煤電在碳中和目標實現中的機遇與挑戰
——訪國家能源集團科學技術研究院副總經理朱法華

■本刊記者 張正/ 編輯 王睿佳

作為全球最大的碳排放國，我國在第七十五屆聯合國大會上莊嚴承諾碳達峰碳中和的目標，并將該目標首次寫入政府工作報告。循跡溯源，我國43.1%的碳排放來自電力系統，而煤電供給了60%以上的電量，因此，構建新型電力系統是實現“雙碳”目標的必由之路。

縱觀全局，我國電力系統既面臨為經濟社會發展不斷增加電力供應的需求，又面臨為實現“雙碳”目標持續減少碳排放的壓力；一邊是要面對缺煤可能帶來的“電荒”等實際問題，另一邊卻是減煤的必由之路。在嚴控煤電和“雙碳”目標的背景下，我國煤電行業需不需要發展、如何實現高質量發展，已經成為亟待解決的問題。本刊就相關問題專訪了俄羅斯自然科學院外籍院士、享受國務院政府特殊津貼專家、國家能源集團科學技術研究院副總經理朱法華。

《中國電業與能源》：當前，煤電在“雙碳”目標下有哪些機遇？

朱法華：英國石油公司2021 年版《BP 世界能源統計年鑒》，選取了2020 年全球已實現碳排放達峰的12 個發達國家（依次為美國、俄羅斯、日本、加拿大、德國、韓國、法國、英國、意大利、澳大利亞、西班牙、荷蘭）和我國的能源消費數據進行分析研究。2020 年全球化石能源消費占比高達83.1%。除荷蘭和法國外，其余10 國仍以化石能源消費為主，化石能源消費占比均超過60%，其中美國、俄羅斯、日本、韓國、意大利、澳大利亞化石能源消費占比高達80%以上。在化石能源消費中，大部分國家以石油和天然氣消費為主，煤炭消費占比較低，部分國家煤炭消費占比低至10%以下。與發達國家相比，我國也是以化石能源消費為主，占比達84.3%，但以煤炭消費為主。由此可知，截至2020 年，化石能源在全球能源消費中仍占主體地位，是能源安全的重要保證。

1992 年聯合國大會就通過了《聯合國氣候變化框架公約》，至今已30 年，為何很多發達國家，特別是世界主要經濟體均是以化石能源為主？這可能是由于化石能源是可以大規模安全長期儲存的能源，易于保障能源安全。水能資源雖可季節性儲存，但受水資源與地形制約。核能資源雖可長期儲存，但其存在安全風險。因此，在儲能技術取得重大突破以前，為保障能源安全，世界離不開化石能源。

我國“富煤貧油少氣”的能源資源稟賦格局導致主體能源仍以碳排放強度較高的煤炭為主，煤炭消費量占能源消費總量的56.6%。來自國家統計局的數據顯示，我國原油年均增長率較低，2016—2018 年為負增長，平均年增長率為-2.0%；天然氣年均增長率在10%以下，平均年增長為7.6%。2020 年我國原油、天然氣對外依存度分別為70.2%和42%，冬季經常出現氣荒；從能源安全角度考慮，我國能源不能完全依靠進口。因此，在我國，石油、天然氣短期內無法替代煤炭消費。

調整能源結構是實現碳中和目標的主要途徑之一，未來我國的能源結構逐漸轉變為風能、太陽能等非化石能源為主。《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《能源生產和消費革命戰略（2016—2030）》中明確指出：2030年一次能源消費量控制在60億噸標煤以內，非化石能源占一次能源消費比重達到25%左右，2050 年占比超過50%，2060 年達到80%以上，其中2030 年天然氣占一次能源消費比重達到15%左右。根據以上要求可知，2030 年化石能源消費占比為75%，總量小于45億噸標準煤，天然氣消費量小于9 億噸標準煤；2050 年化石能源消費占比為超過50%；2060 年我國化石能源消費占比與2030 年相比約下降55%，由非化石能源替代。

結合我國的化石能源查明儲量的實際情況，考慮到能源安全，我國的石油消費量不宜增長且占比不宜超過天然氣，若2030 年石油消費占比也按15%計算，消費量小于9 億噸標準煤，則煤炭消費占比為45%，消費量小于27 億噸標準煤。根據國家發展戰略，2035 年我國基本實現現代化，2050 年全面實現現代化，能源產業要繼續發展，否則不足以支撐現代化建設，2050 年一次能源消費總量按70 億噸標準煤計算。《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》明確指出：加快煤炭減量步伐，“十四五”時期嚴控煤炭消費增長，“十五五”時期逐步減少，石油消費“十五五”時期進入峰值平臺期。因此，2050 年我國天然氣和石油消費量仍分別維持在2030 年9 億噸標準煤的水平，則兩者分別占比13%，煤炭消費占比不超過24%，消費量低于17 億噸標準煤。2050 年非化石能源占一次能源消費總量的50%以上，非化石能源包括風電、太陽能發電、水電、核電、生物質發電等，這些非化石能源中單一種類的能源占比都不會超過24%，可見，2050年煤炭在我國的能源消費中依然排在第一。

2050 年我國將全面實現現代化，此后的經濟發展與能源消費基本脫鉤，2060 年一次能源消費總量仍按70 億噸標準煤計算。根據黨中央確定的目標，到2060 年，綠色低碳循環發展的經濟體系和清潔低碳安全高效的能源體系全面建立，能源利用效率達到國際先進水平，非化石能源消費比重達到80%以上，碳中和目標順利實現，生態文明建設取得豐碩成果，開創人與自然和諧共生新境界。2060 年我國化石能源消費量不會超過70億噸標準煤的20%，即不超過14 億噸標準煤。根據《中華人民共和國2020 年國民經濟和社會發展統計公報》，2020年我國原油產量19476.9萬噸，折算為2.78 億噸標準煤；天然氣產量1925 億立方米，折算為2.36 億噸標準煤。另據中國石油規劃總院預測，2060年國產天然氣規模可達到2300億立方米，折算為3.06億噸標準煤。考慮能源安全，各種能源進口依存度不宜超過50%，并考慮我國居民對天然氣的需求，2060 年我國化石能源消費煤炭需低于5億噸標準煤、石油需低于4億噸標準煤、天然氣需低于5 億噸標準煤。盡管未來化石能源在能源消費總量中的占比不斷下降，但不可缺少，到2060年仍占比約20%。可見，煤炭仍將在未來相當長一段時間內發揮重要作用，是我國能源安全和穩定供應的“壓艙石”。

電力是能源的重要轉化形式，由火電、水電、風電、太陽能發電和核電等構成，其中煤炭主要用于燃煤發電，是火電的重要組成部分。根據挪威船級社報道，2019 年全球煤電裝機量為2096 吉瓦，預測2020—2050年期間將有1007吉瓦的煤電機組退役，但仍會新建490吉瓦，因此到2050年全球煤電裝機仍達1580 吉瓦，僅比2019 年下降25%。由此可見，在世界范圍內，煤電依然是需要發展的。

構建新型電力系統是一個長期的過程，盡管我國目前的風電、光伏發電裝機規模都處于世界第一的水平，但總發電量占比仍然很低。即使在最有利的氣候條件下，風能和太陽能也無法產生足夠的電能滿足全年100%的需求，無法填補能源需求的空白。截至2020 年底我國煤電機組平均運行年齡僅為12 年，顯著低于歐美國家平均運行40年的水平，讓這些煤電機組提前退役，不僅會給相關企業造成高額的沉沒成本與財務負擔，更會對電力系統的安全與穩定構成威脅，并造成經濟社會資源配置的低效率。因此，我國煤電在電力保供中的地位短期內難以改變，仍需有序發展，防止煤電大規模過快退出而影響電力安全穩定供應，解決好煤電發展問題是我國穩妥實現碳中和的關鍵。國家政策很明確，“十四五”期間嚴控煤電項目，根據發展需要合理建設先進煤電，繼續有序淘汰落后煤電，并實現煤電機組靈活制造規模1.5 億千瓦。預測“十四五”期間煤電規模及發電量仍有較大增長空間，裝機容量增長約在2億千瓦；“十五五”后期，將逐步削減煤電存量，不過削減量不大；到2030—2035 年，削減會加速；到2060 年，我國仍需要保留5 億千瓦左右煤電裝機量。

《中國電業與能源》：未來，煤電在碳中和目標實現中還面臨哪些挑戰？

朱法華：煤電是二氧化碳排放的最大來源之一，碳中和要求能源消費結構向低碳化、無碳化調整，因此煤電是實現碳中和目標的“排頭兵”。在未來一段時間內，煤電將與非化石能源并存，煤電地位由“主體”向“兜底”轉變，煤電發電利用小時數減少、占比逐年下降，面對高比例非化石能源發電的新時代，煤電在未來需積累化石能源與非化石能源發電相結合的經驗，面臨清潔低碳化、深調靈活化、功能多元化和能源智慧化的改造技術挑戰，在碳中和時期為電力系統發揮電力平衡和調節作用。

1.清潔低碳化

我國煤電發展的主要制約因素已從常規污染物排放控制轉為低碳排放，清潔低碳化是面臨的首要挑戰。在清潔化（污染物排放控制）方面，煤電機組在發電標準煤耗不大于全國平均水平時比燃氣電廠更清潔，在污染物控制技術上，繼續向深度一體化協同控制發展，逐步使大氣污染物排放接近于零。要實現煤電機組低碳發展，需要逐步完成低碳—零碳—負碳排放，這主要需在三方面進行技術突破。

（1）節能改造技術。先進高效的燃煤發電技術，可通過降低煤耗減少碳排放。目前我國超超臨界機組實現自主研發，百萬千瓦空冷發電機組、大型循環流化床發電技術世界領先。截至2020年底，全國累計完成煤電節能改造超過6億千瓦，平均供電煤耗為305.5 克/千瓦時，其中超超臨界和超臨界機組占比49.5%，還存在占煤電容量50.5%的亞臨界及以下機組需通過升級改造來提升效率、降低煤耗或淘汰落后機組。此外，還需大力推動煤電機組由超超臨界向更高效的二次再熱高低位布置700 攝氏度機組、多聯供機組等新型燃煤發電方式擴展，將先進煤電機組的供電煤耗降到250克/千瓦時以下。

（2）生物質等非煤燃料摻燒技術。燃煤耦合生物質發電對于降低煤耗、促進能源結構調整和節能減排發揮了重要作用。在保證相同發電量的情況下，煤電機組可與污泥、生活垃圾等生物質耦合混燒，大幅度減少煤炭的使用量，達到與燃氣電廠一樣的碳排放。燃氣電廠按平均碳排放強度折算相當于供電煤耗174 克/千瓦時，按照安徽平山電廠煤電機組供電煤耗251克/千瓦時和現階段新建機組要求設計供電煤耗全面低于270克/千瓦時計，分別需要摻燒30%和36%比例的生物質燃料可達到單位供電量與燃氣電廠一樣的碳排放量。當然未來在可能條件下需不斷增加生物質燃料混燒比例，直至最后實現完全的生物質燃料替換，達到零碳排放。目前我國生物質發電量占比僅為1.5%，且以小容量的秸稈電廠為主。為實現生物質的摻燒，需要對燃料制備系統和鍋爐燃燒設備進行技術改造，利用大容量高參數煤電機組發電效率高的優勢，提高生物質的發電效率。除生物質外，我國煤電混氨發電技術實現突破，2022年建立了世界首個40 兆瓦等級煤電氨混應用項目，按年利用小時數4000 小時計，每年可減少煤電機組碳排放46萬噸。

（3）煤電機組耦合碳捕集、利用與封存（CCUS）技術。煤電機組加裝CCUS可推動電力系統近零碳排放，避免已經投產的煤電機組提前退役，降低碳中和目標的經濟成本，在負荷變動或是極端工況條件下保持清潔低碳發電特性。但由于技術、成本及商業模式層面都尚未成熟，目前該技術還是以研發示范為主，沒有大規模發展。因此，加快CCUS 研發技術的重大突破，解決CCUS 高投入、高能耗、高風險的難題，成為我國以煤為主的能源結構向低碳多元化轉變的重要保障。此外，生物質能—碳捕集與封存（BECCS）技術將成為碳中和時適度保存煤電和實現電力負碳的可行性選擇，對煤電摻燒生物質燃料改造后的機組再加裝碳捕集技術，使未來煤電機組有望達到大范圍負碳排放。

2.深調靈活化

未來大規模可再生能源接入的電力系統對靈活性電源的需求將不斷提高，煤電機組需要擔當基荷和峰荷等多重功能，需要深度參與系統調峰、調頻、調壓和備用等電力輔助服務。煤電運行需要更加靈活，調峰能力更加突出可靠，目前國內煤電機組通過熱電解耦，低壓穩燃等技術可將煤電機組的最小穩定出力降至20%—30%的額定容量，但其增減出力的響應時間較長，爬坡速度緩慢，難以充分滿足系統靈活性的需求，無論是調峰深度、變負荷速率還是快速啟停能力都與歐美發達國家有較大差距。深調后煤電機組長期運行在低負荷工況之下，機組能效減低，煤耗率上升，導致氮氧化物、二氧化碳排放增加，造成環境影響；同時還會增加機組損耗，降低機組壽命，這意味著煤電深調靈活性改造還有很大的空間與潛力，需要在調峰的深度、速度、成本和環境影響等綜合技術上有所突破。因此，提升電力系統深調靈活技術將成為碳中和時期煤電發展的關鍵，國家明確“十四五”期間完成存量煤電機組靈活性改造2 億千瓦，增加系統調節能力3000 萬—4000萬千瓦。此外煤電機組利用小時數逐年降低，還需電力市場化改革加快推動煤電功能定位調整，建立包括電量、財稅、補貼、容量供給等服務在內的煤電評估機制和政策，通過市場手段，確保高效機組獲得經濟發電小時數，調峰機組得到符合市場規則的效益，進而促進風電、太陽能發電的消納。

3.功能多元化

我國電力企業需要從能源供應商向能源服務商轉化，實現功能多元化。煤電可利用生物質、垃圾、污泥等與煤摻燒發電，能將大量的能源植物收購作為能源利用，獲得較好的經濟收益，并為城市消納生活工業垃圾、污泥等“靜脈服務”。著眼中長期發展，單純依靠電力系統難以充分實現新能源利用，因而跨系統發展碳循環經濟是新能源多元化利用的重要方式。建設以煤電機組為核心的供熱、供汽、供水、蓄熱、蓄電等跨能源系統利用方式，為城市提供“電、熱、冷、汽、水、氫、壓縮空氣”等“動脈服務”，實現多種能源的相互轉化、相互控制、互補應用，促進多能融合互補，打通城市發展建設的“動、靜脈”。此外，利用煤電CCUS 或BECCS 捕獲的二氧化碳，和火電的低谷電電解水制氫，結合來制取甲醇、甲烷等應用于工業原料領域，全面擴大碳循環經濟規模，并同時解決氫氣儲運安全性的難題。

4.能源智慧化

互聯網和智慧能源是推動我國能源供給側清潔低碳轉型的重要技術手段，需要煤電由傳統能源向智慧能源發展，既滿足用戶需求，又符合環境要求，不僅要實現能源需求智慧化、能源運輸智慧化，還應圍繞能源供應和消費系統智慧化。煤電未來要通過互聯網與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合，利用大數據、云計算提供智能感知、預警及診斷、綜合一體化全流程協同控制等綜合服務，實現自動化管理、精細化管理、精準化預測，從而完成煤電向數字化轉型。集成先進的傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術和控制技術，提升煤電機組運行靈活性，連續監測污染物排放，調整催化劑輸入等，構建基于實時在線煤質、爐內燃燒及污染物生成機理的“煤風水汽電污”智能全流程一體化協同聯動控制，開發形成煤電—儲能耦合發電多場景多目標應用的高效低碳新型智能化協同控制。此外，還需充分利用分布式能源，追求橫向能源多品種和供應方式的互補優化，協調縱向源—網—儲—荷等各環節的協同互動，提供能源一體化方案。■