科學(xué)研判碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和煤炭消費(fèi)演變趨勢，采取正確的應(yīng)對措施，是實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和、能源安全穩(wěn)定供應(yīng)雙重目標(biāo)的客觀要求。
近日，謝和平院士團(tuán)隊在系統(tǒng)分析美國等發(fā)達(dá)國家碳達(dá)峰前后現(xiàn)代化進(jìn)程與能源消費(fèi)特征的基礎(chǔ)上，研判了我國能源消費(fèi)格局演變趨勢及不同時段煤炭消費(fèi)規(guī)模，指出了碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)將給煤炭行業(yè)帶來的三大發(fā)展機(jī)遇。7月13日，這項成果以《碳中和目標(biāo)下煤炭行業(yè)發(fā)展機(jī)遇》為題在《煤炭學(xué)報》進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)首發(fā)。
一、碳達(dá)峰前后美國現(xiàn)代化進(jìn)程與能源消費(fèi)特征
歐美主要發(fā)達(dá)國家在19世紀(jì)末、20世紀(jì)初完成了工業(yè)化，并開啟現(xiàn)代化進(jìn)程。發(fā)達(dá)國家在基本實現(xiàn)現(xiàn)代化后，能源消費(fèi)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤，能源消費(fèi)達(dá)峰，碳排放開始下降。綜合考慮經(jīng)濟(jì)體量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口規(guī)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(xiàn)代化進(jìn)程及能源消費(fèi)變化特征
研究人員根據(jù)現(xiàn)代化進(jìn)程、能源消費(fèi)和碳排放趨勢，將美國碳排放分三個階段：即碳達(dá)峰前期(1949—1999年)、碳達(dá)峰平臺期(2000—2008年)、碳達(dá)峰后期(2009年至今)。依據(jù)Tapio彈性分析法對美國能源消耗與GDP增長的脫鉤程度進(jìn)行定量分析后，得到如下認(rèn)識：
(1)頁巖氣革命支撐了美國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源需求，現(xiàn)代化進(jìn)程仍需化石能源。近10年頁巖氣產(chǎn)量年均增長23.4%，支撐天然氣在美國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中提高了9個百分點(diǎn)，化石能源在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比穩(wěn)定保持在80%以上。
(2)節(jié)能帶動現(xiàn)代化進(jìn)程與能源消費(fèi)脫鉤，是支撐能源達(dá)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(dá)3.6%，節(jié)能相當(dāng)于增加美國能源供應(yīng)41.5%，且不增加碳排放。
(3)如光靠新能源增長，支撐不起美國經(jīng)濟(jì)發(fā)展。近10年美國核能基本不增長，可再生能源在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中僅增長4.4個百分點(diǎn)。如果扣除頁巖氣推動的天然氣消費(fèi)增長，美國將增加4.6個百分點(diǎn)的能源供應(yīng)缺口。
▲美國GDP、能源消費(fèi)變化及能源脫鉤狀態(tài)
二、碳中和目標(biāo)下我國能源發(fā)展路徑
依據(jù)現(xiàn)代化進(jìn)程的經(jīng)濟(jì)和社會指標(biāo)綜合判斷，目前我國現(xiàn)代化程度與美國1950—1970年相當(dāng)，這一差距要求現(xiàn)代化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)，仍然需要能源支撐。
能源領(lǐng)域是我國實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的核心所在，但不意味著要完全退出煤炭，完全退出化石能源。借鑒美國碳達(dá)峰前后的能源消費(fèi)、碳排放強(qiáng)度等基本特征和變化規(guī)律，結(jié)合我國能源資源稟賦和經(jīng)濟(jì)社會所處發(fā)展階段，碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下，我國能源發(fā)展將主要有三大路徑。
1. 持續(xù)提高能源效率，減少能源消費(fèi)
美國能源消費(fèi)碳排放強(qiáng)度在碳達(dá)峰前期、達(dá)峰期下降幅度較小，實現(xiàn)碳達(dá)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(fèi)的前提下，支撐經(jīng)濟(jì)增長。2019年美國單位GDP能耗僅相當(dāng)于1949年的3.9%。
我國單位GDP能耗自1988年以來呈現(xiàn)快速下降趨勢，由29.8tce/萬美元降低到2019年的3.4tce/萬美元，降低了88.6%，但距離世界平均水平和發(fā)達(dá)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(dá)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(fèi)，是我國實現(xiàn)碳達(dá)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(jié)構(gòu)
能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化核心是電力結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1949—2015年煤炭一直是美國發(fā)電能源的第一大來源，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(dá)到40%，煤炭僅占19%。
在碳達(dá)峰前期，燃煤發(fā)電在美國的電力結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)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(dá)峰平臺期，燃煤發(fā)電占比呈現(xiàn)下降趨勢，天然氣發(fā)電占比穩(wěn)步增加，天然氣發(fā)電對煤炭的替代是推動美國碳達(dá)峰的重要原因。
在碳達(dá)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個百分點(diǎn);天然氣發(fā)電持續(xù)增加，由2009年的22.1%增加到2020年的39.3%，增加了17.2個百分點(diǎn);可再生能源發(fā)電穩(wěn)步增加了10.5個百分點(diǎn)。天然氣和可再生能源持續(xù)替代煤炭發(fā)電，支撐了美國碳達(dá)峰后期碳排放量下降。
2020年我國電力結(jié)構(gòu)中燃煤發(fā)電量占比大于60%?；诿绹F(xiàn)代化進(jìn)程和碳達(dá)峰前后電力結(jié)構(gòu)對比，我國電力結(jié)構(gòu)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(biāo)下，我國應(yīng)大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電技術(shù)，逐步提高非化石能源發(fā)電占比，持續(xù)優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)。
▲不同研究機(jī)構(gòu)對我電力需求的預(yù)測
3. 增強(qiáng)自給能力，保障能源安全
能源安全穩(wěn)定供應(yīng)是一個國家強(qiáng)盛的保障和安全的基石，美國制定前瞻性的能源戰(zhàn)略并通過立法長期推進(jìn)“能源獨(dú)立”。我國油氣對外依存度持續(xù)上升，能源安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?；谀茉促Y源稟賦條件，我國不能簡單復(fù)制美國發(fā)展非常規(guī)油氣的能源獨(dú)立模式，但可借鑒其成功經(jīng)驗。
煤炭具備適應(yīng)我國能源需求變化的開發(fā)能力，具有開發(fā)利用的成本優(yōu)勢，煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化技術(shù)經(jīng)過2005年以來的“技術(shù)示范”、“升級示范”已趨于成熟，具備短期內(nèi)形成大規(guī)模油氣接續(xù)能力的基礎(chǔ)，應(yīng)當(dāng)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(biāo)下煤炭消費(fèi)主要領(lǐng)域
美國在碳達(dá)峰后，煤炭消費(fèi)長期保持在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(dá)峰，煤炭消費(fèi)多年保持在2億t左右。日本在2013年碳達(dá)峰后，煤炭仍長期占能源消費(fèi)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(dá)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(jì)社會所處階段，煤炭消費(fèi)量占比雖下降，但在能源體系中的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”作用越來越凸顯。結(jié)合發(fā)達(dá)國家的發(fā)展歷程，預(yù)計我國在2060年完全實現(xiàn)碳中和后，仍需要煤炭作為電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑以及保障油氣供應(yīng)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(biāo)下能源消費(fèi)格局
借鑒美國現(xiàn)代化進(jìn)程、能源消費(fèi)、碳排放強(qiáng)度等基本特征和變化規(guī)律，結(jié)合我國能源發(fā)展趨勢和相關(guān)政策，預(yù)計今后一段時期我國能源消費(fèi)格局變化將主要有三個階段。
碳中和目標(biāo)下煤炭與新能源的地位變化
1. 緩慢過渡期(2021—2030年)
2030年前，適應(yīng)碳達(dá)峰的要求，風(fēng)、光等新能源是滿足能源增量需求的主體，規(guī)模增長速度快，但是由于基數(shù)小，在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比提高緩慢，逐步由15%向30%靠近，成為補(bǔ)充能源。而由于我國能源消費(fèi)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(fèi)量保持平穩(wěn)或略有增長，維持在45億~35億t/a，但是煤炭在能源消費(fèi)中的占比逐步下降到50%左右，由主體能源轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)能源。
2. 關(guān)鍵過渡期(2031—2050)
2031—2050年，碳達(dá)峰后，新能源不僅是滿足能源增量需求的主體，并開始替代煤炭等化石能源，新能源在能源消費(fèi)中的占比提高到30%~49%，成為替代能源。與此同時，受碳排放約束，煤炭消費(fèi)一定程度上被替代，煤炭利用逐步向電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑以及保障能源供應(yīng)安全等集中，煤炭消費(fèi)量下降到35億~25億t/a，由基礎(chǔ)能源轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｕ夏茉础?/p>
3. 過渡結(jié)束期(2050—2060)
2050—2060年，隨著進(jìn)入碳中和攻堅期，新能源大幅度代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源，新能源在能源消費(fèi)中的占比提高到50%~80%，成為主體能源。與此同時，受碳排放約束，煤炭只剩下電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑以及保障能源供應(yīng)安全等不能被替代的用途，煤炭消費(fèi)量下降到15億~12億t/a，由保障能源轉(zhuǎn)變?yōu)橹文茉础?/p>
五、碳中和目標(biāo)下煤炭行業(yè)發(fā)展機(jī)遇
1. 回歸高質(zhì)量發(fā)展的機(jī)遇
煤炭行業(yè)70年負(fù)載運(yùn)行，超負(fù)荷生產(chǎn)，為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展貢獻(xiàn)了925億t煤炭產(chǎn)品。煤炭行業(yè)專家學(xué)者早在20世紀(jì)末就提出推進(jìn)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的愿望，錢鳴高院士提出，“在地質(zhì)條件好的情況下同樣產(chǎn)出10億噸煤，中美百萬噸死亡率差不多。但是油氣、可再生能源上不來，我國的煤炭產(chǎn)能就必須擴(kuò)大到30億噸，必須開采地質(zhì)條件不好的20億噸，因此問題就出現(xiàn)了”。為了滿足高產(chǎn)能的要求，煤炭行業(yè)做出了巨大努力，1/3依靠適應(yīng)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。錢鳴高院士研究認(rèn)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(dá)峰碳中和目標(biāo)下，煤炭行業(yè)可放下產(chǎn)量增長的包袱，從擴(kuò)大產(chǎn)能產(chǎn)量追求粗放性效益為第一目標(biāo)的增量時代，邁向更加重視生產(chǎn)、加工、儲運(yùn)、消費(fèi)全過程安全性、綠色性、低碳性、經(jīng)濟(jì)性的存量時代，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(jī)遇
2015年以來，積極把握經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的態(tài)勢，煤炭行業(yè)主動提出煤炭革命、自我革命。大量高校、科研院所已開始研究，一些研究團(tuán)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(xiàn)場施工的固體資源流態(tài)化開采新方法-迴行開采結(jié)構(gòu)及方法，進(jìn)行深部煤炭資源流態(tài)化開采時只需布置一個水平大巷和一個流態(tài)化資源井下中轉(zhuǎn)站，不需要建設(shè)用于煤炭提升、運(yùn)輸?shù)木?。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，通過地面鉆井對突出等煤層實施高壓射流原位破煤，碎煤顆粒以流態(tài)形式輸運(yùn)至地面，同時涌出瓦斯經(jīng)鉆井抽采利用，并將地面固廢材料回填至采煤空穴，實現(xiàn)近零生態(tài)損害的煤與瓦斯協(xié)同開采，顛覆傳統(tǒng)的煤炭井工開采模式。
碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)倒逼煤炭行業(yè)改變過去幾十年引進(jìn)-消化-吸收-再創(chuàng)新的路徑延續(xù)式創(chuàng)新模式，煤炭行業(yè)將迎來實現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新的機(jī)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(jī)遇
煤炭與可再生能源具有良好的互補(bǔ)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(wěn)定性，為可再生能源平抑波動提供基底，規(guī)避可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)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?nèi)济喊l(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(zhuǎn)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(chǔ)。
過去很多年，煤炭企業(yè)發(fā)展新能源基礎(chǔ)弱，也沒有動力、決心，碳中和目標(biāo)倒逼煤炭企業(yè)主動發(fā)展新能源，進(jìn)入新能源主陣地?？梢猿浞职l(fā)揮煤礦區(qū)優(yōu)勢，以煤電為核心，與太陽能發(fā)電、風(fēng)電協(xié)同發(fā)展，構(gòu)建多能互補(bǔ)的清潔能源系統(tǒng)，將煤礦區(qū)建設(shè)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(xù)油氣的路徑
六、展 望
最后，研究人員進(jìn)行了展望，今后應(yīng)把握碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)為煤炭行業(yè)留出降低發(fā)展速度、提升發(fā)展質(zhì)量的時間和空間，抓住帶給煤炭行業(yè)的轉(zhuǎn)型機(jī)遇，碳達(dá)峰碳中和進(jìn)程也將是煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級乃至顛覆式發(fā)展的過程。實現(xiàn)碳中和后，有望：
(1)煤炭成為精品。雖然產(chǎn)量降低，但是價格回歸到應(yīng)有的本真價值，反映地表無塌陷、生態(tài)無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(xiàn)代化能源供應(yīng)系統(tǒng)。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，煤炭與可再生能源互補(bǔ)，穩(wěn)定供應(yīng)清潔能源。
(3)煤礦區(qū)成為零碳/負(fù)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(qū)植被形成碳匯，負(fù)碳排放。
(4)煤炭企業(yè)成為清潔能源和高端材料供應(yīng)商。煤炭企業(yè)將成為新能源開發(fā)的主陣地、煤基高端碳材料的引領(lǐng)者。
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