煤基能源動態碳中和模式及其保供降碳效益評估

葛世榮，王兵，馮豪豪，姜鑫茹，李雪

（1. 中國礦業大學（北京）機械與電氣工程學院，北京 100083；2. 中國礦業大學（北京）能源與礦業學院，北京 100083）

一、前言

國際環境和全球能源格局發生深刻變革，我國能源發展和安全保障面臨新挑戰。俄烏沖突引發了國際能源緊缺，加劇了世界能源供需失衡，歐洲國家在能源方面高度依賴俄羅斯，這些國家“能源動蕩”的根源與其普遍缺少兜底保障性能源供應密切相關，能源自給率過低容易引發能源安全風險。2021年，歐盟天然氣對外依存度高達83%，石油對外依存度高達92%，煤炭的對外依存度也達到了42%，整體能源自給率低于43%。“北溪二號”水下爆炸事故的出現例證了極端情景下保障能源安全的重要性，能源進口通道的戰略安全問題日益凸顯，地緣政治局勢演變的溢出效應進一步凸顯了能源安全的重要性[1]。煤炭占我國化石能源資源稟賦的90%以上，能源消費總量的56%左右，國際新形勢和我國能源資源稟賦彰顯了煤炭在我國國家安全戰略中的重大責任。

以煤為主的能源結構需要在較長一段時期內肩負起保供降碳的重要責任。改革開放以來，煤炭作為國民經濟的動力來源，為促進經濟快速發展、保障能源安全和維持社會長期穩定提供了重要支撐。我國提出碳達峰、碳中和目標之后，各領域積極謀劃減煤降碳行動，煤炭供應一度出現了供應不足問題，2021年9月發生的電力短缺、拉閘限電和企業關停等事件，對社會經濟發展造成了一定的影響[2]。從我國能源資源稟賦出發，煤炭行業首先要為能源供應安全和國民經濟的有序運行發揮頂梁柱和壓艙石作用[3]。

世界經濟復蘇提升了能源需求，能源價格急劇攀升，煤炭的穩定器作用日益凸顯。我國以煤為主的能源結構支撐了社會經濟長期平穩運行，煤炭行業的科技創新能力顯著提升，為能源安全乃至國家安全發揮了重要作用。為適應新時代保障能源安全和實現“雙碳”目標的雙重重任，煤炭工業亟待從傳統的煤炭能源轉向煤基能源體系，聚焦煤炭清潔高效開發，利用新方向探索煤基能源動態碳中和體系的新思維、新路徑、新技術非常必要和迫切。本文通過界定煤基能源的內涵和煤基能源動態碳中和模式的體系架構，基于學習曲線模型模擬了不同煤基能源技術的降碳潛力，采用系統動力學模型分析了煤基能源動態碳中和模式的保供降碳效益，以期為制定煤基能源發展規劃提供決策支撐。

二、煤基能源的內涵及其保供降碳的重任

為適應新形勢下我國能源安全保障和新型能源體系建設的迫切需求，應對煤炭行業高碳排放的挑戰，煤炭能源亟待轉變發展方式和思路，采取非常規手段、非常規思路、非常規路徑建設煤基能源體系，攻克煤炭清潔低碳利用過程的巨量二氧化碳消納技術[4]。

煤基能源是基于煤炭開發利用技術創新，生產清潔化煤電（含煤漿發電、爆燃發電）、煤系氣（煤層氣抽采、地面煤制氣、地下煤制氣）和煤制油（地面煤制油、地下原位熱解采油）等能源產品，并在礦區原位消納轉化流程所捕集的二氧化碳，從而改變煤炭傳統的固態燃用方式，把高碳排放的固態煤炭產品變為低碳排放的液 / 氣形態產品。

煤基能源開發利用能夠在以煤為主的能源結構轉型中發揮“一主體、三支撐、一突破”作用，具體體現在：“一主體”是指發揮新型低碳煤電在電力供應中的主體地位；“三支撐”是指發揮煤基能源在國家油品戰略儲備、天然氣進口量替代、氫能體系發展中的支撐作用；“一突破”是指突破煤炭清潔利用的動態碳中和技術。“一主體、三支撐”是能源安全保障的外在需求，“一突破”是碳中和目標下實現以煤為主的能源結構低碳發展的內在要求。

（一）國外碳達峰國家并未放棄煤炭能源

主要國家的能源轉型經歷表明，一些已經實現碳達峰、且正在轉向碳中和的國家并沒有完全去除煤炭能源，其仍把煤炭作為現代能源體系中的穩定器，主要體現在煤炭供能基本保障方面：煤炭在能源消費結構中的占比長期保持在20%以上，典型的碳達峰路徑減煤增氣總幅度在20%以上，已經碳達峰且為電力大國的煤電占比普遍超過20%。

（1）碳達峰國家煤炭消費占比整體穩中有降，但并未完全棄煤。在已達峰的排放量前10名國家中，有4個國家（德國、韓國、澳大利亞、波蘭）在達峰前煤炭消費占比高達40%以上，2 個國家（土耳其、英國）高達30%以上（見圖1）；此外，歐盟作為一個整體已實現碳達峰，其達峰前煤炭消費占比達31%。更重要的是，這些國家在實現碳達峰之后，其煤炭消費占比并非在短期內快速下降，而是進入了一個相對緩慢降低或不斷波動的平臺期。

圖1 主要國家減煤增氣的能源消費結構演變過程

（2）“減煤增氣”已成為發達國家碳減排與碳達峰的重要路徑選擇。經濟與合作發展組織（OECD）國家整體煤炭占一次能源消費比重從1985年的25%降低到2020年的13%，而天然氣從18%增加到29%，減煤幅度為12%，増氣幅度為11%。能源結構調整使單位能源消費量的二氧化碳排放強度從65.7 tCO2/TJ降低到49.6 tCO2/TJ，降幅為24.5%。其中，歐盟國家整體煤炭占一次能源消費比重從1985 年的31%降低到2020年的11%，降幅為20%；天然氣從15%增加到25%，增幅為10%。減煤增氣雖是實現碳達峰的有效路徑，但必須建立在本國天然氣資源儲量豐富或天然氣進口通道便捷、風險低的基礎之上。

（3）碳達峰國家的燃煤發電占比普遍高于20%。2022年，全球及OECD國家的化石能源發電占比均超過了50%[5]（見表1）。美國、日本、澳大利亞、韓國等主要碳達峰國家的化石能源發電占比超過60%，燃煤發電占比超過或接近20%。在用電量較高的碳達峰國家中，加拿大和巴西的可再生能源發電占比超過40%，其他國家非化石能源占比大多不超過30%。

表1 2022年全球部分國家或地區化石能源及煤電占比

（二）我國需依靠煤基能源承擔保供降碳重任

煤炭是我國的主要能源和重要工業原料，承擔著重點行業的能源保供責任，同時煤炭利用在降碳方面也取得了重要進展。中國電力企業聯合會數據顯示，我國6000 kW 及以上電廠供電標準煤耗由2008年的345 g/(kW·h)降至2021年的302.5 g/(kW·h)，降幅為12.3%。與國外對比，我國發電煤耗在2011年后低于美國，并于2017年達到歐洲的平均煤耗水平。2022年，全國單位火電發電的二氧化碳排放量約為824 g/(kW·h)，比2005 年降低了21.4%；全國單位發電量的二氧化碳排放量約為541 g/(kW·h)，比2005年降低36.9%。據統計，我國煤炭開采和洗選綜合煤耗由2012 年的4.08×108t 降至2020 年的1.69×108t，下降約60%。

當前，我國能源利用效率與世界發達國家水平存在很大差距，煤炭能源利用仍是我國能源相關碳排放的主要來源，亟需改變煤炭傳統開發利用方式，提高煤炭利用效率，發展煤基能源開發利用，在實現“雙碳”目標的未來進程中承擔保供降碳重任。

地緣政治緊張局勢引發能源兜底保障需求，能源系統的穩健性和柔韌性日益重要，煤基能源可有力發揮能源的保供重任。我國是世界上最大的石油進口國、僅次于美國的石油消費國，石油的對外依存度一直居高不下，且80%的原油進口經過馬六甲海峽，通道路程長、風險源較多，極易受到地緣政治局勢影響。為實現油氣保供，降低油氣進口比例，我國需拓展煤基油氣產業，發揮煤基能源體系的兜底保障作用[6]。

煤基天然氣開發既能顯著降低煤炭能源的碳排放，也可以在一定程度上提高能源清潔轉換效率，從而實現保供兼顧降碳的雙重重任。高飽和度的碳氫化合物在燃燒過程中碳與氧結合生成二氧化碳屬于一種相對完全燃燒反應，會產生更少的碳排放[7]。而碳氫化合物中豐富的氫原子能夠提供足夠的氧氣供碳原子燃燒，從而實現完全燃燒。而煤炭及木材燃燒期間的碳氫比為1∶1，石油的碳氫比為1∶2，天然氣的碳氫比為1∶4。煤基能源生產過程通過脫硫、脫氮和脫碳等操作形成固體廢渣，提高了碳氫飽和度的過程，從而有效減少碳排放[8]。因此，在煤基能源生產過程中，煤制油通過直接液化、間接液化或原位熱解產生油，煤炭通過氣化產生合成氣，都是通過改變分子結構產生更多能量同時降低碳排放。

煤基油氣，特別是富油煤開發和煤層氣開發，有望成為石油戰略儲備技術的重要選擇。低階煤通過中低溫熱解反應可獲得煤焦油、熱解氣和蘭炭。我國富油煤資源總量約為5×1011t，按焦油收率10%計算，可得到油、氣分別為5×1010t、7.5×1013m3。“十三五”期間，煤層氣（煤礦瓦斯）累計利用3.4×1010m3，相當于節約了4.08×107tce，減排二氧化碳5.1×108t。2022 年，經過多輪資源評價，我國煤層氣預測資源量約為2.6×1013m3，全部利用狀態下預計可降碳3.9×1011tCO2。煤基油氣保供降碳潛力巨大，在保障能源安全兼顧實現碳中和方面大有所為。

三、煤基能源動態碳中和模式的科學內涵

（一）煤基能源動態碳中和的體系架構

煤基能源是指改變煤炭固態利用為主，以煤炭為主要原料進行清潔高效可持續開發利用的能源形式。這一過程的產碳能力將有效降低，通過用碳和固碳，進一步挖掘其降碳能力，助力實現“雙碳”目標，同時發揮其對于能源系統穩定性的壓艙石、頂梁柱作用。因此，本文提出了煤基能源動態碳中和的體系架構，通過煤基能源開發利用保障能源安全的同時兼顧“雙碳”目標。煤基能源動態碳中和體系架構如圖2 所示，其模式是指以煤炭勘探 - 開發 - 利用全生命周期為視角，將煤炭勘探“采炭”、智能開采“低碳”、高效利用“減碳”、清潔轉化“替碳”形成煤炭低碳開發利用系統，將碳捕獲、利用與封存技術（CCUS）“用碳 / 固碳”、礦后生態修復“儲碳”耦合構成煤基能源碳閉環系統，構建智能、安全、高效、清潔的煤炭工業技術體系。煤基能源動態碳中和模式在企業層面需要考慮碳會計“查碳”和碳金融“買 / 賣碳”對企業碳資產的經濟管理功能，形成煤炭開發、利用、轉化、CCUS、碳會計、碳金融和碳匯的封閉碳循環產業鏈。

圖2 煤基能源動態碳中和體系架構

（二）煤基能源動態碳中和的降碳能力

圖2 所示的煤基能源動態碳中和體系架構中，煤基能源動態碳中和模式突出特點體現在產碳 - 用碳 - 固碳能力上的顯著變化。

煤基能源動態碳中和模式的“產碳”能力體現在以下幾個方面。① 煤炭勘查環節應充分體現節約、高效、綠色的工作理念，這是支撐實現煤炭智能柔性保供的基石。開展煤炭資源綠色精細勘查的重要性主要體現在：摸清我國煤炭資源數量、質量和賦存規律，增加煤炭資源可采儲量，為礦區規劃和礦井建設提供資源基礎；減少勘查環節對地質和生態環境的損害，為綠色低碳開采提供地質依據，為開展礦區資源綜合利用與碳封存提供地質保障。② 煤炭綠色智能開發能夠有效降低煤炭開發環節的產碳能力，降低煤炭開采與洗選過程能耗，推進煤炭開發的清潔化和低碳化。例如，煤矸石井下處理技術，我國每生產1×108t 煤炭，約產生煤矸石1.4×107t，煤矸石中的碳含量平均為14.2%，實現煤矸石井下處理，對構建綠色低碳友好型礦區環境至關重要；智能無人開采、智能感知、協同控制等可以有效提高煤炭產量、降低煤礦災害和提高回采率；煤與瓦斯共采技術有效阻止了煤層中的瓦斯（主要成分包括CH4和CO2等）釋放到大氣中，避免瓦斯卸壓與瓦斯事故，同時減緩瓦斯氣體排放引起的溫室效應；煤炭地下氣化開采則能夠將自身綠色低碳開采、清潔高效利用的特性融入動態碳中和循環模式，實現煤炭氣化利用。③ 煤炭清潔轉化能夠降低煤炭資源利用端的碳排放。加快煤氣化、煤制油、煤制烯烴、煤制醇類等關鍵技術攻關，推動由燃料向高端化工原料和碳基新材料領域的轉型發展，實現煤炭能源的低碳利用[9]。

煤基能源動態碳中和模式的“用碳”能力體現在碳捕集、利用技術的用碳能力上。CCU技術是實現煤炭清潔化利用的碳閉合技術體系的重要環節。以煤炭地下氣化開采技術為例，由于整個利用與轉化過程均在地下完成，煤炭地下氣化產生的二氧化碳除了利用氣化腔就地封存固碳以外，還可以利用煤炭地下氣化生成的合成氣制備化學品，其脫碳階段會排放出大量高純度的二氧化碳，由于其純度高，有助于大幅降低捕集環節的總成本，通過加氫制甲醇實現資源化有效利用。此外，這些二氧化碳還可能在煤礦驅替煤層氣、油田驅油增產等方面發揮重要價值。

煤基能源動態碳中和模式的固碳能力體現在：① 地質封存（咸水層）與深地原位地下封存。以煤炭地下氣化開采技術為例，其氣化腔理論上具備封存所產生的70%的二氧化碳。因此，通過技術耦合與集成，開展煤炭清潔轉化領域碳封存和碳循環利用關鍵技術攻關，可實現碳、氧、氫資源高效轉化和循環利用，構建循環式低碳產業鏈。② DACCS和生態增匯進一步挖掘礦區碳匯潛力，通過產生負排放可抵消整個循環中多余的碳排放，是推動形成動態碳中和模式的托底技術保障。DACCS從空氣中直接捕集CO2，并將其注入深層地質構造以永久封存，土地資源占用小且高度靈活，可利用礦井采空區或廢棄礦井地下空間滿足封存需求，設施布置靈活，可避免長距離運輸。礦區生態修復是增加生態碳匯的有效途徑，亟待推動開展全生命周期礦山生態修復理論與技術鏈，發展減沉保水協調開采、充填開采、土壤修復與生物多樣性恢復關鍵技術等[10]，修復礦區損毀土地，改善土壤碳截獲能力，增加植物碳儲量。

四、煤基能源動態碳中和模式的效益評估

系統動力學（SD）方法是一種定性與定量相結合的仿真模擬方法，廣泛應用于能源領域的仿真研究中[11]。從社會和系統層面關注具備多變量、高階次、多回路復雜時變能源系統演化機制的研究，通過改善能源系統的運行機制，從而實現能源可持續發展與環境保護。彭生江等[12]通過SD 方法構建了風 - 氫 - 煤耦合發展系統動力學模型，并針對性地分析了風煤耦合發展的減排效益和經濟效益；杜振東等[13]運用系統動力學構建了我國電力市場的發展演化模型，并分析了不同情景下的電力市場的演化趨勢以及碳排放水平；Yang等[14]基于我國煤炭產能結構構建了SD 模型，對不同政策下我國煤炭的產能規模進行了仿真模擬。煤基能源動態碳中和模式是對煤炭行業低碳發展的有益探索，針對煤基能源動態碳中和這一具有復雜非線性的能源利用模式，可以通過構建SD 模型來實現其對能源、環境等方面的定性、定量評估。

（一）系統動力學模型構建

1. 系統邊界

本節研究應用煤基能源動態碳中和模式所帶來的效益，包括低碳效益和能源安全效益兩方面。主要根據煤基能源行業的發展實際，以能源結構、煤基能源的轉化利用以及碳排放之間的交互關系作為建模的基礎，來對煤基能源動態碳中和系統進行邊界界定。根據系統內各變量間的層次關系和相關程度，將其劃分為煤基能源子系統、碳排放子系統以及能源安全子系統。

2. 系統因果回路圖

根據前文的分析給出煤基能源動態碳中和系統的因果回路圖，如圖3所示。

圖3 煤基能源系統效益評估的因果反饋回路

煤基能源動態碳中和系統因果回路圖主要包含以下回路：

回路1：經濟發展→煤炭清潔利用水平→清潔能源產量→碳減排量→煤基能源碳排放量→煤基能源綜合效益→經濟發展（正反饋回路）

回路2：經濟發展→能源消費→能源缺口→能源安全→煤基能源綜合效益→經濟發展（正反饋回路）

回路3：清潔能源產量→能源缺口→能源安全→煤基能源綜合效益→經濟發展→煤炭清潔利用水平→清潔能源產量（正反饋回路）

回路4：碳減排量→煤基能源碳排放量→煤基能源綜合效益→經濟發展→煤炭清潔利用水平→清潔能源產量→碳減排量（負反饋回路）

3. 模型流圖及方程構建

基于煤基能源碳中和問題的復雜性，本文對研究范圍進行界定，降碳效益主要關注關鍵煤基能源轉化技術的降碳能力，對于保供效益主要聚焦于未來煤基油氣和顛覆性技術的發展，因此該研究在建立SD模型時做出如下設定：① 煤基能源碳排放考慮關鍵顛覆性技術，包括煤制油、煤制氣、煤制氫的清潔轉化利用，煤炭地下氣化、煤層氣的煤系氣轉型利用以及富煤油油氣開發技術所產生的碳排放。② 經濟發展水平作用于系統外部，且具有階段性的特征，傳統煤化工技術相對較為成熟，因此沒有納入到低碳化煤基能源的范疇。③ 各種煤基能源的清潔利用水平是作為外生變量給定的，通過我國能源結構優化的中長期發展規劃以及未來可能的能源缺口確定。

結合SD 模型分析，本研究預測了煤基能源動態碳中和模式的降碳能力。由于煤炭的清潔利用是未來發展的必然趨勢，不同的煤基能源技術會帶來不同的減碳效益，并且隨著技術的進步其減碳效益也會有相應的改變。通過SD 模型可分析并預測煤基能源在不同發展情景下的超低碳能力。最終建立煤基能源效益評估的系統動力學流圖如圖4 所示。不同煤基能源技術的碳排放會隨著技術的進步而降低，本研究采用學習曲線來模擬未來煤基能源的碳排放變化趨勢并將其擬合結果內生到SD 模型中。本文采用式（1）曲線模型來預測我國煤基能源因技術進步帶來的CO2排放系數變化趨勢：

圖4 煤基能源動態碳中和模式SD流圖

式（1）中，y表示單位產品的CO2排放系數，x表示年份。分別計算煤制油、富油煤產油、地面煤制氣、煤制氫、地下氣化產氣的CO2排放系數變化趨勢，得到煤基能源CO2排放系數（見表2）及煤基能源生產過程中CO2排放系數的百分比變化（見圖5）。該模型中涉及的關鍵方程如表3所示。

表2 煤基能源碳排放系數

表3 煤基能源動態碳中和模式系統動力學模型關鍵方程

圖5 煤基能源碳排放系數下降趨勢

4. 模型有效性檢驗

本文選取能源消費總量進行SD 模型參數敏感性檢驗，調節2020—2060 年的GDP 增速來觀測能源消費量的趨勢變化，如圖6所示。能源消費總量變化趨勢沒有發生大的變化，說明模型具有良好的適應性和魯棒性。

圖6 能源消費指標敏感性分析

在敏感性分析的基礎上，本研究采用歷史性檢驗方法對比分析2014—2019年運行值和實際值之間的誤差來校對模型的有效性。通常情況下，SD 模型的仿真結果應盡可能地接近現實情況，將誤差控制在合理范圍內。選取GDP、能源消費量進行對比分析，結果如表4 和表5 所示。歷史值和模擬值之間的相對誤差均在10%以內，說明該模型是合理的，可以模擬煤基能源動態碳中和系統的發展現狀以及未來趨勢。

表4 能源消耗總量模擬值與實際值對照表

表5 GDP總量模擬值與實際值對照表

（二）煤基能源動態碳中和的效益分析

1. 情景設置

本文煤基能源關鍵技術主要包括煤制油、煤制氣、煤制氫的清潔轉化利用，煤炭地下氣化、煤層氣的煤系氣轉型利用以及富煤油油氣開發技術。以上煤基能源技術可以將我國豐富的煤炭資源轉化為汽油、柴油等液體燃料和氣體燃料，部分替代常規石油基汽油、柴油和天然氣，可有效緩解我國石油供需矛盾，滿足終端優質能源需求[15]，特別是在極端氣候和突發事件的影響下，煤基油氣技術在保障我國能源安全、社會基本運行與人民生活基本保障等方面意義重大。考慮煤基能源發展特征以及未來發展政策[21,22]，提出以下四種情景進行仿真模擬。

（1）基準情景

在基準情景下，通過制定更全面的非化石能源發展目標政策，儲能技術實現突破，新能源技術高速發展，煤基能源按照現有水平可實現一定規模的發展。在該情景下，2060年煤基能源清潔轉化用煤占煤炭消費比例約為50%。

（2）煤基能源利用情景

在能源轉型背景下，煤炭行業將實施更加嚴格的碳排放約束政策，低碳化煤基能源技術創新取得突破，煤基能源規模不斷增加，常規煤炭清潔利用穩步發展，即煤基能源利用情景。在該情景下，2060年煤基能源清潔轉化用煤占煤炭消費比例約為87%。

（3）極端氣候保供情景

在煤基能源利用情景的基礎上，考慮到極端氣候對能源供應的影響，這部分需求由煤炭清潔轉換提供，即極端氣候保供情景。在該情景下，在2060年煤基能源清潔轉化用煤占煤炭消費比例約為75%。

（4）突發事件保供情景

考慮到突發事件對油氣保供的影響，這部分需求可由煤基油氣替代，即突發事件保供情景。在該情景下，2060年煤基能源清潔轉化用煤占煤炭消費比例為77%。

2. 煤基能源動態碳中和的保供效益

不同保供情景（極端氣候保供和突發事件保供）下煤基能源產油（以標準煤計）預測如圖7（a）和圖7（b）所示，2060 年，預計煤基能源產油量為2.57×108tce 和3.57×108tce。從煤基產品結構上看，保供情景下煤制油占比相對較高，這表明未來煤制油技術的戰略價值會凸顯。富油煤產油的占比呈現出逐漸升高的趨勢，這是由于富油煤技術發展潛力較高，尤其是在能源結構多元化和能源安全方面，預計未來富油煤產油量仍具有很大的增長空間。雖然煤制油在能源保供方面具有很大的優勢，但也應積極推動清潔能源技術的發展，逐步減少對煤制油的依賴，促進能源結構多元化。

圖7 不同保供情景下煤基油氣產量預測

不同保供情景（極端氣候保供和突發事件保供）下煤基燃氣產量（以標準煤計）預測如圖7（c）和圖7（d）所示，從結構上來看，煤基燃氣結構逐步形成以煤炭地下氣化為基礎的多元化格局，煤層氣和煤炭地下氣化的開發利用將成為天然氣供應安全的重要保障。其中，煤炭地下氣化產氣占煤基天然氣的比例在2060年將達到64%～66%。從總體上看，煤炭地下氣化技術具備巨大的發展潛力，可以實現煤炭高效利用和能源可持續發展目標。然而，為充分挖掘其潛力，需要解決地質風險、環境保護、技術創新等問題。

3. 煤基能源動態碳中和的降碳效益

不同情景下煤基能源碳排放趨勢預測結果如圖8所示。在基準情景下，其碳排放于2030年左右達到峰值后緩慢降低，預計2030 年、2060 年的二氧化碳排放量將分別達到6.16×108t、4.46×108t。在該情景下煤炭發揮基礎保障性作用，新能源快速發展并能滿足經濟社會發展需求。在煤基能源利用情景下，煤炭行業全面提升煤炭清潔利用水平、擴大煤基能源產業規模，煤基能源產量迅速擴大。

圖8 不同情景下煤基能源碳排放變化趨勢

在煤基能源利用情景下，煤基能源技術迅速發展，且各種技術的碳排放因子隨著技術進步將不斷降低，隨著煤基能源規模的增加，其碳排放仍呈現出緩慢增加趨勢，在2030 年、2060 年的二氧化碳排放量將分別達到7.1×108t、9.2×108t，但其發揮的碳減排效益將不斷增加；在保供情景（極端氣候和突發事件）下，能源供應受到外界因素的影響，這部分的能源缺口由煤基能源保供。因此，相比煤基能源利用情景，保供情景下煤基能源產量進一步增長。2060年，在保供情景下煤基能源的碳排放量將分別為9.7×108t和1.23×109t，比煤基能源利用情景分別增加0.5×108t和3.1×108t。

煤基能源的碳減排潛力主要從以下幾個方面來分析：① 煤炭清潔利用方式相比煤炭的傳統利用方式具有一定的降碳潛力。② 考慮技術學習曲線，各項煤基能源技術的單位碳排放會隨著技術的進步而降低。③ 對于煤層氣而言，其主要成分是甲烷。甲烷的溫室效應約為二氧化碳的25倍。煤層氣的開發利用具有巨大的減排潛力。

為評估不同情景下煤基能源體系的減碳效益，通過將煤炭清潔利用方式的碳排放與傳統利用方式（本研究假定以燃煤發電為例）所產生的碳排放進行對比。基于本研究的結果，利用公式（2）計算傳統利用方式所產生的碳排放量：

式（2）中，Q為碳排放量，ε為碳排放系數（本研究取2.46 tCO2/tce），c1為各煤基能源轉化系數，β為煤基能源產量。

不同情景的碳排放結果對比如圖9 所示，在基準情景下，煤基能源產業規模不大，2060年的碳排放量為4.4×108tCO2，相比傳統利用方式碳排放量降低了1.75×108tCO2；在煤基能源利用情景下，考慮技術進步，煤炭清潔利用水平穩步提升，煤基能源產業結構不斷優化，2060年煤基能源碳排放量為9.2×108tCO2，相比傳統利用方式碳減排潛力可達55%。在保供情景下，煤基能源產業規模進一步擴大從而保障因極端氣候和突發事件所帶來的能源供應缺口；預計在2060年，相比傳統利用方式，保供情景下煤基能源體系碳減排潛力將分別達到47%和46%。進一步考慮煤炭地下氣化等技術在地下氣化腔的儲碳能力（以70%為理論值[23]），煤基能源動態碳中和模式考慮固碳能力之后的碳減排潛力有望達到84%左右。在此基礎上，考慮礦區復墾碳匯、DACCS 等技術，煤基能源動態碳中和模式有望最終實現。

圖9 不同情景下煤基能源碳排放與傳統利用方式結果對比

如圖10 所示，在煤基能源清潔利用情景下，2060年煤基能源體系（煤基能源利用占比87%，煤炭傳統利用占比13%）仍將產生1.36×109t 的二氧化碳，通過煤基CCS、礦區CCUS（假設理想條件下采空區5%的空間可用來封存二氧化碳，煤炭地下氣化腔的儲存利用率為70%，礦區CCUS 捕集封存率為90%）可降低38%（1.28×109t）的碳排放，剩余的碳排放需通過礦區碳匯、負排放技術吸收，進而實現煤基能源體系的動態碳中和。

圖10 煤基能源利用情景下2060年煤基能源“減碳 - 降碳 - 固碳”結構

煤層氣開發利用技術是煤基能源動態碳中和技術體系中的重要組成部分，煤層氣的開發利用具有巨大的減碳效益。不同情景下煤層氣產量如圖11所示。煤層氣在我國有著得天獨厚的資源優勢，可以保障我國天然氣供應和助力碳中和目標的實現。在煤基能源利用情景下，煤層氣產業快速發展，2030年之前增長速度趨勢較快，隨后穩步上升。煤層氣的產量在2030 年和2060 年將分別達到3.5×1010m3、8×1010m3。

圖11 不同情景下煤層氣開發利用需求

4. 考慮碳交易市場政策的煤基能源減排效益

“雙碳”背景下，碳交易政策的引入可以在煤基能源的清潔發展進程中發揮重要作用。在高碳價政策下，傳統高碳能源的成本將會上升，低碳化煤基能源由于其低碳排放的特性將更具競爭力。同時，政府還可以針對煤炭清潔利用的不同產品給予稅收優惠或者政策補貼以進一步促進煤基能源發展。因此，煤基能源行業在排放成本壓力和減排政策激勵的雙重作用下，煤基能源的清潔利用水平將會進一步擴大。不同碳價水平下的煤基能源利用方式和傳統利用方式對比如圖12 所示。2060 年，不同碳價水平下煤基能源利用碳減排潛力將達到56%～61%。

圖12 不同碳價水平下煤基能源碳排放對比

不同碳價政策對煤基能源產業規模的影響結果顯示，隨著碳價的升高，2060年煤基能源占煤炭消費的比例將達到90%～97%。可見在外部碳價政策的驅動下，煤基清潔利用有望完全替代傳統的煤炭利用方式。煤層氣等煤系氣技術還未納入碳交易市場中，未來在煤層氣減排收益計入的情況下，碳交易政策有利于進一步推動煤基能源體系的建設。

五、結語與展望

結合煤基能源發展現狀，本研究揭示了煤基能源動態碳中和體系的內涵，通過SD 方法構建了煤基能源動態碳中和模式綜合效益評估的SD 模型，并基于該模型提出了四種情景進行模擬，科學地評估了煤基能源發展的碳減排效益和能源安全保障能力，給出了不同階段分情景煤基能源發展規模，得出了如下結論。

煤基能源油氣供給將為我國能源安全做出重要貢獻。煤基能源油氣供給可增加能源供應的多樣性，提升能源安全保障能力。在極端氣候保供情景和突發戰爭保供情景下，煤基石油在2060年將分別達到2.57×108tce 和3.57×108tce，煤基石油供給將提高我國油氣來源多樣性，有力支撐石油安全。從近期來看，由于煤基油氣技術發展相對緩慢，煤基油氣戰略儲備不足以支撐突發情況下我國油氣安全，發展煤基能源刻不容緩。

煤基能源體系中煤層氣開發利用和煤炭地下氣化可有效支撐我國未來天然氣的供應以及碳中和目標的實現。在煤基能源利用情景下，煤層氣產量在2030年和2060年可分別達到3.5×1010m3、8×1010m3，2060 年煤炭地下氣化產氣規模預計達到2×1011m3，可發揮巨大的減排潛力和安全保供潛力。

總體來看，煤基能源開發利用具有較大的降碳潛力。上述四種情景中，煤基能源利用情景可作為最優發展情景，在該情景下，2060年煤基能源體系的直接和間接碳排放量為9.2×108t，相比傳統利用方式，煤基能源碳減排潛力可達55%，結合地下氣化腔封存二氧化碳技術，煤基能源碳減排潛力可達84%，考慮傳統CCUS、礦區復墾碳匯、DACCS等技術，煤基能源開發利用有望建成動態碳中和模式，實現煤基能源技術革新。

綜上所述，本研究給出以下措施建議：① 煤基石油作為戰略技術可以顯著提高石油來源多元化程度，建議政府在能源政策中鼓勵煤基石油儲備的戰略價值，實現能源結構多元化。② 煤層氣開發利用和煤炭地下氣化需要制定穩健的發展目標、政策支持和嚴格的環境保護標準，確保開發過程中的環境影響最小化，實現非二氧化碳溫室氣體排放的降低。③ 在煤基能源開發利用過程中，應不斷推動技術創新，提高能源利用效率，減少碳排放，鼓勵企業投資研發清潔煤技術，實現能源的可持續發展。④ 富油煤開發、煤炭地下氣化是兩個近中期安全可行和穩妥可控的油氣替代方案，遠期來看，煤炭流態化開發是煤炭能源縮短循環周期和降低碳足跡的顛覆性技術。⑤ 煤基能源動態碳中和模式的建立是以煤基能源產業發展為基礎，以煤基CCS 技術、碳儲科學與工程、二氧化碳資源化利用為支撐的體系革新，在煤炭能源向煤基能源的轉型過程中，碳金融政策的支持必不可少。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財務沖突。

Received date:September 11, 2023;Revised date:October 15, 2023

Corresponding author:Wang Bing is a associate professor from the School of Energy and Mining Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing. His major research field is energy systems engineering. E-mail: jie.qiao@263.net

Funding project:Chinese Academy of Engineering project “Research on the Scientific System and Strategic Path of Carbon Neutral Development in China’s Coal Industry” (2022-XBZD-09), “Research on China’s Energy Security Strategy” (2022-JB-05), “Strategic Research on Promoting the Construction of Energy Power” (2022-XBZD-10)