科學研判碳達峰碳中和目標下我國能源消費結構和煤炭消費演變趨勢，采取正確的應對措施，是實現碳達峰碳中和、能源安全穩定供應雙重目標的客觀要求。
近日，謝和平院士團隊在系統分析美國等發達國家碳達峰前后現代化進程與能源消費特征的基礎上，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模，指出了碳達峰碳中和目標將給煤炭行業帶來的三大發展機遇。7月13日，這項成果以《碳中和目標下煤炭行業發展機遇》為題在《煤炭學報》進行了網絡首發。
一、碳達峰前后美國現代化進程與能源消費特征
歐美主要發達國家在19世紀末、20世紀初完成了工業化，并開啟現代化進程。發達國家在基本實現現代化后，能源消費與經濟發展脫鉤，能源消費達峰，碳排放開始下降。綜合考慮經濟體量、產業結構、人口規模等因素，美國的發展經驗對我國有很好的借鑒意義。
▲美國現代化進程及能源消費變化特征
研究人員根據現代化進程、能源消費和碳排放趨勢，將美國碳排放分三個階段：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增長的脫鉤程度進行定量分析后，得到如下認識：
(1)頁巖氣革命支撐了美國經濟發展的能源需求，現代化進程仍需化石能源。近10年頁巖氣產量年均增長23.4%，支撐天然氣在美國能源消費結構中提高了9個百分點，化石能源在能源消費結構中占比穩定保持在80%以上。
(2)節能帶動現代化進程與能源消費脫鉤，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，支撐不起美國經濟發展。近10年美國核能基本不增長，可再生能源在能源消費結構中僅增長4.4個百分點。如果扣除頁巖氣推動的天然氣消費增長，美國將增加4.6個百分點的能源供應缺口。
▲美國GDP、能源消費變化及能源脫鉤狀態
二、碳中和目標下我國能源發展路徑
依據現代化進程的經濟和社會指標綜合判斷，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程持續推進，仍然需要能源支撐。
能源領域是我國實現碳達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濟社會所處發展階段，碳達峰碳中和目標下，我國能源發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. 大力發展新能源，優化電力結構
能源結構優化核心是電力結構優化。1949—2015年煤炭一直是美國發電能源的第一大來源，從2016年起天然氣成為第一大發電能源，且占比不斷提高。到2020年天然氣發電占比達到40%，煤炭僅占19%。
在碳達峰前期，燃煤發電在美國的電力結構中占據主導地位，但占比呈下降趨勢，天然氣發電呈增加趨勢，其它能源發電占比變化不大。
在碳達峰平臺期，燃煤發電占比呈現下降趨勢，天然氣發電占比穩步增加，天然氣發電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;天然氣發電持續增加，由2009年的22.1%增加到2020年的39.3%，增加了17.2個百分點;可再生能源發電穩步增加了10.5個百分點。天然氣和可再生能源持續替代煤炭發電，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電量占比大于60%。基于美國現代化進程和碳達峰前后電力結構對比，我國電力結構還有很大優化空間。然而，我國天然氣增產有限，難以像美國那樣作為發電的第一大能源。碳中和目標下，我國應大力發展風能、太陽能等可再生能源發電技術，逐步提高非化石能源發電占比，持續優化電力結構。
▲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立法長期推進“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。基于能源資源稟賦條件，我國不能簡單復制美國發展非常規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能力，具有開發利用的成本優勢，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，應當充分發揮煤炭在平衡能源品種中的作用，推進煤炭與油氣耦合發展，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域
美國在碳達峰后，煤炭消費長期保持在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，煤炭仍長期占能源消費的20%以上。美國、德國、日本發展歷程表明，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，但在能源體系中的“壓艙石”和“穩定器”作用越來越凸顯。結合發達國家的發展歷程，預計我國在2060年完全實現碳中和后，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等。
▲科學產能對煤炭產量的支撐能力變化
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。
碳中和目標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，規模增長速度快，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，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，由主體能源轉變為基礎能源。
2. 關鍵過渡期(2031—2050)
2031—2050年，碳達峰后，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，煤炭利用逐步向電力調峰、碳質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，由基礎能源轉變為保障能源。
3. 過渡結束期(2050—2060)
2050—2060年，隨著進入碳中和攻堅期，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，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15億~12億t/a，由保障能源轉變為支撐能源。
五、碳中和目標下煤炭行業發展機遇
1. 回歸高質量發展的機遇
煤炭行業70年負載運行，超負荷生產，為經濟社會發展貢獻了925億t煤炭產品。煤炭行業專家學者早在20世紀末就提出推進煤炭行業高質量發展的愿望，錢鳴高院士提出，“在地質條件好的情況下同樣產出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，我國的煤炭產能就必須擴大到30億噸，必須開采地質條件不好的20億噸，因此問題就出現了”。為了滿足高產能的要求，煤炭行業做出了巨大努力，1/3依靠適應國情的新技術和世界一流的煤礦，1/3依靠一般技術的煤礦，而另外的1/3則依靠技術水平低、安全差的煤礦。錢鳴高院士研究認為，按照目前煤炭行業的技術水平，我國煤炭產量在25億~30億t比較合適。
碳達峰碳中和目標下，煤炭行業可放下產量增長的包袱，從擴大產能產量追求粗放性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，快速提升發展質量。
2. 煤炭行業升級高技術產業的機遇
2015年以來，積極把握經濟社會發展的態勢，煤炭行業主動提出煤炭革命、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場施工的固體資源流態化開采新方法-迴行開采結構及方法，進行深部煤炭資源流態化開采時只需布置一個水平大巷和一個流態化資源井下中轉站，不需要建設用于煤炭提升、運輸的井巷。中國礦業大學提出了鉆井式煤與瓦斯物理流態化同采方法，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，實現近零生態損害的煤與瓦斯協同開采，顛覆傳統的煤炭井工開采模式。
碳達峰碳中和目標倒逼煤炭行業改變過去幾十年引進-消化-吸收-再創新的路徑延續式創新模式，煤炭行業將迎來實現顛覆性創新的機遇，可以集聚優勢創新資源，輕裝上陣主攻技術裝備，早日成為高精尖技術產業。
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電，可再生能源利用的主要方式也是發電，燃煤發電與可再生能源發電優化組合，可充分利用燃煤發電的穩定性，為可再生能源平抑波動提供基底，規避可再生能源發電的不穩定性;利用可再生能源的碳綜合能力，為燃煤發電提供碳減排途徑，在很大程度上減輕單純燃煤發電的碳減排壓力。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，突破了一系列技術，為煤炭與可再生能源深度耦合提供了良好基礎。
過去很多年，煤炭企業發展新能源基礎弱，也沒有動力、決心，碳中和目標倒逼煤炭企業主動發展新能源，進入新能源主陣地。可以充分發揮煤礦區優勢，以煤電為核心，與太陽能發電、風電協同發展，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、光、電、熱、氣多元協同的清潔能源基地。
▲煤炭大比例接續油氣的路徑
六、展 望
最后，研究人員進行了展望，今后應把握碳達峰碳中和目標為煤炭行業留出降低發展速度、提升發展質量的時間和空間，抓住帶給煤炭行業的轉型機遇，碳達峰碳中和進程也將是煤炭行業轉型升級乃至顛覆式發展的過程。實現碳中和后，有望：
(1)煤炭成為精品。雖然產量降低，但是價格回歸到應有的本真價值，反映地表無塌陷、生態無損傷條件下的綠色低碳煤炭生產完全成本。
(2)煤礦成為現代化能源供應系統。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，穩定供應清潔能源。
(3)煤礦區成為零碳/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;礦區植被形成碳匯，負碳排放。
(4)煤炭企業成為清潔能源和高端材料供應商。煤炭企業將成為新能源開發的主陣地、煤基高端碳材料的引領者。
作者：謝和平
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