碳中和背景下煤炭行業低碳發展研究

宋曉波，胡 伯

(煤炭工業規劃設計研究院有限公司，北京市西城區，100120)

0 引言

2020年9月22日，習近平總書記在第75屆聯合國大會上莊嚴宣布，中國確保2030年碳達峰，力爭2060年碳中和。這一承諾不僅為有效落實《巴黎協定》注入了強大動力，更體現了大國擔當，但是也意味著中國只有30年時間去完成歐美發達國家50～70年時間的碳減排任務[1]。碳排放與化石能源消費息息相關，按照測算，碳排放每年下降率需要高達8%，特別是我國當前正處于高質量發展階段，經濟長期向好的趨勢不會改變，仍然需要消費大量的化石能源來維持經濟的增長。2020年我國化石能源消費比重超過80%，單位GDP能耗不但高于世界平均水平，更是發達國家的2～3倍，實現2060年碳中和的目標任務極為艱巨。

據統計，我國由化石能源消費產生的碳排放總量約為100億t左右[2]，占全球29%左右。其中，煤炭消費產生的碳排放量占70%以上，其次為石油和天然氣，占比分別為14%和7%，如圖1所示。因此，控制煤炭消費總量，減少甲烷和二氧化碳排放，破解制約高質量發展的關鍵瓶頸問題，打造一批多元化、可推廣的低碳發展模式，從煤炭全生命周期研究碳減排路徑是實現我國碳中和戰略的重中之重。

圖1 碳排放來源

1 煤炭行業碳減排發展現狀與挑戰

1.1 發展現狀

近年來我國經濟發展進入高質量發展階段，通過實施供給側結構性改革，不斷轉換發展動能，轉變發展方式，煤炭消費和二氧化碳排放快速增長的趨勢得到有效抑制。主要表現在以下幾個方面。

(1)二氧化碳排放年均增長率不斷降低。二氧化碳排放年均增長率從2005-2012年的5.4%下降到2013-2019年的1.2%，如圖2所示，增長率趨于平緩。近10年來，我國在經濟增長的同時，二氧化碳排放量減少了41億t[2]，為2060年前實現碳中和奠定堅實的基礎。

圖2 我國二氧化碳排放情況

(2)碳排放強度不斷下降。2019年，我國碳排放強度比2015年下降18.2%，比2005年下降48.1%，提前完成了中國向國際社會承諾的2020年目標。

(3)能效明顯提高。2012-2020年，單位國內生產總值(GDP)能耗累計降低24.4%，如圖3所示，相當于能源消費減少12.7億tce，我國以2.8%的年均能源消費增長支撐了國民經濟年均7%的增長，而占能源消費60%左右的煤炭消費量基本保持不變。

圖3 我國單位GDP能耗強度

(4)能源結構不斷改善。2020年煤炭消費占能源消費總量比重為56.8%，較2012年占比68.4%顯著降低，能源供給質量大幅提升，如圖4所示。

圖4 我國不同能源消費量所占的比例

(5)煤炭生產結構不斷優化。在去產能政策的支撐下，全國煤礦數量由2016年初的1.2萬處以上減少到2020年的4 700處左右，累計退出落后產能10億t/a以上，煤炭過剩產能得到有效化解，大型現代化煤礦已經成為全國煤炭生產的主體，晉陜蒙煤炭產量占到全國煤炭產量的70%以上，供應保障能力顯著增強，市場供需由嚴重的供大于求轉變為供需基本平衡，行業效益顯著回升，轉型升級發展取得了實質進展[2-3]。

2020年中央經濟工作會議首次將“碳達峰、碳中和”列為新一年度重點任務，并確定要加快優化產業結構和能源結構，推動煤炭消費盡早達峰，國家能源集團、中煤能源集團、國家電網集團、中國華能集團、晉能控股集團等一些與煤炭生產利用相關的大型企業紛紛開展“碳達峰、碳中和”戰略研究，在中國邁向碳中和的征程中貢獻方案和智慧。

1.2 面臨挑戰

根據《巴黎協定》約定的溫升控制設定碳排放總限額，全球可能損失80%的煤炭產能，未來煤炭行業必將面臨史無前例的巨大挑戰。

(1)煤炭相關利好政策全面退出，前期資本投入存在擱淺風險。碳中和愿景對中國今后幾十年社會經濟發展提出了全新要求，煤炭行業必須向低碳轉型與新能源替代，相關利好政策可能將全面退出，未來以煤為主的化石能源在一次能源消費中的占比勢必會大幅度降低。同時，由于煤炭行業前期建設資本投入巨大、生產周期長，碳中和愿景帶來的政策性變化風險可能導致企業巨大的損失，因減煤降碳而摒棄先進產能，會讓煤炭企業蒙受巨大損失。

(2)高耗煤行業倒逼煤炭企業不斷收縮產能。未來10年我國將實現碳達峰，一是將進一步嚴控鋼鐵、化工、建材等高耗煤行業耗煤量，煤電裝機預計也將盡快達峰；二是高耗能企業由于高額碳稅的影響，將進一步減少煤炭的使用。根據測算，隨著新能源產業快速發展，煤炭消費基本不會增長，到2025年，煤炭消費占能源消費的比重將降到50%左右。

(3)煤礦瓦斯抽采利用率較低。煤炭行業進行碳減排不僅是控制煤炭消費過程中的二氧化碳，還有煤炭開發過程中釋放的甲烷，而煤礦瓦斯的主要成分是甲烷，溫室效應是二氧化碳的21倍。由于當前抽采技術和乏風濃度較小等因素制約，2019年瓦斯抽采利用率僅為43%，遠不及規劃預期[4]。

(4)煤炭科技研發面臨重大考驗。一是當前煤炭綠色開采、清潔高效利用、超臨界發電等技術雖然能進一步提高能效，但是對碳減排貢獻有限；二是與CCUS相關的富氧燃燒或燃燒捕集有助于燃煤電廠脫碳，但是我國CCUS全流程各類技術路線整體仍處于研發和試驗階段，而且項目涉及范圍都較小，成本較高，全流程初始投資及維護成本之和超過1 000元/t CO2，遠高于碳交易成本[5-7]。

2 國內外煤炭行業應對碳達峰碳中和的做法借鑒

目前，全球已有54個國家實現碳排放達峰，其碳排放量占全球碳排放總量的40%，其中大部分為發達國家。我國是世界上最大的碳排放國家，借鑒國內外碳達峰碳中和的先進經驗，對我國完成碳達峰碳中和目標具有重要的意義。

2.1 國外做法借鑒

近年來，世界上越來越多的國家宣示碳中和目標。截至2020年底，全球共有44個國家和經濟體正式宣布了碳中和目標，其余國家也紛紛為限制或禁止煤炭發電設定時間表，包括已經實現目標、已寫入政策文件、提出或完成立法程序的國家和地區，如表1所示，這些國家中的多數已經走過了工業化快速發展階段，能源消費總量、消費強度進入了峰值期和總量回落期。其中，英國2019年6月27日新修訂的《氣候變化法案》生效，成為第1個通過立法形式明確2050年實現溫室氣體凈零排放的發達國家。美國拜登政府在上任第1天就簽署行政令讓美國重返《巴黎協定》，并計劃設定2050年之前實現碳中和的目標。習近平總書記提出中國2060年前實現碳中和，不僅是順應并引領世界能源和經濟變革潮流的戰略決策，更是體現了大國擔當。

表1 承諾碳中和的部分國家和地區

2.1.1 歐盟做法

歐盟碳排放量約為35億t/a，約占世界碳排放總量的10%。2020年底，27個成員國同意2030年溫室氣體凈排放量將比1990年水平下降至少55%，2050年實現凈零排放，并提出4點具體措施。

(1)健全法治保障，研究制定《歐洲氣候法》，明確實現碳中和的時間表和具體措施。

(2)降低交通行業碳排放，加快研發高效電動汽車技術，推進90%的鐵路貨運列車和95%的客運列車實現電氣化。

(3)加快工業領域低碳技術研發與變革，包括加快CCUS技術研發，采用智能用碳技術等。

(4)加快布局可再生能源，包括生物質能、海上風能等，達到能源消費總量的30%。

2.1.2 美國做法

美國碳排放量約為51億t/a，約占世界碳排放總量的15%。到21世紀中葉實現“消耗能源百分之百為清潔能源”以及“凈零排放”的目標。美國政府主要采取以下措施。

(1)完善制度體系。修訂《能源政策法》《聯邦電力法》《環境政策法》等多部法律，制定能源供應多元化、節能提效、發展可再生能源等多項措施。

(2)運用政策性手段推動。主要通過政府引導企業投資、制定能效標準、實施能效標識等，促進企業低碳轉型。

(3)率先搶占低碳核心技術。主要是將傳統能源產業與信息產業相融合，建設智能電網，占領科技制高點，成為拉動經濟復蘇的一個引擎。

2.1.3 日本做法

日本碳排放量約為11億t/a，約占世界碳排放總量的4%。2020年底，日本政府提出2050年實現凈零排放，并發布碳中和路線圖。

(1)加大綠色投資，遠離化石能源，設立約2萬億日元的綠色專項基金支持綠色技術研發，鼓勵新能源汽車、海運、農業、碳循環創新發展。

(2)發展清潔電力，重點發展海上風電，到2040年新增30～45 GW，成本降至8～9日元/(kW·h)。

(3)推動氫能研發，運輸領域氫能消費量到2030年、2050年分別提升至1 000萬t和2 000萬t。

(4)引入碳價機制，制定碳排放收費依據[8]。

從這些國家實現碳中和的戰略部署來看，我國可以重點借鑒：一是制定有利的制度，節能減排，發展綠色金融市場；二是加快部署零碳解決方案，減少化石能源消費；三是大力發展CCUS技術、可再生能源+儲能技術、氫能技術、電動汽車等；四是引入碳價機制，全面激發對綠色產品和服務的需求。

2.2 國內做法借鑒

目前，北京、河北、河南、山西、四川已經在2013年前后實現了二氧化碳排放達峰，之后雖有反復，但是其二氧化碳排放量一直沒有突破歷史高位。

2.2.1 北京市

北京市2020年碳市場工作圓滿收官，碳強度比2015年下降約23%以上，超額完成“十三五”規劃目標，碳強度為全國省級地區最低。

(1)持續推動產業結構優化和能源清潔轉型。通過實施煤改氣、煤改電工程，大力疏解高耗能行業和非首都功能，燃煤量大幅下降，淘汰老舊機動車輛，大力發展新能源汽車，全力推動大氣污染治理工作，空氣質量持續改善，為全市碳達峰工作打下了堅實的基礎。

(2)作為全國首批開展碳排放交易試點省市，截至2020年底，納入北京市試點碳市場管理的重點碳排放單位共843家，全年試點碳市場配額成交470萬t，交易額2.45億元，市場總體供需平衡，成交價格保持了增長趨勢[9]。

2.2.2 浙江、廣東兩省

我國能源效率的空間差異性非常明顯，呈現從東部沿海向西部內陸遞減的態勢。浙江、廣東兩省擁有雄厚的經濟實力、豐富的勞動力、較高的能源技術水平，為能源的高效利用提供了保障。兩省碳排放本已出現了“穩中有降”局面，但是在2013年以后，由于廣東省湛江鋼鐵和茂名石化的投產、浙江省舟山石化的投產，能源消費和二氧化碳排放也已經出現了增長的勢頭。

由于我國富煤、貧油、少氣的資源稟賦，新能源產業還存在穩定性差、成本較高、儲能技術受限等瓶頸，在今后較長時期內，煤炭作為我國兜底保障能源的地位和作用難以改變。因此，煤炭行業要認真總結國內外碳達峰碳中和的經驗和教訓，制定精準有效的措施，有序實現2030年達峰和2060年中和的目標[10]。

3 碳中和背景下煤炭行業低碳發展路徑

3.1 碳達峰：2020-2030年

根據權威機構預測，煤炭消費將在2025年前后達峰，并在2030年之前緩慢下降。煤炭行業必須通過優化升級來實現低碳發展，發揮壓艙石的作用。

3.1.1 低碳開發利用

主要通過加強節能降耗和清潔高效利用來減少煤炭消耗，提高煤炭利用效率。

(1)應大力發展節能減排技術，實現煤炭綠色開采。主要采用高能效開采技術和設備，在煤炭開采全生命周期開展余熱、余壓、節水、節材等綜合利用節能項目，提高煤炭資源開發利用效率。

(2)不斷優化煤炭產能結構，提升先進產能占比。通過細化煤炭先進產能結構標準，實施減量替代來加大晉陜蒙新千萬噸級礦井代替其他產煤地區落后產能力度，建設智能化工作面，打造智慧礦山。

(3)大規模發展清潔能源發電。我國具有豐富的煤礦區煤層氣資源，14個大型煤炭基地的煤層氣原地資源量為12.17萬億m3，2020年煤層氣抽采量213億m3，利用量僅為135億m3，抽采利用率仍然較低。因此，應該倡導節能和引導企業行為，提高礦井煤層氣、乏風利用率，減少甲烷的排放[4,11]。

(4)通過設立能源轉型投資基金，布局新能源項目，并適當發展氫能源、儲能等產業。

(5)大力發展高端煤化工產業，特別是石油化工生產不出來的化工產品。

3.1.2 生態修復

未來要實現采煤對生態環境的近零擾動，進一步減少廢棄物排放。

(1)踐行綠水青山就是金山銀山的理念，建立現代生態修復治理理論，指導礦區生態系統和生物多樣性恢復。

(2)積極進行采空區治理，實施井下充填，減少地表塌陷和植被破壞。

(3)加強廢棄物循環利用。包括突破廢水凈化核心技術，提高水資源循環利用率；加強低熱值煤矸石發電技術、煤矸石充填技術，粉煤灰、煤泥等低附加值產品的再利用技術等，減少碳排放，構建美麗礦區。

(4)鼓勵煤炭企業積極承擔國土綠化行動責任，利用荒山、荒漠等地區開展植樹造林，以增加森林碳匯規模，可抵消一部分煤炭開采利用排放出的二氧化碳，甚至形成凈零排放或負排放效應。

3.1.3 集聚協同

隨著碳減排壓力的不斷增大，煤炭產品質量要求越來越高，應該高度重視煤炭生產端和消費端的協同，構建以煤炭產業為源頭，煤電、煤化工、煤鋼、建材等下游產業鏈集聚融合、相互連接的產業體系。

(1)著力推進煤炭集中利用、源頭控制散煤消費與燃燒，科學規劃“煤改氣”“煤改電”，在終端能源消費中，將加快由電力、天然氣替代煤炭的直接消費利用。

(2)推進清潔高效熱電聯產技術、特殊煤種超臨界循環流化床技術、利用氫氣或生物能代替煤炭作為高爐煉鋼的還原劑等技術，進一步提高低碳化原料比例，減少全生命周期碳足跡，帶動上下游行業產業鏈碳協同減排，完成煤炭消費由粗放型向技術密集型行業轉型。

3.1.4 融入碳市場

目前海外多個發達國家已經形成相對成熟的碳交易市場，其中歐盟的碳交易市場(EU-ETS)是海外規模最大的碳市場，也是當今主導全球碳交易市場的引領者，為中國碳市場不同階段的發展建設提供了參考模板。

我國于2011年開始在7個省市開展碳排放交易試點，并于2014年全部啟動線上交易。截至 2019 年末，7個試點省市碳市場配額累計成交量達到3.56億t，金額超過73億元。2021年2月，生態環保部正式實施《碳排放權交易管理辦法(試行)》，標志著全國碳市場建設步入正軌。根據測算，未來我國碳市場的交易量將達到30億～40億t/a，根據目前碳排放權交易價格平均在20～50元/t來看，碳排放權交易市場體量將達到近千億的規模，市場前景廣闊。因此，煤炭行業必須高度重視碳市場建設。

(1)積極融入碳市場，將碳成本納入企業戰略規劃，進一步提升碳資產管理能力，強化全生命周期碳循環動態監測，積極適應氣候變化下碳排放配額規則，實行基于碳排放強度的項目審批管理機制，積極布局低碳轉型項目。

(2)探索碳金融業務，研究建立碳證券、碳指標交易、碳基金、碳期貨期權等一系列以金融工具為支撐的碳金融體系。

(3)建立有效的碳排放激勵機制，促進碳交易市場交易量水平的提升，主動融入碳排放權交易市場建設與煤炭行業碳排放實施方案制定，有利于煤炭企業節能減排和實現碳中和目標。

3.2 技術突破：2030-2050年

該階段煤炭消費將會加速下降，煤炭行業加快研究負碳技術，向新能源、儲能、氫能等領域轉型來實現低碳發展，實現煤炭行業與新能源行業耦合發展。

3.2.1 負碳技術

負碳技術主要是在滿足工業生產和居民生活對能源需求的同時，不僅不會增加二氧化碳排放，還能額外消耗一定的二氧化碳，是實現碳中和的重要技術路徑。目前主要的負碳技術包括CCUS技術和直接空氣碳捕集技術等。

(1)CCUS技術。目前全球大約運營20個商業化CCUS項目、規劃建設約30個項目。我國大型煤電企業也相繼開始CCUS技術研究，例如國家能源集團、中國華能集團等示范項目在熱電廠實現了連續穩定運行，但是限制其大規模推廣的主要原因是成本高，主要包括捕集、運輸、儲存以及最后的利用或封存成本，不同的項目成本區別較大。突破以二氧化碳為原料的循環利用技術瓶頸將是未來研究的重點，為煤炭脫碳、去碳利用提供新路徑。

(2)直接空氣碳捕集(Direct Air Capture，DAC)技術。主要采用物理吸附或化學吸附的形式，直接從空氣中捕集二氧化碳并轉化為產品封存起來。目前收集到的二氧化碳可以轉化為合成燃料、注入水泥中或巖石中，或用作化學和塑料生產的原料等。但是DAC技術目前仍處于起步階段，吸附劑加熱的能量需求、吸附劑本身的穩定性及吸附量、脫附二氧化碳的時間都使得DAC技術成本高，目前約400～600美元/t，產品應用市場相當有限，但未來開發潛力巨大。

因此，煤炭企業及相關行業應該加快負碳技術研發，降低成本，實現商業化運作，進一步減少二氧化碳排放量，為2060年碳中和提供支撐。

3.2.2 新能源與儲能技術開發

碳中和目標的提出必將加快推動煤炭企業向風電、太陽能發電等新能源的跨越式發展，對儲能發展帶來新的機遇。目前光伏風電正處于成長期的中后期，正在進行大規模推廣，儲能裝置正處于從0到1的階段，臨近商業爆發期拐點，有望從示范性應用轉向運營性應用，可實現負荷削峰填谷，增加電網調峰能力，也可參與系統調頻調壓，提高電網安全穩定性。按照2030年風電、太陽能發電總裝機12億kW以上的目標，預計未來10年，風電、太陽能發電合計年均至少新增規模6 700萬kW以上，才能實現12億kW以上的目標。若按5%的配置儲能比例測算，2030年風光新能源將新增配套儲能34 GW以上，未來發展空間巨大。因此，一方面應該加快發展“新能源+儲能”技術，重點在技術路線選擇、商業應用與推廣、產業格局等方面進行攻關；另一方面應發展P2X電儲能技術，將新能源富余電力轉換為熱能、冷能、氫能等其他能源品種，并進行長時間、大規模存儲。

3.3 碳匯期：2050-2060年

煤炭在該階段將作為備用能源，消費下降趨勢將會減緩，主要為深度脫碳，參與碳匯，完成碳中和目標。

3.3.1 零碳利用

主要通過探索建立零碳示范礦區和加快煤炭行業轉型，來實現零碳利用。

(1)探索建立零碳示范礦區。煤炭企業應該明確并完善“零碳示范礦區”建設標準與管理制度，重點打造“井下無人、地上無煤”的煤炭工業5.0時代，研究形成配套建設的體制機制。圍繞“零碳示范礦區”開展勘察設計、施工生產、裝備研發和技術服務工作，加大礦山生態環境綜合治理力度，實現礦區資源開發與生態效益相協調，建設綠色礦山。

(2)加快煤炭行業轉型，進一步優化能源生產消費布局。煤炭行業未來的重點轉型方向是打造煤炭資源清潔轉化產業與新的煤炭消費市場，將煤炭資源從能源轉向原料。未來煤炭是以原料作為主要屬性，要持續發展清潔燃料和基礎化工原料的現代深加工技術、煤基先進材料技術等。同時，將煤電從基礎能源轉為可再生能源的備用電源，發揮“兜底”作用，將煤炭打造成為綠色、低碳原料與應急能源的新型行業[12-13]。

3.3.2 增加碳匯

1987-2020年，我國因煤礦開采損毀土地18 000.8 km2，使區域碳平衡遭到嚴重破壞，導致礦區碳固存能力下降甚至喪失。因此，要通過增加礦區自然碳匯能力和加強采煤沉陷區生態修復來增加碳匯。

(1)增加礦區自然碳匯能力。主要通過加大礦山生態環境綜合治理力度，開展礦山、矸石山、荒山和礦區土地的碳匯開發，加大植樹造林力度，擴大碳匯規模。實現礦區資源開發與生態文明建設相協調、經濟社會發展與生態效益相統一，帶動礦山企業向綠色低碳方向轉型。

(2)探索采煤沉陷區生態修復，建設礦山公園。在采煤沉陷區農林復墾的基礎上，推廣應用景觀生態再造技術，創新觀光農業利用、工業旅游和生態旅游開發、其他休閑旅游開發利用模式，在增加碳匯的同時也能創造經濟效益，碳中和背景下煤炭行業低碳發展目標、定位和路徑如表2所示。

表2 碳中和背景下煤炭行業低碳發展目標、定位和路徑

4 結論與建議

當前煤炭仍是國家能源安全的基石，盲目放棄煤炭并不可行，綠色開采、科學用煤才是保障實現碳中和的關鍵。因此，煤炭行業要加強頂層設計、加大科技與人才保障、加快轉型升級和高質量發展，做好碳中和這篇大文章。

4.1 加強頂層設計

(1)投入與產出同步，推進質量變革。進一步加強規劃引領，不能簡單地將“去煤化”“去煤電”硬著陸，應該制定不同節點的煤炭行業減排目標、實施路徑與行動方案，合理配置煤炭與其他能源的競爭合作關系，有效淘汰落后產能，發揮煤炭行業壓艙石的作用。

(2)堅持宏觀與微觀并重，推進效率變革。發展清潔低碳，打造綠色礦山，進一步降低能耗，提高煤炭利用效率，促進煤炭產品由燃料向原料轉變。

(3)供給和需求并舉，推進動力變革。結合國家碳市場建設、綠色金融體系構建等工作，以良性機制實現煤炭行業碳減排交易，從而以市場化的手段倒逼煤炭企業節能減排和優化升級[14]。

4.2 加大科技與人才保障

(1)煤炭企業要加強科技創新，將關鍵性低碳和負排放技術的長期發展規劃納入我國碳中和發展戰略，統籌布局推進煤炭行業深度脫碳技術研發和產業化，推動煤炭原料或者燃料的脫碳、零碳、負碳技術的應用，加強變革性技術研發和戰略性技術儲備，進一步促進煤炭行業高質量發展。

(2)政府部門加大對煤炭企業研發創新性低碳技術給予稅收減免、政府采購和技術授權等政策扶持，從而提高企業在實現碳中和行動中的積極性。

(3)加大對優勢科研機構和團隊支持力度，建立穩定支持機制，完善技術創新攻關主體布局，設立國家重點實驗室和技術創新中心，建設科技信息資源平臺。

4.3 推動加快轉型升級

未來煤炭行業將面臨深度洗牌的風險，應未雨綢繆。

(1)建議設立碳減排基金，重點培育煤炭產業鏈上下游企業進行節能減排、低碳開發、新能源+儲能產業建設等，引導煤炭行業多元化轉型升級。

(2)建立碳排放智能監測預警機制，實行嚴格的碳減排指標核查、考核制度體系，積極主動退出一批煤礦高耗能項目，進一步壓控煤炭消費總量和強度雙控指標。

(3)推動生態環境恢復治理，進一步提高廢棄物集中處理和綜合循環利用，建設綠色礦山。