“雙碳”目標下煤基能源產業高質量發展路徑研究

朱靜茂，宋紹偉

(國家能源投資集團有限責任公司，北京市東城區，100011)

0 引言

氣候變化是當今人類社會發展所面臨的最大非傳統安全挑戰之一，減少溫室氣體排放以應對氣候變化已成為全球共識。2020年9月22日，我國正式宣布了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的“雙碳”目標。

我國是全球第二大經濟體，同時也是全球能源消費和碳排放大國。我國能源消費長期以來以煤為主，2022年全國能源消費總量54.1億t標煤，煤炭消費量占能源消費總量的56.2%[1]，碳排放量約106億t，占全球碳排放總量的30.86%[2]。以煤為主的能源結構決定了我國能源系統碳排放強度較高，“雙碳”目標下，控制煤炭消費及其碳排放是我國當前碳減排的首要著力點。在此背景下，我國超大規模的煤炭、煤電、煤化工等煤基產業如何綠色低碳轉型發展，平衡煤炭利用與碳減排之間的矛盾，將是煤基能源產業長期面臨的問題和挑戰，也是我國“雙碳”戰略實施路徑研究的重要課題之一。

1 煤基能源產業面臨的風險挑戰

1.1 能源安全保供和碳減排統籌難度大

我國富煤、貧油、少氣的能源資源稟賦，決定了“雙碳”目標的實現與西方發達國家相比任務更艱巨，同時面臨復雜的系統性挑戰，需結合我國人口規模、經濟體量、發展階段、發展速度以及資源稟賦等客觀實際，尤其應把握好能源轉型節奏，科學統籌好碳減排與能源安全保供。一方面，我國尚處工業化、城鎮化發展的中后期，人均能源消費量與發達國家相比還有較大差距，碳排放仍處于上升期；另一方面，隨著風電、光伏等大規模快速發展與滲透，在季節性或氣候性等因素疊加下，當前我國電力系統仍面臨著保障安全穩定運行的能源安全風險，油氣供應對外依存度高的壓力猶存。

近期，面對國際局勢緊張和國內能源保供實際，必須清醒地認識到，在以新能源為主體的新型電力系統構建成熟之前，煤炭仍是我國當前和今后相當一段時期保障能源安全穩定供應的“壓艙石”，對此，2021年12月召開的中央經濟工作會議已然明確，實現碳達峰、碳中和不可能畢其功于一役，傳統化石能源的逐步退出要建立在新能源能安全可靠替代的基礎上。

1.2 生態環保約束日趨強化

二氧化碳和常規污染物的排放具有同源性，在煤炭開發利用過程中，不同程度伴隨著生態破壞、環境污染等問題，我國為此開展了一系列生態治理、污染防治攻堅行動，尤其黨的十八大以來取得歷史性成就，但離實現美麗中國建設和碳達峰碳中和目標愿景還有不小差距。

我國煤炭資源與環境容量在空間上的逆向分布，更加重了煤炭開發利用在生態環保方面的約束。我國安全高效煤礦主要集中在環境承載能力弱的“陜蒙寧新”等地區，井工礦井的地面塌陷和矸石山復墾、露天礦井排土場復墾綠化等生態治理任務依然較重，個別煤礦還觸及耕地和生態保護紅線，落實黃河流域高質量發展戰略的任務十分艱巨。而高能耗、高水耗、高排放的煤化工也大多布局在煤炭資源豐富的“陜蒙寧新”等地區，這些地區同時具有生態環境敏感或生態承載力弱、水資源短缺等特點[3]。現代煤化工項目雖經技術創新和系統優化已大幅度降低了單位產品水耗，但其耗水總量依然很大。例如，某煤化工企業烯烴用水單耗從2015年的41.2 m3/t下降到2020年的15.8 m3/t，但年度總取水量仍高達6 300萬m3。

煤電方面，我國已建成世界最大規模的清潔高效煤電機組，截至2022年底，我國已有10.5億kW煤電機組實現超低排放[4]，煤電發展的主要制約因素已從常規污染物控制轉變為低碳排放及其碳履約，然而，煤電碳減排仍處于早期示范階段，碳捕集成本依然很高。此外，煤電全面實現污染控制還有困難，副產品處置和利用也存在污染轉移、經濟性等問題。

1.3 科技支撐作用仍然不足

“雙碳”目標下，我國煤基能源產業的低碳高質量發展已成為共識，但相應的科技支撐明顯不足。煤礦方面，瓦斯突出、沖擊地壓等災害機理尚未取得突破性成果，智能化高效開采關鍵裝備的技術水平亟待提升。煤電方面，機組的靈活性難以支撐新能源的消納，大部分煤電機組調峰靈活性不足，低負荷工況安全性、經濟性和環保性較差；進一步提高煤電機組發電效率面臨新循環、新工質、新材料及工藝開發等技術瓶頸。現代煤化工則在能量轉換、回收等環節也存在工藝瓶頸。

此外，低碳技術戰略儲備不足，關鍵技術自給率較低，示范階段的低碳技術協同乏力，早期應用階段的低碳技術面臨市場需求不足、政策支持力度較弱等問題，成熟技術面臨“中端技術鎖定”、自主創新能力亟待提升等問題。例如，碳捕集、利用和封存(CCUS)投資高、耗能高[5]，單位發電能耗增加14%～25%[6]，距離規模化、全流程、商業化應用仍存在較大差距。

1.4 面臨資產擱淺的風險

煤炭、煤電、煤化工均屬于重資產行業，其投資決策、審批、建設周期長，投資回收周轉期更長，且嚴重依附資源地及上下游產業鏈，一旦因政策、市場、成本等因素變化發生停建、停產或提前退役導致資產擱淺，影響甚廣。從生態環境角度看，煤基能源資產擱淺的風險因素，既包括應對氣候變化的“雙碳”目標和生態環保的硬約束，也包括在政策引導激發下的技術進步和產業升級/替代，以及大眾綠色消費升級趨勢下的市場變化等。

當前，包括歐盟、美國、中國在內的數十個國家和地區已明確提出了“碳中和”目標，更有包括德國、英國、荷蘭等30多個國家基于自身國情提出了“棄煤”時間表[7-8]，呼吁停止新建燃煤電廠，我國2023年也對外承諾不再新建境外煤電項目。煤基能源企業融資難度增加，投資界轉向綠色金融和可再生能源，加大對環境、社會和治理績效表現的審查力度。譬如，世界銀行、亞投行等120多家銀行和保險公司均已發布退出或限制在煤炭和煤電領域投資的政策和聲明，以最大程度地避免高額資產擱淺風險；澳大利亞許多金融機構不再參與煤炭融資，許多保險公司不再為煤炭投資承保、續保。

1.5 新能源安全可靠替代尚未成熟

新能源倍增式發展倒逼電力系統提升調節能力。根據電力規劃設計總院預測，要實現習近平總書記提出的2030年非化石能源占比達到25%的目標，風光裝機至少要達到16.4億kW。對比新能源發展較好的國家和地區，我國電力系統調峰資源明顯不足。我國發電裝機結構中，抽水蓄能、燃氣發電等靈活調節電源裝機占比不到6%，尤其是在新能源富集的“三北”地區，靈活調節電源更是不足3%。相較而言，歐美裝機結構中的靈活調節電源占比遠高于我國，西班牙(風光裝機占比30%)、德國(風光裝機占比46%)、美國(風光裝機占比15%)靈活調節電源占比分別為34%、18%、49%。

新能源發電占比逐步提高，電力系統出力不確定性增強，特別是日趨頻發的極端天氣等給電力系統安全穩定運行帶來了嚴峻挑戰。2021年四季度東北地區長時靜穩天氣導致電力供應短缺，2022年8月川渝地區高溫干旱導致“拉閘限電”，隨著可再生能源占比提高，極端天氣下電力系統應對能力弱、供電頂峰難、電網互濟難的風險加大，將嚴重危及區域電力供應安全。

2 煤基能源產業低碳轉型高質量發展路徑

煤炭和煤電是我國主要的一次能源和二次能源，煤炭作為我國主體能源，在今后較長時間內仍是我國能源安全穩定供應的“穩定器”和“壓艙石”[9]。實現碳達峰碳中和，煤基能源產業面臨前所未有的風險與挑戰，必須積極應對、科學布局，探索走出一條符合國情和產業特色的低碳高質量發展新路徑[10]，統籌有序處理好發展和減排、整體和局部、短期和中長期，以及減污降碳與能源安全、產業鏈供應鏈安全等關系。

2.1 推進煤炭產業安全高效綠色智能發展

“雙碳”背景下，煤炭行業依靠規模擴張、產量增加的傳統發展模式已難以為繼，必須貫徹新發展理念，轉變發展方式，使產業升級與轉型并重，走資源利用效率高、創新能力強、經濟效益好、安全智能水平高、綠色低碳可持續的發展之路。

(1)落實能源安全保供，積極優化產能結構。統籌資源接續和礦區可持續發展，增加先進產能，積極化解落后產能，做好西北地區各煤炭供應保障基地的智能化示范煤礦、優質先進產能煤礦和與現代煤化工和煤電示范項目配套煤礦的建設。

(2)積極探索創新，推進安全高效綠色開采。因地制宜推廣使用充填開采、保水開采等綠色開采技術；全面實施節能降耗，健全礦區節能減污降碳標準體系；加大瓦斯抽采利用，鼓勵開展余熱、余壓、節水、節電等綜合利用節能項目；推進綠色礦山建設，加大廢棄物資源化利用與無害化處置，加快采煤沉陷區綜合治理，強化生態環境修復。

(3)加快智能煤礦建設，促進煤礦生產“安全、少人無人、高效”，切實提高煤炭質量和選煤加工水平，精準供應符合市場需求、品質穩定的煤炭產品，實現煤炭行業高質量發展。

2.2 推進煤電產業擴容升級清潔降耗發展

我國煤電機組“存量大、機組新、效率高”，大多已實現超低排放改造，大量先進的清潔高效煤電機組短期內難以退出。面臨“減排難、發展難、轉型難、生存難”困境的煤電必須做好“煤電大事”，統籌處理好發展與減排、保供與轉型的關系，必須堅定不移走煤電清潔化發展道路。

(1)要堅持煤電由主體性電源向基礎保障性和系統調節性電源并重，再向安全保障性轉型的發展導向，新建擴容升級要審慎決策、擇優布局，以最先進的技術和最嚴格的標準建設適應新型電力系統的大型清潔高效煤電機組，把握好煤電建設的科學布局和節奏，在西部新能源大基地項目建設中做好煤電配套，在東中部地區以保障電力系統穩定為目標提高煤電支撐能力建設，在城市周邊及工業園區則宜積極布局熱電聯產機組，打造綜合能源基地，發揮“煤電+”耦合生物質和處置城市廢棄物的協同效用。

(2)要做好落后產能機組的關停并轉，深化存量機組節能降耗改造、靈活性改造、供熱改造的“三改聯動”，持續提質增效、清潔降耗，推動煤電向基礎保障性和系統調節性電源并重轉型，并推進綜合能源服務，加大“城市電廠”和“園區電廠”改造，打造融入城市發展的共享型燃煤電站，充分發揮節能降耗綜合效益。

(3)需進一步提高現有煤電的深度清潔化水平，推進非常規煤電機組超低排放改造，加強煤場、灰場等環節無組織排放控制，加大廢污水深度處理回用，積極采用空冷系統、新型干法脫硫等節水工藝，提高循環冷卻水濃縮倍率，推動脫硫廢水“零排放”。

(4)煤電清潔化發展仍需加大科技創新支撐，大力推進煤電產業低碳發展關鍵技術攻關，聚焦高效、靈活、智能、低碳重點方向，加快研發新一代超高參數和超臨界二氧化碳等先進煤電技術，加強智能靈活發電技術創新，深化以清潔高效煤電為基礎的多能融合發展及其綜合能源應用，為煤電產業低碳轉型發展持續注入新動能。

2.3 推進煤化工產業高端化、多元化、低碳化發展

現代煤化工是煤炭清潔高效利用的有效途徑，有利于一定時期內我國以“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦構建能源結構的多元化局面。習近平總書記在考察國能榆林化工有限公司時指出，“煤化工產業潛力巨大、大有前途，要提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能，促進煤化工產業高端化、多元化、低碳化發展，把加強科技創新作為最緊迫任務，加快關鍵核心技術攻關，積極發展煤基特種燃料、煤基生物可降解材料等”，為我國發展煤化工指明了方向。

(1)現代煤化工產業應立足國家戰略和民生需求，堅持科技創新謀發展，加快關鍵核心技術攻關，提高自身產業技術含量，優化產業結構，加快形成“油-化-新材料”多元化產品體系。發展煤基特種新燃料，推動煤制油產業標準化、產品系列化；發揮煤炭原料屬性，加大新材料產品開發力度，積極發展煤基生物可降解材料、煤基特種材料和高等級碳素材料等，提高產品附加值，建設煤基新材料延伸產業鏈項目[11-14]。2022年11月1日，國家發展改革委、國家統計局聯合發布《進一步做好原料用能不納入能源消費總量控制有關工作的通知》，對我國煤化工行業將產生重大利好，影響深遠。

(2)現代煤化工應加強與綠電、綠氫等新能源產業耦合發展，加大相關固碳、減碳、負碳技術的開發，推動源頭減碳和過程降碳。現代煤化工產業碳排放量巨大，2021年排放量超過3.2億t，約占我國化工產業總排放的25%，其中化工工藝過程排放占56%～67%，動力中心燃燒排放占33%～44%。理論上煤化工與綠氫耦合可取消變換裝置，將降低工藝碳排放95%以上，煤化工與綠電耦合可將動力中心燃燒排放下降至近零，但考慮裝置運行的平穩性和可靠性，綠氫、綠電替代將經歷從低比例到高比例逐步替代的過程。部分地方政府發布配套政策推動煤化工與新能源耦合發展，譬如內蒙古發布《內蒙古自治區風光制氫一體化示范項目實施細則》，明確“綠氫”項目申報條件、運營管理、審批等條件細則，已累計批復“綠氫”類項目多達33個。

(3)現代煤化工還應積極應對生態環保約束，開展深度節水、節能與清潔生產，采用變換冷凝液分離回用等措施節約用水、降低廢水產生量，推動煤化工全過程和各環節用能管理持續提升能效水平，加大高鹽廢水處理處置的研發示范，做好揮發性有機物有效管控與治理等。

2.4 深化多產業融合發展

“雙碳”目標下，煤基能源產業的綠色、低碳、轉型發展要有系統思維，深化多產業的協同、融合，努力探索以CO2減排為目標的產業融合創新發展新路徑、新模式。例如，采用清潔高效熱電聯產技術打造綜合能源基地服務周邊產業，可充分發揮綜合節能降耗效益；煤基能源產業在與石油化工、天然氣化工、冶金建材等產業的耦合過程中，還可發揮資源物料的優化整合，一方的廢料可能成為另一方的原料，通過能耗物耗的優化互補，實現系統性降碳。

在推動與新能源-氫能產業融合發展方面，煤基能源產業應發揮自身優勢，積極布局與綠電-綠氫-儲氫/儲能一體化發展的示范基地，促進系統性降碳。從利用廠區礦區屋頂、空余場地積極開發分布式光伏，到積極開發“風光水火儲”一體化多能互補綜合能源項目，再到新能源制氫耦合煤化工、使用“綠氫”部分替代煤制氫，等等，無不展示出產業協同融合所能帶來的系統性減碳巨大潛力。譬如，寶武鋼鐵集團碳中和行動方案中提出，在富氫碳循環高爐或氫基豎爐的基礎上，配套上光-電-氫、風-電-氫綠色能源，形成與鋼鐵冶金工藝相匹配的全循環、封閉的流程，建設綠氫全流程零碳工廠。中海油集團提出，未來將改變原有海上平臺用能模式，探索利用陸地大電網為海上油田生產供電，有效提高發電效率，削減海上溫室氣體和污染氣體的排放。

2.5 加強CCUS技術研發攻關與示范

面向未來碳中和的嚴峻壓力，煤基能源產業還應著眼長遠，加大末端環節CCUS技術的研發與示范。加強新一代高效低能耗技術的研發與示范，在高效低損耗吸收/吸附劑、與新型發電系統耦合集成、CO2資源化能源化利用等方面突破“卡脖子”關鍵技術；依托規模示范驗證與迭代升級，不斷降低能耗與成本。尤其，現代煤化工尾氣CO2濃度高，碳捕集成本顯著低于其他行業，是CCUS技術創新和大規模先行實踐的良好平臺。現代煤化工企業應緊跟國家政策與產業發展動態，積極開展跨行業上下游合作，突破行業壁壘，推動CO2強化采油(CO2-EOR)、CO2驅替煤層氣(CO2-ECBM)、CO2制備化工產品等技術工業化示范，建設一批具有示范效應的大型CCUS項目，為CCUS全流程、規模化和產業化應用積累經驗、奠定基礎、做好儲備。

3 結語

煤炭作為我國主體能源的地位短期內不會改變，煤炭具有開發利用的成本優勢，煤基能源具備靈活適應我國能源需求變化的能力，現代煤化工也使得煤炭具備了短期內形成大規模油氣接續能力的基礎，因此，深入開展煤炭清潔高效綠色低碳利用，是推進碳達峰碳中和進程中保障國家能源戰略安全的必然選擇。

“雙碳”目標下，實現煤基能源綠色低碳轉型，需有效應對能源安全保供、生態環保約束、科技支撐不足、資產擱淺等多重挑戰，應積極推進煤炭產業綠色智能發展、煤電產業升級發展以及煤化工產業高端化、多元化、低碳化發展，深化相關產業的融合發展，結合CCUS等低碳技術走出一條綠色低碳轉型的高質量發展之路。