近日,，謝和平院士團隊在系統(tǒng)分析美國等發(fā)達(dá)國家碳達(dá)峰前后現(xiàn)代化進(jìn)程與能源消費特征的基礎(chǔ)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(dá)峰碳中和目標(biāo)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(biāo)下煤炭行業(yè)發(fā)展機遇》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，能源消費與經(jīng)濟發(fā)展脫鉤,，能源消費達(dá)峰,，碳排放開始下降。綜合考慮經(jīng)濟體量,、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(jìn)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(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結(jié)構(gòu)中提高了9個百分點,，化石能源在能源消費結(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(jié)構(gòu)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(yīng)缺口,。
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),，這一巨大差距要求現(xiàn)代化進(jìn)程的持續(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、碳排放強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
美國能源消費碳排放強度在碳達(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的前提下，支撐經(jīng)濟增長,。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，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,；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(dá)峰后期碳排放量下降,。
2020年我國電力結(jié)構(gòu)中火電發(fā)電量占比大于60%,。基于美國現(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),。
（3）增強自給能力,，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,。
三,、碳中和目標(biāo)下煤炭消費主要領(lǐng)域
美國在碳達(dá)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(dá)峰，煤炭消費多年保持在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(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,。
四,、碳中和目標(biāo)下能源消費格局
借鑒美國現(xiàn)代化進(jìn)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(shù)進(jìn)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(yù)測,，結(jié)合我國能源發(fā)展趨勢和相關(guān)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(yù)測
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,，在能源消費結(jié)構(gòu)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(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(yīng)安全等集中,，煤炭消費量下降到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)展機遇
（1）回歸高質(zhì)量發(fā)展的機遇
煤炭行業(yè)70年負(fù)載運行，超負(fù)荷生產(chǎn),，為經(jīng)濟社會發(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,、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(shù)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(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(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,。可以充分發(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,。
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，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。
這項研究得到了中國工程院咨詢研究項目的資金支持,。
