我國頁巖氣發電的經驗借鑒及發展前景分析

馮語晴，楊建華，張菁，高澤，王艷松，金鋒（.中國農業大學信息與電氣工程學院，北京0008；.廣西電力工業勘察設計研究院，南寧500；.國網北京市電力公司，北京000）

我國頁巖氣發電的經驗借鑒及發展前景分析

馮語晴1，楊建華1，張菁2，高澤1，王艷松3，金鋒3
（1.中國農業大學信息與電氣工程學院，北京100083；2.廣西電力工業勘察設計研究院，南寧530022；3.國網北京市電力公司，北京100031）

近10年間，美國頁巖氣產業發展迅速，已引起全世界的關注。同時，隨著中國電力需求的持續快速增長，傳統的煤炭生產和運輸緊張局面反復出現，生態和環境保護形勢日趨嚴峻，亟需加快調整能源結構。介紹了國外一些國家頁巖氣的發展現狀以及在中國資源豐富的頁巖氣開發利用情況，并結合國外頁巖氣發電的經驗和電力發展形勢，探討了頁巖氣發電對溫室氣體排放的影響，分析了在中國發展頁巖氣發電的可行性以及必要性，對中國的頁巖氣發電前景進行了展望。

頁巖氣；發電；溫室氣體排放；經驗借鑒；發展前景

頁巖氣是儲存于富有機質泥頁巖及其夾層中的、以吸附或游離狀態為主要存在方式的一種非常規天然氣[1]。近年來，頁巖氣作為一種清潔、高效的能源資源，在北美成功開發利用，已成為美國低碳經濟的重要支撐[2]。美國頁巖氣產業發展迅速，其頁巖氣革命已引起全世界的關注，世界各國相繼加快開發利用頁巖氣的進程[3]，也為國內頁巖氣開采和利用提供了參考。我國擁有豐富的頁巖氣資源[4-5]，發展前景廣闊，目前正在加大頁巖氣勘探開發推進力度。國家能源局在2012年3月和2013年10月相繼頒布《頁巖氣發展規劃（2011—2015）》[1]和《頁巖氣產業政策》[6]，將通過加快頁巖氣的開發利用，進一步保障能源供應，推動能源體系的低碳化。

我國當前水力發電占有一定比例，核能發電尚處于起步階段，風能、太陽能、生物沼氣等可再生能源發電還不具備大規模應用的充分條件[7-9]，用于發電的一次能源主要依賴煤炭，構建低碳發電機制勢在必行[10]。燃煤發電的制約因素主要是CO2等溫室氣體排放，而天然氣是一種優質、清潔、高效的能源，是今后相當長一個時期內最有開發潛力、最具發展前途的發電能源之一。頁巖氣為天然氣家族的主要成員之一，通過頁巖氣勘查開發，促進燃頁巖氣發電，已成為我國增加發電能力、保障能源安全和實施節能減排的現實選擇。

1　頁巖氣資源與開發

1.1資源現狀

頁巖氣主要分布在盆地內厚度較大、分布較廣的頁巖烴源巖地層中。大部分頁巖分布范圍廣、多層系、普遍含氣，這使得頁巖氣井能夠長期以穩定的速率產氣。

據美國能源信息署（EIA）稱，截止2013年，世界上擁有可開發的頁巖氣資源的國家達到了42個，頁巖氣可采資源總量達到221萬億m3，與常規天然氣資源量相當，主要國家的頁巖氣儲量如表1所示[5]，全球頁巖氣資源量排名前3位國家依次為美國、中國和阿根廷。

表1　世界技術可采頁巖氣儲量Tab.1Technically recoverable shale gas resources in the world

1.2國外開發情況

目前，美國走在頁巖氣開發的前列，在頁巖氣開發方面取得了巨大的成功。雖然美國頁巖氣技術的進步大大降低了開發成本，但從目前來看，頁巖氣開發形勢并不樂觀。美國為了推動頁巖氣的開發，實施了相應的稅收激勵或補貼政策，以德克薩斯州為例，對頁巖氣的開發免征生產稅，實施3.5美分/m3的政府補貼。

2007年美國頁巖氣產量為366億m3，2012年達到2 937億m3，為2007年的8倍[11]，年均增長51.6%。美國頁巖氣占天然氣總產量的比例，已經從2000年的不足1%[12]，上升到2012年39%[13]，預計在2035年達到46%。頁巖氣的大開發，已經顛覆了美國的能源市場，有效提高了美國能源自給水平，美國能源對外依存度降至20世紀80年代以來最低水平，美國在2009年已經超越俄羅斯，成為最大的天然氣生產國，石油進口從2005年占石油總消費量的60%下降到2012年的42%，60年來首次成為煉油產品出口國。在2013年，美國能源進口量進一步回落，能源出口量有較小增幅，凈能源進口量比2012年下降19%[14]，超過近二十年的最低水平。鑒于頁巖氣的開發情況，國際能源署（IEA）在2012年11月份預測[15]：美國在2017年將超過沙特和俄羅斯，成為最大的石油生產國；在2035年，將主要依靠包括頁巖氣在內的廉價天然氣，實現能源自給自足，滿足產業和發電的能源需求。

加拿大是除美國外世界上最早對頁巖氣進行商業化開發的國家。對于頁巖氣開發行業，加拿大政府主要參考了美國的產業政策，給予稅收補貼鼓勵。得益于加拿大國家政策的大力支持，2008年，加拿大天然氣產量已占據北美天然氣市場將近50%的份額，成為世界天然氣第三大生產國和第二大出口國；2012年，加拿大頁巖氣所占天然氣總產量的比例已達15%[13]，預計在2035年達到28%[16]。加拿大頁巖氣開發主要集中在加拿大西部的四個省份，其中，不列顛哥倫比亞省2012年平均每天的頁巖氣產量為5 663萬m3，超過全國頁巖氣總產量的25%[16]，其開發生產能力目前主要受管道基礎設施的制約。

墨西哥北部的頁巖氣資源地似乎與邊境的美國得克薩斯州一處頁巖氣資源地相連，其國家石油和天然氣公司（Pemex）在2010年開始在這里鉆探，這里可能成為墨西哥的第一口頁巖氣生產現場[3]，預計2016年平均每天的頁巖氣產量為566萬m3，2026年上升到3 681萬m3。

為減少對俄羅斯天然氣進口的依賴，波蘭、英國和歐盟都對頁巖氣開發有相當大的興趣。歐洲頁巖氣可采儲量的大約三分之二都集中在波蘭和法國兩個國家。雖然法國禁止開發頁巖氣，但波蘭一直被視為歐洲頁巖氣開發最有潛力的國家，吸引了一些全球最大的頁巖氣生產企業的關注。波蘭政府希望本國成為歐洲最重要的頁巖氣生產者，像目前美國在北美的狀況一樣，并宣布了一項2015年平均每天生產1 133萬m3頁巖氣計劃。

英國政府于2012年11月在議會公布了“能源法案”（energy bill）[17]，力求進行英國電力市場大的改革，爭取大規模投資低碳發電，降低消費者承擔的電能成本。為此，英國政府有意向支持燃氣發電廠建設，并恢復開發本國頁巖氣資源。

歐盟委員會研究了頁巖氣對美國經濟復蘇的影響和對歐洲發展的潛在作用，在2014年1月提出了“2030氣候和能源框架”，同時建議歐盟提供頁巖氣勘探和生產的基本原則[18]。歐盟成員國有18個月的時間來實施一套適合各自國家市場的頁巖氣發展準則。歐洲議會認為，頁巖氣開發和利用是一個必須抓住的機遇，而不是要設法避免的威脅。

目前，全球液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）大部分的新增產能都由美國制造。對日本來說，2011年福島第一核電站災難后，美國不再需要進口LNG，成為了意外福音，大量LNG可以流向日本用于發電，以彌補核電站整體關閉后造成的電力損失?；?012年6月制訂的《資源確保戰略》，日本已將美國的LNG作為主要引進目標[19]，并積極參與從頁巖氣生產、流通到消費各環節的項目開發及設備供應。在美國頁巖氣開發態勢的鼓舞下，日本加大了對非傳統能源勘探開發力度。日本政府2013年3月宣布，在愛知和三重縣交界的水深約1 000 m的海底，從甲烷水合物中成功提取出了高壓天然氣，雖然其目前的開采成本為進口LNG的3倍以上，但周邊海域的甲烷水合物儲量相當于日本近100年的天然氣消費量，在實現商業開采后，必然會極大影響日本的未來能源市場。

1.3國內開發情況

我國富有機質頁巖分布廣泛，南方地區、華北地區和新疆塔里木盆地等發育海相頁巖，華北地區、準噶爾盆地、吐哈盆地、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地和松遼盆地等廣泛發育陸相頁巖，具備頁巖氣成藏條件，資源潛力較大。此外，在我國還有廣泛分布海相頁巖地層、海陸交互相頁巖地層及陸相地層[20]。圖1為我國頁巖氣分布及勘探形勢圖[21]。據我國有關部門的較為保守預測[1]，頁巖氣可采資源量為25萬億m3，超過常規天然氣資源，按照我國目前的能源消費水平可持續提供300年之用，這為我國加快發展頁巖氣發電提供了堅實的資源基礎。隨著經濟的快速發展，我國石油的進口比例從2007年的4.2%一路攀升到2011年的56.5%，而天然氣的對外依存度在2012年超過30%。我國儲量豐富的頁巖氣將能夠顯著緩解我國一次能源對國外的依賴程度。就頁巖氣產量而言，中國有望成為下一個美國，我國政府也正在著手頁巖氣的技術和商業發展。

圖1　中國頁巖氣分布及勘探形勢圖Fig.1The situation map of distribution and exploration areas of shale gas in China

為加快國際間頁巖氣資源評價和技術合作交流，我國與美國于2009年簽署了《中美關于在頁巖氣領域開展合作的諒解備忘錄》。我國石油企業與殼牌公司簽訂富順-永川聯合評價協議，與康菲、?？松梨诠竞陀凸荆˙P）等公司達成聯合研究合作意向協議，參與購得國外部分頁巖氣區塊權益。

我國已經著手對國內頁巖氣的鉆探，主要集中在四川盆地和長江平原。盡管現在的生產效率很低，但卻意義深遠。近幾年，隨著國內頁巖氣開發的快速推進，在借鑒國外先進技術及國內常規油氣開采經驗的基礎上，順利完成了一批頁巖氣井的鉆井、固井及大型壓裂施工作業，為國內頁巖氣的開發積累了初步的經驗。截至2013年3月，全國共實施頁巖氣鉆井83口[22]，主要分布在四川、陜西、重慶等地。據國家能源局報道[23]，中石化公司重慶涪陵國家級示范區頁巖氣井已開鉆27口，完鉆21口，已投入試采水平井10口，平均單井產量15萬m3/天，累計實現商品氣量近7 300萬m3，所產氣烴類含量高達98%，不含硫化氫等有害氣體，開采現場未見環境污染；“十二五”末該示范區計劃建成50億m3/年的產能，年產頁巖氣33億m3。中石油公司長寧-威遠、昭通兩個國家級示范區和富順-永川對外合作區也完鉆頁巖氣評價井39口，累計實現商品氣量7 000萬m3。

2　頁巖氣發電現狀與影響

據EIA的統計顯示，在補貼和成本下降的雙重作用下，美國頁巖氣商業開發應用之后，美國天然氣價格趨降。天然氣居民用價從2006年的最高點6.81美元/千立方英尺降低到了2013年的4.43美元/千立方英尺，下降了53.7%，也導致燃煤發電比例迅速下滑，從2007年到2012年的5年期間，燃煤發電量占年總發電量的比例由48.5%下降了11%，燃氣發電比例上升，如圖2所示[24]。2010年以來的10余年期間，美國超過160個燃煤發電廠的建設計劃被取消，50 GW的燃煤發電機組退役[24]；自2000年以來，燃煤發電量每年平均下降近40 TW·h，而燃氣發電比例逐年增加，每年平均超過50 TW·h。

圖2　美國年發電量Fig.2US electricity net generation

2011年，美國燃氣發電量和燃煤發電量分別占年總發電量的24.7%和42.3%。2012年，因燃氣發電相對于燃煤發電的價格優勢，美國天然氣年發電量激增20.9%，燃氣發電量和燃煤發電量分別占年總發電量的30.3%和37.4%。2013年，隨著天然氣價格的走高，美國煤電市場有所回暖，發電用天然氣比2012年有所下降，燃氣發電量在年總發電量中占比降至27.4%，燃煤發電量增至39.1%[24]。但未來新建設發電廠仍以燃氣發電為主，大量燃煤發電機組即將退役。在2013—2020年期間，將有容量為50 GW的燃煤發電機組退役[25]，約占美國現役燃煤發電機組總容量的1/6。

頁巖氣屬于非常規天然氣，主要成分是甲烷，幾乎不含硫化氫、粉塵及其他有害物質，氣質比常規天然氣更好，對環境的污染比煤和石油小得多。戰略能源分析聯合研究所（JISEA）對頁巖氣發電的生命周期溫室氣體排放進行了研究，結果如圖3所示[26]，采用現代化的燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，頁巖氣發電時每kW·h電能所等值的CO2大約是燃煤發電的一半。

圖3　發電時的生命周期溫室氣體排放估值Fig.3Estimate of life cycle greenhouse gas emissions to generate electricity

由于燃氣發電機組的CO2排放大約是煤電機組的一半，SO2和NOx排放更是遠遠低于煤電機組，因此，美國在頁巖氣大規模開發和產量迅速攀升的情況下，在近期內通過氣電對煤電的替代實現了溫室氣體減排。2012年美國碳排放降至1994年以來最低，如圖4所示[24]，與2007年和2005年相比分別減排13%和10.7%，這意味著2020年前，在2005年基礎上減排17%的目標已經實現一大半。雖然2013年發電用天然氣比2012年有所下降，導致2013年的碳排放有所上升，但并沒有影響美國政府在減排溫室氣體方面的信心。

與美國類似，得益于頁巖氣商業開發導致的天然氣低價，以及溫室氣體排放降低的需求和天然氣供應基礎設施的完善，加拿大同樣是大力發展頁巖氣發電。據加拿大國家能源委員會（NEB）預測[27]，加拿大燃氣發電的總裝機容量將由2012的20 GW提高到2035年的35 GW，大約占到所有新增發電容量的40%，這期間每年的燃氣發電量將增加1倍以上，從2012年的68 TW·h上升到2035年的164 TW·h，燃氣發電在年總發電量中所占比例將從2012年的11%增加到2035年的21%。

圖4　美國能源消耗的年碳排放量Fig.4US carbon dioxide emissions every year from energy consumption

此外，單位容量的燃氣發電廠投資成本最低，如表2所示[25]，建設周期也較短，而且比燃煤或核能發電廠更適合建設靠近用戶的分布式電源，因此，頁巖氣發電在最早商業開發頁巖氣的北美得以快速發展。

表2　主要發電技術的建設成本Tab.2The capital cost of all the major power technologies

2012年全球最大核電運營商法國電力集團（EDF）宣布進一步加強對美國核電的投資，而在一年半之后卻無奈全面退出美國核電市場[28]，其主要原因是該集團低估了頁巖氣發電的發展前景，在美國，電力市場的燃氣發電使得核電競爭力明顯下降。

目前，受頁巖氣商業開發的限制，僅北美有燃頁巖氣的發電廠。為節省更多的原油以增加出口利潤，沙特阿拉伯即將成為北美國家以外首個使用頁巖氣發電的國家[29]。

3　我國頁巖氣發電現狀與前景

3.1我國頁巖氣發電現狀

目前，我國天然氣的利用率較低，主要用作化工行業和居民生活，二者占天然氣總消費的比例超過了5%，造成天然氣資源的浪費，無法充分利用天然氣降低溫室氣體排放。在現有條件下發展頁巖氣發電還存在許多問題。比如燃氣電廠作為非供熱機組，在燃氣供應緊張時段，供氣優先程度低于供熱燃機，經常全廠啟停參加調峰，并且由于天然氣調峰的需要，有時不能嚴格按照調度計劃發電，出現大幅超發或欠發。

此外，我國頁巖氣藏普遍埋藏較深，頁巖氣富集區地表地形復雜，人口密集，工程作業困難，經濟性較差，不利于大規模開采；頁巖氣資源富集區多集中在水資源缺乏的中西部山區，而頁巖氣的開采離不開水，這導致了頁巖氣開采困難、成本高等問題，對頁巖氣發電造成了很大制約[30]。

針對以上問題，在頁巖氣用于發電時要做到以下幾點：一是統籌天然氣資源、能源需求、環境保護和經濟效益，科學制訂發展規劃，確保天然氣分布式能源健康、有序發展；二是合理選擇建設規模，優化系統配置，原則上天然氣分布式能源全年綜合利用效率應高于70%，在低壓配電網就近供應電力。發揮天然氣分布式能源的優勢，兼顧天然氣和電力需求削峰填谷；三是在經濟發達、能源品質要求高的地區或天然氣資源地鼓勵采用熱電冷聯產技術，建立示范工程，通過示范工程積累經驗，為大規模推廣奠定基礎；四是創新天然氣分布式能源政策環境和機制，鼓勵多種主體參與；加強技術研發，推動產學研結合，推動技術進步和裝備制備能力升級。

3.2我國頁巖氣發電前景

隨著我國強化頁巖氣勘探的多方合作、頁巖氣開發技術的不斷成熟和政策的進一步扶持，我國將逐步形成具有自主知識產權的頁巖氣開發技術體系，頁巖氣開發規模將進一步加大。2013年我國頁巖氣開發首次取得實際產能突破，全年產氣量達2億m3。國土資源部和國家能源局均對2014、2015兩年中國頁巖氣產能有樂觀預期。國家能源局2014年1月印發了《2014年能源工作指導意見》[31]，提出2014年我國頁巖氣生產量為15億m3，這意味著2014年我國頁巖氣的產能將提升7倍；而2015年又將在2014年基礎上提升4倍多，達65億m3。預計我國2020年頁巖氣產量將達到600~1 000億m3[12]。商業化開發模式下的頁巖氣價格會不斷下降，也會有效促進頁巖氣發電的發展。

鑒于我國頁巖氣和電力負載的分布情況，頁巖氣發電今后大有可為。我國頁巖氣主要分布在南方地區、華北及東北地區以及西北地區，其中，西南地區的四川盆地、華北及東北地區的鄂爾多斯盆地的頁巖氣地質條件最好，其地理分布和我國華中、南方、華北區域電網的負荷中心分布基本吻合，就地燃頁巖氣發電，可以替代燃煤發電，滿足我國減排溫室氣體的要求。此外，西北地區和內蒙古含有豐富的風力等可再生能源，對于間歇性、隨機性風力發電，就地大規模建設燃頁巖氣發電廠，可以滿足不斷增長的調峰需求，這將有效解決大規模可再生能源發電并網的最大瓶頸問題，對電力系統的安全穩定運行發揮積極作用。

燃氣發電的溫室氣體排放量非常小，在現有的大氣污染管制條件下，可再生能源發電等清潔輔助技術并不具備優勢；在國內燃煤發電依賴率較高、環境壓力過大的情況下，電力行業的氣代煤需求迫切；當前的大規模電能儲存技術離突破性進展尚有一定距離，因此，中國有必要鼓勵本土頁巖氣發電建設。

目前，國內五大發電集團因火電虧損，不斷涉足其他行業，試圖實現多元化發展。中電投集團早在2005年就入主具備頁巖氣勘探開發能力的吉電股份。2011年12月，華能集團與云南曲靖市政府就建設曲靖頁巖氣勘探開發試驗示范區簽署了戰略合作協議。2012年2月，華電集團與湖南省政府簽署《頁巖氣開發利用戰略合作框架協議》。電力企業希望國資委將頁巖氣列入五大發電集團的主業之一，并給予政策支持。發電集團涉足頁巖氣勘探開發，會對頁巖氣核心技術的逐步掌握、燃氣發電發展和可再生能源接納產生一定影響。

我國在發展頁巖氣發電時，除了考慮燃氣發電對核電的沖擊外，還應考慮對可再生能源發電技術的沖擊。頁巖氣發電的大力發展，有可能降低可再生能源發電技術研發的資本投入熱情。電力市場對儲能、分布式調度等技術的需求，主要來自于平滑風力發電和光伏發電的出力曲線。擁有快速調頻、調峰能力的燃氣發電機組，正是這些技術有力的競爭者。

4　結語

發展頁巖氣發電是不可逆轉的世界經濟和能源發展趨勢。我國的頁巖氣資源相當豐富，隨著頁巖氣發電工程的開發投入，可以預見在國家未來的能源格局中，頁巖氣發電的比例將不斷上升、煤電比例逐漸下降。但頁巖氣發電從輔助電源成為主要電源還需要一個長期的過程，這是我國自然資源分布、經濟發展階段和頁巖氣發展特點所決定的。在節能減排和環境保護約束下，隨著國家對頁巖氣開發和利用支持力度的逐漸增強，以及新技術發展和頁巖氣開發成本的降低、性價比的提高，頁巖氣發電必將成為電力工業發展的支柱。

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[30]CHARLES KENNEDY.Saudi arabia to use shale gas for domestic power generation[EB/OL].http://oilprice.com/ Latest-Energy-News/World-News/Saudi-Arabia-to-Use-Shale-Gas-for-Domestic-Power-Generation.html，14 October 2013.

[31]國家發展改革委，財政部，國土資源部，國家能源局.頁巖氣發展規劃（2011-2015）[M].2012.

[32]國家能源局.2014年能源工作指導意見[M].2014.

（編輯徐花榮）

Analysis on Experience and Development Prospect of Shale Gas Power Generation in China

FENG Yuqing1，YANG Jianhua1，ZHANG Jing2，GAO Ze1，WANG Yansong3，JIN Feng3
（1.College of Information and Electrical Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China；2.Guangxi Electric Power Industry Investigation Design and Research Institute，Nanning 530022，Guangxi，China；3.State Grid Corporation Beijing Electric Company，Beijing 100031，China）

The last decade saw a shale gas boom in the United States，which has drawn a great deal of attention from all over the world.At the same time，with continuous growth of electricity demand，tensions in the traditional coal production and transportation have occurred repeatedly and the ecological and environmental protection situation has been getting increasingly grim in China，therefore an urgent need for the structural adjustment of energy.This paper introduces domestic development and utilization status of shale gas at home and abroad and the abundant shale gas resources in China as well.Based on the experience in the shale gas power generation and the change of electric power development situation abroad，the paper discusses effects of the shale gas power generation on reduction of greenhouse gas emissions，and explores the feasibility and the necessity to develop shale gas power generation，and views the domestic prospects of shale gas power generation.

shale gas；power generation；greenhouse gas emissions；experience；development prospect

1674-3814（2015）06-0104-07

TM611，F416.22

A

國家電網公司科技項目（PD17201200045）。

Project Supported by Science and Technology Project of SGCC（PD17201200045）.

2014-05-06

馮語晴（1992—），女，碩士生，主要研究方向為智能配電網等；

楊建華（1963—），男，教授，主要研究方向為電力系統規劃與仿真、新能源發電技術、智能微電網等。