新聞動(dòng)態(tài)News
謝和平院士：碳中和目標下煤炭行業(yè)的三大發(fā)展機遇
-
上一篇：：一周氫能匯（7.13）
一、碳達峰前后美國現代化進(jìn)程與能源消費特征 歐美主要發(fā)達國家在19世紀末、20世紀初完成了工業(yè)化，并開(kāi)啟現代化進(jìn)程。發(fā)達國家在基本實(shí)現現代化后，能源消費與經(jīng)濟發(fā)展脫鉤，能源消費達峰，碳排放開(kāi)始下降。綜合考慮經(jīng)濟體量、產(chǎn)業(yè)結構、人口規模等因素，美國的發(fā)展經(jīng)驗對我國有很好的借鑒意義。
▲美國現代化進(jìn)程及能源消費變化特征
研究人員根據現代化進(jìn)程、能源消費和碳排放趨勢，將美國碳排放分三個(gè)階段：即碳達峰前期（1949—1999年）、碳達峰平臺期（2000—2008年）、碳達峰后期（2009年至今）。依據Tapio彈性分析法對美國能源消耗與GDP增長(cháng)的脫鉤程度進(jìn)行定量分析后，得到如下認識： （1）頁(yè)巖氣革命支撐了美國經(jīng)濟發(fā)展的能源需求，現代化進(jìn)程仍需化石能源。近10年頁(yè)巖氣產(chǎn)量年均增長(cháng)23.4%，支撐天然氣在美國能源消費結構中提高了9個(gè)百分點(diǎn)，化石能源在能源消費結構中占比穩定保持在80%以上。
（2）節能帶動(dòng)現代化進(jìn)程與能源消費脫鉤，是支撐能源達峰、碳排放下降的最核心因素。近10年美國單位GDP能耗年均降速達3.6%，節能相當于增加美國能源供應41.5%，且不增加碳排放。
（3）如光靠新能源增長(cháng)，支撐不起美國經(jīng)濟發(fā)展。近10年美國核能基本不增長(cháng)，可再生能源在能源消費結構中僅增長(cháng)4.4個(gè)百分點(diǎn)。如果扣除頁(yè)巖氣推動(dòng)的天然氣消費增長(cháng)，美國將增加4.6個(gè)百分點(diǎn)的能源供應缺口。 
▲美國GDP、能源消費變化及能源脫鉤狀態(tài)
二、碳中和目標下我國能源發(fā)展路徑 依據現代化進(jìn)程的經(jīng)濟和社會(huì )指標綜合判斷，目前我國現代化程度與美國1950—1970年相當，這一差距要求現代化進(jìn)程持續推進(jìn)，仍然需要能源支撐。 能源領(lǐng)域是我國實(shí)現碳達峰碳中和的核心所在，但不意味著(zhù)要完全退出煤炭，完全退出化石能源。借鑒美國碳達峰前后的能源消費、碳排放強度等基本特征和變化規律，結合我國能源資源稟賦和經(jīng)濟社會(huì )所處發(fā)展階段，碳達峰碳中和目標下，我國能源發(fā)展將主要有三大路徑。 1. 持續提高能源效率，減少能源消費 美國能源消費碳排放強度在碳達峰前期、達峰期下降幅度較小，實(shí)現碳達峰核心是提高能源效率，降低單位GDP能耗，在不大幅度增加能源消費的前提下，支撐經(jīng)濟增長(cháng)。2019年美國單位GDP能耗僅相當于1949年的3.9%。 我國單位GDP能耗自1988年以來(lái)呈現快速下降趨勢，由29.8tce/萬(wàn)美元降低到2019年的3.4tce/萬(wàn)美元，降低了88.6%，但距離世界平均水平和發(fā)達國家還有較大差距，是世界平均水平的1.4~1.5倍，是美國的2倍。若能達到世界平均，每年可少用能13億tce、減排二氧化碳34億t，約占2020年我國碳排放量的1/3。因此，提高能源效率，減少能源消費，是我國實(shí)現碳達峰碳中和的最重要途徑。 
▲中、美單位GDP能耗比較 2. 大力發(fā)展新能源，優(yōu)化電力結構 能源結構優(yōu)化核心是電力結構優(yōu)化。1949—2015年煤炭一直是美國發(fā)電能源的第一大來(lái)源，從2016年起天然氣成為第一大發(fā)電能源，且占比不斷提高。到2020年天然氣發(fā)電占比達到40%，煤炭?jì)H占19%?！?/span> 在碳達峰前期，燃煤發(fā)電在美國的電力結構中占據主導地位，但占比呈下降趨勢，天然氣發(fā)電呈增加趨勢，其它能源發(fā)電占比變化不大。 在碳達峰平臺期，燃煤發(fā)電占比呈現下降趨勢，天然氣發(fā)電占比穩步增加，天然氣發(fā)電對煤炭的替代是推動(dòng)美國碳達峰的重要原因。 在碳達峰后期，燃煤發(fā)電占比由2009年的45.7%迅速降低到2020年的19.9%，降低了25.8個(gè)百分點(diǎn)；天然氣發(fā)電持續增加，由2009年的22.1%增加到2020年的39.3%，增加了17.2個(gè)百分點(diǎn)；可再生能源發(fā)電穩步增加了10.5個(gè)百分點(diǎn)。天然氣和可再生能源持續替代煤炭發(fā)電，支撐了美國碳達峰后期碳排放量下降。 2020年我國電力結構中燃煤發(fā)電量占比大于60%?；诿绹F代化進(jìn)程和碳達峰前后電力結構對比，我國電力結構還有很大優(yōu)化空間。然而，我國天然氣增產(chǎn)有限，難以像美國那樣作為發(fā)電的第一大能源。碳中和目標下，我國應大力發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電技術(shù)，逐步提高非化石能源發(fā)電占比，持續優(yōu)化電力結構。 
▲不同研究機構對我電力需求的預測
3. 增強自給能力，保障能源安全 能源安全穩定供應是一個(gè)國家強盛的保障和安全的基石，美國制定前瞻性的能源戰略并通過(guò)立法長(cháng)期推進(jìn)“能源獨立”。我國油氣對外依存度持續上升，能源安全面臨嚴峻挑戰?；谀茉促Y源稟賦條件，我國不能簡(jiǎn)單復制美國發(fā)展非常規油氣的能源獨立模式，但可借鑒其成功經(jīng)驗。 煤炭具備適應我國能源需求變化的開(kāi)發(fā)能力，具有開(kāi)發(fā)利用的成本優(yōu)勢，煤炭清潔高效轉化技術(shù)經(jīng)過(guò)2005年以來(lái)的“技術(shù)示范”、“升級示范”已趨于成熟，具備短期內形成大規模油氣接續能力的基礎，應當充分發(fā)揮煤炭在平衡能源品種中的作用，推進(jìn)煤炭與油氣耦合發(fā)展，保障我國能源安全。 
▲中美能源自給率比較
三、碳中和目標下煤炭消費主要領(lǐng)域 美國在碳達峰后，煤炭消費長(cháng)期保持在7億~10億t，2018年后才快速下降，到目前5億t左右。德國在1990年碳達峰，煤炭消費多年保持在2億t左右。日本在2013年碳達峰后，煤炭仍長(cháng)期占能源消費的20%以上。美國、德國、日本發(fā)展歷程表明，即使有可替代煤炭的能源，碳達峰后仍然使用煤炭，只是煤炭的用途發(fā)展了變化。
鑒于我國能源資源稟賦和經(jīng)濟社會(huì )所處階段，煤炭消費量占比雖下降，但在能源體系中的“壓艙石”和“穩定器”作用越來(lái)越凸顯。結合發(fā)達國家的發(fā)展歷程，預計我國在2060年完全實(shí)現碳中和后，仍需要煤炭作為電力調峰、碳質(zhì)還原劑以及保障油氣供應安全等。
▲科學(xué)產(chǎn)能對煤炭產(chǎn)量的支撐能力變化
四、碳中和目標下能源消費格局 借鑒美國現代化進(jìn)程、能源消費、碳排放強度等基本特征和變化規律，結合我國能源發(fā)展趨勢和相關(guān)政策，預計今后一段時(shí)期我國能源消費格局變化將主要有三個(gè)階段。
碳中和目標下煤炭與新能源的地位變化
1. 緩慢過(guò)渡期（2021—2030年） 2030年前，適應碳達峰的要求，風(fēng)、光等新能源是滿(mǎn)足能源增量需求的主體，規模增長(cháng)速度快，但是由于基數小，在能源消費結構中的占比提高緩慢，逐步由15%向30%靠近，成為補充能源。而由于我國能源消費保持在較高水平，新能源增量趕不上能源需求增量，煤炭消費量保持平穩或略有增長(cháng)，維持在45億~35億t/a，但是煤炭在能源消費中的占比逐步下降到50%左右，由主體能源轉變?yōu)榛A能源。
2. 關(guān)鍵過(guò)渡期（2031—2050） 2031—2050年，碳達峰后，新能源不僅是滿(mǎn)足能源增量需求的主體，并開(kāi)始替代煤炭等化石能源，新能源在能源消費中的占比提高到30%~49%，成為替代能源。與此同時(shí)，受碳排放約束，煤炭消費一定程度上被替代，煤炭利用逐步向電力調峰、碳質(zhì)還原劑以及保障能源供應安全等集中，煤炭消費量下降到35億~25億t/a，由基礎能源轉變?yōu)楸Ｕ夏茉础?/span>
3. 過(guò)渡結束期（2050—2060） 2050—2060年，隨著(zhù)進(jìn)入碳中和攻堅期，新能源大幅度代替傳統化石能源，新能源在能源消費中的占比提高到50%~80%，成為主體能源。與此同時(shí)，受碳排放約束，煤炭只剩下電力調峰、碳質(zhì)還原劑以及保障能源供應安全等不能被替代的用途，煤炭消費量下降到15億~12億t/a，由保障能源轉變?yōu)橹文茉础?/span>
五、碳中和目標下煤炭行業(yè)發(fā)展機遇 1. 回歸高質(zhì)量發(fā)展的機遇
煤炭行業(yè)70年負載運行，超負荷生產(chǎn)，為經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展貢獻了925億t煤炭產(chǎn)品。煤炭行業(yè)專(zhuān)家學(xué)者早在20世紀末就提出推進(jìn)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的愿望，錢(qián)鳴高院士提出，“在地質(zhì)條件好的情況下同樣產(chǎn)出10億噸煤，中美百萬(wàn)噸死亡率差不多。但是油氣、可再生能源上不來(lái)，我國的煤炭產(chǎn)能就必須擴大到30億噸，必須開(kāi)采地質(zhì)條件不好的20億噸，因此問(wèn)題就出現了”。為了滿(mǎn)足高產(chǎn)能的要求，煤炭行業(yè)做出了巨大努力，1/3依靠適應國情的新技術(shù)和世界一流的煤礦，1/3依靠一般技術(shù)的煤礦，而另外的1/3則依靠技術(shù)水平低、安全差的煤礦。錢(qián)鳴高院士研究認為，按照目前煤炭行業(yè)的技術(shù)水平，我國煤炭產(chǎn)量在25億~30億t比較合適。 碳達峰碳中和目標下，煤炭行業(yè)可放下產(chǎn)量增長(cháng)的包袱，從擴大產(chǎn)能產(chǎn)量追求粗放性效益為第一目標的增量時(shí)代，邁向更加重視生產(chǎn)、加工、儲運、消費全過(guò)程安全性、綠色性、低碳性、經(jīng)濟性的存量時(shí)代，快速提升發(fā)展質(zhì)量。
2. 煤炭行業(yè)升級高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的機遇 2015年以來(lái)，積極把握經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的態(tài)勢，煤炭行業(yè)主動(dòng)提出煤炭革命、自我革命。大量高校、科研院所已開(kāi)始研究，一些研究團隊取得了一定進(jìn)展，但尚未取得重大突破。深圳大學(xué)提出了一種可適用于現場(chǎng)施工的固體資源流態(tài)化開(kāi)采新方法-迴行開(kāi)采結構及方法，進(jìn)行深部煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采時(shí)只需布置一個(gè)水平大巷和一個(gè)流態(tài)化資源井下中轉站，不需要建設用于煤炭提升、運輸的井巷。中國礦業(yè)大學(xué)提出了鉆井式煤與瓦斯物理流態(tài)化同采方法，通過(guò)地面鉆井對突出等煤層實(shí)施高壓射流原位破煤，碎煤顆粒以流態(tài)形式輸運至地面，同時(shí)涌出瓦斯經(jīng)鉆井抽采利用，并將地面固廢材料回填至采煤空穴，實(shí)現近零生態(tài)損害的煤與瓦斯協(xié)同開(kāi)采，顛覆傳統的煤炭井工開(kāi)采模式。 碳達峰碳中和目標倒逼煤炭行業(yè)改變過(guò)去幾十年引進(jìn)-消化-吸收-再創(chuàng )新的路徑延續式創(chuàng )新模式，煤炭行業(yè)將迎來(lái)實(shí)現顛覆性創(chuàng )新的機遇，可以集聚優(yōu)勢創(chuàng )新資源，輕裝上陣主攻技術(shù)裝備，早日成為高精尖技術(shù)產(chǎn)業(yè)。
3. 搶占新能源主陣地的機遇 煤炭與可再生能源具有良好的互補性。煤炭的主要利用方式是發(fā)電，可再生能源利用的主要方式也是發(fā)電，燃煤發(fā)電與可再生能源發(fā)電優(yōu)化組合，可充分利用燃煤發(fā)電的穩定性，為可再生能源平抑波動(dòng)提供基底，規避可再生能源發(fā)電的不穩定性；利用可再生能源的碳綜合能力，為燃煤發(fā)電提供碳減排途徑，在很大程度上減輕單純燃煤發(fā)電的碳減排壓力。除了電力外，煤炭與可再生能源在燃燒和化學(xué)轉化方面的耦合，也逐步形成模式，突破了一系列技術(shù)，為煤炭與可再生能源深度耦合提供了良好基礎。 過(guò)去很多年，煤炭企業(yè)發(fā)展新能源基礎弱，也沒(méi)有動(dòng)力、決心，碳中和目標倒逼煤炭企業(yè)主動(dòng)發(fā)展新能源，進(jìn)入新能源主陣地?？梢猿浞职l(fā)揮煤礦區優(yōu)勢，以煤電為核心，與太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)電協(xié)同發(fā)展，構建多能互補的清潔能源系統，將煤礦區建設成為地面-井下一體化的風(fēng)、光、電、熱、氣多元協(xié)同的清潔能源基地。 
▲煤炭大比例接續油氣的路徑 六、展 望 最后，研究人員進(jìn)行了展望，今后應把握碳達峰碳中和目標為煤炭行業(yè)留出降低發(fā)展速度、提升發(fā)展質(zhì)量的時(shí)間和空間，抓住帶給煤炭行業(yè)的轉型機遇，碳達峰碳中和進(jìn)程也將是煤炭行業(yè)轉型升級乃至顛覆式發(fā)展的過(guò)程。實(shí)現碳中和后，有望：
（1）煤炭成為精品。雖然產(chǎn)量降低，但是價(jià)格回歸到應有的本真價(jià)值，反映地表無(wú)塌陷、生態(tài)無(wú)損傷條件下的綠色低碳煤炭生產(chǎn)完全成本。
（2）煤礦成為現代化能源供應系統。按需靈活生產(chǎn)煤炭、電力、碳材料等，井下巷道儲能，平抑可再生能源波動(dòng)，煤炭與可再生能源互補，穩定供應清潔能源。
（3）煤礦區成為零碳/負碳清潔能源生產(chǎn)基地。地下空間碳固化、碳封存，就地處置煤炭利用產(chǎn)生的二氧化碳；地面可再生能源利用，零碳排放；礦區植被形成碳匯，負碳排放。
（4）煤炭企業(yè)成為清潔能源和高端材料供應商。煤炭企業(yè)將成為新能源開(kāi)發(fā)的主陣地、煤基高端碳材料的引領(lǐng)者。
來(lái)源：煤炭學(xué)報
下一篇：：生態(tài)環(huán)境部：將于7月啟動(dòng)全國碳排放權交易市場(chǎng)上線(xiàn)交易
