近日,，謝和平院士團隊在系統(tǒng)分析美國等發(fā)達國家碳達峰前后現(xiàn)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(guī)模,，指出了碳達峰碳中和目標將給煤炭行業(yè)帶來的三大發(fā)展機遇,。7月13日,，這項成果以《碳中和目標下煤炭行業(yè)發(fā)展機遇》為題在《煤炭學報》進行了網(wǎng)絡首發(fā)。
一,、碳達峰前后美國現(xiàn)代化進程與能源消費特征
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，并開啟現(xiàn)代化進程,。發(fā)達國家在基本實現(xiàn)現(xiàn)代化后,，能源消費與經(jīng)濟發(fā)展脫鉤，能源消費達峰,，碳排放開始下降,。綜合考慮經(jīng)濟體量,、產(chǎn)業(yè)結構、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GDP、能源消費變化及能源脫鉤狀態(tài)
研究人員根據(jù)現(xiàn)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(jù)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(jīng)濟發(fā)展的能源需求,，現(xiàn)代化進程仍需化石能源,。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(wěn)定保持在80%以上,。
2）節(jié)能帶動現(xiàn)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(jié)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(jīng)濟發(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,。
二、碳中和目標下我國能源發(fā)展路徑
依據(jù)現(xiàn)代化進程的經(jīng)濟和社會指標綜合判斷,，目前我國現(xiàn)代化程度與美國1950—1970年相當,，這一巨大差距要求現(xiàn)代化進程的持續(xù)推進仍然需要能源支撐。
能源領域是我國實現(xiàn)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(guī)律,，結合我國能源資源稟賦和經(jīng)濟社會所處發(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(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、達峰期下降幅度較小,，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(jīng)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29.8tce/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(xiàn)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%，煤炭僅占19%,。
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(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個百分點；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；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。
2020年我國電力結構中火電發(fā)電量占比大于60%,�,；诿绹F(xiàn)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(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)展風能、太陽能等可再生能源發(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。
（3）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”。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),。基于能源資源稟賦條件,，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(jīng)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(zhuǎn)化技術經(jīng)過2005年以來的“技術示范”、“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,，應當充分發(fā)揮煤炭在平衡能源品種中的作用，推進煤炭與油氣耦合發(fā)展,，保障我國能源安全,。
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(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(wěn)定器”作用越來越凸顯,。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安全等,。
四、碳中和目標下能源消費格局
借鑒美國現(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，參考康紅普院士團隊完成的《能源革命驅(qū)動力與煤炭內(nèi)生發(fā)展對策研究》課題中綜合考慮技術進步,、碳排放,、環(huán)境成本等因素對不同時段不同能源發(fā)電全生命周期綜合成本的預測，結合我國能源發(fā)展趨勢和相關政策,，研究人員將我國能源消費格局變化分為3個階段,。
基于全生命周期的發(fā)電綜合成本預測
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(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(wěn)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(zhuǎn)變?yōu)榛A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(diào)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(zhuǎn)變?yōu)楸Ｕ夏茉础?/p>
（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?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(diào)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(zhuǎn)變?yōu)橹文茉础?/p>
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)濟社會發(fā)展貢獻了925億t煤炭產(chǎn)品,。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(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(yè)的技術水平,，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代，邁向更加重視生產(chǎn),、加工,、儲運、消費全過程安全性,、綠色性,、低碳性、經(jīng)濟性的存量時代,，快速提升發(fā)展質(zhì)量,。
（2）煤炭行業(yè)升級高技術產(chǎn)業(yè)的機遇
2015年以來,，積極把握經(jīng)濟社會發(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(zhuǎn)站,，不需要建設用于煤炭提升,、運輸?shù)木铩Ｖ袊V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(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。
碳達峰碳中和目標倒逼煤炭行業(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,，輕裝上陣主攻技術裝備,，早日成為高精尖技術產(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(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轉(zhuǎn)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(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,。
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(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)型機遇,，碳達峰碳中和進程也將是煤炭行業(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，穩(wěn)定供應清潔能源,。
3）煤礦區(qū)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(qū)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)將成為新能源開發(fā)的主陣地,、煤基高端碳材料的引領者。
這項研究得到了中國工程院咨詢研究項目的資金支持,。
