近日，中國工程院院士謝和平在《煤炭學報》上發(fā)表了題為《碳中和目標下煤炭行業(yè)機遇》的論文。論文分析了美國碳達峰前后現(xiàn)代化進程、能源消費、碳排放強度等基本特征和變化規(guī)律，提出我國能源優(yōu)化發(fā)展的三大路徑：持續(xù)提高能源效率，減少能源消費；大力發(fā)展新能源，優(yōu)化電力結構；增強能源自給能力，保障能源安全。論文研判了我國能源消費格局演變趨勢及不同時段煤炭消費規(guī)模，即我國能源消費格局演變分為三個階段，煤炭由基礎能源（2021~2030年）、保障能源（2031~2050年）轉向支撐能源（2051~2060年），新能源對應由補充能源、替代能源成為主體能源。論文闡明，即使全面實現(xiàn)了碳中和，仍需要煤炭作為電力調峰、碳質還原劑和保障能源安全的兜底能源；碳中和目標下，我國煤炭行業(yè)將迎來三大機遇，即實現(xiàn)煤炭高質量發(fā)展的機遇、煤炭升級高技術產業(yè)的機遇、煤炭搶占新能源主陣地的機遇。
就此，本報記者對謝和平院士進行了專訪。
“雙碳”目標下，我們能源需求總量將呈現(xiàn)怎樣的發(fā)展趨勢？
謝和平：從GDP、產業(yè)結構、就業(yè)結構、城鎮(zhèn)人口占比等經濟社會指標綜合來看，目前我國現(xiàn)代化程度與美國1950~1970年相當。我國現(xiàn)代化進程的持續(xù)推進仍然需要強勁的能源支撐。除了個別異常年份外，改革開放以來，我國能源消費彈性系數(shù)一直維持在0.5左右，充分顯示了我國經濟增長與能源消費唇齒相依的關系。主要發(fā)達國家的歷史經驗表明，在工業(yè)化階段和現(xiàn)代化的前期階段，能源消費彈性系數(shù)維持在較高水平。按照《國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出的“到2035年基本實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化”的目標，若屆時人均GDP達到3萬美元左右的中等發(fā)達國家水平，我國GDP將增長到200萬億元以上。即使能源消費彈性系數(shù)保持在美國1949~1999年0.31左右的水平，到2035年我國能源需求也將接近60億噸標準煤，單位GDP能耗與美國2019年相當。預計人均GDP達到3萬美元后，經濟增長開始與能源消費脫鉤，我國能源消費量先保持穩(wěn)定而后有所下降，預計到2060年仍保持在55~60億噸標準煤。
“雙碳”目標下，我國能源優(yōu)化發(fā)展有哪些路徑？
謝和平：能源轉型是我國實現(xiàn)“雙碳”目標的核心所在，但不意味著要完全退出煤炭，完全退出化石能源。借鑒美國碳達峰前后的能源消費、碳排放強度等基本特征和變化規(guī)律，結合我國能源資源稟賦和經濟社會所處發(fā)展階段，“雙碳”目標下，我國能源發(fā)展將主要有三大路徑。
一是持續(xù)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、碳達峰平臺期下降幅度較小，實現(xiàn)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，支撐經濟增長。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年以來呈現(xiàn)快速下降趨勢，由29.8噸標準煤/萬美元降低到2019年的3.4噸標準煤/萬美元，降低了88.6%，但仍是世界平均水平的1.4~1.5倍，是美國的2倍。若能達到世界平均水平，每年可少用能13億噸標準煤，減排二氧化碳34億噸，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，是我國實現(xiàn)碳達峰碳中和的最重要途徑。
二是大力發(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)電能源的第一大來源，從2016年起天然氣成為第一大發(fā)電能源。到2020年，天然氣發(fā)電占比達到40%，可再生能源占21%，核電占19%，燃煤發(fā)電19%，化石能源仍占59%。在碳達峰前期，燃煤發(fā)電在美國的電力結構中占據(jù)主導地位，但占比呈下降趨勢，天然氣發(fā)電呈增加趨勢，其他能源發(fā)電占比變化不大。在碳達峰平臺期，燃煤發(fā)電占比呈現(xiàn)下降趨勢，天然氣發(fā)電占比穩(wěn)步增加，天然氣對煤炭的替代是推動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%，天然氣發(fā)電由2009年的22.1%增加到2020年的39.3%，可再生能源發(fā)電穩(wěn)步增加了10.5個百分點。天然氣和可再生能源持續(xù)替代煤炭發(fā)電，支撐了美國碳達峰后期碳排放量下降。
近年來，我國大力發(fā)展新能源技術，非化石能源發(fā)電在我國電力結構中的占比顯著上升，但依然沒有改變我國以煤電為主的電力結構，2020年我國電力結構中火電發(fā)電量占比大于60%。與美國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，我國天然氣增產有限，難以像美國那樣作為發(fā)電的第一大能源。“雙碳”目標下，我國應大力發(fā)展風能、太陽能、地熱能等可再生能源發(fā)電技術，逐步提高非化石能源發(fā)電占比，持續(xù)優(yōu)化電力結構。
三是增強自給能力，保障能源安全。
能源安全穩(wěn)定供應是一個國家強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“能源獨立”。自1973年尼克松總統(tǒng)提出能源獨立計劃，此后歷屆美國政府均將能源獨立作為能源政策的重要內容。2020年，美國的能源自給率達到103%。
我國油氣對外依存度持續(xù)上升，能源安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)?；谀茉促Y源稟賦條件，我國不能簡單復制美國發(fā)展非常規(guī)油氣的能源獨立模式，但可借鑒其成功經驗。煤炭具備適應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，煤炭清潔高效轉化技術經過2005年以來的“技術示范”“升級示范”已較為成熟，具備短期內形成大規(guī)模油氣接續(xù)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，推進煤炭與油氣和新能源互補耦合發(fā)展，保障我國能源安全。
“雙碳”目標下，我國能源消費格局將如何演變？
謝和平：借鑒美國等西方國家現(xiàn)代化進程、能源消費、碳排放強度等基本特征和變化規(guī)律，結合我國能源發(fā)展趨勢和相關政策，預計今后一段時期我國能源消費格局變化將主要有三個階段。
第一階段是緩慢過渡期（2021~2030年）。適應碳達峰的要求，風、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。而由于我國支撐經濟社會發(fā)展的能源需求持續(xù)增長，新能源增量很難趕上能源需求增量，煤炭消費量保持平穩(wěn)或略有增長，維持在45~35億噸/年，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。
第二階段是關鍵過渡期（2031~2050）。新能源不僅是滿足能源增量需求的主體，并且開始替代化石能源，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，受碳排放約束，煤炭消費一定程度上被替代，逐步轉變?yōu)殡娏φ{峰、碳質還原劑以及保障經濟運行的能源平穩(wěn)安全供應等兜底能源，煤炭消費量下降到35~25億噸/年，由基礎能源轉變?yōu)楸Ｕ夏茉础?/span>
第三階段是過渡結束期（2050~2060）。隨著進入碳中和攻堅期，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，煤炭只剩下電力調峰、碳質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15~12億噸/年，由保障能源轉變?yōu)橹文茉础?/span>
“雙碳”目標實現(xiàn)后，我國哪些領域還將需要煤炭？
謝和平：美國在2007年碳達峰后，煤炭年消費長期保持在7~10億噸，2018年后才快速下降，到目前為5億噸左右。德國在1990年碳達峰后，煤炭消費多年保持在2億噸左右。日本在2013年碳達峰后，煤炭仍長期占能源消費的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，碳達峰后仍然會使用煤炭，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濟社會所處階段，煤炭消費量占比雖下降，但煤炭在能源體系中的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”作用越來越凸顯。在不考慮CCS/CCUS技術進步緩解煤炭利用碳排放約束的情況下，借鑒發(fā)達國家的發(fā)展歷程，預計我國在2060年完全實現(xiàn)碳中和后，仍需要煤炭作為電力調峰、碳質還原劑以及保障油氣供應安全的兜底能源。
碳中和后仍需要燃煤發(fā)電作為調峰電源平抑電力波動。
碳中和目標下，風、光等可再生能源發(fā)電成為增量電力供應的主要來源，煤炭單純作為電力來源的需求將逐步下降。然而，受氣候、天氣、光照等人為不可控的自然條件影響，可再生能源波動性較大，提供的主要是能源量，能源供應和調節(jié)能力有限。可再生能源大比例接入電網(wǎng)，將給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴峻挑戰(zhàn)，需要燃煤發(fā)電作為調峰電源平抑電力波動。
我國2020年燃煤發(fā)電量占比降到60.8%，未來燃煤發(fā)電在電力結構中占比的下降速度將取決于可再生能源電量對煤電的替代、可再生能源電力對煤電調峰的需求兩個方面。即使可再生能源最大能力發(fā)展，到2060年實現(xiàn)碳中和后，煤炭不再單純作為電力來源，僅作為電力調峰的形式存在，按可再生能源電力調峰需求一半由燃煤發(fā)電來滿足，我國燃煤發(fā)電裝機規(guī)模仍需保持3~4億千瓦，年耗煤量3.9~6.4億噸。
碳中和前后我國鋼鐵生產的碳質還原劑還將主要由煤炭提供。
鋼鐵是現(xiàn)代化進程中的必需品，煤炭是煉鋼所需碳質還原劑的最主要來源。雖然氫能被寄予厚望，但是目前全球氫冶金技術尚處于研發(fā)、試驗階段，據(jù)預測，到2050年前后高純氫能冶煉鋼鐵可實現(xiàn)工業(yè)化。我國雖然出臺了一系列政策推動氫能產業(yè)健康發(fā)展，但政策主要著力于交通領域，在工業(yè)領域的應用還處于政策制定和規(guī)劃之中。因此，到2060年實現(xiàn)碳中和前后，我國鋼鐵生產的碳質還原劑還將主要由煤炭提供。
自2017年我國推進供給側結構性改革及收緊廢鋼進口政策，國產廢鋼的利用得到快速發(fā)展，廢鋼煉鋼比由2017年的17.8%，增加到2020年的21.2%，但仍遠低于美國的72.1%和世界平均水平的48.3%。假設未來40年我國的人均粗鋼表觀需求量達到美國能源信息署公布的美國1980~2020年的水平，我國廢鋼煉鋼比在2050年前后達到70%~80%后保持穩(wěn)定，預計到2060年碳中和前后，我國作為碳質還原劑的煤炭需求仍將為3.0~3.7億噸。
碳中和后為緩解油氣對外依存度，仍需煤炭保障能源安全。這是我國特有的能源資源稟賦所決定的。
近20年來，我國油氣消費日益增長，油氣進口不斷加大，對外依存度逐年提高，2020年已上升到73%和43%，油氣的安全穩(wěn)定供應已成為我國能源安全的核心問題。從能源安全的視角，我們團隊完成了《緩解油氣對外依存度的煤炭作為研究》課題研究，聚類歸納出煤炭接續(xù)油氣的主要路徑，分析評估了煤炭接續(xù)油氣的發(fā)展?jié)摿ΓA測到2060年緩解油氣對外依存度的煤炭需求將達到4.9~5.2億噸。
綜合測算，到2060年，我國年煤炭需求量為11.8~15.3億噸。
提出挑戰(zhàn)的同時，“雙碳”目標給煤炭行業(yè)帶來了哪些機遇？
謝和平：我國曾多次出臺政策措施減少煤炭消費，但效果并不明顯。經濟社會發(fā)展對煤炭的高強度持續(xù)需求，推動了煤炭行業(yè)被動式超負荷運行。“雙碳”目標促進煤炭消費減量，帶動煤炭生產強度下降，給煤炭行業(yè)帶來發(fā)展空間受限的嚴峻挑戰(zhàn)，也為煤炭行業(yè)留出降低發(fā)展速度、提升發(fā)展質量的時間和空間，給煤炭行業(yè)帶來轉型發(fā)展的機遇。
一是回歸高質量發(fā)展的機遇。
煤炭行業(yè)70年負載運行，超負荷生產，為經濟社會發(fā)展貢獻了925億噸煤炭產品，在支撐經濟社會快速發(fā)展的同時，也帶來了一系列嚴重的問題。一些煤礦高負荷甚至超能力生產，安全生產事故時有發(fā)生。井下工程和采空區(qū)規(guī)模超出地質承載力，嚴重破壞了地下水系，造成大面積地表沉陷和植被破壞。
煤炭行業(yè)專家學者早在20世紀末就提出推進煤炭行業(yè)高質量發(fā)展的愿望。中國工程院院士錢鳴高等提出煤炭科學開采和建設科學產能，應該根據(jù)地質條件、技術水平建設科學產能，煤炭產量控制在合理規(guī)模。我們團隊也提出涵蓋生產安全度、生產綠色度、生產機械化程度三個層面的科學產能評價指標體系，經評價，2010年全國煤炭生產總量34.28億噸，其中符合科學產能標準的是10.78億噸，僅占比31%；到2020年，全國煤炭生產總量39億噸，其中符合科學產能標準的接近30億噸，占比71%。
盡管目前科學產能的理念已被廣泛接受，但是建設步伐不及預期。碳達峰碳中和目標下，煤炭行業(yè)可放下產量超負荷增長的包袱，回歸到合理規(guī)模，走自己的高質量發(fā)展之路，這為煤炭行業(yè)回歸高端發(fā)展提供了難得機遇。煤炭行業(yè)需要盡快從擴大產能產量追求粗放型效益為第一目標的增量時代，邁向更加重視生產、加工、儲運、消費全過程安全性、綠色性、低碳性、經濟性的存量時代，快速提升發(fā)展質量。
二是煤炭行業(yè)升級高技術產業(yè)的機遇。
2015年以來，煤炭行業(yè)主動提出煤炭革命、自我革命。理念上，推進煤炭開發(fā)利用一體化、礦井建設與地下空間利用一體化、煤基多元清潔能源協(xié)同開發(fā)和煤炭潔凈低碳高效利用。目標和藍圖上，通過技術創(chuàng)新、理念創(chuàng)新實現(xiàn)零生態(tài)損害的綠色開采、零排放的低碳利用，建設多元協(xié)同的清潔能源基地，實現(xiàn)采掘智能化、井下“無人化”、地面“無煤化”，推進煤炭成為清潔能源；煤礦成為集合光、風、電、熱、氣多元協(xié)同的清潔能源基地；煤炭行業(yè)成為社會尊重、人才向往的高新技術行業(yè)。技術路線上，分智能化無人開采、流體化開采、地下空間開發(fā)利用、清潔低碳利用四大領域，提出了升級與換代、拓展與變革、引領與顛覆三階段、三層次技術裝備攻關清單。攻關重點上，提出了煤炭資源深部原位流態(tài)化開采的定義、內涵、關鍵詞，系統(tǒng)闡述了深部原位流態(tài)化開采構想、基礎理論和關鍵技術體系，并給出了核心顛覆性技術構想。
煤炭革命的理念已獲廣泛認可，大量高校、科研院所已開始研究，一些研究團隊取得了一定進展，但尚未取得重大突破。深圳大學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—迴行開采結構及方法，進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)化資源井下中轉站，不需要建設用于煤炭提升、運輸?shù)木?。中國礦業(yè)大學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)形式輸運至地面，同時涌出瓦斯經鉆井抽采利用，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。“雙碳”目標倒逼煤炭行業(yè)改變過去幾十年引進—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)新的機遇，可以集聚優(yōu)勢創(chuàng)新資源，輕裝上陣主攻自主原創(chuàng)的革新技術及裝備，早日成為高精尖技術產業(yè)。
三是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(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轉化方面的耦合，也逐步形成模式，突破了一系列新原理新技術，為煤炭與可再生能源深度耦合提供了良好基礎。
煤礦區(qū)具有發(fā)展可再生能源的先天優(yōu)勢。煤礦區(qū)除了豐富的煤炭資源外，還有大量的土地、風、光等其他資源。我國目前已有及未來預計新增的采煤沉陷區(qū)面積超過6萬平方千米，可為燃煤發(fā)電和風光發(fā)電深度耦合提供土地資源。煤礦井巷落差大，可用于抽水蓄能，為可再生能源調峰。我國煤礦井巷和采空區(qū)形成的地下空間大，體積超過156億立方米，且有不少的殘煤。殘余煤炭二氧化碳吸附能力強，有利于井下碳吸附、碳儲存。此外，井下溫度較高且穩(wěn)定，可發(fā)展地熱開發(fā)利用技術。過去很多年，煤炭企業(yè)發(fā)展新能源基礎弱，也沒有動力、決心，碳中和目標倒逼煤炭企業(yè)主動發(fā)展新能源，進入新能源主陣地?？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、風電協(xié)同發(fā)展，構建多能互補的清潔能源系統(tǒng)，將煤礦區(qū)建設成為地面—井下一體化的風、光、電、熱、氣多元協(xié)同的清潔能源基地。
煤炭行業(yè)應把握“雙碳”目標為行業(yè)留出的降低過去超負荷發(fā)展速度的窗口期，作為提升自身發(fā)展質量的時間和空間，抓住轉型機遇，碳達峰碳中和進程也將是煤炭行業(yè)轉型升級乃至顛覆式發(fā)展的過程。實現(xiàn)碳中和后，煤炭有望成為精品，雖然產量降低，但價格回歸到應有的本真價值，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完全成本；煤礦有望成為現(xiàn)代化能源供應系統(tǒng)，按需靈活生產煤炭、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，穩(wěn)定供應清潔能源；煤礦區(qū)有望成為零碳/負碳清潔能源生產基地，地下空間碳固化、碳封存，就地處置煤炭利用產生的二氧化碳，地面可再生能源利用，零碳排放，礦區(qū)植被形成碳匯，負碳排放；煤炭企業(yè)有望成為清潔能源和高端材料供應商，成為新能源開發(fā)的主陣地、煤基高端碳材料的引領者。（中國煤炭報）
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