碳中和”目标下中国天然气不可或缺但发展空间将被压缩
国务院发展研究中心资源与环境政策研究所
摘要
在中国明确提出“碳中和”目标的背景下，天然气作为一种低碳化石能源，在中国能源系统中具有特殊的地位和意义。通过分析中国天然气的发展空间、发展路径、应用场景以及多种影响因素，得出结论：“碳中和”目标下中国天然气发展的时间、空间将被压缩，但在去碳化进程中不可或缺。具体而言，中国天然气消费将在2040年左右达峰，峰值高点约6 000亿立方米，一次能源占比低于15%。“碳达峰”后，电气化、CCS（碳捕获与封存）等各种因素叠加会影响天然气的终端渗透率，尤其是碳定价的影响将越来越大。因此，中国天然气发展需要未雨绸缪，创造条件以争取更多发展空间。
关键词
气候变化；碳中和；碳定价；天然气；能源转型
0引言
天然气被誉为低碳清洁的化石能源，是能源转型进程中的过渡能源，被中国能源主管部门定位为“主体能源之一”［1-3］。当前，气候变化已成为最重要的全球性问题之一，综合考虑能源安全、气候安全和环境安全等方面，各能源品种、能源形式的地位和竞争优势也将此消彼长。可再生能源、电气化、氢能与储能将在电力系统及终端应用场景与天然气产生竞争。加之碳定价等因素的介入，天然气在内的化石能源的地位将受到更大程度冲击。 随着中国日益接近“碳达峰”，“碳中和”约束下的天然气发展也将面临新形势，亟待未雨绸缪，谋划未来发展。
1中国“碳中和”目标将对天然气产生重要影响
中国国家主席习近平在2020年9月22日召开的联合国大会上表示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和。” 1.1 中国“碳中和”的承诺具有深远意义 一是对国内能源转型提供了确定性预期。这一承诺明确了“碳中和”目标，以及在时点、强度等方面提出了确定性的碳约束指标。制定“碳中和”实施路线图，考虑各种政策的优先序与协同性将成为下一步工作重点。 二是难度大、压力大，机遇与挑战并存。“碳中和”完成时间提前，客观上压缩了能源转型的时间与空间，增加了纵向分年度、横向分部门的成本。同时，加速转型成本前置，预计短期成本或增加更快。 三是技术的重要性更加凸显。先进的脱碳能源技术、现代电网技术是支撑去碳化目标的核心所在。实现能源脱碳后，中国能源安全将从过去依靠化石能源资源保障（资源约束）转向技术保障。 1.2 “碳中和”将重新配置不同能源的形式与组合 过去十余年，中国能源转型目标与控碳政策强度呈现正相关关系（见表1）。碳约束从“务虚、弹性”到“明确、刚性”，能源转型路径从单一到多元，更加务实地针对去碳化。同时，影响能源转型的因素也日益复杂化。
表1 不同碳约束目标下的中国去碳转型路径变迁
碳中和目标下的能源转型需要重新考虑以下议题及优先序：一是高比例可再生＋高水平电气化的“双高”模式；二是化石能源清洁利用，煤炭煤电短期地位；三是负碳技术应用场景、规模上限、贡献率，CCS、CCUS、BECCS（生物能源碳捕获和存储），不同技术、路径的实现条件及可能性、机遇挑战、困难障碍、成本收益风险、基础设施及增量成本等［4-6］。 不同于德国单纯依靠可再生能源及电气化，和美国主要靠天然气及可再生能源的转型路径，国情决定中国将采取更具包容性的混合转型路径。在明确的“碳中和”目标下，深度电气化及高渗透绿氢都不能一蹴而就，天然气仍将在中国扮演重要作用，但其作用将从大气污染治理时的减污调整为减污降碳协同发挥。 综上，中国“碳中和”目标提供了能源脱碳转型的确定性预期，也影响包括天然气在内的不同能源的地位和竞争力。
2 中国天然气预计在2040年左右达峰
通过综合比较国内外权威机构于2019—2020年8月发布的中长期能源展望数据，可以发现各机构对中国天然气消费预测呈现收敛趋势［7-8］。无论在更快转型（更强控碳）情景下，还是与前期预测相比，中国天然气消费规模和一次能源占比的峰值高点有下调趋势，峰值时点有提前趋势。这些研究报告发布于中国官宣2060年碳中和目标前，预测至2050年的长期趋势，对中国天然气的判断如下：中国天然气将在2040年左右达峰，峰值高点约6 000亿立方米，一次能源占比低于15%。 2.1 峰值高点区间：多分散于6 000亿立方米以下 从各机构发布的预测数据看，中国天然气需求在2050年的预测结果为185百万吨油当量（低限）～600百万吨油当量（高限），折合实物量约2 054亿立方米（低限）～6 660亿立方米（高限）。ETRI（中国石油经济技术研究院）给出了最为乐观的预测，ETRI-BAU19（中国石油经济技术研究院基准情景）预测2050年天然气需求量最高，约合6 660亿立方米（如图1）。
图1 中国天然气消费规模峰值（实物量） 2.2 峰值时点分布：集中于2030—2040年 在各机构预测的15个情景中，仅6个情景在预测期内达峰，其中3个情景集中分布于2030年，2个情景分布于2035年。较早的达峰时间多集中在2030年，对应的达峰情景有IEA-SDS19、BP-NZ20、SHELL-SKY18，其中峰值最高是BP-NZ20，对应峰值约合4 794亿立方米。最晚的达峰期为2045年，对应的达峰情景为BP-BAU20，峰值约合6 202亿立方米，同时它也是所有机构预测峰值最高情景。峰值最低是IEA-SDS19情景，于2030年达峰，约合4 340亿立方米（见表2）。 表2 中国天然气预测结果乐观程度排序
2.3 平台期：集中于2040年左右 多数预测结果显示这个时期的天然气消费不再增长，4个情景（IEA-SDS19、BP-RT20、SHELL-SKY18、Equinor-Rebalance20）预测显示在2040年及以前就开始负增长，仅1个情景（EIA-RCP20）显示在2045年仍处于高速增长。 2.4 天然气在一次能源中占比峰值（高点）：中值低于15% 至2050年的预测结果是天然气在一次能源中占比峰值介于4.61%（低限，SHELL-SKY18情景）～19.09%（高限，SHELL-SKY18情景）（见图2）。 2.5 天然气在一次能源占比峰值时间分布：横跨2030—2045年，集中于2035—2040年 15个情景中，仅3个情景在预测期内达峰，分别为2030年的SHELL-SKY18、2035年的BP-RT20和2045年的BP-NZ20，其中BP-RT20情景预测峰值最高，为15.15%。SHELL-SKY18情景预测峰值最低，为11.51%，同时，这也是情景预测达峰最早值。未达峰或最晚达峰（预测期内）的3个情景（ETRI-BAU19、BP-BAU20、BP-NZ20）中，最晚达峰的是BP-NZ20情景，达峰时间为2045年。
图2 中国天然气需求占一次能源需求比例
3“碳中和”目标下天然气发展的影响因素和风险识别
中国“碳达峰”后，电气化、碳定价、CCS等各种因素会叠加影响天然气的终端渗透率。“碳中和”目标下，中国天然气发展的时间、空间被压缩，低于没有明确气候目标时的预期，但在去碳化进程中不可或缺。
3.1 “碳达峰”后的中国天然气的影响因素、应用场景及替代关系
在中国“碳达峰”至“碳中和”的碳排放下坡阶段，天然气发展的驱动力将发生变化，各应用场景的替代关系较之“碳达峰”前将发生显著变化（见表3）。
表3 “碳中和”以及“3E＋S”*多元目标的天然气竞争替代关系
在电力领域，天然气调峰装机将有巨大增长空间，虽面临储能挑战，但仍是备用电源的最佳选择。天然气将成为高水平电气化的补充，并对电力系统提供保障和支持。据BNEF（彭博新能源财经）的预测，2020—2050年，中国的调峰气电至少有7倍左右的增长空间，联合循环气电也将有增长，但增幅比调峰气电低很多。
如果CCS可以快速降本并规模部署，天然气或有更广阔的发展空间，但同时也不能忽略“CCS+煤炭”的竞争力（见图3）。
图3 非电零碳能源的成本对比预测
3.2 碳定价将对天然气发展的影响越来越大
中国碳定价目前很低，未来将呈现先慢后快、加速增长的趋势。在中国多年碳交易试点运行中，碳配额交易均价在20元/吨左右，北京中创碳投科技有限公司预测全国碳交易市场开市后的交易均价大概率在30～50元之间。欧洲机构预测至2050年实现净零排放时的碳定价将高达230欧元/吨以上。2021年2月26日，美国拜登政府已宣布将2021年碳排放社会成本定为51美元/吨，恢复至奥巴马政府时期水平。因此，晚去碳的成本将相当高昂［9-12］。
在没有较强碳约束的情形下，天然气的竞争力主要受国际油价的影响。能源可获得视角的天然气供应安全、交易成本视角的天然气体制改革等，都会影响天然气的终端渗透率。
过去几年，中国在大气污染治理目标下，强力环保政策促进了天然气的较快发展。但该阶段碳成本很低，非电领域的天然气几乎不承担碳成本。开展碳交易首先会对电力部门的碳排放形成强约束。
天然气发展还受到碳定价的影响。国际油价与碳定价将成为影响天然气竞争力的“双标杆”。天然气终端应用场景包括发电、灵活性工业及民用供热等，均受到其他形式能源的竞争。在化工与原材料领域，碳定价及碳捕集、封存与利用成本将影响天然气在该领域的竞争力。
3.3 中国天然气仍将取得长足发展，但发展时间、空间被压缩
与宣布“碳中和”目标前的预测相比，中国天然气发展将呈现如下特点：快增长、早达峰、高点低、平台缩小、更早更快下坡，即长尾变短（见图4）。
国内一些著名专家和机构认为，中国天然气应在2035年甚至更早实现达峰，2050年的消费规模，应在3 000亿立方米甚至更低，最早的达峰时点是2030年左右，2050年时较低的消费总量在1 000亿立方米左右。如全球能源互联网发展合作组织于2021年3月发布的《中国2060年前碳中和研究报告》对中国化石能源达峰的高点时点做出了预测：化石能源消费总量于2028年左右达峰，其中天然气消费总量2035年前后达到峰值，峰值高点约5 000亿立方米［15-16］。
图4 中国天然气消费规模的未来形态示意图
3.4 中国天然气发展需要未雨绸缪，创造条件争取更多发展空间
国内天然气需要快速上产、快速降本，更快更多抢占2035年前能源消费空间。该时期碳定价较低，电力和可再生能源的终端渗透率尚不足，天然气仍具有一定竞争力。 快速增强保障能力，短期实现中国版页岩革命突破，是延续天然气窗口期和争取更多时间空间的必要条件。若中国版页岩革命能在短期发生，天然气需求增速将保持在6%～8%，既可获得更稳定的用户黏性，又可确保国家和区域的能源安全。 近中期，尤其是“十四五”时期，天然气依然是发展最快的化石能源，但增速不会高于两位数，将从2017—2018年间的过高增长回归合理区间。在中国实现“碳达峰”前，天然气仍将增长。“碳达峰”后，天然气仍不可或缺。未来天然气发展的主要机会在电力领域，涉及调峰气电及与消费终端，以及分布式或综合能源系统的结合。 长期看，天然气作为一种低碳化石能源，将向“脱碳天然气”过渡，以满足能源系统的脱碳需求。脱碳氢能也将参与其中，并与天然气共享目前的储运基础设施。深度减碳及较高碳定价的情形下，合成天然气（P2G）等脱碳天然气或将有更大份额。碳捕集、封存与利用将成为化石能源天然气的标配，尤其在天然气消费集中的气电和气化工领域。在去碳化进程中，天然气将面临其他能源形式的竞争，尤其是气电将面临储能（含氢能）的竞争。但在极端气候条件下，气电依然是应急电源的最优选择之一。 若中国天然气消费达峰时点较晚或峰值高点更高，在碳排放及天然气消费规模“双减量”的下坡阶段，相应基础设施将变得冗余甚至有成为低效资产的风险。存量基础设施的定位转型及新建基础设施的规模布局都值得进一步研究。 面对“碳中和”目标及不同能源竞争的新形势，中国天然气需要进一步加强产供储销能力，争取更多发展空间，并未雨绸缪应对天然气达峰后的去碳化转型。（感谢清华大学李天枭博士的数据整理）
