產業(yè)結構轉型和結構調整,加快構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[5-8]。

為實現(xiàn)“3060”雙碳目標,關鍵是要厘清當前我國能源供給結構及碳排放家底,在能源供給方面,厘清當前我國能源供給結構及化石能源占一次能源消費比重;在能源碳排放方面,厘清我國年碳排放量、碳排放主要來源部門及終端各部門對碳排放的貢獻量。

國內部分學者針對上述2個方面已開展了相應研究,文獻[9]研究了2017年我國主要能源供應、加工轉換和消費情況,并繪制了2017年中國能流圖,對我國能源消費和碳排放提出政策參考建議。文獻[10-11]分別針對2015、2016年我國的能源消費結構和碳排放開展了研究,分析了國際形勢、國內相關政策等因素對我國能源消費和碳排放的影響。

本文根據最新的《中國能源統(tǒng)計年鑒2019》[12]繪制了2018年中國能流圖和碳流圖,詳細分析了2018年中國能源供給和消費結構,以及碳排放概況,最后從能源供給、終端消費和中間加工轉化3個方面對我國能源轉型進行展望。

1 基礎方法和數據

1.1 ?；鶊D

桑基圖(Sankey Diagram)又稱?；芰糠至鲌D或?；芰科胶鈭D,是一種表現(xiàn)數據間包含和權重關系流向的特定類型流程圖[13-14]。桑基圖具有以下幾個特點。

(1) 桑基圖遵循能量守恒定律,即起始流量和結束流量相同,無論數據怎樣流動,數據的總量從開始到結束都不能有任何的變化,不能在中間過程創(chuàng)造數據,損耗數據應該流向表示損耗的支點。

(2) 所有主支寬度的總和與所有分支寬度總和相等,保持能量的平衡;線條的寬度成比例地顯示此分支占有的流量,線條的顏色代表不同的分支種類。

(3) 常見的布局形式有左右流向布局和上下流向布局,通過線條流動的位置和歸屬,來表現(xiàn)各類數據之間的包含與被包含關系。

1.2 碳排放核算

碳排放是關于溫室氣體排放的一個總稱[15],而溫室氣體中最主要的組成部分就是二氧化碳,因此我們常說的碳排放可以理解為二氧化碳排放。二氧化碳排放量的計算方法參考《2006年IPCC 國家溫室氣體清單指南》[16],不同燃料品種、不同部門的二氧化碳排放量計算式為

式中:Eij為第i部門第j種燃料的二氧化碳排放量,t;Aij為第i部門第j種燃料的消耗實物量,t或m3;Nj為第j種燃料的平均低位熱值,kJ/kg 或kJ/m3;Cj為第j種燃料的單位熱值含碳量,kg/GJ;Oj為第j種燃料的碳氧化率;λ為碳轉化為二氧化碳的系數。

能源對外依存度計算式為

式中:θED為能源對外依存度;ENI為能源凈進口量,t或m3;EC為能源消費量,t或m3。

1.3 能流圖和碳流圖繪制邊界條件

在繪制2018年中國能流圖和碳流圖時,為了使圖形不過于復雜且能真實反映能源流動和碳排放情況,繪制圖形時做了如下簡化。

(1) 根據文獻[17],在繪制能流圖時對產業(yè)進行了劃分,農、林、牧、漁業(yè)屬于第一產業(yè);工業(yè)和建筑業(yè)屬于第二產業(yè);交通運輸、倉儲和郵政業(yè)、批發(fā)、零售業(yè)和住宿、餐營業(yè)以及其他屬于第三產業(yè);生活消費獨立于3個產業(yè)之外,包括城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村能源消費。

(2) 對不同燃料品種進行了合并,如原煤和煤炭制品統(tǒng)稱為煤炭、原油及其石油制品統(tǒng)稱為石油、天然氣和液化天然氣統(tǒng)稱為天然氣。

(3) 損失量包括2部分:一是能源在經營管理和生產、輸送、分配、儲存等過程中發(fā)生的損失以及由于自然災害等客觀原因造成的損失量;二是在能源加工、轉換過程中投入能源和產出能源之間的損失量。此外,由于各種能源資源與消費進行平衡時會產生差額,我們將這部分能源差額稱之為平衡差額,造成平衡差額的主要原因應是統(tǒng)計誤差和在途能源的年初年末的差額。

(4) 二氧化碳是在化石能源的燃燒過程中產生的,因此在碳流圖繪制時參考文獻[7]的計算方法,即在計算碳排放時只考慮煤炭、石油和天然氣在用于火力發(fā)電、供熱以及終端能源消費時產生的碳排放,不考慮化石能源用于原材料、其他加工轉化環(huán)節(jié)的碳排放。

2 2018 年我國能流圖繪制及結果分析

2.1 總體情況

基于《中國能源統(tǒng)計年鑒2019》繪制了2018年中國能源流動圖,如圖1所示,本文中能源總量均以標準煤計量。2018 年我國一次能源生產總量為34.23×108t,較2017年增長5.1%。其中,原煤、原油、天然氣和一次電力及其他能源分別占一次能源生產總量的76.6%、7.9%、6.0%和9.5%,2015—2018年能源占比統(tǒng)計情況如圖2所示。

圖1 2018年中國能流圖Fig.1 Energy flow chart of China in 2018

圖2 2015—2018年能源占比統(tǒng)計情況Fig.2 Statistics of energy share from 2015 to 2018

我國一次能源生產總量中原煤占比由2015年78.2%下降到2018年76.6%,降低1.6%,相比于其他能源,煤炭在我國能源生產結構中仍占據主導地位。2018 年原油生產量占比為7.9%,相比于2015年下降1.3%,原油生產量逐年下降,表明對外依存度逐年上升。此外,一次電力(指核電、水電、風電以及太陽能發(fā)電所發(fā)出的電力)及其他能源在我國能源結構供給中的比重進一步增大,這和我國實施的能源供給側清潔化轉型相關,即大力發(fā)展風電、光伏等可再生能源,可再生能源在能源供應結構中比重增加。總體來看,受我國能源資源“富煤缺油少氣”等多重因素的影響,我國能源供給還是以化石能源為主,因此,要優(yōu)化調整能源供給結構,加快可再生能源對常規(guī)化石能源的替代,構建清潔低碳的能源供應體系。

2018年我國能源消費總量43.56×108t,終端能源消費量34.07×108t,其中,第一產業(yè)、第二產業(yè)、第三產業(yè)和生活消費量分別為1.93×108、66.6×108、18.93×108和12.53×108t。第二產業(yè)占能源消費比重66.6%,占終端總能源消費的2/3,工業(yè)部門在我國能源消費中仍占據絕對比重,并沒有明顯的下降趨勢,這是由于我國目前還處在工業(yè)化進程中,經濟發(fā)展較快,經濟結構仍然以“重”為主,尤其是工業(yè)部門內的重化工傾向較為明顯。第三產業(yè)和生活消費能源比重穩(wěn)中有增?？傮w來看,我國經濟結構調整取得了一定進展,但與發(fā)達國家相比,我國經濟結構仍以第二產業(yè)為主。因此,我國應繼續(xù)深化經濟結構,轉變高耗能行業(yè)的發(fā)展方式以調控我國能源消費總量。2015—2018年各行業(yè)終端能源消費占比情況如圖3所示。

圖3 2015—2018年不同終端消費部門能源消費占比Fig.3 Share of energy consumption by different terminal consumption sectors from 2015 to 2018

2018年我國能源進口量10.902×108t(包括境內飛機和輪船在境外的加油量),出口量1.160×108t(包括境外飛機和輪船在境內的加油量),凈進口量9.742×108t,能源對外依存度逐年增加,由2015年的16.82%增長到2018年的22.37%,年均增長1～2個百分點,我國能源安全風險進一步增大,但目前能源對外依存度仍然在合理的區(qū)間內。2015—2018年能源凈進口量和對外依存度統(tǒng)計情況如圖4所示。

圖4 2015—2018年能源凈進口量和對外依存度Fig.4 Net energy imports and external dependence from 2015 to 2018

2018年我國能源加工轉換總投入40.64×108t,如圖5所示。其中,火力發(fā)電、供熱、煉焦和煉油分別投入15.26×108、2.43×108、5.42×108和10.75×108t。在能源加工轉換環(huán)節(jié),用于火力發(fā)電的能源消費量占比較大,達到38%。能源加工轉換總產出29.56×108t,其中,火力發(fā)電、供熱、煉焦和煉油產出分別為6.26×108、1.79×108、5.01×108和10.24×108t。

圖5 2015—2018年能源加工投入、產出量和轉換效率Fig.5 Energy processing input,output and conversion efficiency from 2015 to 2018

2018年能源加工轉化總效率為72.74%,同比下降0.86個百分點,火力發(fā)電、供熱、煉焦和煉油轉化效率分別為41.04%、73.57%、92.38%和95.32%。此外,根據計算可知,若能源加工轉化效率提高1個百分點,則能源總投入減少1.4個百分點,相當于減少0.56×108t投入,能源節(jié)約效果顯著。因此,在能源結構優(yōu)化調整中,提升能源加工轉換效率是實現(xiàn)能源系統(tǒng)總體效率提高的一個重要方面。

2.2 煤炭

2018年我國煤炭可供消費量39.48×108t,其中,原煤生產量34.23×108t,同比增長4.9%;凈進口量2.77×108t,同比增長5.4%;煤炭對外依存度7.02%,同比增長3.2%。總體來看,我國煤炭可供量充足,對外依存度逐年提高,但增加幅度有限,依舊在合理范圍之內。2015—2018年煤炭生產量、凈進口量和對外依存度如圖6所示。

圖6 2015—2018年煤炭生產量、凈進口量和對外依存度Fig.6 Coal production,net import and external dependence from 2015 to 2018

2018年我國煤炭總消費39.75×108t,同比增長4.1%。其中:第一產業(yè)消費0.24×108t;第二產業(yè)消費38.13×108t;第三產業(yè)消費0.6×108t;生活消費0.77×108t。煤炭消費量的增加主要表現(xiàn)在第二產業(yè)中工業(yè)用煤的增長。2015—2018 年終端各部門煤炭消費量如圖7所示。

圖7 2015—2018年終端各部門煤炭消費量Fig.7 Coal consumption of terminal sectors from 2015 to 2018

2.3 石油

2018年我國石油可供消費量6.37×108t,如圖8所示,同比增長8.4%。其中:原油生產量1.89×108t,同比下降1.1%;凈進口量4.65×108t,同比增長10.5%;石油對外依存度73.03%,同比增長2%?？傮w來看,我國石油產量低,自供能力不足,主要依賴于對外進口,對外依存度高,國家石油安全面臨較大風險挑戰(zhàn)。

圖8 2015—2018年石油生產量、凈進口量和對外依存度Fig.8 Petroleum production,net import and external dependence from 2015 to 2018

2018年我國石油總消費6.22×108t,如圖9所示,同比增長5.96%。其中:第一產業(yè)消費0.17×108t;第二產業(yè)消費2.64×108t;第三產業(yè)消費2.68×108t;生活消費0.73×108t。總體來看,我國石油主要用于第二產業(yè)和第三產業(yè),占比分別為42.41%和43.05%,而工業(yè)和交通運輸部門又是第二和第三產業(yè)中消耗石油最多的2個部門,2018年工業(yè)石油消費增速達到新高14.91%。

圖9 2015—2018年終端各部門石油消費量及增速Fig.9 Petroleum consumption and growth of terminal sectors from 2015 to 2018

2.4 天然氣

2018年我國天然氣可供消費量0.28×108m3,如圖10所示,同比增長13.2%。其中:天然氣生產量0.16×108m3,同比增長8.2%;天然氣凈進口量0.12×108m3,同比增長33.23%。總體來看,由于我國能源資源中天然氣短缺,供給能力不足,主要依賴于國外進口,2018年對外依存度達43.09%,此外,隨著我國能源低碳化的轉型,未來天然氣的需求會持續(xù)增長。

圖10 2015—2018年天然氣生產量、凈進口量和對外依存度Fig.10 Natural gas production,net import and external dependence from 2015 to 2018

2018年我國天然氣總消費0.28×108m3,如圖11所示,同比增長17.69%。其中:第一產業(yè)消費1.3×104m3;第二產業(yè)消費0.19×108m3;第三產業(yè)消費0.04×108m3;生活消費0.05×108m3。第二產業(yè)是天然氣的主要消耗部門,年均占比在60%以上。工業(yè)部門中尤以制造業(yè)和發(fā)電/供熱天然氣消耗多,兩者合計占比在90%左右,同時可以看出制造業(yè)天然氣消費逐年增加且增速持續(xù)上升,發(fā)電/工業(yè)部門天然氣消費增速呈下降趨勢。總體來看,我國天然氣消耗量逐年增長,年均增速持續(xù)升高,天然氣對外依存度進一步加劇。

圖11 2015—2018年終端各部門天然氣消費量及增速Fig.11 Natural gas consumption and growth rate of terminal sectors from 2015 to 2018

2.5 電力

2018年我國電力可供消費量7.151×1012kW·h,如圖12所示,同比增長10.32%。其中:火力發(fā)電5.096×1012kW·h,占比71.12%;水電1.232×1012kW·h,占比17.19%;核電0.294×1012kW·h,風電0.366×1012kW·h,占比5.11%。總體來看,火力發(fā)電仍然是我國第一大供電電源,未來一段時期內仍將占據主導地位。在我國經濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的前提下,電力供應仍將繼續(xù)增長,隨著能源低碳化的轉型,火力發(fā)電增速將會放緩,風電、光伏等清潔能源發(fā)電會有很大的發(fā)展空間。

圖12 2015—2018年各電源生產量及增速Fig.12 Production volume and growth rate of power supply from 2015 to 2018

2018年我國電力總消費7.151×1012kW·h,如圖13所示。其中:第一產業(yè)消費0.124×1012kW·h,占比1.74%;第二產業(yè)消費4.998×1012kW·h,占比69.9%;第三產業(yè)消費1.023×1012kW·h,占比14.3%;生活消費1.006×1012kW·h,占比14.06%?？偟膩砜?終端各部門用電量逐年增長,第一和第二產業(yè)增速較低,電能替代催生第三產業(yè)和生活消費用電量增速較快,未來會有更大的增長空間。

圖13 2015——2018年終端各部門電力消費量Fig.13 Electricity consumption of terminal sectors from 2015 to 2018

3 2018 年我國碳流圖繪制及結果分析

2018年我國碳排放總量99.12×108t,如圖14所示。其中,煤炭產生的碳排放78.69×108t,增長3.08%,石油碳排放14.83×108t,增長1.9%,天然氣碳排放5.60×108t,增長16.82%,煤炭、石油和天然氣占碳排放比重分別為79.39%、14.96%和5.65%,如圖15所示。總體來看,煤炭仍然是我國碳排放的主要來源,這是由我國的能源資源特性所決定的,短期內大幅度降低并不現(xiàn)實,但是可以發(fā)現(xiàn)煤炭在碳排放總量中的占比逐年下降,說明我國的能源供給側改革效果已初步顯現(xiàn),未來,隨著我國能源轉型的提速,化石能源產生碳排放量將會進一步降低。

圖14 2018年中國碳流圖Fig.14 Carbon flow chart of China in 2018

圖15 煤炭、石油和天然氣碳排放量以及煤炭碳排放量占比Fig.15 Carbon emissions from coal,oil and gas and the proportion of carbon emissions from coal

2018年我國火力發(fā)電、供熱、第一產業(yè)、第二產業(yè)、第三產業(yè)和生活消費碳排放量為39.86×108、6.38×108、1.05×108、36.87×108、10.22×108和4.76×108t,占比分別為40.21%、6.43%、1.06%、37.19%、10.31%和4.80%,如圖16所示。由此可知,二氧化碳排放主要來自火力發(fā)電和第二產業(yè),兩者合計占比達到77.4%。

圖16 終端各部門及加工轉換環(huán)節(jié)碳排放量Fig.16 Carbon emissions of terminal sectors and processing and conversion links

第二產業(yè)碳排放82.64%來源于煤炭,其中又以工業(yè)碳排放占大頭,未來要重點關注高耗能、高污染部門的節(jié)能減排,利用新技術、新工藝、新設備、新材料改造提升傳統(tǒng)產業(yè),提升工業(yè)整體技術水平,降低工業(yè)碳排放量。第三產業(yè)碳排放主要來源于石油,占比達79.26%,主要用于交通運輸行業(yè),因此,要繼續(xù)在交通運輸領域推廣電能替代技術,積極推動電動汽車和軌道交通發(fā)展,提高電氣化水平。

4 我國能源結構轉型展望

在“雙碳”目標背景下,我國將加快推進能源結構調整,提高可再生能源電力和電量消費占比,推動新型電力系統(tǒng)建設,構建清潔低碳、安全高效的能源體系,建議從以下3個方面發(fā)力,推動我國能源轉型。

(1) 能源供給方面。最大限度開發(fā)利用風電、光伏發(fā)電等清潔能源;嚴控煤電發(fā)展規(guī)模,同時加快實施煤電靈活性改造,優(yōu)化煤炭功能定位;因地制宜開發(fā)水電;在安全的前提下,積極有序發(fā)展核電,構建多元化的清潔能源供應體系。

(2) 能源消費方面。全面推進能源消費方式變革,推動終端用能清潔化、低碳化;壓控煤炭、石油消費增速,抑制不合理能源消費;大力實施“以電代煤”、“以電代油”,推動工業(yè)、交通和建筑等重點行業(yè)電能替代,提高電能在終端能源消費中的比重,形成以清潔能源為主的能源消費結構。

(3) 能源加工轉化方面。一是淘汰落后產能工藝、利用節(jié)能新工藝、新技術、新設備和新材料,促進產業(yè)結構升級;二是加強能效管理,制定科學的能效管理方案,建立能效評價體系,從而提高能源加工轉化效率。