Nature Energy|中国城市区域供暖系统的热源多元化将降低碳锁定风险
论文信息：
Liu, S., Guo, Y., Wagner, F. et al. Diversifying heat sources in China’s urban district heating systems will reduce risk of carbon lock-in. Nat Energy 9, 1021–1031 (2024).
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41560-024-01560-4
自2017年以来，中国的清洁供暖政策显著改善了空气质量。然而，非化石能源在中国城市区域供暖系统中的比例仍然较低，且许多新的燃煤热电联产厂正在建设中。为了实现2030年碳排放峰值和2060年碳中和的目标，中国在区域供暖技术方面需要做出战略选择。研究发现，用新的改进型燃煤热电联产厂替代污染严重的燃煤技术，将导致显著的碳锁定，并阻碍相关燃煤发电机组的退役。扩大工业余热和空气源热泵/地源热泵的使用，可以避免新建热电联产设施的需求，并在2020年至2030年间将碳排放减少26%。研究结果表明，政府近期关于区域供暖脱碳的提案至关重要。
1、基础设施数据库构建：编制了中国北方地区约1000座燃煤电厂、170座钢铁厂、150座化工厂和两座核电厂的基础设施数据库，涵盖容量、技术、地理位置等详细信息，用于供热潜力分析。
图1 低煤情景下城市群和所需基础设施投资的地理地图
2、城市供热需求估算：通过基于2020年中国城市基础设施统计年鉴的数据，结合人口密度和人均供热需求，预测2030年中国北方地区300座城市的城市供热需求；使用容量因子、供热天数和热电比率等参数，估算燃煤电厂、钢铁厂、化工厂及核电厂的供热潜力，并分析了废热回收系统的供热潜力；根据城市的供热资源情况（如热电联产资源丰富、工业废热丰富或低碳资源丰富），将城市分为不同类别，并为每类城市设计相应的供热策略。
图2 2020年按来源划分的区域供热发电量、成本和排放量，以及2030年预测的三种情景
3、碳排放计算：基于不同供热技术的碳排放因子，计算了包括燃煤热电联产、天然气锅炉、废物焚烧和电网供热等供热方式的碳排放，利用国际能源署的数据估算未来电网电力碳强度。
4、供热系统优化算法：使用固定费用运输问题的优化算法，计算工业厂与城市之间的热力传输方案，优化热力管道布局，尽量降低供热成本。通过对能源转型指数与房地产泡沫指数进行固定效应回归分析，评估地级市能源转型对房地产市场泡沫的影响。
5、情景模拟和路径预测：基于电力部门不同的减碳情景（如商业惯例情景和加速减碳情景），模拟未来电力结构变化对供热系统的影响，预测不同政策下的供热转型路径。
1、低碳供热资源有限：在大多数城市中，低碳供热资源（如废物焚烧、污水和生物质能）仅能满足不到10%的供热需求，依赖现有煤电资源仍是主要供热方式。依靠空气源或地源热泵替代煤电供热，可实现高成本下供热系统的低碳化。
2、中碳情景下的工业废热利用：中煤情景通过利用工业废热供热，可部分降低对新建煤电设施的依赖，但仍需要新的供热资源补充供热需求。
3、高碳情景下的煤电锁定风险：如果在高煤情景下继续新建煤热电联产厂，则中国未来的碳排放将被大幅锁定，难以实现碳中和目标。
4、天然气供热作为过渡方案的潜力有限：天然气供热在未来可能作为一种短期过渡方案，但由于碳排放问题，其长期替代煤炭的潜力有限，应优先推广其他低碳技术。
5、现有供热系统的碳锁定效应：即使不再新建煤电设施，现有的煤热电联产厂仍将对未来几十年的碳排放产生显著的锁定效应，限制了供热系统的减碳空间。
6、供热技术与电网负荷的关系：随着电力供热技术的推广（如电力驱动的热泵），电网的负荷问题可能加剧，需协调电网建设和低碳供热技术的部署。
1、推进低碳供热技术：政府应加大对空气源热泵、地源热泵等低碳供热技术的投资和推广，减少对煤电、天然气供热的依赖。
2、优化现有煤电资源的利用：应最大化利用现有煤电设施和工业废热资源，通过升级技术和优化热电联产厂的供热效率，减少新建煤电设施的需求。
3、因地制宜发展供热系统：不同城市应根据其可获得的供热资源（如低碳资源、工业废热）采取差异化的供热发展策略，避免“一刀切”式的政策。
4、限制新建煤电设施：为实现碳中和目标，应限制高碳情景下新建煤热电联产设施，特别是在供热需求可以通过其他低碳方式满足的地区。
5、推动区域供热合作，提高供热系统的灵活性与弹性：政策应支持跨省市的热力传输合作，充分利用现有供热资源；增加供热系统的灵活性，解决供热系统与电网高峰负荷的矛盾。
责任编辑: 赵勋文
审核编辑: 沈一帆
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