科學研判碳達峰碳中和目標下我國能源消費結(jié)構(gòu)和煤炭消費演變趨勢,采取正確的應(yīng)對措施,是實現(xiàn)碳達峰碳中和、能源安全穩(wěn)定供應(yīng)雙重目標的客觀要求。
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近日,謝和平院士團隊在系統(tǒng)分析美國等發(fā)達國家碳達峰前后現(xiàn)代化進程與能源消費特征的基礎(chǔ)上,研判了我國能源消費格局演變趨勢及不同時段煤炭消費規(guī)模,指出了碳達峰碳中和目標將給煤炭行業(yè)帶來的三大發(fā)展機遇。7月13日,這項成果以《碳中和目標下煤炭行業(yè)發(fā)展機遇》為題在《煤炭學報》進行了網(wǎng)絡(luò)首發(fā)。
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一、碳達峰前后美國現(xiàn)代化進程與能源消費特征 歐美主要發(fā)達國家在19世紀末、20世紀初完成了工業(yè)化,并開啟現(xiàn)代化進程。發(fā)達國家在基本實現(xiàn)現(xiàn)代化后,能源消費與經(jīng)濟發(fā)展脫鉤,能源消費達峰,碳排放開始下降。綜合考慮經(jīng)濟體量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口規(guī)模等因素,美國的發(fā)展經(jīng)驗對我國有很好的借鑒意義。 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
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▲美國現(xiàn)代化進程及能源消費變化特征 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm
研究人員根據(jù)現(xiàn)代化進程、能源消費和碳排放趨勢,將美國碳排放分三個階段:即碳達峰前期(1949—1999年)、碳達峰平臺期(2000—2008年)、碳達峰后期(2009年至今)。依據(jù)Tapio彈性分析法對美國能源消耗與GDP增長的脫鉤程度進行定量分析后,得到如下認識:
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(1)頁巖氣革命支撐了美國經(jīng)濟發(fā)展的能源需求,現(xiàn)代化進程仍需化石能源。近10年頁巖氣產(chǎn)量年均增長23.4%,支撐天然氣在美國能源消費結(jié)構(gòu)中提高了9個百分點,化石能源在能源消費結(jié)構(gòu)中占比穩(wěn)定保持在80%以上。
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(2)節(jié)能帶動現(xiàn)代化進程與能源消費脫鉤,是支撐能源達峰、碳排放下降的最核心因素。近10年美國單位GDP能耗年均降速達3.6%,節(jié)能相當于增加美國能源供應(yīng)41.5%,且不增加碳排放。
(3)如光靠新能源增長,支撐不起美國經(jīng)濟發(fā)展。近10年美國核能基本不增長,可再生能源在能源消費結(jié)構(gòu)中僅增長4.4個百分點。如果扣除頁巖氣推動的天然氣消費增長,美國將增加4.6個百分點的能源供應(yīng)缺口。
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▲美國GDP、能源消費變化及能源脫鉤狀態(tài) 本+文+內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放(交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com
二、碳中和目標下我國能源發(fā)展路徑 依據(jù)現(xiàn)代化進程的經(jīng)濟和社會指標綜合判斷,目前我國現(xiàn)代化程度與美國1950—1970年相當,這一差距要求現(xiàn)代化進程持續(xù)推進,仍然需要能源支撐?! ∧茉搭I(lǐng)域是我國實現(xiàn)碳達峰碳中和的核心所在,但不意味著要完全退出煤炭,完全退出化石能源。借鑒美國碳達峰前后的能源消費、碳排放強度等基本特征和變化規(guī)律,結(jié)合我國能源資源稟賦和經(jīng)濟社會所處發(fā)展階段,碳達峰碳中和目標下,我國能源發(fā)展將主要有三大路徑。1. 持續(xù)提高能源效率,減少能源消費 美國能源消費碳排放強度在碳達峰前期、達峰期下降幅度較小,實現(xiàn)碳達峰核心是提高能源效率,降低單位GDP能耗,在不大幅度增加能源消費的前提下,支撐經(jīng)濟增長。2019年美國單位GDP能耗僅相當于1949年的3.9%?! ∥覈鴨挝籊DP能耗自1988年以來呈現(xiàn)快速下降趨勢,由29.8tce/萬美元降低到2019年的3.4tce/萬美元,降低了88.6%,但距離世界平均水平和發(fā)達國家還有較大差距,是世界平均水平的1.4~1.5倍,是美國的2倍。若能達到世界平均,每年可少用能13億tce、減排二氧化碳34億t,約占2020年我國碳排放量的1/3。因此,提高能源效率,減少能源消費,是我國實現(xiàn)碳達峰碳中和的最重要途徑。
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▲中、美單位GDP能耗比較 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm
2. 大力發(fā)展新能源,優(yōu)化電力結(jié)構(gòu) 能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化核心是電力結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1949—2015年煤炭一直是美國發(fā)電能源的第一大來源,從2016年起天然氣成為第一大發(fā)電能源,且占比不斷提高。到2020年天然氣發(fā)電占比達到40%,煤炭僅占19%?! ≡谔歼_峰前期,燃煤發(fā)電在美國的電力結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位,但占比呈下降趨勢,天然氣發(fā)電呈增加趨勢,其它能源發(fā)電占比變化不大?! ≡谔歼_峰平臺期,燃煤發(fā)電占比呈現(xiàn)下降趨勢,天然氣發(fā)電占比穩(wěn)步增加,天然氣發(fā)電對煤炭的替代是推動美國碳達峰的重要原因?! ≡谔歼_峰后期,燃煤發(fā)電占比由2009年的45.7%迅速降低到2020年的19.9%,降低了25.8個百分點;天然氣發(fā)電持續(xù)增加,由2009年的22.1%增加到2020年的39.3%,增加了17.2個百分點;可再生能源發(fā)電穩(wěn)步增加了10.5個百分點。天然氣和可再生能源持續(xù)替代煤炭發(fā)電,支撐了美國碳達峰后期碳排放量下降。 2020年我國電力結(jié)構(gòu)中燃煤發(fā)電量占比大于60%。基于美國現(xiàn)代化進程和碳達峰前后電力結(jié)構(gòu)對比,我國電力結(jié)構(gòu)還有很大優(yōu)化空間。然而,我國天然氣增產(chǎn)有限,難以像美國那樣作為發(fā)電的第一大能源。碳中和目標下,我國應(yīng)大力發(fā)展風能、太陽能等可再生能源發(fā)電技術(shù),逐步提高非化石能源發(fā)電占比,持續(xù)優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)。
▲不同研究機構(gòu)對我電力需求的預(yù)測
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3. 增強自給能力,保障能源安全 能源安全穩(wěn)定供應(yīng)是一個國家強盛的保障和安全的基石,美國制定前瞻性的能源戰(zhàn)略并通過立法長期推進“能源獨立”。我國油氣對外依存度持續(xù)上升,能源安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)?;谀茉促Y源稟賦條件,我國不能簡單復(fù)制美國發(fā)展非常規(guī)油氣的能源獨立模式,但可借鑒其成功經(jīng)驗?! ∶禾烤邆溥m應(yīng)我國能源需求變化的開發(fā)能力,具有開發(fā)利用的成本優(yōu)勢,煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化技術(shù)經(jīng)過2005年以來的“技術(shù)示范”、“升級示范”已趨于成熟,具備短期內(nèi)形成大規(guī)模油氣接續(xù)能力的基礎(chǔ),應(yīng)當充分發(fā)揮煤炭在平衡能源品種中的作用,推進煤炭與油氣耦合發(fā)展,保障我國能源安全。 本*文@內(nèi)-容-來-自;中_國_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om
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▲中美能源自給率比較
三、碳中和目標下煤炭消費主要領(lǐng)域
美國在碳達峰后,煤炭消費長期保持在7億~10億t,2018年后才快速下降,到目前5億t左右。德國在1990年碳達峰,煤炭消費多年保持在2億t左右。日本在2013年碳達峰后,煤炭仍長期占能源消費的20%以上。美國、德國、日本發(fā)展歷程表明,即使有可替代煤炭的能源,碳達峰后仍然使用煤炭,只是煤炭的用途發(fā)展了變化。
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鑒于我國能源資源稟賦和經(jīng)濟社會所處階段,煤炭消費量占比雖下降,但在能源體系中的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”作用越來越凸顯。結(jié)合發(fā)達國家的發(fā)展歷程,預(yù)計我國在2060年完全實現(xiàn)碳中和后,仍需要煤炭作為電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑以及保障油氣供應(yīng)安全等。 本+文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
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▲科學產(chǎn)能對煤炭產(chǎn)量的支撐能力變化
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四、碳中和目標下能源消費格局 禸嫆@唻洎:狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm
借鑒美國現(xiàn)代化進程、能源消費、碳排放強度等基本特征和變化規(guī)律,結(jié)合我國能源發(fā)展趨勢和相關(guān)政策,預(yù)計今后一段時期我國能源消費格局變化將主要有三個階段。 本`文@內(nèi)/容/來/自:中-國^碳-排-放^*交*易^網(wǎng)-tan pai fang. com
碳中和目標下煤炭與新能源的地位變化 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
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1. 緩慢過渡期(2021—2030年) 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
2030年前,適應(yīng)碳達峰的要求,風、光等新能源是滿足能源增量需求的主體,規(guī)模增長速度快,但是由于基數(shù)小,在能源消費結(jié)構(gòu)中的占比提高緩慢,逐步由15%向30%靠近,成為補充能源。而由于我國能源消費保持在較高水平,新能源增量趕不上能源需求增量,煤炭消費量保持平穩(wěn)或略有增長,維持在45億~35億t/a,但是煤炭在能源消費中的占比逐步下降到50%左右,由主體能源轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)能源?!?
2. 關(guān)鍵過渡期(2031—2050) 本%文$內(nèi)-容-來-自;中_國_碳|排 放_交-易^網(wǎng)^t an pa i fang . c om
2031—2050年,碳達峰后,新能源不僅是滿足能源增量需求的主體,并開始替代煤炭等化石能源,新能源在能源消費中的占比提高到30%~49%,成為替代能源。與此同時,受碳排放約束,煤炭消費一定程度上被替代,煤炭利用逐步向電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑以及保障能源供應(yīng)安全等集中,煤炭消費量下降到35億~25億t/a,由基礎(chǔ)能源轉(zhuǎn)變?yōu)楸U夏茉础?本`文@內(nèi)/容/來/自:中-國^碳-排-放^*交*易^網(wǎng)-tan pai fang. com
3. 過渡結(jié)束期(2050—2060)
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2050—2060年,隨著進入碳中和攻堅期,新能源大幅度代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源,新能源在能源消費中的占比提高到50%~80%,成為主體能源。與此同時,受碳排放約束,煤炭只剩下電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑以及保障能源供應(yīng)安全等不能被替代的用途,煤炭消費量下降到15億~12億t/a,由保障能源轉(zhuǎn)變?yōu)橹文茉础?內(nèi).容.來.自:中`國*碳-排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fa ng.com
五、碳中和目標下煤炭行業(yè)發(fā)展機遇 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
1. 回歸高質(zhì)量發(fā)展的機遇
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煤炭行業(yè)70年負載運行,超負荷生產(chǎn),為經(jīng)濟社會發(fā)展貢獻了925億t煤炭產(chǎn)品。煤炭行業(yè)專家學者早在20世紀末就提出推進煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的愿望,錢鳴高院士提出,“在地質(zhì)條件好的情況下同樣產(chǎn)出10億噸煤,中美百萬噸死亡率差不多。但是油氣、可再生能源上不來,我國的煤炭產(chǎn)能就必須擴大到30億噸,必須開采地質(zhì)條件不好的20億噸,因此問題就出現(xiàn)了”。為了滿足高產(chǎn)能的要求,煤炭行業(yè)做出了巨大努力,1/3依靠適應(yīng)國情的新技術(shù)和世界一流的煤礦,1/3依靠一般技術(shù)的煤礦,而另外的1/3則依靠技術(shù)水平低、安全差的煤礦。錢鳴高院士研究認為,按照目前煤炭行業(yè)的技術(shù)水平,我國煤炭產(chǎn)量在25億~30億t比較合適。
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碳達峰碳中和目標下,煤炭行業(yè)可放下產(chǎn)量增長的包袱,從擴大產(chǎn)能產(chǎn)量追求粗放性效益為第一目標的增量時代,邁向更加重視生產(chǎn)、加工、儲運、消費全過程安全性、綠色性、低碳性、經(jīng)濟性的存量時代,快速提升發(fā)展質(zhì)量。
2. 煤炭行業(yè)升級高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的機遇 2015年以來,積極把握經(jīng)濟社會發(fā)展的態(tài)勢,煤炭行業(yè)主動提出煤炭革命、自我革命。大量高校、科研院所已開始研究,一些研究團隊取得了一定進展,但尚未取得重大突破。深圳大學提出了一種可適用于現(xiàn)場施工的固體資源流態(tài)化開采新方法-迴行開采結(jié)構(gòu)及方法,進行深部煤炭資源流態(tài)化開采時只需布置一個水平大巷和一個流態(tài)化資源井下中轉(zhuǎn)站,不需要建設(shè)用于煤炭提升、運輸?shù)木?。中國礦業(yè)大學提出了鉆井式煤與瓦斯物理流態(tài)化同采方法,通過地面鉆井對突出等煤層實施高壓射流原位破煤,碎煤顆粒以流態(tài)形式輸運至地面,同時涌出瓦斯經(jīng)鉆井抽采利用,并將地面固廢材料回填至采煤空穴,實現(xiàn)近零生態(tài)損害的煤與瓦斯協(xié)同開采,顛覆傳統(tǒng)的煤炭井工開采模式。 本@文$內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放^交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.c om
碳達峰碳中和目標倒逼煤炭行業(yè)改變過去幾十年引進-消化-吸收-再創(chuàng)新的路徑延續(xù)式創(chuàng)新模式,煤炭行業(yè)將迎來實現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新的機遇,可以集聚優(yōu)勢創(chuàng)新資源,輕裝上陣主攻技術(shù)裝備,早日成為高精尖技術(shù)產(chǎn)業(yè)。
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3. 搶占新能源主陣地的機遇 煤炭與可再生能源具有良好的互補性。煤炭的主要利用方式是發(fā)電,可再生能源利用的主要方式也是發(fā)電,燃煤發(fā)電與可再生能源發(fā)電優(yōu)化組合,可充分利用燃煤發(fā)電的穩(wěn)定性,為可再生能源平抑波動提供基底,規(guī)避可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性;利用可再生能源的碳綜合能力,為燃煤發(fā)電提供碳減排途徑,在很大程度上減輕單純?nèi)济喊l(fā)電的碳減排壓力。除了電力外,煤炭與可再生能源在燃燒和化學轉(zhuǎn)化方面的耦合,也逐步形成模式,突破了一系列技術(shù),為煤炭與可再生能源深度耦合提供了良好基礎(chǔ)?! ∵^去很多年,煤炭企業(yè)發(fā)展新能源基礎(chǔ)弱,也沒有動力、決心,碳中和目標倒逼煤炭企業(yè)主動發(fā)展新能源,進入新能源主陣地。可以充分發(fā)揮煤礦區(qū)優(yōu)勢,以煤電為核心,與太陽能發(fā)電、風電協(xié)同發(fā)展,構(gòu)建多能互補的清潔能源系統(tǒng),將煤礦區(qū)建設(shè)成為地面-井下一體化的風、光、電、熱、氣多元協(xié)同的清潔能源基地。
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▲煤炭大比例接續(xù)油氣的路徑
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六、展 望
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最后,研究人員進行了展望,今后應(yīng)把握碳達峰碳中和目標為煤炭行業(yè)留出降低發(fā)展速度、提升發(fā)展質(zhì)量的時間和空間,抓住帶給煤炭行業(yè)的轉(zhuǎn)型機遇,碳達峰碳中和進程也將是煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級乃至顛覆式發(fā)展的過程。實現(xiàn)碳中和后,有望:
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(1)煤炭成為精品。雖然產(chǎn)量降低,但是價格回歸到應(yīng)有的本真價值,反映地表無塌陷、生態(tài)無損傷條件下的綠色低碳煤炭生產(chǎn)完全成本。
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(2)煤礦成為現(xiàn)代化能源供應(yīng)系統(tǒng)。按需靈活生產(chǎn)煤炭、電力、碳材料等,井下巷道儲能,平抑可再生能源波動,煤炭與可再生能源互補,穩(wěn)定供應(yīng)清潔能源。
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(3)煤礦區(qū)成為零碳/負碳清潔能源生產(chǎn)基地。地下空間碳固化、碳封存,就地處置煤炭利用產(chǎn)生的二氧化碳;地面可再生能源利用,零碳排放;礦區(qū)植被形成碳匯,負碳排放。 內(nèi)-容-來-自;中_國_碳_0排放¥交-易=網(wǎng) t an pa i fa ng . c om
(4)煤炭企業(yè)成為清潔能源和高端材料供應(yīng)商。煤炭企業(yè)將成為新能源開發(fā)的主陣地、煤基高端碳材料的引領(lǐng)者。
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