“雙碳”目標下煤炭與新能源的優化組合方式、挑戰與建議

倪 煒，朱吉茂，姜大霖，吳 璘，李 濤

(國家能源集團技術經濟研究院，北京市昌平區，102211)

0 引言

2021年12月，中央經濟工作會議提出“立足以煤為主的基本國情，抓好煤炭清潔高效利用，增加新能源消納能力，推動煤炭和新能源優化組合”。2022年3月，國家能源局印發的《2022年能源工作指導意見》指出，要推動煤炭和新能源優化組合，穩步推進能源綠色低碳發展[1]。推動煤炭和新能源優化組合，既是煤炭等化石能源企業綠色低碳轉型的重要路徑，也是“雙碳”目標下新能源規?；l展的必由之路。

推動煤炭與新能源優化組合有著深刻的現實背景。一方面，煤炭行業低碳轉型是“雙碳”目標的必然要求。2021年，我國煤炭消費仍占一次能源消費的56%，其產生的二氧化碳排放量約占能源消費總排放的70%左右。在電力系統中，煤電更是以不足50%的裝機容量占比，生產了全國60%的電量，并承擔了70%的頂峰任務。而“雙碳”目標要求2030年非化石能源占比從2020年的15%提高至25%，2060年比重達到80%以上。另一方面，新能源短期內還不能滿足社會發展需求。新能源不穩定性的顯著缺點使其短期內難以占據主導能源地位。目前新能源的發展規模還不足以滿足碳約束下的社會需求(2021年，全口徑非化石能源發電量僅為2.9萬億kW·h，雖同比增長12.0%，但占全口徑總發電量的比重只有34.6%)，且風、光等可再生能源的波動性、間歇性和隨機性特征，決定了其大規模接入電網將給電力系統穩定性和安全性帶來嚴峻挑戰。

因此，傳統能源的退出必須堅持先立后破，即只有新能源可以克服其固有缺點后才能逐漸降低化石能源份額，推動煤炭與新能源優化組合就成為解決當下能源結構轉型矛盾的關鍵手段[2]。但目前我國煤炭與新能源耦合利用還處于初級階段，煤炭與新能源優化組合的耦合方式還不清晰，耦合利用的空間及途徑尚不明確。鑒于此，有必要厘清煤炭與新能源優化組合的可能途徑，深入剖析煤炭與新能源優化組合面臨的挑戰，并據此提出對應的政策建議。

1 煤炭與新能源的優化組合方式

煤炭和新能源之間既有替代，又有互補，實現二者的優化組合是實現“雙碳”目標和可持續發展的重中之重。具體而言，煤炭與新能源優化組合包含2種方式：一是強調煤電與新能源發電在電力系統中的協調發展，主要通過協同構建低碳高效的新型電力系統實現；二是關注二者在產業層面的耦合利用，主要通過相互協作的技術工藝流程實現[3]。

1.1 電力系統內的協調調度

2021年3月15日，習近平總書記在中央財經委員會第九次會議上強調，實現碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，要把碳達峰碳中和納入生態文明建設整體布局。并首次提出構建以新能源為主體的新型電力系統，為我國電力系統轉型升級指明了方向。新型電力系統應當具有綠色低碳、多能互補、源網荷儲一體化、市場競爭自由化、電力系統智慧化五大特征，因此實現煤炭與新能源在電力供應中的高效協同與耦合具有較高的競爭力[4]。

煤炭與新能源在電力上的耦合，體現在未來新型電力系統的發展路徑中。我國構建新型電力系統分為兩個階段。

(1)第一階段為2035年前。在這一階段，能源結構加速向電力化過渡，但電力并非終端用能的主要形式。“十四五”期間我國新能源裝機容量快速增長，新增電力需求大部分由非化石能源滿足。風電和光伏發電的裝機總量到2025年和2035年分別達11.2億kW和26.8億kW，非化石能源發電量占總發電量的比重分別達43%和61%[5]。同時，煤電裝機逐步下降且以調峰機組為主，到2025年后進入煤電裝機規模的峰值平臺期。

(2)第二階段為2036-2060年。在該階段，依賴較高的電力化水平，實現以光伏、風力為主的新能源對煤炭等化石能源的大規模替代。第一階段較高的電氣化水平限制了煤炭等化石能源的利用情景，為新能源大規模替代化石能源提供了空間。通過進一步擴大光伏、風電等新能源的裝機規模，配備儲能系統保障電力供應穩定性，削減煤電等傳統電源的調峰機組，實現新能源對傳統化石能源的充分替代。到2060年，風電和光伏發電的裝機總量將達到56億kW，非化石能源發電量占總發電量的比重也將高達95%。電氣化水平的提升使煤炭等化石能源利用途徑以發電利用為主，同時煤電由調峰電源逐漸轉變為備用電源，并主要部署在東中部高負荷地區，發揮緊急情況下的安全保供作用[6]。因此，煤炭與新能源在電力系統中的優化組合最終將實現新能源對煤電的穩步替代，構建起以新能源為主體、煤電為備用電源的高效、穩定、低碳的電力系統。

1.2 煤炭與新能源的耦合利用

煤炭與新能源還可以在能源及下游產業間實現耦合利用。煤炭除了作為動力源外，還可作為工業原料。現代煤化工產業是實現該過程的關鍵，能夠有效促進煤炭就地加工，實現原料化利用。并且，通過電化耦合可以將新能源作為動力實現資源就地組合，從而實現降碳，保障新舊能源產業協同運行。具體而言，煤炭與新能源在類似產業部門上的耦合利用中可以通過化學轉化和電力等多種耦合形式實現[7]。

(1)煤炭深加工產業與新能源耦合發展。一方面，可再生能源制氫是與煤炭清潔利用進行耦合的主要方式。煤化工制氫過程主要采用化石能源重整制氫的技術路線，將煤炭進行熱化學轉化，合成氣體后脫硫、凈化以及分離，最終提純實現制氫。這一過程主要包括煤氣化、煤氣凈化、CO變換以及氫氣提純等，將產生較高的二氧化碳排放量。而依托可再生能源發電則能夠實現更為清潔的水電解制氫，進而避免已有的煤化工制氫的污染排放，并且降低化學轉化過程中煤炭消耗。同時，相關工藝流程還可與碳捕集、利用與封存(CCUS)技術協同，通過煤化工捕獲的CO2與新能源制成的氫反應用以制備甲醇等基礎化工品[8]。另一方面，生物質能源可耦合煤進行熱轉化。通過煤與生物質耦合共熱解、氣化、液化等多種方式，可以在提升煤炭轉化效率的同時提高生物質能的利用比例。

(2)煤炭與新能源耦合發電。一方面，通過多種形式的電廠集成，能夠實現煤炭與太陽能的耦合發電。以太陽能集熱場替代抽氣加熱給水，改造燃煤電廠工藝流程，能夠在不涉及對燃煤電廠內部結構改造的前提下，實現燃煤電廠對太陽能的耦合利用。同時，還可以利用光煤互補，將太陽能與燃煤互補，促進熱電聯供，從而在保障太陽能發電效率的同時降低煤耗率、汽輪機熱耗率和汽耗率。另一方面，在可再生能源電力對煤電的替代過程中，煤與生物質能耦合發電可以作為重要的過渡手段。將生物質能源按比例摻混到煤炭中，利用改進的供電機組流程實現煤炭與生物質能源混燃。依賴于當前煤電機組的脫硫、脫硝等高效清潔技術體系，可以在較大程度上避免秸稈等生物質燃料的直接污染排放，并在一定程度上減少煤電機組的耗煤量，提升可再生能源發電量。目前，煤炭與生物質能源通過摻混實現耦合發電已經成為較具競爭力的混合能源發電模式，主要包括直接混燃耦合發電技術、分燒耦合發電技術以及生物質氣化與煤混燃耦合發電技術。

2 煤炭與新能源優化組合的挑戰

依托較為先進的技術與規模經濟等優勢，煤炭與新能源優化組合已經取得了眾多進展，二者在電力系統和能源相關產業的耦合利用逐漸走向技術成熟。但作為構建新型能源系統的長期任務，目前仍面臨諸多挑戰。二者深度耦合方面，化學轉化、電力、熱力等方面深度耦合利用涉及的大部分關鍵技術仍處于研發示范的初級階段，能源耦合利用效率亟待提升[9]。

2.1 新型電力系統建設面臨的挑戰

(1)在新型電力系統建設的第一階段，電力系統的主要矛盾體現為需要協調經濟性與高效性。一是新能源高速發展背景下系統整體并網消納成本將大幅度增加。與常規能源相比，風、光等可再生能源具有顯著的波動性、間歇性和隨機性特征，系統可信度僅有5%～10%[2]。因此，大規?？稍偕茉唇尤雽^大程度地影響電力系統的輸配調節，給電力系統穩定性和安全性帶來嚴峻挑戰[10]。二是不健全的市場機制導致電力資源無法實現大范圍的優化配置，以及靈活性資源無法有效發揮對新能源的調節支撐作用。當前我國電力體制機制設計中缺少市場參與，難以依靠電力價格機制推動電源轉型，且進一步增加了煤炭與新能源在電力系統協調調度上的系統性成本。三是煤電加速退出會帶來沉沒成本、市場更新、技術升級、CCUS技術發展落后等問題。具體表現為：煤電產業非自然退出造成較大社會沉沒成本；“雙碳”目標下現有煤電產業布局面臨優化調整的較大壓力；煤電靈活性改造面臨技術和市場激勵機制等挑戰；CCUS技術規?；痉杜c產業化應用進程緩慢。

(2)在新型電力系統建設的第二階段，安全性將成為電力系統的主要矛盾。一是能源供應的安全性存在挑戰。隨著新能源制造成本和消納成本的持續下降，新能源制造業中礦產資源和稀土資源安全穩定供應的問題將可能成為約束。我國的能源供應也逐步從以化石能源供應風險為主，轉向以新能源設備制造原料供應風險為主，安全性問題將面臨新形勢、新挑戰。二是電力供應的安全性存在挑戰。近年來，隨著我國風、光建造技術的持續提升，裝機成本持續下降，風、光布局及建設日益加快，裝機規模及增長速度均處于世界前列，在電力結構中的發電占比也逐步提升。但是，隨著新能源建設規模的持續擴大，其固有缺點對電力系統的沖擊及影響也越來越大。并且，伴隨新能源逐漸進入平價上網的新階段，部分資源稟賦較好的地區也可能面臨“圈地、搶裝”的新困境。具體來看，水電和核電建設周期長，并且水電未來開發空間有限，同時第三代核電技術的成本比煤電高；天然氣發電受氣源等限制難以大規模增長；風力和光伏發電間歇性強、波動性大，與輸配電網以及電力需求側的匹配程度較差，且可調節性差，易受極端天氣的影響，難以緩解越來越頻繁出現的季節性、區域性能源短缺問題。

2.2 多能源系統耦合互補面臨的挑戰

(1)煤與新能源耦合制氫過程中存在技術及系統裝備問題。一是大規模制氫技術及控制系統需進一步研發。水電解制氫是新能源參與制氫的主要方向，但目前無論是堿性電解水制氫，還是純水電解制氫，大規模開發利用難度均較高。此外，大規模制氫還需要高質量的大型控制系統用以工藝流程中的實時檢測、數據通訊和傳輸及控制[11]。但目前我國此類控制系統仍處于研發初期，缺少產業化利用能力。二是儲存與運輸裝備及體系亟待完善。我國新能源大多建設在“三北”地區，與氫能的消費端存在空間差異。這也意味著新能源制氫的消納除了需要較低成本的工藝流程外，還需要輔以氫能的大規模儲備運輸系統作為支撐。但目前我國氫能的儲運體系仍處于示范的初級階段，增加了煤炭與新能源耦合制氫的成本風險。三是配套政策體系尚需健全。我國已制定了一系列氫能發展規劃和相應的行動計劃，但氫能尚未明確納入能源戰略體系，氫與煤炭的耦合發展尚無專項規劃和補貼支持；同時，現有規劃局限在交通領域，較少涉及工業、能源領域。缺少政策體系的扶持與幫助，煤炭與新能源耦合制氫的外部激勵不足，使耦合利用的成本下降速度較慢，不利于推動產業化進程。

(2)煤與可再生能源耦合發電存在技術薄弱、成本高昂、政策缺位等方面的問題。一是耦合發電技術薄弱。由于生物質能的屬性缺陷，煤與生物耦合發電部分關鍵工程問題亟待解決，如生物質燃料的不穩定性、生物質灰的熔點低等。其中，生物質能源與煤粉直接混燃發電技術僅停留在理論和試驗層面，產業化應用還有待考證；分燒耦合發電技術面臨系統復雜、投資造價高的明顯挑戰；生物質氣化與煤混燃耦合發電技術則會產生焦油等副產品，引起過濾和燃料管道堵塞等技術性問題。煤與太陽能光熱耦合發電技術也存在系統集成、調控及電站靈活調峰等方面的短板。二是耦合發電成本相對較高。當前較高的生物質原料成本直接導致了與煤耦合發電的高成本。光伏和煤炭互補方面，太陽能替代汽輪機抽汽在初始階段的轉換效率高，對能量及集熱場的面積要求較高，這也導致了較高的投資成本。三是產業規劃及補貼政策尚需健全。目前生物質耦合燃煤發電、光煤互補等新業態還缺乏統一、全面的系統性規劃，后續可能造成市場效率低下等負面競爭格局。此外，新能源耦合燃煤發電的上網電價、補貼標準等也未頒布相關指導政策，這使得耦合發電的市場利潤空間不明確，增加了相關企業投資的不確定性風險。

3 煤炭與新能源優化組合的建議

煤炭是我國現行能源體系的核心能源，是保障國家能源安全的“壓艙石”和“穩定器”。新能源是我國未來新型電力系統的主體，是實現國家“雙碳”目標的“主力軍”和“排頭兵”。持續推進煤炭清潔高效利用，加快新能源發展，實現煤炭與新能源的優化組合，對保障能源安全穩定供應、推動經濟社會高質量發展具有重大意義。面對煤炭與新能源優化組合發展的諸多挑戰，需要從頂層設計、系統協調、技術創新、政策保障等角度共同發力。

3.1 煤電與新能源發電協調發展

(1)在保障經濟性的基礎上推動煤電加速改造升級。在役煤電機組的 “三改聯動”應加速推進，即推進節能降耗改造以進一步推進煤電機組節能降耗，提高能源利用效率；推進供熱改造以滿足民生供熱、供暖要求；推進靈活性改造以增加系統靈活調節能力，適應新能源發電隨機性、間歇性、波動性特征，服務新能源更大規模發展。在聯動過程中，必須注重因地制宜、因廠施策，針對不同區域的特點合理確定現役煤電機組的靈活性改造要求。此外，推進煤電“三改聯動”需要大量資金，國家相關部門應出臺針對性政策，設立煤電機組改造專項資金，補償煤電“讓路”和“托底”功能性成本，促進煤電加快功能定位轉變。最后，要探索不同功能定位的煤電盈利新模式，通過市場激勵的手段減少改革阻力，提升發電企業靈活性改造積極性。

(2)在保障安全性的基礎上推動新能源加快發展。在發展規劃上，應優先建設新能源項目。新增用電需求更多通過新能源發電來滿足。在項目建設時，應以“風光火一體化”為指導原則，構建以大型風光基地與周邊清潔高效的煤電相協調、以穩定安全可靠的特高壓輸變電為載體的新能源供給消納體系。在調度運行上，應優先保障新能源發電消納[12]。加快輸配電網系統投資建設，進而提高大型風光基地的電源輸送能力，在消納更多新能源的同時為周邊現有火電、水電等提供更多的契機，共同為電網的穩定安全運行保駕護航。此外，電網的智能化、數字化建設也要加大配套建設力度，助力電網安全穩定運行。

(3)加大煤電和新能源相關技術創新，提升電力系統高效性。對煤電來說，其技術創新包括現役煤電機組靈活改造技術和延壽綜合改造技術、超臨界二氧化碳發電技術。為實現碳中和目標，對于某些煤電生產消費過程中難以避免的碳排放應實施CCUS技術。因此，構建CCUS技術的配套政策激勵體系是推動煤電低碳可持續發展的重中之重[13]。對新能源來說，應重視發展儲能、儲氫技術，尤其是長時儲能。發展的關鍵在于降低儲能成本、升級儲能技術，提高“風光儲”一體化系統的高效性。

3.2 煤炭與新能源耦合利用

(1)加快深度耦合利用技術研發。突破新能源大規模低成本制氫技術，進一步提高電解效率，加強對風、光等新能源隨機性、波動性的適應能力。提高純水電解等技術水平，加快煤炭與太陽能光熱耦合發電的系統集成研發，突破關鍵耦合技術與相關設備制造壁壘，優化完善調控運行策略，實現靈活調峰。深入推進煤炭與生物質燃料共轉化關鍵技術研發，盡快建立產業示范，為商業化布局奠定基礎[14]。

(2)完善耦合利用配套供給體系。加快建設氫儲運體系，提高儲運技術水平，促進與煤轉化的系統性耦合基礎條件形成，打造“制氫—煤轉化”一體化模式，減少運輸距離，完善氫能供給產業鏈，促進新能源與煤轉化的深度融合。完善生物質供給消納體系，制定相關廢棄物類原料利用辦法，進一步降低原料供給成本，進而提升煤與生物質耦合利用的經濟性，促進其產業化、規模化實施布局。

(3)建立健全政策體系與標準。秉承頂層設計與方案落地的思想，首先將煤炭與新能源耦合利用全面納入頂層能源戰略規劃。針對國家重大戰略需求的關鍵耦合利用技術，應研究制定工業及商業示范的專項政策，以更加包容的態度鼓勵關鍵技術創新與應用，形成成果轉化與技術研發的良性互動循環。具體方案上，既要建立促進煤炭與新能源耦合利用的財政補貼、稅收優惠、貸款支持等政策，也要建立完善行業技術標準和認證機制，出臺技術示范及設備標準目錄。政策落地過程中，應對行業規模、結構、布局做好分層次、分階段的發展規劃，避免形成無序、重復、低效的投資競爭格局。

4 結語

能源結構轉型是一個漸進的長期過程，立足煤炭穩定供應，堅持先立后破的轉型原則，積極推進煤炭清潔高效利用，對發揮我國煤炭資源優勢、緩解油氣資源緊張局面、保障國家能源安全具有重要戰略意義。在此背景下，推動煤炭和新能源優化組合既有利于我國實現“雙碳”目標，也有利于傳統煤炭企業綠色低碳轉型。煤炭與新能源的優化組合，主要通過電力上的耦合和產業上的耦合利用實現。其中電力上的耦合主要表現新型電力系統的構建，依賴于煤電與新能源發電的協同互補；產業上的耦合則表現為煤炭和新能源能夠通過化學轉化和電力等形式實現協同發展、組合降碳。

針對目前我國煤炭與新能源優化組合面臨的諸多挑戰，未來我國應立足以煤為主的基本國情，從煤電與新能源協調發展、能源產業間耦合利用兩方面，加快推動煤炭和新能源的優化組合，實現經濟的高質量發展。