“双碳”目标下煤炭的舞台与机遇
近日，中国工程院院士谢和平在《煤炭学报》上发表了题为《碳中和目标下煤炭行业机遇》的论文。论文分析了美国碳达峰前后现代化进程、能源消费、碳排放强度等基本特征和变化规律，提出我国能源优化发展的三大路径：持续提高能源效率，减少能源消费；大力发展新能源，优化电力结构；增强能源自给能力，保障能源安全。论文研判了我国能源消费格局演变趋势及不同时段煤炭消费规模，即我国能源消费格局演变分为三个阶段，煤炭由基础能源（2021~2030年）、保障能源（2031~2050年）转向支撑能源（2051~2060年），新能源对应由补充能源、替代能源成为主体能源。论文阐明，即使全面实现了碳中和，仍需要煤炭作为电力调峰、碳质还原剂和保障能源安全的兜底能源；碳中和目标下，我国煤炭行业将迎来三大机遇，即实现煤炭高质量发展的机遇、煤炭升级高技术产业的机遇、煤炭抢占新能源主阵地的机遇。
就此，本报记者对谢和平院士进行了专访。
“双碳”目标下，我们能源需求总量将呈现怎样的发展趋势？
谢和平：从GDP、产业结构、就业结构、城镇人口占比等经济社会指标综合来看，目前我国现代化程度与美国1950~1970年相当。我国现代化进程的持续推进仍然需要强劲的能源支撑。除了个别异常年份外，改革开放以来，我国能源消费弹性系数一直维持在0.5左右，充分显示了我国经济增长与能源消费唇齿相依的关系。主要发达国家的历史经验表明，在工业化阶段和现代化的前期阶段，能源消费弹性系数维持在较高水平。按照《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出的“到2035年基本实现社会主义现代化”的目标，若届时人均GDP达到3万美元左右的中等发达国家水平，我国GDP将增长到200万亿元以上。即使能源消费弹性系数保持在美国1949~1999年0.31左右的水平，到2035年我国能源需求也将接近60亿吨标准煤，单位GDP能耗与美国2019年相当。预计人均GDP达到3万美元后，经济增长开始与能源消费脱钩，我国能源消费量先保持稳定而后有所下降，预计到2060年仍保持在55~60亿吨标准煤。
“双碳”目标下，我国能源优化发展有哪些路径？
谢和平：能源转型是我国实现“双碳”目标的核心所在，但不意味着要完全退出煤炭，完全退出化石能源。借鉴美国碳达峰前后的能源消费、碳排放强度等基本特征和变化规律，结合我国能源资源禀赋和经济社会所处发展阶段，“双碳”目标下，我国能源发展将主要有三大路径。
一是持续提高能源效率，减少能源消费。
美国能源消费碳排放强度在碳达峰前期、碳达峰平台期下降幅度较小，实现碳达峰核心是提高能源效率，降低单位GDP能耗，在不大幅度增加能源消费的前提下，支撑经济增长。2019年美国单位GDP能耗仅相当于1949年的3.9%。
我国单位GDP能耗自1988年以来呈现快速下降趋势，由29.8吨标准煤/万美元降低到2019年的3.4吨标准煤/万美元，降低了88.6%，但仍是世界平均水平的1.4~1.5倍，是美国的2倍。若能达到世界平均水平，每年可少用能13亿吨标准煤，减排二氧化碳34亿吨，约占2020年我国碳排放量的1/3。因此，提高能源效率，减少能源消费，是我国实现碳达峰碳中和的最重要途径。
二是大力发展新能源，优化电力结构。
能源结构优化核心是电力结构优化。1949~2015年，煤炭一直是美国发电能源的第一大来源，从2016年起天然气成为第一大发电能源。到2020年，天然气发电占比达到40%，可再生能源占21%，核电占19%，燃煤发电19%，化石能源仍占59%。在碳达峰前期，燃煤发电在美国的电力结构中占据主导地位，但占比呈下降趋势，天然气发电呈增加趋势，其他能源发电占比变化不大。在碳达峰平台期，燃煤发电占比呈现下降趋势，天然气发电占比稳步增加，天然气对煤炭的替代是推动美国碳达峰的重要原因。在碳达峰后期，燃煤发电占比由2009年的45.7%迅速降低到2020年的19.9%，天然气发电由2009年的22.1%增加到2020年的39.3%，可再生能源发电稳步增加了10.5个百分点。天然气和可再生能源持续替代煤炭发电，支撑了美国碳达峰后期碳排放量下降。
近年来，我国大力发展新能源技术，非化石能源发电在我国电力结构中的占比显著上升，但依然没有改变我国以煤电为主的电力结构，2020年我国电力结构中火电发电量占比大于60%。与美国碳达峰前后电力结构对比，我国电力结构还有很大优化空间。然而，我国天然气增产有限，难以像美国那样作为发电的第一大能源。“双碳”目标下，我国应大力发展风能、太阳能、地热能等可再生能源发电技术，逐步提高非化石能源发电占比，持续优化电力结构。
三是增强自给能力，保障能源安全。
能源安全稳定供应是一个国家强盛的保障和安全的基石，美国制定前瞻性的能源战略并通过立法长期推进“能源独立”。自1973年尼克松总统提出能源独立计划，此后历届美国政府均将能源独立作为能源政策的重要内容。2020年，美国的能源自给率达到103%。
我国油气对外依存度持续上升，能源安全面临严峻挑战。基于能源资源禀赋条件，我国不能简单复制美国发展非常规油气的能源独立模式，但可借鉴其成功经验。煤炭具备适应我国能源需求变化的开发能力，具有开发利用的成本优势，煤炭清洁高效转化技术经过2005年以来的“技术示范”“升级示范”已较为成熟，具备短期内形成大规模油气接续能力的基础，应当充分发挥煤炭在平衡能源品种中的作用，推进煤炭与油气和新能源互补耦合发展，保障我国能源安全。
“双碳”目标下，我国能源消费格局将如何演变？
谢和平：借鉴美国等西方国家现代化进程、能源消费、碳排放强度等基本特征和变化规律，结合我国能源发展趋势和相关政策，预计今后一段时期我国能源消费格局变化将主要有三个阶段。
第一阶段是缓慢过渡期（2021~2030年）。适应碳达峰的要求，风、光等新能源是满足能源增量需求的主体，规模增长速度快，但是由于基数小，在能源消费结构中的占比提高缓慢，逐步由15%向30%靠近，成为补充能源。而由于我国支撑经济社会发展的能源需求持续增长，新能源增量很难赶上能源需求增量，煤炭消费量保持平稳或略有增长，维持在45~35亿吨/年，但是煤炭在能源消费中的占比逐步下降到50%左右，由主体能源转变为基础能源。
第二阶段是关键过渡期（2031~2050）。新能源不仅是满足能源增量需求的主体，并且开始替代化石能源，新能源在能源消费中的占比提高到30%~49%，成为替代能源。与此同时，受碳排放约束，煤炭消费一定程度上被替代，逐步转变为电力调峰、碳质还原剂以及保障经济运行的能源平稳安全供应等兜底能源，煤炭消费量下降到35~25亿吨/年，由基础能源转变为保障能源。
第三阶段是过渡结束期（2050~2060）。随着进入碳中和攻坚期，新能源大幅度代替传统化石能源，新能源在能源消费中的占比提高到50%~80%，成为主体能源。与此同时，受碳排放约束，煤炭只剩下电力调峰、碳质还原剂以及保障能源供应安全等不能被替代的用途，煤炭消费量下降到15~12亿吨/年，由保障能源转变为支撑能源。
“双碳”目标实现后，我国哪些领域还将需要煤炭？
谢和平：美国在2007年碳达峰后，煤炭年消费长期保持在7~10亿吨，2018年后才快速下降，到目前为5亿吨左右。德国在1990年碳达峰后，煤炭消费多年保持在2亿吨左右。日本在2013年碳达峰后，煤炭仍长期占能源消费的20%以上。美国、德国、日本发展历程表明，即使有可替代煤炭的能源，碳达峰后仍然会使用煤炭，只是煤炭的用途发展了变化。鉴于我国能源资源禀赋和经济社会所处阶段，煤炭消费量占比虽下降，但煤炭在能源体系中的“压舱石”和“稳定器”作用越来越凸显。在不考虑CCS/CCUS技术进步缓解煤炭利用碳排放约束的情况下，借鉴发达国家的发展历程，预计我国在2060年完全实现碳中和后，仍需要煤炭作为电力调峰、碳质还原剂以及保障油气供应安全的兜底能源。
碳中和后仍需要燃煤发电作为调峰电源平抑电力波动。
碳中和目标下，风、光等可再生能源发电成为增量电力供应的主要来源，煤炭单纯作为电力来源的需求将逐步下降。然而，受气候、天气、光照等人为不可控的自然条件影响，可再生能源波动性较大，提供的主要是能源量，能源供应和调节能力有限。可再生能源大比例接入电网，将给电网的安全稳定运行带来严峻挑战，需要燃煤发电作为调峰电源平抑电力波动。
我国2020年燃煤发电量占比降到60.8%，未来燃煤发电在电力结构中占比的下降速度将取决于可再生能源电量对煤电的替代、可再生能源电力对煤电调峰的需求两个方面。即使可再生能源最大能力发展，到2060年实现碳中和后，煤炭不再单纯作为电力来源，仅作为电力调峰的形式存在，按可再生能源电力调峰需求一半由燃煤发电来满足，我国燃煤发电装机规模仍需保持3~4亿千瓦，年耗煤量3.9~6.4亿吨。
碳中和前后我国钢铁生产的碳质还原剂还将主要由煤炭提供。
钢铁是现代化进程中的必需品，煤炭是炼钢所需碳质还原剂的最主要来源。虽然氢能被寄予厚望，但是目前全球氢冶金技术尚处于研发、试验阶段，据预测，到2050年前后高纯氢能冶炼钢铁可实现工业化。我国虽然出台了一系列政策推动氢能产业健康发展，但政策主要着力于交通领域，在工业领域的应用还处于政策制定和规划之中。因此，到2060年实现碳中和前后，我国钢铁生产的碳质还原剂还将主要由煤炭提供。
自2017年我国推进供给侧结构性改革及收紧废钢进口政策，国产废钢的利用得到快速发展，废钢炼钢比由2017年的17.8%，增加到2020年的21.2%，但仍远低于美国的72.1%和世界平均水平的48.3%。假设未来40年我国的人均粗钢表观需求量达到美国能源信息署公布的美国1980~2020年的水平，我国废钢炼钢比在2050年前后达到70%~80%后保持稳定，预计到2060年碳中和前后，我国作为碳质还原剂的煤炭需求仍将为3.0~3.7亿吨。
碳中和后为缓解油气对外依存度，仍需煤炭保障能源安全。这是我国特有的能源资源禀赋所决定的。
近20年来，我国油气消费日益增长，油气进口不断加大，对外依存度逐年提高，2020年已上升到73%和43%，油气的安全稳定供应已成为我国能源安全的核心问题。从能源安全的视角，我们团队完成了《缓解油气对外依存度的煤炭作为研究》课题研究，聚类归纳出煤炭接续油气的主要路径，分析评估了煤炭接续油气的发展潜力，预测到2060年缓解油气对外依存度的煤炭需求将达到4.9~5.2亿吨。
综合测算，到2060年，我国年煤炭需求量为11.8~15.3亿吨。
提出挑战的同时，“双碳”目标给煤炭行业带来了哪些机遇？
谢和平：我国曾多次出台政策措施减少煤炭消费，但效果并不明显。经济社会发展对煤炭的高强度持续需求，推动了煤炭行业被动式超负荷运行。“双碳”目标促进煤炭消费减量，带动煤炭生产强度下降，给煤炭行业带来发展空间受限的严峻挑战，也为煤炭行业留出降低发展速度、提升发展质量的时间和空间，给煤炭行业带来转型发展的机遇。
一是回归高质量发展的机遇。
煤炭行业70年负载运行，超负荷生产，为经济社会发展贡献了925亿吨煤炭产品，在支撑经济社会快速发展的同时，也带来了一系列严重的问题。一些煤矿高负荷甚至超能力生产，安全生产事故时有发生。井下工程和采空区规模超出地质承载力，严重破坏了地下水系，造成大面积地表沉陷和植被破坏。
煤炭行业专家学者早在20世纪末就提出推进煤炭行业高质量发展的愿望。中国工程院院士钱鸣高等提出煤炭科学开采和建设科学产能，应该根据地质条件、技术水平建设科学产能，煤炭产量控制在合理规模。我们团队也提出涵盖生产安全度、生产绿色度、生产机械化程度三个层面的科学产能评价指标体系，经评价，2010年全国煤炭生产总量34.28亿吨，其中符合科学产能标准的是10.78亿吨，仅占比31%；到2020年，全国煤炭生产总量39亿吨，其中符合科学产能标准的接近30亿吨，占比71%。
尽管目前科学产能的理念已被广泛接受，但是建设步伐不及预期。碳达峰碳中和目标下，煤炭行业可放下产量超负荷增长的包袱，回归到合理规模，走自己的高质量发展之路，这为煤炭行业回归高端发展提供了难得机遇。煤炭行业需要尽快从扩大产能产量追求粗放型效益为第一目标的增量时代，迈向更加重视生产、加工、储运、消费全过程安全性、绿色性、低碳性、经济性的存量时代，快速提升发展质量。
二是煤炭行业升级高技术产业的机遇。
2015年以来，煤炭行业主动提出煤炭革命、自我革命。理念上，推进煤炭开发利用一体化、矿井建设与地下空间利用一体化、煤基多元清洁能源协同开发和煤炭洁净低碳高效利用。目标和蓝图上，通过技术创新、理念创新实现零生态损害的绿色开采、零排放的低碳利用，建设多元协同的清洁能源基地，实现采掘智能化、井下“无人化”、地面“无煤化”，推进煤炭成为清洁能源；煤矿成为集合光、风、电、热、气多元协同的清洁能源基地；煤炭行业成为社会尊重、人才向往的高新技术行业。技术路线上，分智能化无人开采、流体化开采、地下空间开发利用、清洁低碳利用四大领域，提出了升级与换代、拓展与变革、引领与颠覆三阶段、三层次技术装备攻关清单。攻关重点上，提出了煤炭资源深部原位流态化开采的定义、内涵、关键词，系统阐述了深部原位流态化开采构想、基础理论和关键技术体系，并给出了核心颠覆性技术构想。
煤炭革命的理念已获广泛认可，大量高校、科研院所已开始研究，一些研究团队取得了一定进展，但尚未取得重大突破。深圳大学提出了一种可适用于现场施工的固体资源流态化开采新方法—迴行开采结构及方法，进行深部煤炭资源流态化开采时只需布置一个水平大巷和一个流态化资源井下中转站，不需要建设用于煤炭提升、运输的井巷。中国矿业大学提出了钻井式煤与瓦斯物理流态化同采方法，通过地面钻井对突出等煤层实施高压射流原位破煤，碎煤颗粒以流态形式输运至地面，同时涌出瓦斯经钻井抽采利用，并将地面固废材料回填至采煤空穴，实现近零生态损害的煤与瓦斯协同开采，颠覆传统的煤炭井工开采模式。“双碳”目标倒逼煤炭行业改变过去几十年引进—消化—吸收—再创新的路径延续式创新模式，煤炭行业将迎来实现颠覆性创新的机遇，可以集聚优势创新资源，轻装上阵主攻自主原创的革新技术及装备，早日成为高精尖技术产业。
三是抢占新能源主阵地的机遇。
煤炭与可再生能源具有良好的互补性。煤炭的主要利用方式是发电，可再生能源利用的主要方式也是发电，燃煤发电与可再生能源发电优化组合，可充分利用燃煤发电的稳定性，为可再生能源平抑波动提供基底，规避可再生能源发电的不稳定性；利用可再生能源的碳综合能力，为燃煤发电提供碳减排途径，在很大程度上减轻单纯燃煤发电的碳减排压力。除了电力外，煤炭与可再生能源在燃烧和化学转化方面的耦合，也逐步形成模式，突破了一系列新原理新技术，为煤炭与可再生能源深度耦合提供了良好基础。
煤矿区具有发展可再生能源的先天优势。煤矿区除了丰富的煤炭资源外，还有大量的土地、风、光等其他资源。我国目前已有及未来预计新增的采煤沉陷区面积超过6万平方千米，可为燃煤发电和风光发电深度耦合提供土地资源。煤矿井巷落差大，可用于抽水蓄能，为可再生能源调峰。我国煤矿井巷和采空区形成的地下空间大，体积超过156亿立方米，且有不少的残煤。残余煤炭二氧化碳吸附能力强，有利于井下碳吸附、碳储存。此外，井下温度较高且稳定，可发展地热开发利用技术。过去很多年，煤炭企业发展新能源基础弱，也没有动力、决心，碳中和目标倒逼煤炭企业主动发展新能源，进入新能源主阵地。可以充分发挥煤矿区优势，以煤电为核心，与太阳能发电、风电协同发展，构建多能互补的清洁能源系统，将煤矿区建设成为地面—井下一体化的风、光、电、热、气多元协同的清洁能源基地。
煤炭行业应把握“双碳”目标为行业留出的降低过去超负荷发展速度的窗口期，作为提升自身发展质量的时间和空间，抓住转型机遇，碳达峰碳中和进程也将是煤炭行业转型升级乃至颠覆式发展的过程。实现碳中和后，煤炭有望成为精品，虽然产量降低，但价格回归到应有的本真价值，反映地表无塌陷、生态无损伤条件下的绿色低碳煤炭生产完全成本；煤矿有望成为现代化能源供应系统，按需灵活生产煤炭、电力、碳材料等，井下巷道储能，平抑可再生能源波动，煤炭与可再生能源互补，稳定供应清洁能源；煤矿区有望成为零碳/负碳清洁能源生产基地，地下空间碳固化、碳封存，就地处置煤炭利用产生的二氧化碳，地面可再生能源利用，零碳排放，矿区植被形成碳汇，负碳排放；煤炭企业有望成为清洁能源和高端材料供应商，成为新能源开发的主阵地、煤基高端碳材料的引领者。
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