天 然 气 工 业
Natural Gas Industry
第41卷第2期2021年 2月
· 183 ·
李 孥1 王建良1,2 刘 睿1 唐 旭1,2
1.中国石油大学（北京）经济管理学院
2.中国油气产业发展研究中心
摘要：天然气作为清洁高效的低碳化石能源，肩负着能源消费结构从化石能源向可再生能源过渡的重要使命，对促进中国2060年前实现碳中和目标具有重要的意义。但上述目标的提出也给我国天然气产业的发展带来了诸多不确定性。为此，梳理了现有碳中和目标导向下有关能源转型的研究结果，通过估算碳汇量的方式得到中国2060年的碳源量并与现有的碳排放情形进行对比，进而将天然气产业的多种发展前 景分为消费量达峰后下降和未达峰持续上升两种类型，分析不同前景下的发展重点，从上游生产、贸易运输和下游消费三个方面探讨了碳中和目标下天然气产业的实现路径。结论认为：①在现有研究的假设情景下，到2060年，中国需要减排
70×108～80×108
t CO 2才能达成碳中和的目标，天然气消费量也呈达峰后大幅度下降的趋势；
②当2060年中国的煤炭消费量和石油消费量占一次能源消费总量的比例均不超过8%时，天然气将拥有较为可观的发展前景，消费量会保持上涨趋势；③在天然气消费量达峰后下降的情景中，强调天然气产业应以探索更为有效的低碳转型路径、寻求更高质量的发展为重点，实现路径主要侧重于在上游生产端降低碳源排放，在贸易运输端促进碳中和LNG 等贸易行为的可持续发展；④在天然气消费量未达峰持续上升的情景中，强调天然气产业发展应以提高其消费量比例、释放发展潜能为重点，实现路径侧重于在主要用气行业加速提高天然气使用量，在主要碳排放产生行业利用天然气进行高碳化石能源替代，从而降低碳源总量。关键词：碳中和；天然气；碳源；碳汇；碳排放；碳达峰；能源结构；能源转型DOI: 10.3787/j.issn.1000-0976.2021.02.021
中苏铁列克提事件
Multi-scenario conception on the development of natural gas industry under
the goal of carbon neutrality
LI Nu 1, WANG Jianliang 1,2, LIU Rui 1, TANG Xu 1,2
(1. School of Economics and Management , China University of Petroleum , Beijing 102249, China ; 2. Research Center for China's Oil and Gas Industry Development , Beijing 102249, China )
Natural Gas Industry, vol.41, No.2, p.183-192, 2/25/2021. (ISSN 1000-0976; In Chinese)
Abstract: As a kind of clean and efficient low-carbon fossil energy, natural gas shoulders the important mission to transform the energy structure from fossil energy to renewable energy, and it is of great significance to promote the achievement of the carbon neutrality goal in China before 2060. However, the proposal of this carbon neutrality goal also brings many uncertainties to the development of domestic natural gas. To deal with this situation, this paper reviewed the relevant research results of energy transformation under the guidance of existing carbon neutrality goal, and calculated the amount of carbon sources in China in 2060 by estimating the carbon sink and compared it with the existing carbon emission situation. Then, various development prospects of natural gas industry were classified into two types, i.e., the decline after peak demand and the continuous rise before peak demand, and the development focuses of different prospects were analyzed. Finally, the development paths of natural gas industry to reach the goal of carbon neutralit
y were discussed from the three as-pects of upstream production, trade transportation and downstream consumption. And the following research results were obtained. First, in the scenario assumed in the existing researches, the goal of carbon neutrality in 2060 will not be realized in China unless CO 2 emission is reduced by (70-80)×108 t, and the natural gas consumption will present the trend of decreasing greatly after the peak value. Second, if the total percentage of coal consumption and oil consumption in the primary energy consumption is not more than 8% in 2060, the devel-opment prospect of natural gas will be remarkable and its consumption will remain the rising trend. Third, in the scenario that the natural gas consumption declines after reaching the peak value, the natural gas industry shall focus on exploring more efficient low-carbon trans-formation path and searching for higher-quality development. The paths to reach this target mainly lie in reducing the emission of carbon sources at the end of upstream production and promoting the sustainable development of carbon neutrality LNG and other trade behaviors at the end of trade transportation. Fourth, in the scenario that the natural gas consumption rises continuously before reaching the peak value, the development of natural gas industry shall focus on increasing its consumption ratio and liberating its development potential. And for this, the main gas consumption industries shall accelerate increasing their natural gas consumption and the main carbon emission industries shall replace the high-carbon fossil energies with natural gas to reduce the total carbon sources.
止水帷幕
Keywords: Carbon neutrality; Natural gas; Carbon source; Carbon sink; Carbon emission; Carbon peak; Energy structure; Energy trans-formation
基金项目：国家自然科学基金项目“中国非常规天然气开发对水资源的影响机理、作用程度与管理应对研究”（编号：71874201）、国家自然科学基金青年项目“页岩气开发环境影响量化评估与管理政策研究”（编号：71503264）。
作者简介：李孥，1994年生，博士研究生；主要从事能源资源预测、环境影响评估等方面的科研工作。地址：（102249）北京市昌平区府学路18号。ORCID: 0000-0001-7231-5114。E-mail:***************
通信作者：王建良，1987年生，副教授，博士研究生导师，本刊青年编委；主要从事油气系统工程、能源经济管理等方面的科研与教学工作。地址：（102249）北京市昌平区府学路18号。ORCID: 0000-0001-7037-9368。E-mail:*********************
天 然 气 工 业2021年第41卷· 184 ·
1 碳中和目标导向下天然气发展定位
中国在2020年召开的第75届联合国大会上提出，中国的二氧化碳（CO2）排放力争于2030年前达到
峰值，努力争取2060年前实现碳中和。所谓碳中和，是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，来抵消自身产生的CO2排放量，实现其“零排放”。但碳中和的意义并非是要在2060年前实现“绝对的零排放”，而是通过技术创新等手段将人为活动排放对自然环境造成的影响降低到可以忽略的程度，达到人为碳源和碳汇新的平衡 [1]。2015年达成的《巴黎协定》设定了到21世纪末将全球平均气温相比前工业化时期升幅控制在2℃以内并力争控制在1.5℃以下的全球目标。中国到2060年实现碳中和，实际上就是要努力实现以1.5℃目标为导向的长期深度脱碳转型路径[2]，这需要全社会经济体系、能源体系、技术体系等方面做出巨大的改变，这其中最重要的是深化能源体制改革，实现能源利用最大程度上的减排。
中国作为世界上最大的发展中国家以及碳排放大国，要在未来40年内完成从碳排放达峰到碳中和的转型，需要建立起以新能源和可再生能源为主体的可持续能源体系。但我国现有的能源结构仍以煤炭等化石能源为主，化石能源占一次能源消费的85%以上，外加我国现有的能源资源禀赋现状，化石能源仍是今后相当长时间内保证国家能源安全的现实选择。国际能源署（IEA）统计的2006—2019年中国分能源品种的CO2排放量情况如图1所示[3]，可以看出，天然气的碳排放量要远远低于煤炭和石油，是更为清洁的化石能源。碳中和目标导向下的能源转型重点在于退煤，天然气替代煤炭对全球碳减排产生的积极作用已在以往的统计数据中得到了证实，2016—2019年，全球“煤改气”减少的CO2排放量达4×108 t，相当于这一时期碳排放总增量的25%[4]。因此，对于中国以煤炭为主的能源消费现状，天然气对煤炭的替代将对碳中和目标的实现发挥重要作用。
另外，可再生能源消费市场的扩大是碳中和时代下的必然发展趋势，但是受技术限制，我国距可再生能源的大范围普及使用还需要一定的时间，天然气作为能源消费结构从高碳化石能源向可再生能源发展过程中的过渡燃料，短期来看，2060年碳中和目标的实现离不开天然气。但长期来看，相比可再生能源，天然气全产业链碳足迹强度仍然不低，且是不可再生资源。因此，天然气除作为原料的市场需求外，其他方面的需求很可能逐步被可再生能源取代，其未来的发展也将面临不可预估的挑战。
2 天然气发展前景探讨
2.1 未考虑碳中和目标的未来能源消费结构情形
根据IEA、英国石油公司（BP）等多个国际能源机构所公布的能源展望，笔者整理了有关中国未来能源需求的预测情景（表1）。相关的预测数据是根据历史和当前的政策、经济与市场环境，以及不考虑碳中和目标情形下对中国未来能源消费基本走势的预估。对各机构给出的不同情景下三大化石能源消费量、可再生能源消费量及一次能源消费量的预测结果求均值，以此来表示未来中国能源消费的基本发展趋势，并计算三大化石能源及可再生能源占一次能源消费的比例，来表示不考虑碳中和目标下未来中国能源消费结构的基本情形，计算结果如图2所示。
表1 国际能源机构所公布能源展望中的预测情景表
情景名称描述
IEA-CPS-2019国际能源署的当前政策情景
EIA-RS-2019美国能源信息署的参考情景
OPEC-WOO-2019欧佩克的世界石油展望
BP-BAU-2020英国石油公司的基准情景
SHELL-SKY-2018壳牌天空情景
ETRI-BAU-2019中国石油经济技术研究院基准情景
图1 中国分能源品种CO2排放量图
（资料来源于IEA[3]）
由图2可知，未来30年，中国煤炭消费在一次能源消费中的占比将显著下降，到2050年为30%
第2期· 185 ·木栈道
李孥等：碳中和目标下天然气产业发展的多情景构想
左右；石油消费占比趋于平缓，天然气消费占比在2040年之前有所上升，2040年之后呈缓慢下降趋势，可再生能源显著提升，但在2050年占一次能源消费的比重仍不足40%。现有碳中和目标导向下能源转型的相关研究结果表明[5-6]，碳中和情形下的一次能源消费比例中，非化石能源要高于80%，三大化石能源均需下降到10%以下。因此，该预测情形下的中国能源发展进程远不能在2060年之前实现碳中和目标。
天然气消费占比在2030年之后趋于平缓，维持在11%～12%，没有明显的上升或下降趋势，这表明，在未来以可再生能源为主要目标的能源发展进程中，天然气的发展潜力得不到有效释放，所面临的发展前景也有所局限。实现碳中和目标需要能源系统的颠覆性变革，以及在经济、社会和金融等各个领域持续开展创新，促使高碳化石能源需求提早达峰，加速可再生能源发展进程。天然气作为清洁的化石能源，促进其高质量发展，对碳中和目标导向下的新兴能源系统的形成将有重要作用。
2.2 基于现有研究的碳中和目标导向下天然气发展前景
近年来，为建设清洁低碳、安全高效的能源体系，中国一直致力于提高天然气的消费使用比例，天然气消费量从2000年不足300×108 m 3扩大到目前的超过3 000×108 m 3，20年内的年均增速高达10.3%，远高于同期能源消费总量6.5%的增速[7]。中国的天然气市场正处于蓬勃发展时期，且众多“煤改气”“油改气”等项目在持续推进，其消费需求不断攀升。但2060年碳中和目标所要求的强化减排，将对未来天然气发展产生诸多不确定影响，天然气需求有可能很快达峰回落。因此，为了解碳中和目标导向下天然气发展前景，笔者根据现有的研究假设，通过量化预估的方式来探讨未来天然气发展的基本趋势。
大气中CO 2浓度是碳源排放和碳汇吸收两者相平衡的结果。《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC ）
将碳源定义为向大气中释放CO 2的过程、
活动或机制，大气中的CO 2主要由人为活动导致的化石燃料燃烧
产生；
UNFCCC 将碳汇定义为从大气中清除CO 2的过程、活动或机制，碳汇主要包括森林碳汇和海洋碳汇。随着技术的发展，还可以通过捕获化石燃料和生物质能燃烧释放的CO 2并将其存储在地下的负碳技术，即碳捕获封存（Carbon Capture and Storage, CCS ）来完成碳汇。因此，未来的碳汇主要由三个部分组成，陆地碳汇、海洋碳汇以及CCS 碳汇。碳汇相比碳源更不易因人为因素的驱动而产生改变，更容易对其进行估算。因此，笔者通过估算碳汇的方式来得到2060年的碳源量，与现有的排放情形进行对比，由此分析中国碳减排的基本发展趋势，并结合碳中和目标导向下化石能源的消费结构，倒推预估2060年天然气消费量，由此量化探讨其发展前景。
笔者梳理了现有对碳中和目标导向下能源转型的相关研究，总结不同能源发展假设情景，并根据相关情景中提供的数据计算在不同假设情景下CO 2的排放量以及天然气消费情况。
2.2.1 情景一：《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》——清华大学气候变化与可持续发展研究院[5] 该研究强调，中国2060年实现碳中和本质上就是实现1.5 ℃目标为导向的长期深度脱碳转型路径。
因而2060年碳中和情形下的能源发展情况可视作与实现1.5 ℃能源转型的情况相同。该研究中1.5 ℃目标导向下CO 2净零排放情景的一次能源消费构成的基本情况为：到2050年，非化石能源占比超过85%，煤炭比例将低于5%。该情景下的碳汇量情况为：
陆地碳汇量7.8×108 t CO 2（本文碳汇量均指CO 2）
，CCS 碳汇量8.8×108 t 。
其他相关研究显示中国海洋每年可从大气中吸收约2.4×108 t CO 2 [8]，由此可以估算2060年由陆地、海洋和CCS 碳汇量组成的中国碳汇总量约为19×108 t 。碳中和情形下，CO 2排放量同样为19×108 t 。1.5 ℃目标导向下，2050年一次能源消费比例构成显示，化石能源消费约占一次能源总量的15%，其中煤炭占比为5%左右，石油与天然气则共占比10%，假设石油与天然气消费量相同，则天然气消费量占比约为5%。该一次能源消费结构可视作碳中和情景下的一次能源消费结构，并假设碳排放均由化石燃料燃烧产生，结合碳排放系数，通过计算可以预估得到2060年天然气消费量约为2 200×108 m 3。
图2
三大化石能源和可再生能源占一次能源消费的比例图
天 然 气 工 业2021年第41卷
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2.2.2 情景二：《2060年碳中和目标下的低碳能源转型情景分析》——清华大学能源环境经济研究所[6]该研究就2060年碳中和情景下的一次能源消费总量以及各能源消费量给出了较为明确的数值：一次能源消费总量约为47×108 t 标准煤，非化石能源消费占一次能源消费的比例为81%，煤炭消费占比7%，石油消费占比8%，天然气消费占比4%。根据该预估值，计算该情景下2060年中国的CO 2排放量约为20×108 t ，天然气消费量约为1 400×108 m 3。该研究中并未就陆地与海洋碳汇量给出明确的数据，但就2060年碳中和情景下的CCS 碳汇量给出了与情景一不同的假设，该研究预估2060年中国CCS 碳汇量将达16×108 t 。由此可知该情景下的陆地与海洋碳汇量的和约为4×108 t 。
甾醇2.2.3 情景三：最大化碳汇量情景
为最大化地讨论碳中和情景下可容纳的碳排放量与天然气消费情况，在不同碳汇类型下取当前最大碳汇量，以组成情景三：最大化碳汇量情景，由此了解达成碳中和目标所允许的最宽松减排力度。
陆地碳汇量除情景一和情景二的值外，中国科学院大气物理研究所的相关研究结果显示：中国陆地生态系统年均吸收CO 2约11.1×108 t [9]，要大于上述两情景中的碳汇量，因此该情景中的陆地碳汇量
取11.1×108 t ，海洋碳汇量取情景一中的2.4×108 t ，CCS 碳汇量取情景二中的16×108 t ，最后组成情景三的碳汇总量为29.5×108 t 。表2总结了2060年不同情景下的碳汇量组成情况。
碳中和情景下，碳排放量同样为29.5×108 t 。这是就当前研究资料和发展情况而言，碳中和所允许
的最大碳排放。由于该情景下并无与2060年一次能源消费结构相关的支撑资料，所以分别利用情景一与情景二中的一次能源消费结构，结合碳排放系数来计算当达成碳中和，碳排放量达到29.5×108 t 时，天然气的消费量情况，并得到以下结果。
1）利用情景一中的一次能源消费结构：煤炭、石油和天然气占一次能源消费的比例均为5%。经计算，最大化碳汇量情景下，2060年达成碳中和时天然气的消费量为3 400×108 m 3。
2）利用情景二中的一次能源消费结构：煤炭消费在一次能源消费中的占比为7%，石油占比8%，天然气占比4%。经计算，最大化碳汇量情景下，2060年达成碳中和时天然气的消费量为2 000×108 m 3。
不同情景下碳排放量与天然气消费量变化趋势如图3所示。IEA 公布的2019年中国碳排放总量为98×108 t ，由上述碳中和导向下不同能源消费情景的碳排放情况可知，中国需要在40年内减排70×108～80×108 t CO 2，才可以在2060年实现碳中和，中国将面临前所未有的减排压力。2019年，中国天然气表观消费量为3 064×108 m 3，由图3可知，在情景一、情景二和情景三1中，2060年碳中和情景下的天然气消费总量将比2019年下降1/3左右，
表2 2060年不同情景下的碳汇量情况表 单位：
108
t 情景不同类型碳汇量碳汇总量陆地海洋CCS 一 7.8
2.4
8.819.0二 4.016.020.0三
牛顿冷却定律11.1
2.416.0
29.5
图3 碳中和目标导向下CO 2
排放量和天然气消费量在不同情景中的发展趋势图
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李孥等：碳中和目标下天然气产业发展的多情景构想
而情景三2中的天然气消费量则略高于2019年。在不同情景下，天然气消费量在达峰后的趋势变化存在较大差异，但整体呈现达峰后下降的变化趋势。这表明，在碳中和目标导向下以可再生能源为主体的新兴能源体系中，天然气的发展空间将明显受限，其作为清洁能源的发展优势也得不到充分体现。因此，如何在有限的时间与空间内，发挥出其作为清洁能源的最大价值，积极助力碳中和目标的实现，是天然气行业务须关注的问题。
3 碳中和目标导向下天然气发展多情景构想
银河宽频上述情景所预估的碳中和目标导向下的一次能源消费情况虽有所差别，但其所表示的能源发展基本走势是一致的，均呈现煤炭消费比例显著下降，非化石能源消费比例大幅提升，天然气消费先升后降的情形。这是目前对未来能源变革前景的主流预测，也是实现碳中和目标的最根本途径。但除此之外，能源的发展进程会受诸多不确定因素的影响，因此一次能源消费可能存在其他的发展趋势。天然气作为清洁高效的低碳化石能源，在现阶段减煤进程中发挥着重要作用，也是中国能源体系从化石能源向可再生能源过渡过程中可以直面能源需求的重要选项。因此，碳中和目标导向下的能源改革进程中，天然气消费很可能会呈持续增长的态势，在新兴能源体系中占据一席之地。由此本节就未来能源消费结构设置多个假设情景，来分析在不同情景下天然气的发展前景，探寻可支持碳中和目标导向下天然气消费持续增长的能源消费结构。
3.1 数据设置
在2.2节情景二的研究中，给出了2060年碳中和情景下一次能源消费的预估量，为47×108 t标准煤，以及2030年碳达峰时天然气消费的预估量为5200×108 m3，约占一次能源消费的13%，因此，笔者利用情景二中所给出的相关数据进行后续的预估研究。为最大化地考虑天然气的未来发展空间，本节假设情景中所用到的2060年的碳排放量为上述3种情景中的最大碳排放量计算结果，即29.5×108 t。
3.2 情景构想
3.2.1 情景A（极端情景）：煤炭与石油消费量为0
在极端情景中，到2060年达成碳中和时，煤炭与石油的消费量降为0，2060年所有的碳排放均由天然气消费产生。根据2060年的碳排放量29.5×108 t，结合碳排放系数，计算2060年天然气消费量约为14000×108 m3，占一次能源消费的近40%，非化石能源消费将占比60%。在此情景下天然气拥有最大化的发展空间。
3.2.2 情景B：煤炭与石油消费在一次能源消费中占比均为5%
在该情景中，煤炭与石油消费量显著下降，在2060年碳中和时均占一次能源消费的5%。根据碳排放量与碳排放系数，可以计算得到在该情景下，2060年天然气消费量约为8500×108 m3，占一次能源消费的25%，则非化石能源消费占比为65%。在此情景下，天然气与现在相比有近2倍的发展空间，并且大幅度高于碳达峰时的消费量，具有十分乐观的发展前景。
3.2.3 情景C：煤炭与石油消费在一次能源消费中占比均为8%
在该情景中，煤炭与石油消费持续下降，在2060年碳中和时均占一次能源消费的8%。根据2060年的一次能源消费量与碳排放系数，计算得到2060年天然气消费量在该情景下约为5400×108 m3，在一次能源消费中占比近16%，非化石能源消费则占比为68%。在此情景下，天然气与现有情况相比有近1倍的发展空间，与碳达峰时的消费量几乎持平，有较为可观的发展前景。
3.2.4 情景D：煤炭与石油消费在一次能源消费中占比均为10%
该情景下煤炭与石油消费均占一次能源消费的10%，结合碳排放量与碳排放系数，计算得到2060年碳中和情形下天然气的消费量约为3300×108 m3，占一次能源消费的比例为10%，则非化石能源消费占比70%。该情景下天然气消费占一次能源的比重小于2030年碳达峰时的13%，这表明该情景下天然气消费在达峰后开始下降。因此，若要保证天然气在碳中和情景下有可观的发展前景，保持上涨的趋势，则需保证煤炭和石油消费占一次能源的比例不能超过8%。图4、5展现了不同情景下的天然气消费发展趋势以及2060年一次能源的消费结构情况。
上述各情景的设置是基于现有碳中和研究资料和能源发展情况对未来天然气消费预估的假设性讨论。该讨论中天然气未来的消费情况主要取决于达成碳中和时的碳排放量，若碳排放量有更为显著的下降，留给化石能源的消费空间则更为紧缺，天然气的发展也将受到约束，要保持其消费的持续增长是
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