天然气与新能源融合发展路径研究

张建平，王富平，梅琦，蒋龙，马英恺

( 中国石油西南油气田公司天然气经济研究所）

随着碳中和以及能源转型研究的深入，天然气的桥梁作用和替代能源定位逐渐明朗，天然气与新能源的融合发展已经成为共识[1-4]。当前对天然气与新能源融合发展的研究集中在天然气调峰发电与新能源互补方面，从全产业链角度进行系统分析的较少[5，6]。天然气产业设施生命周期长达20年以上，必须超前考虑碳达峰后的能源结构，进行相应的战略部署，才能避免锁定效应。

1 对碳中和背景下能源转型的认识

随着碳中和成为全球共识，能源转型成为必然趋势，主要体现在能源供应侧分散化、能源需求侧电力化、能源供需交互数字化和能源技术低碳化。

1.1 能源供应侧分散化

能源供应侧分散化主要包括两个层面的含义：一是能源结构不再由单一能源类型占据主导地位，而是以风电、光伏发电等新能源为重点，辅以氢能、部分低碳化石能源，形成分散化、多元化的格局；二是能源集中产区作用弱化，实现能源的分散化生产。新能源技术的进步，将逐渐提升风光技术适应能力，让产品在低光照强度和低风速区域实现量产。

1.2 能源需求侧电力化

综合清华大学、国际能源署（IEA）、世界资源研究所、能源互联网组织、中国石油规划总院等机构的研究结论，预计2035年左右全球非化石能源总规模将超过煤炭，2060年非化石能源占一次能源的比重达到74%，2030年前后煤炭、石油等高碳能源陆续达峰并开始下降，能源终端消费中电力的比重将达到50%～60%，新能源发电量占比将达到75%～80%[7]。总体而言，能源需求电力化趋势不可避免。

1.3 能源供需交互数字化

随着新型电力系统建设的推进，将有海量随机性、波动性电源需要统筹调度，也将产生新型电力产销关系，既要确认交易业务、选择交易对象，通过能量管理协调发电、用电、储能多类资源和实现效用趋优，又要接受市场及运营商下达的控制信号并与其他用户交换交易信息。新型的供需关系催生新的技术需求，即能源供需数字化，只有通过数字化技术手段才能实现一体化集中管控、智能化高效协同和可视化高度融合。数字化还将赋能电力交易市场，推动交易对象从批发环节的电商化到零售环节的电商化，为消费者带来更加高效和便利的服务。

1.4 能源技术低碳化

未来的能源技术以碳排放为标准可以分为“碳+”“碳-”和“碳=”三类[8]。“碳+”即增加碳排放的煤电、煤炭供热等技术，尽管二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）技术不断进步，但运用碳捕集技术之后的煤炭消费成本远大于其他能源，且碳汇总量有限，此类技术将会被逐渐替代或退出市场。“碳=”即生物质能加工、垃圾回收、二氧化碳超临界发电等技术，可以在特定场景下推广使用。“碳-”技术，例如风电、光伏发电、地热、绿氢、海洋和森林碳汇等，将会吸引越来越多的投资，得到金融和税收等政策鼓励，形成规模效应，成本持续下降，形成良性循环，成为持续推广的技术品类。

2 碳中和目标下中国天然气行业发展趋势

在碳中和背景下，中国天然气行业发展在迎来新机遇的同时，将面对市场需求早于产能达峰的挑战，需要根据未来的能源格局开展市场布局。

2.1 碳中和战略给中国天然气行业的发展带来新机遇

碳中和战略给中国天然气行业带来的发展机遇体现在中短期内会刺激用气量增长。能源一直面临着安全、经济和环保难以兼得的困境，中国实现碳中和面临比西方发达国家更大的困难。第一是经济发展阶段不同。西方部分发达国家能源需求已经达峰或处于下降阶段，而中国经济的持续增长会带来更大的能源需求。第二是产业结构不同。中国以制造业为主的产业结构会比西方以第三产业为主导的结构有更大的能源需求。第三是能源市场化程度不同。西方国家的能源市场化改革已经相对完善，但中国在电力和油气领域的市场化改革依然处于攻坚阶段，导致能源转型要承担更多的制度性压力[9]。

在可再生能源经济性不足以形成市场优势的前提下，能源转型要兼顾安全、经济和环保，天然气成为当前最现实的能源。一方面天然气发电的碳排放量仅为煤电的一半左右，另一方面随着碳排放政策趋严和碳排放权交易市场完善，煤电和其他用煤领域叠加碳排放交易成本后提升天然气经济性。因此碳中和战略的实施为中国天然气行业的发展带来机遇，在可再生能源不能保障安全性的情境下，会加速天然气替代煤炭的进程。

2.2 天然气需求早于产能达峰带来新命题

综合国家能源局、清华大学、国际能源署、世界资源研究所、bp公司的研究结论，中国天然气消费将于2035-2045年达到峰值，年度消费量为5000亿～6000亿立方米，天然气年产量达峰将在2050-2060年，峰值为3300亿～4600亿立方米，加上从国外进口的天然气，届时将进入天然气供大于求的阶段。天然气行业将面对抓住机遇尽快发展和同步转型的双重考验。

为了应对转型，必须在当前就考虑战略布局，避免锁定效应。典型案例是煤电行业，漫长的资本回收周期占用了大量资源，导致行业转型资金和动力不足。部分行业的转型探索，可以为天然气行业提供借鉴。例如，煤炭行业研究地下原位开采技术，探索在沉陷地区发展风、光与煤炭的耦合发电，利用废弃矿井进行抽水蓄能，将开采后形成的地下空间用于二氧化碳地下封存等[10]。炼化行业在“减油增化”（削减成品油、增加化工产品）趋势加快的情况下，积极探索乙烷裂解制乙烯，进行产业转型[11]。

3 需用逆向思维探索天然气与新能源融合的路径

鉴于能源转型的趋势以及未来新型能源系统的特征，有必要进行逆向思考，即先考虑天然气达峰后的消费需求和具体场景，再考虑当前天然气与新能源融合的发展路径。当前的能源系统是集中式、可存储和稳定的，而未来的能源系统是分散式、难以存储和波动的，不仅要构建大量的新型能源系统基础设施，而且要有不同于当前的商业模式和数字化技术。

未来交通领域的能源消费将由当前的“人•车•生活”生态圈转型为“人•车•生活”和“货•车•生产”双圈融合。具体而言，“人•车•生活”生态圈围绕生活场景的需要布局，此类站点地理位置多位于城区或高速路服务区；围绕“货车生产”场景，地理位置需要布局在工业园区、物流园区、港口码头中转区及高速服务区，除了需要提供司机餐饮、休息的司机之家等服务外，还需要货物供应方、车辆供应方、金融服务方和信息服务方，再加上能源供应方，形成五方协同的格局[12，13]。

未来能源供应商将由当前的燃料供应商转型为燃料、原料、新材料“三料一体化”综合供应商。具体而言，未来在电气化趋势下，燃料用气市场需求将逐渐减少，但是作为电力不能替代的化工原料天然气将持续增长，特别是以天然气为原料的乙烷制乙烯技术的发展，会给化工原料用气带来更大的市场份额。天然气可以通过金属熔融法生产高强度碳纤维材料，碳纤维材料可以用于氢燃料电池汽车的储氢瓶，从而实现天然气向新材料领域的拓展。天然气中混有锂、钠、钾、溴、碘、硼、铷、铯等稀有金属，意味着天然气在新材料领域可能有新的发展空间。因此，未来天然气可能在燃料、原料和新材料方向开拓更大的生存空间。

未来在工业和生活用能领域，可能由当前的水、电、气、热独立计量转型为以碳为单位的综合计量。具体而言，在技术上可以将水和天然气的体积计量、供暖的热力计量、电力的数量计量以及电视和通讯的流量计量统一为碳计量，以此方式直接体现用能的碳排放量，并通过相应的制度构架和技术设计来量化用能排放。还可以此为契机系统解决电力和天然气领域市场化改革难以推进的难题，例如天然气价格交叉补贴问题，电力储能成本疏导问题，畅通能源实施补贴机制问题等，但由于涉及太多的利益主体博弈，构想短期内难以实现。随着碳排放与生态环境矛盾的加深，待多方利益均衡被打破后，碳计量将有可能实施。天然气也将不再以独立形态出现在终端消费领域，而是在碳计量架构下按照协议获取产品和服务收益。

总体而言，在天然气消费达峰后，未来消费主要集中在天然气化工、调峰发电、工业用气、氢能生产、液化天然气（LNG）重型卡车等领域，天然气在终端环节使用的比重下降，但是在调峰、储能、原料等领域的市场空间依旧广阔。届时，天然气消费场景将出现极大变化，有必要开展前瞻性研究，提前布局。

4 天然气与新能源融合发展路径

在碳中和背景下，天然气产业发展迎来了新的机遇和挑战，可以分为两个层次来应对。第一层次是天然气消费达峰前的增储上产和扩销增效，要同时抓住工业领域的“煤改气”、电力领域的天然气调峰发电、交通领域的“气代油”以及生活领域的城镇化进程加速等有利条件，充分挖掘各领域潜力增大用量。第二层次是预判天然气消费达峰后的用能场景，从产品链融合、产业链融合和生态链融合三个方面对天然气与新能源的融合路径进行研究布局。

4.1 产品链融合：实现多能高效协同互补

天然气与新能源在产品链层面的融合，是指天然气与多种能源产品互补，开拓单一能源产品无法高效开发的潜在市场，主要集中在电力领域的天然气调峰发电、工业领域的综合能源利用、交通领域的“油气电氢服”综合能源站建设和生物质能几个方面（见表1）。

表1 产品链层面的天然气与新能源融合

在调峰发电领域，风力发电和光伏发电具有间歇性、随机性和强烈的波动性，天然气发电灵活性高，碳排放强度仅为煤电的一半左右，但是当前中国抽水蓄能、燃气发电等灵活电源所占比重仅为6%。未来，随着碳排放监管日趋严格，气电和煤电的价格差距会逐渐缩小，加上气电在投资、占地、用水等方面的优势，气电发展有更大的市场空间，因此气电与新能源电力的融合成为最佳途径。

在综合能源利用领域，天然气企业掌握着资源优势，在电力市场高度开放的环境下可以向电力领域拓展，以此更好地实现从天然气的单点盈利到电力、工程、维护、节能等多环节盈利，实现盈利模式和商业模式转型。也可有效消纳新能源电力，成为新能源电力重要的应用场景[14]。

在交通领域，天然气企业拥有一定数量的加气站点，同时具有加气站运营的人才储备优势，进入“油气氢电服”综合能源站领域，可以凭借分布式系统降低对电网的依赖，还可以通过虚拟电厂或自备储能系统，参与电力辅助市场。

4.2 产业链融合：实现综合效益提升

天然气与新能源在产业链层面的融合，是指在天然气生产、运输、储存等环节与其他能源产品融合，突破天然气产业只在终端销售环节价值变现的局限，拓宽盈利渠道，提升全产业链盈利水平。主要集中在上游勘探开发环节的地热开发，地下原位开采（地下氢气生产），中间环节的余压余热资源利用，中间产品利用（硫化氢制氢）、天然气乙烷分离制乙烯以及闲置资源利用（光伏发电）等领域（见表2）。

在上游勘探开发环节，可以利用天然气的技术和人才优势，研究地热资源的开发利用，大量的废弃矿井和地下空间可以用来进行二氧化碳封存。特别是在干热岩勘探开发方面，具备替代当前多种能源的潜力。在储运环节，有大量的余压余热资源可以利用。LNG接收站和LNG卫星站也有大量的冷能可以进行回收利用，还可以研究天然气掺氢或纯氢管道的运输工作。在天然气净化厂的脱硫脱硝环节，有大量硫化氢可以用来生产氢气和硫磺等，以提升产品附加值。天然气生产矿区有大量的场站、空地和建筑，可以用闲置场地配置光伏设施。

表2 产业链层面的天然气与新能源融合

4.3 生态链融合：实现新业态和新动能良性互动

天然气与新能源的生态链层面融合，是指天然气突破现有的商业生态和盈利模式，发掘新的潜力，提供新的产品和服务，在促进碳中和方面发挥新的作用，主要体现在经济增长新动能、产业信息交互新模式、商业模式新业态、经济内循环新模式几个方面（见表3）。

4.3.1 经济增长新动能

对于天然气销售领域而言，新的增长空间主要集中在天然气发电、“煤改气”、城镇化以及交通领域的增长。天然气带动经济增长新动能，不仅要注重天然气销量的提升，还要注重企业效益的提高。直接动能是天然气与新能源领域的合作，例如天然气化工领域的炭黑产品，天然气金属熔融法制氢副产碳纤维材料；间接动能是与天然气相关产业的需求，例如中国石油集团、新奥燃气集团具备燃气轮机制造能力，可以通过压差发电、压缩空气储能等融合产业的发展提升需求，间接提升企业效益。

4.3.2 产业信息交互新模式区块链技术作为新的信息交互模式，可以用于新能源调度、消纳以及供应链金融等领域。以新能源调度与消纳问题为例，新能源供给侧与消费侧的信息不对等，将影响新能源消纳水平的提升，构建多元利益主体信息共享机制成为解决问题的关键。可基于区块链分布式记账、多节点共享、防篡改、可追溯等技术优势，将新能源各环节业务数据进行上链溯源管理，打通数据壁垒，保障数据真实有效，对内实现业务的质效提升，对外实现各环节的融通发展。对于区块链技术赋能的供应链金融，可以最大限度降低天然气企业的资金成本和时间成本，提升企业运行效益和效率。

4.3.3 商业模式新业态商业模式新业态包括交通领域“货•车•生产”业态和新型储能形态两个领域。对于交通领域而言，中国石油、中国石化等企业已经形成了建设“人•车•生活”生态圈的共识，但是在商用车这一全新赛道，电动车难以短期内替代柴油车，需要有LNG重型卡车、甲醇重型卡车等共同完成减排任务，且尚未形成成熟的商业模式，可充分挖掘天然气与工业用户的合作潜力，建立货源、用能、产品营销等合作场景，形成新业态。综合能源站加装光伏发电和换电系统，可以作为新型储能的一种，形成新的业态。

表3 生态链层面的天然气与新能源融合

4.3.4 经济内循环新模式

以天然气资源丰富的川渝地区为例，阐释经济内循环的两种新模式。一是川渝地区乙烯工业基础薄弱，当前依靠石脑油等原料制乙烯，产业链锁定在低端且缺口巨大。通过乙烷制乙烯相关产业的发展，可以在高档家装、航空航天、新能源汽车所需先进复合材料、可降解聚合物等方面提升整合产业生态水平[15]，间接体现天然气与新能源的融合发展。虽然当前川渝地区天然气中的乙烷含量还不能实现经济性开发，但未来可以通过新区天然气乙烷含量达标、技术进步使低乙烷含量天然气实现经济性开采来达到发展目标。二是随着川渝地区天然气持续上产，国内天然气化工产业进一步向川渝地区集聚，为大规模工业副产制氢提供可能性，由此带来氢燃料电池汽车大规模发展，成为带动经济循环的新途径。

综上，天然气与新能源的融合思路在经济可行性、技术可行性、技术重要性等方面占据了一个或多个维度，当前可以实施的项目包括天然气发电、综合能源、差压发电和分布式光伏发电，当前有必要开展研究进行技术储备的包括地下原位开采、管道输氢、干热岩资源开发、压缩空气储能和虚拟电厂调度技术。

5 促进天然气与新能源融合发展的建议

5.1 以有为的长期政策提升天然气跨界储备能力

跨界储备指的是将天然气作为水电、新能源发电等跨界能源的储备。在能源领域存在安全、公平、生态的“三元悖论”现象，即难以同时满足能源的经济性、安全性和环保性，又称“能源不可能三角”。自2010年以来，联合国世界能源理事会陆续发布《世界能源三元悖论指数》，对各国进行评价。国家发改委《关于加快推动新型储能发展的指导意见》，要求加快抽水蓄能和新型储能发展。但是，抽水蓄能存在明显的自然条件限制，化学储能不仅安全性要求极高，其储能数量级也欠佳。虽然当前人们认为储能、售配电公司、微电网、虚拟电厂都可以成为电力辅助市场的参与主体，但最能缓解能源“不可能三角”、进行大规模跨界储能的依然是天然气发电。因此，有必要制定政策，系统研究天然气跨界储能的能力，为新型电力系统建设贡献更大力量。

5.2 以开放式创新促进能源融合相关技术的研发

开放式创新是将企业传统封闭的创新模式放开，引入外部创新能力，快速融合新知识、新技术、新能力，同时针对真实用户场景，提升试验效率，缩短调试周期，提升问题反馈效率。开放式创新包括裂变模式和聚变模式两种不同的体系[16]。裂变模式指创新知识产权从高科技源头流到企业和市场，要求核心的产品和业务分裂为新的产品和服务，进而占领更细分市场。例如，天然气发电的核心设备燃气轮机技术，作为“卡脖子”技术制约着行业的发展，目前中国东方电气集团已经成功研发50兆瓦级燃气轮机，可以通过裂变模式，与电力企业、燃气企业共同组成开放式创新联盟，以此形成从微型、轻型到重型的全系列的燃气轮机产品体系。聚变模式是微小的创新个体聚集并发生本质变化，以此发挥人力资本、技术资本和金融资本的协同效益，吸纳更高能的价值创造。以氢能为例，几乎各个技术领域都有大批企业在竞争，通过聚变模式可以有效整合资源，更高效地促进技术研发。总之，天然气行业可以在天然气发电和氢能领域探索发展新空间，依托当前的市场和资源优势，与相关行业以开放式创新方式提升自身技术储备，更好地促进与新能源的融合发展。

5.3 以产业互联网为突破口，强化商业模式研究

天然气行业可以在氢能汽车和综合能源领域以产业互联网为突破口探索新的商业模式。产业互联网与以淘宝、京东为代表的消费互联网在链接对象、发展基础和用户属性方面有着极大不同，产业互联网必须要针对各自专业领域待解决的难点和痛点。LNG重型卡车与氢能汽车有诸多相似性，也有很强互补性。当前氢能产业痛点在于氢能汽车的经济性不强，必须依托产业互联网技术基础，寻找到可以有效整合货源、车源、资金源、平台技术服务和氢能源多方融合的商业模式，才能整合产业链上下游企业，连接多边群体，追求闭环回路的最大化生态系统总体价值[17]。综合能源领域已经成为当前天然气企业转型的重要方向，当前的难点是能源品类之间的耦合发展程度不足，有待于通过数字化手段，实现综合能源服务的低碳化、智能化和定制化，探索出多方共赢、低碳智能的新模式。

5.4 以生态链建设为手段，提升全生态竞争能力

当前是按照供应端的产品来划分业务部门，未来可能按照需求端的服务来设置业务部门，例如由交通业务部门供应油、气、电、氢和甲醇，工业服务部门则供应冷能、热能和天然气等能源及油气化工产品，居民服务部门供应冷热电，金融和工程服务部门提供工程建设及资金服务。由此，在研究不同产品的特性、使用场景和销售规律基础上，通过能源产消者的深度融合、横向先进制造业的跨界融通、数字化平台的开放协同，实现单一能源品类的产品差价盈利模式向全生态链多点盈利模式的转变。

6 结论

“双碳”目标的推进将带来一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，影响中国未来的发展方向。随着碳中和成为全球范围的共识，能源转型成为必然趋势，主要体现在能源供应侧的分散化、能源需求侧的电力化、能源供需交互的数字化和能源技术的低碳化。

在碳中和背景下，天然气产业发展在迎来新发展机遇的同时，将面对天然气作为过渡能源，其需求早于产能达峰的挑战，需要在加大天然气市场增长的同时考虑未来的布局。未来天然气消费可能出现新消费场景，即交通领域呈现“人·车·生活”和“货·车·生产”双生态圈融合态势，工业领域呈现原料、燃料、新材料“三料一体化”方向发展态势，用能领域呈现从多单位独立计量到碳单位综合计量态势。

为应对转型，可以从产品链融合、产业链融合和生态链融合三个领域对天然气与新能源的融合路径进行研究，争取有利的战略位置。应以有为的长期政策提升天然气跨界储备能力，以开放式创新促进能源融合相关技术研发，以工业互联网为突破口强化商业模式研究和以生态链建设为手段提升全生态竞争能力，促进天然气与新能源的融合。