中國用了30多年的時間走過了發(fā)達國家100多年兩次工業(yè)革命的大部分歷程,但同時也付出了巨大的能源和環(huán)境代價。GDP占世界12%、人口占世界19.5%的中國耗費著世界一半的煤炭、50%的鋼鐵、60%的水泥,能源利用效率低于世界平均水平13個百分點之多,霧霾天氣和PM2.5超標已極為嚴重,世界20個重污染城市有16個在中國。近幾年中國碳排放年增量幾乎占了全世界的70%,面臨極大的能源轉(zhuǎn)型和碳減排壓力。
由于中國長期執(zhí)行“以煤為主,重油輕氣”的能源戰(zhàn)略,錯過了20世紀80年代世界終端用能燃料由煤和石油向潔凈而廉價的天然氣轉(zhuǎn)型的歷史機遇。實際上中國并不“缺油、少氣”,據(jù)國土資源部2014年最新數(shù)據(jù),我國油氣遠景資源量為1287億t、70萬億m3,可采油氣資源量分別為255億t、27萬億m3。油氣探明程度分別為35.7%、15.4%,油氣資源潛力巨大。折算為已探明可采資源量,石油為91億t,比美國多一倍,儲采比43.3,4倍于美國的10.9;天然氣為4.16萬億m3,儲采比38.9,3倍于美國的12.5。
中國只要改變思維定式,在大力發(fā)展非化石能源的同時,快速發(fā)展天然氣,就完全有可能用20年左右時間彌補上30年前向氣體燃料轉(zhuǎn)型的欠賬,與世界邁入“第三次工業(yè)革命”的歷史新時期同步前行。
當前中國加速發(fā)展天然氣除了消除霧霾、減排CO2,促進生態(tài)、綠色、低碳發(fā)展外,還有3大重任:
?、偻ㄟ^全面推廣能源利用效率70%以上的天然氣分布式冷熱電聯(lián)供,推動全國能源利用效率大幅度提高,降低一次能源總量增幅;
②發(fā)電配合電網(wǎng)調(diào)峰;
?、圩プv史新機遇,發(fā)展天然氣交通工具(NaturalGasVehicle,NGV),以天然氣替代汽、柴油燃料,滿足今后快速增長的交通運輸燃料增量需求,抑制石油對外依存度增幅過大過快。
1、進口LNG是國內(nèi)天然氣需求的重要補充,掌控國際貿(mào)易價格抓手
因?qū)χ袊S富的天然氣資源大規(guī)??碧介_發(fā)起步晚,國內(nèi)的天然氣產(chǎn)量在近十幾年內(nèi)還不能滿足快速增長的需求量,需要適當進口補充。按照生態(tài)、綠色、低碳發(fā)展進程“倒逼”估算,2020年中國天然氣需求量應在4500億m3/a左右,2030年將介于7000億~8000億m3/a之間。為了控制終端消費價格、快速開拓天然氣下游市場,中國天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體戰(zhàn)略必須以成本低廉的國產(chǎn)氣為主;作為補充的進口氣所占比例盡可能不超過30%。
地緣條件使中國的天然氣進口呈現(xiàn)“左右逢源”的有利格局。西、北、南三面都可借長輸管線從資源豐富的產(chǎn)氣國進口。按照已經(jīng)和即將簽訂的合同,到2020年進口土庫曼斯坦、緬甸、俄羅斯管輸氣將有可能達到1000億m3/a。東南沿海有每年接受幾千萬噸船運LNG的能力。從LNG出口國資源、出口趨勢和液化設施建設規(guī)劃看,到2020年將呈現(xiàn)買方市場,能夠滿足中國進口LNG 4000萬~5000萬t/a的需求(見表)。
以國產(chǎn)氣為主,且具有上述“左右逢源”地緣優(yōu)勢的中國能夠在相當程度上掌握進口天然氣或LNG的價格話語權。具有10~20個接收終端、幾百萬噸LNG儲存能力,并且開設了LNG期貨交易中心的世界第二大的中國LNG進口市場,對LNG或管輸氣的定價都將會有更大的影響。
2、LNG是現(xiàn)階段中國交通運輸能源低碳轉(zhuǎn)型的主力
氣候變化促使能源向低碳轉(zhuǎn)型,交通運輸能源最終必將走向“無碳化”。但是各個國家根據(jù)自己的國情所選擇的轉(zhuǎn)型途徑則各不相同:巴西80%的汽車燃料已是生物乙醇;美國玉米制乙醇已達1億t/a,而且與歐盟、日本同樣鼓勵發(fā)展混合動力車和混合動力+插電車(Plugin),遠期目標是氫燃料電池車。
2010年世界天然氣車總量已達1267.4萬輛,近10年增速為20.8%,其中巴基斯坦、伊朗、阿根廷、巴西、印度5國擁有量居前五位,占全球總數(shù)的80%,中國居第七位,目前已超過100萬輛。由于LNG燃料箱的儲存能力兩倍于壓縮天然氣(CNG),并且配合效率更高的Diesel發(fā)動機,近年來用于大客車、貨車及船舶的LNG比CNG發(fā)展更快。澳大利亞、加拿大等國也都開始發(fā)展LNGV。美國總統(tǒng)奧巴馬在2014年國情咨文中提到美國政府將投入1000億美元建設天然氣設施,包括LNG工廠、加注站等基礎設施。
美國交通耗能以小車為主,使用汽油與柴油的比例為2∶1。而中國長期以來交通燃料消耗一直是以大型卡車為主,使用汽油與柴油的比例為1∶2;只是在近兩年汽油消耗量增長才快于柴油。
LNG作為發(fā)動機燃料有很多優(yōu)點:單位熱值(比能量)最高、尾氣排放最少,CO2排放僅為同熱值汽柴油排放量的3/4,減排PM2.5的效果更佳;LNG價格比柴油低40%而且穩(wěn)定少波動。因此,LNGV應當作為中國交通運輸能源低碳轉(zhuǎn)型在近20年的主要過渡手段。從戰(zhàn)略層面講,發(fā)展LNGV是中國彌補由煤向石油的第二次能源轉(zhuǎn)型的不足,跨越多數(shù)國家石油作為占第一位的一次能源的歷史階段而直接向低碳轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略性舉措。
按照上述低碳“倒逼機制”估算,若2030年中國的總能耗能夠控制在50億tce/a(1tce=29.3GJ),交通運輸占16%,則2030年的交通運輸燃料低碳替代目標為44%;即3.5億tce/a。其中LNG、CNG為1.8億tce/a(1400億m3/a)占一半,電、生物質(zhì)和煤基燃料占另一半。其余56%是3.2億t/a汽柴煤油,比2010年多26%;相應的石油耗量約5.3億t/a,對外依存度低于60%。這對國家戰(zhàn)略安全有著重要的作用。
按2011年中國載貨汽車1179萬輛,單臺車年耗氣約3.5萬m3計算,從2015年開始通過新增車輛和報廢更新改用LNGV的方式每年增加10萬輛,并逐年遞增,到2020年累計可達200萬輛,耗用天然氣700億m3/a,為當時天然氣耗量的17%。在2009年已達10%(91億m3/a)的基礎上,經(jīng)過努力,這個目標應該是可以達到的。近兩年民間自發(fā)的LNGV年增速已達200%以上,正在新疆、內(nèi)蒙古、山西、海南等省(區(qū))的重型卡車、城際客車和公交車中推廣;長江、大運河LNG船舶,也已開始快速發(fā)展。
特定的歷史背景將使中國成為世界上最大的LNGV制造基地和運營市場。從上述估算可知,2020年LNGV的需求量有可能消耗進口LNG和國內(nèi)小型LNG廠產(chǎn)量的絕大部分。事實上,目前有許多液化天然氣工廠就是瞄準這個市場而建設的。不久的將來,中國以LNGV燃料供應為目標的LNG產(chǎn)業(yè)將與以下游市場晝夜調(diào)峰為目標的LNG產(chǎn)業(yè)融為一體,相輔相成,相得益彰,構成一個全世界最大、多貨源、多用戶的LNG產(chǎn)業(yè)鏈和市場。
3、小型LNG生產(chǎn)和罐裝車船運輸是中國天然氣產(chǎn)業(yè)鏈中游重要的組成部分
中國和美國是世界上最大的兩個天然氣消費國,但兩國中游市場格局完全不同:美國有40萬km的完善天然氣管網(wǎng),資源產(chǎn)地相對集中。而中國的現(xiàn)狀是:
?、俟芫W(wǎng)建設起步晚了30年,目前只有6萬km;
?、谔烊粴赓Y源地理分布較廣,小型資源較多;
③中國已逐漸形成世界上最大的、技術先進、成本低廉的小型LNG生產(chǎn)—罐箱運輸—衛(wèi)星氣化站供應鏈。
目前中國在建和投運的LNG工廠有數(shù)十座,據(jù)最新統(tǒng)計到2014年底產(chǎn)能將達1億t/a,衛(wèi)星氣化設施也有數(shù)百座。這是中國國情所促成的獨特情景,并已被證明是經(jīng)濟、有效、靈活、快速、能同時促進產(chǎn)業(yè)鏈上游及下游發(fā)展的手段。因此,斷言中國天然氣產(chǎn)業(yè)因管網(wǎng)比美國少而不能快速發(fā)展是極其錯誤的。LNG物流是中國天然氣中游市場的“第二條腿”。
現(xiàn)階段中國LNG的終端用戶主要有三類:未來用量最大的是LNGV和CNGV的加注站及儲備罐;其次是城市燃氣管網(wǎng)的調(diào)峰儲罐;以及作為城市管網(wǎng)拓展先鋒的小型衛(wèi)星氣化站—局域網(wǎng)或工業(yè)用戶。LNG物流周轉(zhuǎn)量到2020年有可能占到天然氣需求總量的30%左右;LNG罐箱運輸,特別是近年來異軍突起的LNG集裝箱多聯(lián)運輸,將成為沿海LNG接收站和LNG集裝箱物流的重要渠道。
LNG罐箱,特別是加裝方形框架的圓柱形LNG保冷集裝箱多聯(lián)運輸具有極大的靈活性,不像管網(wǎng)那樣需要大量的沉沒資金,對氣源和用戶氣量的變化都有很強的適應性,可以規(guī)避新開辟天然氣市場初期用量少、管道設施利用率低、折舊成本過高的風險。
LNG車船罐箱運輸是開拓天然氣下游管網(wǎng)新市場的“開路先鋒”。在LNGV市場充分發(fā)育,幾十萬座加注站遍地開花的情況下,LNG車船罐箱運輸更是加注站LNG供應鏈上最重要的一環(huán)。21世紀初中原綠能高科有限責任公司、新疆廣匯實業(yè)投資(集團)有限責任公司就把LNG從河南、新疆運到幾千千米外的廣東、福建等十多個地區(qū)。
北歐國家挪威的沿海LNG船舶運輸已有14年的歷史,建立了完善的標準規(guī)范體系。實踐表明其安全性高于LPG和油品的罐箱運輸,長途通過遠洋船和鐵路,短途吊裝到卡車上用公路運輸或內(nèi)河船上水運,已經(jīng)成為成本最低、最可靠的LNG物流運作模式。中鐵集裝箱總公司正在組織LNG集裝箱多聯(lián)運輸。
4、LNG是中國天然氣供需平衡、峰谷差調(diào)節(jié)的重要手段
在天然氣的6種下游用戶中,以天然氣為燃料、原料的過程工業(yè)及基荷發(fā)電用戶的用氣是連續(xù)而穩(wěn)定的,民用氣和商用氣消耗量則大部分晝多夜少,用于供暖的天然氣耗量則隨季節(jié)更迭而出現(xiàn)大幅度的變化。
天然氣季節(jié)調(diào)峰手段有3類:
?、俚叵聝鈳煺?0%,包括枯竭油氣田、含水層、鹽穴3種;
?、谟玫厣?.56MPa球罐或地下11MPa管束氣相儲存;
?、跮NG液相儲存。
有資料顯示,地下儲氣庫投資較LNG高,墊底氣量大,回收率僅有85%,而LNG儲存的回收率則可達98%。各國天然氣的來源和用戶構成不同,用量波動的規(guī)律、調(diào)峰的需求和手段也大不相同。
美國天然氣主要靠自產(chǎn),地下儲氣庫總?cè)萘?006年達到了2067億m3,2007年10月統(tǒng)計的有效工作氣量為1049億m3,其中枯竭油氣田儲氣庫占85%,含水層占9%,鹽穴儲氣庫占4%,另有LNG儲備占2%。按照美國天然氣消費量6529億m3/a計算,美國儲存的天然氣工作氣量約占消費量的16%,相當于59天的消費量。
地下儲氣庫因為壓力高,充氣操作和釋放操作需時間長,切換周期也長。因此多用于宏觀供需平衡或用戶季節(jié)性耗量變化的調(diào)節(jié),很難用于短時的晝夜調(diào)峰。美國地方配氣公司多用LNG滿足日尖峰用氣需求,LNG日調(diào)峰供應能力在東部地區(qū)達23%,在西部地區(qū)為10%。這和美國天然氣連續(xù)、穩(wěn)定用戶占一半以上,晝夜調(diào)峰壓力不大有關。
日本消費的天然氣幾乎全來自進口的LNG。2006年底日本有27個LNG接收站,總能力7044萬t/a。2008年日本消費天然氣約987億m3,進口LNG占93%。下游用戶約60%將天然氣用于用量穩(wěn)定的發(fā)電和工業(yè)燃料。20世紀80年代前日本主要用電制冷、天然氣和重油供暖。2000年起天然冷熱電聯(lián)供CCHP在日本迅速普及推廣,新建公共建筑物有一半采用天然氣CCHP。從圖兩條曲線的變化可以看出,僅用6年時間建設的天然氣CCHP系統(tǒng)不僅減少了冬夏耗氣量差,而且平衡了用電負荷,提高了供冷、暖的能效。
日本LNG儲罐容量達145.53億m3,可儲存2個月的用氣量,足夠應用于季節(jié)、月調(diào)峰和應急儲備。對于晝夜小時調(diào)峰則依靠在配氣站建設的數(shù)百個20萬m3規(guī)模的球形儲氣罐,足夠8500萬用戶1天的天然氣用量。可見,日本天然氣調(diào)峰策略和手段與美國是完全相反的。
中國城市燃氣的下游用戶波動和調(diào)峰需求與美國和日本都大不相同。我國第一個LNG深圳大鵬項目實際運行晝夜用量最大相差5~6倍。而天然氣主要用于供暖的北京市則冬夏氣耗量差8~10倍之多。中國首批LNG接收站曾配套建設天然氣發(fā)電廠,令其夜間發(fā)電來平衡用氣,但因違背電力調(diào)峰的經(jīng)濟規(guī)律而難以執(zhí)行。
2014年2月24日中電聯(lián)發(fā)布數(shù)據(jù)表明,2013年全國氣電裝機容量4668萬kW,占總裝機量的3.7%,發(fā)電1143億kWh,占全國總發(fā)電量的2.1%,年發(fā)電時數(shù)只有2449h。另據(jù)中國電機工程學會燃氣輪機專委會調(diào)查報告,我國幾乎所有的E級和F級燃氣天然氣發(fā)電機組都在晝開夜停用于調(diào)峰。這種現(xiàn)狀是中國目前天然氣價格和上網(wǎng)電價定價機制所決定的,未來天然氣發(fā)電機組也不可能用于基荷發(fā)電。
此外,按照天然氣利用政策,用作工業(yè)原料的天然氣數(shù)量日益減少。由于價格因素,使用天然氣替代穩(wěn)定的工業(yè)燃料煤的進程剛剛開始,而替代季節(jié)性供暖燃料用戶則在急劇增加。這是目前中國天然氣用量晝夜和季節(jié)性波動都極大的根本原因,短期很難扭轉(zhuǎn)。隨著全國管網(wǎng)天然氣用量的快速增加,調(diào)峰問題將日益突出。我國當前最緊迫的季節(jié)調(diào)峰問題須借鑒美國的經(jīng)驗,主要依靠建設地下儲氣庫解決,目前已有若干項目正在進行中。
其次,由于我國沿海LNG接收站數(shù)量多,按緯度南北分布廣泛,季節(jié)變化差異很大。因此在簽訂購氣照付不議合同時,普遍設立了第三方條款,即規(guī)定允許整船轉(zhuǎn)到第三方站點卸貨,這一措施將會對南北用氣余缺起到重要的調(diào)劑作用。如前文所述,中國LNGV將占下游用戶相當大比例,陸上LNG儲、輸設施和物流網(wǎng)絡將十分發(fā)達,可作為緊急調(diào)劑的備用手段。
此外,鑒于國際LNG現(xiàn)貨價格波動和中國LNG市場的季節(jié)性變化以及LNG期貨的推出,LNG的商業(yè)儲存量也將增加。這些也可用作包括季節(jié)性的緊急備用。中國城市天然氣用戶的晝夜調(diào)峰策略與日本不同,部分可借鑒美國的經(jīng)驗。主要途徑有:
①充分運用城市燃氣高壓管網(wǎng)容積,利用夜間升高壓力儲氣;
?、谠谌珖y(tǒng)一調(diào)度之下,夜間停運沿海接收站氣化部分設施,緩解主干管網(wǎng)夜間供過于求的矛盾;
?、郯ǔ鞘腥細夤?、LNGV供貨商、LNG儲備和期貨經(jīng)營商等多渠道投資建設能在高峰時段向管網(wǎng)供氣的天然氣液化和儲存設施;
?、苓\用經(jīng)濟手段,提高極端高峰時段調(diào)峰氣價、降低夜間用氣價格,鼓勵液化天然氣廠、CNG壓縮母站等用戶在夜間操作。這樣一來,LNG產(chǎn)業(yè)在天然氣調(diào)峰領域?qū)⑵鸬街匾淖饔谩?br /> 必須特別指出的是,借鑒美國和日本普遍推廣天然氣分布式冷熱電聯(lián)供DES/CCHP設施的成功經(jīng)驗,因為能效提高到70%~80%,可大幅度減少天然氣消耗量,并縮小晝夜和季節(jié)性耗量差,降低調(diào)峰負荷。美國能源部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,天然氣CCHP主要用于連續(xù)穩(wěn)定運行的過程工業(yè)和大型社區(qū)。
5、LNG 冷能利用價值鏈的巨大潛力、對策與前景
由天然氣液化生產(chǎn)LNG耗電約為850kWh/t。當LNG在常壓下氣化時,約放出230kWh/t從-162℃到5℃的冷量。實際操作中,LNG需要用泵提高壓力后氣化外送,部分冷能轉(zhuǎn)化為壓力能。在5.5MPa和8MPa下,LNG氣化釋放出的冷能分別減少到203kWh/t和190kWh/t。
LNG冷能利用早已在日本和我國臺灣省等LNG市場開展,主要利用途徑有:
?、倮淠苡糜诳諝夥蛛x制液氧或液氮;
②分離LNG和附近油氣田伴生氣中的輕烴;
?、蹚U舊橡膠輪胎低溫粉碎;
?、芙柚h(huán)冷媒膨脹發(fā)電、梯級利用冷能;
?、萦糜谥圃旃虘B(tài)CO2(干冰)、冷庫、制冰、低溫儲糧,乃至建筑物空調(diào)等。
不過迄今為止,日本和我國的接收站最多也只利用了不到20%的LNG冷能,大部分還是采用海水開架氣化器ORV或加熱爐SCV氣化,白白丟棄。此外,小型LNG衛(wèi)星氣化站因氣化壓力低、消耗LNG壓火用少,可利用的冷能多,有利于采用直接膨脹發(fā)電與冷能集成、梯級利用。
中國到2020年將有規(guī)模為0.8億~1.0億t/a的LNG產(chǎn)業(yè),可用的冷能量甚大。在嚴峻的能源形勢下這筆資源應當被充分利用。
未來中國LNG產(chǎn)業(yè)鏈和冷能利用條件與日本和我國臺灣完全不同,主要是:
?、俳邮照九浜咸烊粴夤芫W(wǎng)調(diào)峰迫使夜間停止LNG氣化,使冷能輸出呈間斷模式,而上述各種冷能用戶,特別是最大潛在用戶LNG冷能空分,都要求連續(xù)穩(wěn)定的冷能供應,這就增加了冷能利用的難度;
?、谟糜诔鞘腥細庹{(diào)峰和衛(wèi)星氣化站的LNG冷能既間斷,又是小規(guī)模;
③中國具有極為廣闊的LNG冷能空分產(chǎn)品下游市場。
這些特定國情要求中國LNG冷能利用走出一條獨立自主的創(chuàng)新之路,概括起來有以下幾項:
1)開發(fā)新型低溫混合冷媒和換冷、儲冷成套設施,替代ORV和SCV。盡可能使全部LNG氣化冷能都通過氣化換熱儲存于冷媒中,ORV和SCV僅做備用和平衡、補充。夜間停止氣化操作時以冷媒替代LNG維持空分裝置連續(xù)穩(wěn)定運行,并可用于揮發(fā)氣BOG的再液化,節(jié)省電力。
2)空分產(chǎn)品的氣態(tài)氧用于200km距離內(nèi)沿海石化企業(yè)煤氣化多聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、供熱和制氫。液態(tài)氮用于以下用途:
①200km內(nèi)油氣田壓裂和驅(qū)油,提高采收率;
?、诠嘧⑵垦b車用燃料,在高壓下氣化膨脹做功,此項技術已經(jīng)發(fā)明,不久將規(guī)?;瘧?
?、蹚U輪胎超低溫粉碎制精細膠粉;
?、艹蜏乩鋷斓睦湓?。
3)C2+含量在10%以上的“濕”LNG,用氣化冷能分離出C2+輕烴用作化工原料,余冷梯級利用。
4)LNG衛(wèi)星氣化站的冷能可通過發(fā)電與逐級利用系統(tǒng),用于干冰、冷庫、制冰、建筑物空調(diào)。
5)以LNG為燃料的車船氣化的冷能,用于車(船)載冷藏罐箱保冷,以及車(船)客艙空調(diào)。
中國正在進入依靠自主創(chuàng)新推動經(jīng)濟社會發(fā)展的時代。上述幾項冷能利用技術對化工和暖通專業(yè)都是成熟技術,只需通過集成創(chuàng)新移植到LNG產(chǎn)業(yè)中來,做好頂層設計和規(guī)劃,技術的突破和推廣都不難。
6、LNG帶動一大批新型低碳產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
按照預計的天然氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模,可以預測未來10~20年將要規(guī)劃建設的一系列發(fā)展前景:
LNG接收站、液化天然氣廠,LNG專用運輸罐箱、集裝箱、船舶,LNGV制造業(yè)的成百萬臺發(fā)動機、燃料箱、車船、加注站;
包括LNGV供應鏈在內(nèi)的LNG儲運物流產(chǎn)業(yè)所需的大量維修、運營和管理從業(yè)人員;包括副產(chǎn)液態(tài)氮氣下游產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的LNG氣化過程冷能利用產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)劃、建設、裝備制造和運營;
LNG國際、國內(nèi)貿(mào)易,期貨市場開拓等。
以上各項將在中國向低碳轉(zhuǎn)型和第三次工業(yè)革命歷史進程中形成一個嶄新的低碳產(chǎn)業(yè)鏈群。它將創(chuàng)造每年數(shù)萬億元的產(chǎn)值,為數(shù)百萬人提供就業(yè)機會;相關的制造業(yè)將為中國國際貿(mào)易創(chuàng)造出一個新的高端出口品種;LNGV的推廣、液氮交通運輸工具的發(fā)展,將替代上億噸石油進口量,每年減少10%以上的PM2.5和其他污染排放量,減排數(shù)億噸的二氧化碳排放量;帶動空分、冷鏈物流產(chǎn)業(yè),節(jié)約數(shù)百億千瓦時的電力。
當前,LNG產(chǎn)業(yè)改革和發(fā)展面臨著極好的機遇,以新能源和互聯(lián)網(wǎng)為基礎的“第三次工業(yè)革命”所推動的新的生產(chǎn)關系,已在處于“第二次工業(yè)革命”后期的發(fā)達國家萌芽。正在經(jīng)濟轉(zhuǎn)型,綠色、生態(tài)、低碳科學發(fā)展的中國,為一個舉世空前規(guī)模的LNG產(chǎn)業(yè)提供了無限的商機,中國LNG產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的壯麗前景即將展現(xiàn)。