本期更新笔者最近发表的一篇关于我国集中供暖低碳转型和燃煤热电联产机组文章，文章主要是说（1）集中供暖低碳转型进展缓慢、规划的既定目标未完成，新政策在发力但需要落地；（2）热电联产机组是煤电减排的“关键少数”，十四五、十五五时期新建多少热电联产对未来电网深度脱碳有长期显著影响，其锁定的碳排放规模大；（3）宜尽快因地制宜、一城一策，推进集中供暖低碳转型，减少对燃煤热电联产机组的依赖。详细介绍内容见下文，更学术的讨论欢迎大家阅读文章。欢迎大家批评、转发、引用！
集中供暖低碳转型进展缓慢，新政策需要落地
自2017年开始的北方清洁取暖政策对近几年冬天空气质量的提高起到了关键作用。但是从碳排放的角度看，清洁取暖政策没有改变中国集中供暖对化石能源的高度依赖。《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021 年）》实际上对不同种类的能源都有规划，其目标是2021年非化石能源（生物质、工业余热、核能、热泵、电热等）在城市集中供暖中占比达到27%，但是实际上2021年非化石能源只有10%左右，并没有完成清洁取暖规划协同减污降碳的设想。
图2｜自2020年以来中国新建的燃煤电厂。图中展示了2020年1月至2023年6月之间已建成、在建、获批或宣布的新燃煤电厂。截至2023年6月，研究统计约有7400万千瓦的新热电联产机组处于不同阶段：已投运（500万千瓦）、在建（2200万千瓦）、获批（1600万千瓦）或已宣布（3200万千瓦）。这些热电联产机组的建设动力（至少部分）是来自城市供暖需求的增长。图中没有统计最近被搁置、停用或取消的电厂项目，也排除了仅用于工业供热的热电联产机组。
自中国宣布碳中和目标以来，供暖政策的重点正在由突出关注空气污染和健康效应向协同减污降碳转变。自2021年以来，一系列新政策突出强调要清洁高效利用既有燃电联产机组、加快促进集中供暖低碳转型，包括《全国煤电机组改造升级实施方案》《“十四五”节能减排综合工作方案》《“十四五”现代能源体系规划》《“十四五”全球城市基础设施建设规划》以及今年新出台的《加快推动建筑领域节能降碳工作方案》等等。
热电联产机组是煤电减排的“关键少数”，近期新建热电联产对电网深度脱碳有长期显著影响
中国的气候承诺提出，2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，关于煤炭的近期目标是 “十四五”时期严控煤炭消费增长，“十五五”时期逐步减少。中国虽然在大规模新建燃煤发电机组（增加燃煤发电容量），但是从碳排放角度上看，真正重要的是燃煤发电量。
燃煤发电量等于燃煤发电容量乘以容量因子（即发电小时数）。从技术上看，如果中国持续加强燃煤机组灵活性，减少发电小时数，即使发电容量继续快速增长，也能够管住燃煤发电量。
但这个逻辑有一个例外，那就是燃煤热电联产机组。在供暖季，热电联产机组需要“以热定电”，因此成为不灵活的电力资源，给风电和光伏并网带来挑战，增加了弃风、弃光的风险（类似较早之前东北弃风率高的原理）。燃煤热电联产机组的这部分燃煤发电，没有什么低成本办法能躲得开。而这部分燃煤发电的量级并不小，在2020年，这部分占中国所有燃煤发电量的9%左右。
而新建燃煤热电联产机组将持续运行数十年，持续影响电网深度脱碳。中国2020年燃煤热电联产在城市集中供暖占比在55%左右，燃煤锅炉在20%左右，我们探索了三种2030年的情景：
高煤情景：2030年燃煤热电联产在城市集中供暖占比在80%左右，大量新建热电联产机组。
中煤情景：2030年燃煤热电联产在城市集中供暖占比在67%左右，大量新建热电联产机组，配合以高效低成本工业余热和核电供暖利用。
低煤情景：2030年燃煤热电联产在城市集中供暖占比在40%左右，不再新建热电联产机组，配合以工业余热、核电供暖和大规模热泵部署。
图3｜2020年至2060年高/中/低煤炭情景下锁定的燃煤发电量。假设热电联产机组的寿命为30年，热电比为1.5。新建机组假设寿命为30年。采用改进的热电联产技术或者实施提前退役措施可以相对小幅地减少热电联产电厂锁定的燃煤发电量。
我们的研究发现，因为热电联产是煤电机组的关键少数，所以十四五、十五五时期新建多少热电联产机组对未来电力深度脱碳有重要影响。设想在2030、2035年，中国多数燃煤电厂的利用小时数都在下降，总燃煤发电量不断减少，那么这部分燃煤热电联产机组的燃煤发电的占比就会从目前的9%大幅上升，可能到20%、30%甚至更多，这部分燃煤发电又不灵活，电力深度脱碳难度可能会显著增加。
我们测算，既有燃煤热电联产未来持续贡献的供暖有关的碳排放在100亿吨左右（即低煤情景的碳锁定效应规模，不考虑非取暖季的排放），而如果继续大规模新建燃煤热电联产机组，供暖有关的累积碳排放在高煤情景达到280亿吨，中煤情景在240亿吨。考虑到中国目前的新建燃煤热电联产机组进度，在十四五末期、十五五时期严控新燃煤热电联产项目上马的情景下，中国仍可以把燃煤热电联产机组的规模控制在中低情景之间，大幅减少未来的减排压力。
因地制宜、一城一策，加快集中供暖低碳转型
在十四五末期，如果类似之前的《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021 年）》制定新一轮的低碳清洁集中供暖中长期规划，从碳排放的角度，可以依据城市现有集中供暖资源，因地制宜、一城一策，加快工业余热、集中式空气源和地源热泵等低碳供暖技术利用，减少城市集中供暖对燃煤热电联产机组（特别是新建机组）的依赖，并着手规划中长期的低碳供暖方案。
各类城市的集中供暖资源不同，所以在十四五、十五五时期可以采取的转型策略也不同。我们发现，在中国绝大多数的集中供暖的地级市和县级市城区，主要策略应该是清洁高效利用既有燃煤热电联产机组。如果只考虑目前已有的基础设施，考虑到机组退役、电网碳减排压力、集中供暖需求增长，在2030年既有燃煤热电联产机组只能满足26%的集中供暖需求（如前所述，2020年占比是54%）。如果清洁高效利用既有燃煤热电联产机组资源（包括加装吸收式热泵、纯凝机组供热改造、长距离输热等），2030年可以满足近40%的集中供暖需求。
在工业城市，特别是河北、山东、辽宁地区，应该加快对钢铁低品位余热利用、核能供暖的技术推广。这一部分的利用成本相对燃煤取暖只有小幅增加。水泥行业的低品位余热因为错峰生产政策近期大规模利用还存在挑战。其他类型工业工厂一般余热量有限，如果不是在工业园紧密集中分布，只能供应近邻区域。
在东北为主的一些其他城市，则存在集中供暖资源不足的问题。如果在碳减排要求下既不大规模新建燃煤锅炉、也不大规模新建燃煤热电联产，则需要加快部署地源热泵和空气源热泵。在近期，生物质、城市污水、城市垃圾等能提供的供暖资源仍十分有限，只能满足个别小城市的供热需求。发展天然气也有持续依赖化石燃料的风险。因此，在新建建筑和建筑容积率低的建筑低密度区加速部署地源热泵、空气源热泵是集中供暖低碳转型中最经济、最环保的策略。
这些城市目前的冬季热需求大于电需求，加快供暖电气化在近期一方面促进热力碳排放大幅下降，另一方面也有利于促进热电比平衡，促进风光等新能源持续发展。
普林斯顿大学刘尚炜博士为论文第一作者，普林斯顿大学Denise L. Mauzerall教授为论文通讯作者，普林斯顿大学郭扬副研究员（现为新加坡国立大学校长青年教授）、国际应用系统分析研究所Fabian Wagner研究员、西安交通大学刘泓汛教授、美国马里兰大学崔宜筠教授为论文合作作者。关于普林斯顿大学Denise L. Mauzerall教授课题组部分近期中国能源转型相关的研究，请参见普林斯顿大学Denise L. Mauzerall课题组近年中国气候变化、空气污染、能源转型研究。
文章引用：Shangwei Liu, Yang Guo, Fabian Wagner, Hongxun Liu, Ryna Yiyun Cui, Denise L. Mauzerall. Diversifying heat sources in China’s urban district heating systems will reduce risk of carbon lock-in. Nature Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01560-4. 原文可通过左下“阅读原文”获取，如无下载权限也欢迎发邮件向我要pdf。欢迎大家批评、转发、引用！
