2017年以來，中國的清潔供暖政策顯著改善了空氣質(zhì)量。然而，非化石能源在中國城市區(qū)域供熱系統(tǒng)中的份額仍然較低，且許多新的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠正在建設中。中國要在 2030 年達到碳達峰，并在 2060 年實現(xiàn)碳中和，就必須對區(qū)域供熱技術(shù)做出戰(zhàn)略性選擇。本研究發(fā)現(xiàn)，用新的和改進的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠取代污染煤炭技術(shù)將導致大量的碳鎖定，并阻礙相關(guān)燃煤發(fā)電機組的退役。擴大使用工業(yè)余熱和空氣/地源熱泵，可以避免新建熱電聯(lián)產(chǎn)項目，并從2020年到2030年減少26%的碳排放。研究結(jié)果表明，政府最近提出的區(qū)域供熱脫碳的建議非常重要。

研究基于《全球燃煤電廠追蹤》（2023年6月），《全球鋼廠追蹤》（2022年3月），最近的同行評審文獻、行業(yè)報告和中國城市基礎設施統(tǒng)計年鑒等數(shù)據(jù)來源編制了中國燃煤電廠、鋼鐵廠、化工廠、核電廠和城市集中供熱系統(tǒng)的基礎設施數(shù)據(jù)庫。基礎設施數(shù)據(jù)庫包含約 1,000 座燃煤電廠、約 170 座鋼鐵廠、約 150 座化工廠和兩座核電廠。該數(shù)據(jù)庫利用2020年中國城市基礎設施數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了中國北方15個省份約300個城市（包括地級市和縣級市城區(qū)）的位置、集中供熱能力和集中供熱需求。研究還從《中國城市基礎設施統(tǒng)計年鑒》中收集了2020年城市層面的城市固體廢物（MSW）量和廢水處理量數(shù)據(jù)。

使用各區(qū)域供熱技術(shù)的特定排放因子來計算碳排放量。燃燒供熱技術(shù)的二氧化碳排放因子來源于之前的研究（見原文補充注釋 3 以及補充表 4 和 5）。對于基于電網(wǎng)的電力技術(shù)，研究利用國際能源署（IEA）既定政策和可持續(xù)發(fā)展情景中的數(shù)據(jù)以及擬定的省級可再生能源組合目標來估算 2020 年和 2030 年基于電網(wǎng)的電力碳強度（見原文補充表 6）。

根據(jù)單位容量 （C）、容量系數(shù) (CF)、當?shù)毓┡鞌?shù) (HD) 和最大熱電比 (HtPR) 計算區(qū)域供熱潛力DHPP，如公式 (1)。

對于燃煤電廠，根據(jù)發(fā)電量和電力循環(huán)效率（η）使用公式（2）估算冷凝器中的可回收廢熱量（RWH）。冷凝器中包含的總能量輸入的百分比表示為α（見原文補充表9）。同時，本研究使用大型電熱泵技術(shù)的性能系數(shù) (COP) 估算區(qū)域供熱潛力，如公式 (3) 所示。

工廠（包括燃煤電廠、鋼鐵廠、化工廠、核電站）產(chǎn)生的熱量需要通過長距離管道輸送到城市。研究提出了從工廠到城市建設新供熱輸送管道的可能方案，都基于固定費用運輸問題（FCTP）的優(yōu)化算法，如公式（4）-（6）所示。

區(qū)域供熱技術(shù)在第 t 年的單位熱量年度化總成本（ATC）可以用公式（7）計算：

其中I表示初始投資成本（見原文補充表11），AF表示年金系數(shù)。本研究中將折扣率定為7%。

（1）常規(guī)情景（BAU）：假設燃煤電廠在其 2019 年容量因子下運行，直到其 30 年歷史壽命結(jié)束，以及中國總發(fā)電量中非化石能源的占比將從 2020 年的35%增加到2030年的45%。

（2）加速電力行業(yè)脫碳情景：假設相同的電廠繼續(xù)運行，但它們的容量因子在 2020 年至 2030 年期間降低 18%，以及中國總發(fā)電量中非化石能源的占比將在 2030 年增加到 67%。

為了代表2030年非化石供熱技術(shù)與現(xiàn)有和新建熱電聯(lián)產(chǎn)部署的不同滲透水平，研究構(gòu)建了三個區(qū)域供熱投資情景，包括高煤、中煤和低煤（表1）。首先假設在高/中/低碳情景中，2030 年將使用20%/50%/80%的當?shù)乜捎玫吞脊豳Y源（城市污水處理、廢水處理、生物質(zhì)能）。然而，在大多數(shù)城市，這些資源只能滿足一小部分（通常小于10%）的供熱需求。因此，需探索利用現(xiàn)有的煤炭熱電聯(lián)產(chǎn)資源和工業(yè)余熱來滿足剩余需求。在高煤方案中，工業(yè)余熱未被考慮在內(nèi)。所有三個情景都假設對現(xiàn)有燃煤電廠的現(xiàn)有熱電聯(lián)產(chǎn)資源進行優(yōu)化利用。

研究評估了15種區(qū)域供熱技術(shù)的二氧化碳排放、成本和可用性，包括5種化石燃料技術(shù)和10種非化石技術(shù)（圖1），得到以下結(jié)果：

• 目前廣泛使用的煤基技術(shù)，即燃煤鍋爐和熱電聯(lián)產(chǎn)抽汽技術(shù)，成本低但二氧化碳排放高；

• 改進的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)與當前的煤基技術(shù)相比，成本和排放都大幅降低；

• 用非化石替代技術(shù)取代煤基技術(shù)面臨資源有限和成本較高的挑戰(zhàn)；

• 利用大型基于電網(wǎng)的電熱泵從鋼鐵廠回收余熱技術(shù)在2020年的成本與當前煤基技術(shù)相當，但排放大幅降低。隨著電網(wǎng)脫碳，排放還可能進一步降低；

• 空氣/地源熱泵運營成本與燃煤鍋爐相似，但資本成本較高。

碳排放

在高煤情景下，區(qū)域供熱的總碳排放量在2030年將比2020年增加11%，但在中煤和低煤情景下將分別減少2%和26%（圖2b）。

成本

在高煤和中煤情景下，單位熱量的總供熱成本在2020年至2030年期間將下降，而在低煤情景下供熱成本將上升。對于低煤情景，本研究估計在2020年至2030年期間需要約1萬億人民幣（約1400億美元）的總資本投資來實現(xiàn)低碳區(qū)域供熱技術(shù)的實施。因此，當前和預計的2030年碳價格仍然不足以實現(xiàn)近期清潔供熱政策提案的全面實施。

新燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)投資的碳鎖定風險

新的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)廠將導致中國大多數(shù)北方城市在2020年至2030年期間的總碳排放量增加，這些電廠可能會鎖定對煤炭的依賴，并在幾十年內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生排放，阻礙向替代的低碳供熱技術(shù)的過渡以及中國2060年碳中和目標的實現(xiàn)。

熱電聯(lián)產(chǎn)廠運行對碳鎖定的影響

現(xiàn)有和新建熱電聯(lián)產(chǎn)電廠將在2020年至2060年期間累計鎖定約19000太瓦時的燃煤發(fā)電量，并產(chǎn)生近30億噸的排放。最有效的減少碳鎖定的方法是避免新建熱電聯(lián)產(chǎn)廠并利用非化石替代方案。

新熱電聯(lián)產(chǎn)廠可以通過改進現(xiàn)有燃煤電廠的熱電聯(lián)產(chǎn)資源利用以及其他非化石選項來替代。對于新投產(chǎn)的熱電聯(lián)產(chǎn)廠，采用改進的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)并規(guī)劃提前退役（或碳捕集改造）對于最小化未來排放將非常重要。

研究發(fā)現(xiàn)，中國城市區(qū)域供熱系統(tǒng)中，以新建和改進的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)廠替代污染煤炭技術(shù)會導致大量的碳鎖定，而擴大工業(yè)余熱和空氣/地源熱泵的使用可以避免新建熱電聯(lián)產(chǎn)廠的需求，并在 2020 年至 2030 年期間將碳排放降低 26%。基于相關(guān)研究結(jié)果，為中國區(qū)域供熱系統(tǒng)提供以下低碳轉(zhuǎn)型策略：

一是“熱電聯(lián)產(chǎn)豐富”城市：改善現(xiàn)有熱電聯(lián)產(chǎn)資源的利用以取代污染性煤炭技術(shù)可以逐步轉(zhuǎn)向低碳技術(shù)。通過改進措施，現(xiàn)有電廠資源可滿足 2030 年約 41% 的城市區(qū)域供熱需求。

二是“工業(yè)余熱豐富”城市：最大限度地利用工業(yè)廢熱，預計CO₂排放量將相對2020年水平大幅減少50%以上，極大地幫助這些工業(yè)城市實現(xiàn)2030年CO₂排放峰值目標。此外，到 2030 年，大多數(shù)城市的單位熱量總成本將保持與2020 年水平相當，而運營成本將平均增加約20%。

三是“供熱資源有限”城市：需要廣泛部署空氣/地源熱泵到 2030 年，以滿足供暖需求。與 2020 年水平相比，這一部署將使 CO₂排放量平均減少 65%。然而，它也會使單位熱量的總成本和運營成本增加一半以上。

技術(shù)發(fā)展與風險并存：任何技術(shù)的潛力與局限都需要合理被評估。例如，改進的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)雖能降低成本和排放，但存在碳鎖定風險；而一些非化石技術(shù)雖環(huán)保但可能受資源限制。

注重區(qū)域差異與因地制宜：例如中國不同城市不僅在供熱資源上存在明顯差異，而且在供暖市場條件上也存在明顯差異，因此，在制定供熱策略時需要考慮完善。

減排是項復雜的系統(tǒng)工程：區(qū)域供熱系統(tǒng)是能源系統(tǒng)的一部分，其低碳轉(zhuǎn)型應與電力系統(tǒng)等其他能源子系統(tǒng)的發(fā)展統(tǒng)籌考慮。