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    • 论文
    主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

    碳中和背景下我国煤炭行业的发展与转型

    2021-03-26   来源:中国矿业   作者:孙旭东

      1 碳中和背景下煤炭行业发展的环境分析

      

      优势方面,短期内,特别是在碳达峰之前,煤炭的资源赋存条件与生产供给能力、产业规模及能源结构占比、经济性与消费灵活性等方面存在明显优势,为煤炭行业的发展与转型提供了基础条件。

      

      首先,新能源替代煤炭成为基础能源,短期内不易实现,煤炭基础能源地位和资源优势依然明显。随着我国煤炭工程科技的进步[8],煤炭资源开发已经向规模化和智能化发展,同时煤炭资源利用不受气候、季节的影响,具有经济、稳定、可靠等优点,而新能源短期内无法解决相关问题,也为煤炭的发展提供了客观条件。从碳达峰目标上看,即便到2030年碳达峰前非化石能源占一次能源消费比重达到25%,煤电下降量有限且仍然是主要电力供应者。根据《中国统计年鉴2020》数据,2019年全国全口径发电量中,煤电占比62.15%,核电占比4.76%,并网风电占比5.53%,并网太阳能发电占比3.05%,核电与风光发电的占比仍然较低。

      

      其次,煤炭行业具有一定的行业优势和市场基础。由于煤炭资源大宗商品的属性,企业、产业、市场、全社会消费等层面具有良好基础和积累,从技术、投资、建设到运营和维修服务形成完整的产业链,形成了一批大型的现代化煤炭企业,如2020年《财富》世界500强排行榜中有12家煤炭企业上榜,其中排名最靠前的国家能源投资集团有限责任公司的营业收入达到804.98亿美元(108名),而非化石能源领域只有中国核工业集团有限公司上榜,排名493名。同时,新能源装机和实现并网的过程需要煤电作为调峰电源,短期内煤炭基础能源地位变化有限,煤炭发展的优势依然存在。

      

      劣势方面,我国以煤炭为主的能源结构决定了能源系统的碳排放强度较高,其中煤电、工业用煤是我国煤炭消费的主要碳排放源。根据国际能源署(IEA)数据,2018年仅煤电一项就占我国化石燃料燃烧相关碳排放量的48.4%,相当于美国化石燃料燃烧的碳排放总量,并高于欧盟各国总和。全球新能源发展趋势下的国际压力和社会舆论给我国煤炭的发展带来了阻碍,未来投资环境和金融环境可能恶化,资金使用成本将大幅提高,资金链风险将提升,不利于煤炭行业相关企业的生存与发展。此外,煤炭开采长期存在安全、生态环境破坏、水资源约束、矿工职业病等现实问题,还存在一定比例的落后产能、废弃矿区环境治理的遗留历史问题[9-10]。同时,社会上散烧煤问题仍然没有得到有效解决,散烧煤量约占煤炭消费的10%[11]。上述问题叠加严重制约了煤炭的高质量发展。预计在碳达峰后,碳减排问题、国际与社会舆论压力以及不利的投资环境和愈加严格的生态制约等煤炭行业发展的劣势,都会随着时间推移而更加严峻。

      

      机会方面,目前煤炭行业科技创新发展十分活跃,未来30年先进发电技术和碳封存与利用技术有望实现重大突破,将大幅实现煤炭消费的碳减排。表1给出相关前沿技术的发展现状[8-9,12-13],例如700 ℃超超临界发电技术、IGCC/IGFC等颠覆性的发电技术都具备清洁高效利用的特点,同时在实现超低污染物排放的基础上,可以大幅提高当前燃煤发电的效率。二氧化碳捕集封存与利用(CCUS)产业方面,目前盐/咸水层的地质封存技术、EOR技术(二氧化碳强化驱油)已逐步从示范项目转向商业化,例如EOR技术在大比例提升产油量的同时,将二氧化碳封存在油田中,已具有很好的经济性。目前我国油田基于EOR技术的二氧化碳封存能力可达到99 Mt/a[14],同时未来我国在煤层气开采、地热开发、食品加工、人工养殖等领域的二氧化碳利用潜力巨大;CCUS技术也可以通过二氧化碳重整循环实现,例如SOEC技术,利用可再生能源将煤炭发电排放的二氧化碳制取为合成气(作为化工等工业的原料,非能源燃料用途),即通过碳转化方式实现煤炭发电的零碳排放,有望成为最具潜力的煤电碳排放解决方案之一。另外,参与国际碳汇市场、增加植树造林等具有较高的可行性。在碳中和的大背景下,也将倒逼全社会用煤效率提升,有助于减少煤基资源消耗的碳排放量。目前,我国冶金、建材、化工三大行业煤耗量占全国煤炭消费总量的30%左右,碳减排潜力较大。此外,我国油气对外依存度高,油气供给安全形势严峻,2019年石油对外依存度已达72%,天然气对外依存度已达43%,我国对外油气资源的获取环境可能恶化,可利用煤炭资源实现进口油气原料的部分替代。未来现代煤化工领域将成为煤炭转型的重要方向,目前我国煤制燃料、煤制烯烃等煤化工技术已成熟,基本形成了完整的产业链,已具备建立大型现代煤炭深加工市场的条件。

      

      我国煤炭行业前沿技术方向的发展现状

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      挑战方面,新能源技术发展迅速,核电、风力发电和光伏发电等新能源产业初具规模,且保持高强度的装机增速,发电成本不断下降,经济性不断提升,加之绿色低碳能源优势,新能源竞争力不断增强。随着非化石能源消费占比加速提升,煤炭资源优势下降,劣势更加显著,也将随之迎来一系列新的挑战问题。而当前对洁净煤技术[13]突破和创新速度的要求也持续提升。此外,碳中和背景下煤炭领域人才培养、高校招生和招工用人等将受到极大的影响,出现专业性人才缺口的可能性大,装备制造、维修、技术服务等煤炭关联产业链的稳定性和可靠性也将受到影响。

      

      2 碳中和背景下煤炭行业的发展研判与对策

      

      2.1 碳中和背景下煤炭行业的发展研判

      

      基于上述煤炭行业发展的宏观环境综合分析,本文提出碳中和背景下煤炭行业发展的相关研判观点,具体见表2。基于时间段划分,分别定义为煤炭行业发展的准备期、竞和期和完成期。

      

      碳达峰前准备期(2021—2030年),根据优势分析,短期内我国煤炭资源与煤电的定位仍然都是基础能源,处于碳中和发展的早期,在环境恶化前是转型发展最佳的准备期和过渡期。

      

      碳中和前,特别是2050年前,煤炭仍然是重要能源,2050年也是我国社会主义建设和煤炭行业阶段性发展的关键时间点[6-7,9]。在2031—2050年期间,煤炭与新能源将处于竞争合作的关系,合作关系体现在该阶段煤炭将从基础能源向重要能源转变,煤电加速“让路”新能源发电,配合新能源发展。竞争方面,在未来近30年时间有可能实现煤炭领域颠覆性技术的突破,为煤炭获得与新能源竞争和可持续发展的机会,如IGFC技术与SOEC技术突破后,可实现电化学反应替代传统的燃烧发电,将煤炭利用转型为能源的新兴产业,此外碳移除与碳汇的发展也可能为煤炭赢得发展空间。同时也存在另一种情形,当新能源技术创新进步显著,消纳、储能、稳定性等相关问题得到有效解决,煤炭行业的发展空间乃至生存都将受到严重的挑战。

      

      实现碳中和的最后十年,我国将进入全面部署期和完成期,煤炭行业配合全国碳减排进程,完成新能源成为基础能源的“托底”任务,同时基本实现产业转型。煤炭行业的发展一方面取决于先进煤炭技术的突破,另一方面需要转向煤炭原料属性或多元化的转型发展。

      

      总体上,碳中和背景下煤炭行业在产业规模及能源结构占比、经济性等方面的优势将逐渐消退,煤炭市场、煤电利用、企业生存环境等将面临重大挑战,但同时煤炭行业发展也存在机会,碳达峰前预留了10年时间以及碳达峰后煤炭与非化石能源之间的博弈发展时间,煤炭行业未来仍有时间推进相关创新技术的发展与碳汇的应用,来赢取更大可能的煤炭行业转型机会。

      

      碳中和背景下我国煤炭行业发展形势研判

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      2.2 基于不同阶段的煤炭行业发展应对策略

      

      碳中和背景下煤炭的消费和占比下降将成为必然趋势,为避免煤炭相关行业“断崖式”无序被动的离场,减少资金、人才、资产的浪费以及带来失业、就业、人员安置等社会问题,煤炭行业未来的发展需要积极主动转型。综合考虑能源结构、资源赋存、产业规模和技术积累等方面优势及未来发展的机遇和需求,特别是需要充分重视准备期阶段内基础能源的优势与利用未来先进技术进步的机会,采取积极主动性的策略迎接挑战,整合优势资源,加快资金、技术、人才的储备,通过有序竞争,实现平稳的转型发展。

      

      1) 2021—2030年准备期策略:加快收益回收,超前谋划发展与转型协同布局,实施煤炭清洁高效利用的碳减排路径。充分利用好碳达峰前十年窗口期,保持煤炭行业相关企业稳健的发展,注重行业收益回收与积累、优质资源投资,为未来煤炭行业转型与碳减排做好资金、技术、人才各方面的储备。加强煤炭生产与消费之间的协调,做好整体的产销计划,逐步实现以需定产,避免产能过剩问题,减少煤炭行业生产端的自我竞争。此外,煤炭企业积极介入新能源行业,为煤炭生产、燃煤发电与新能源发电的协同发展创造条件,一定程度上将行业间竞争转化为部分内部协作问题。

      

      本阶段碳减排的实现路径主要通过节能提效来减少煤炭消耗。加强煤炭清洁高效利用,优化煤炭利用结构,从淘汰落后用煤、节能技术更新、清洁利用技术改造等方面发展洁净煤技术,以提高煤炭利用效率,协同减少煤炭消耗总量和污染物排放。应逐步降低火电厂的平均供电标准煤耗,同时注重燃煤锅炉的节能减排技术应用与管理,淘汰高煤耗的落后供热锅炉,继续推进燃煤机组的节能技术与超低排放技术的改造,加强余热利用技术,发展煤电热冷多联产,全面提升建筑、交通、工业各行业煤炭的综合利用效率,基本杜绝单一的燃煤热利用,力争2030年前实现全面的煤炭清洁高效利用,完成煤炭行业向技术密集型行业转型。

      

      2) 2031—2050年竞合期策略:加强先进燃煤发电与碳封存、利用能力,降低燃煤发电碳排放水平,推动煤炭行业低碳利用与碳汇能力建设。本阶段在煤电“让路”的同时,积极主动发展先进的燃煤发电与碳封存、利用等洁净煤技术以及合理利用碳汇工具,赢取煤炭消费市场和发展空间,煤炭企业向下游及关联行业延伸,完成向综合性能源与矿山企业转型。技术创新引领是新兴产业发展的最重要驱动力,长期来看,先进发电技术有望得到突破,仍需持续支持先进燃煤发电技术的科技攻关和示范建设,实现基于先进发电技术下的煤炭大规模、集中化的清洁高效利用。 例如,假设IGFC先进发电技术实现突破,其效率可以在当前发电水平上提升近一倍,即可以减少近一半的煤炭消耗和二氧化碳排放量。

      

      加强碳的循环与封存、利用能力,可以通过排放端和碳汇端两个维度实现。排放端减排路径主要通过CCS技术与CCUS技术实现物理封存或碳循环,需要推进二氧化碳重整反应转化的CCUS技术商业化,特别是液体燃料、烯烃和可降解塑料等化工原料或产品的CCUS技术产业化,持续加大盐/咸水层的地质封存技术、废弃矿井地下空间的碳封存技术、驱油与驱气(天然气、煤层气)技术、SOEC技术等示范项目建设。

      

      碳汇端减排路径主要包括自然界碳循环和区域间碳排放交易。第一是煤炭企业积极推进矿区生态开发,发展可再生能源开发利用,特别是矿区废弃地等不易耕种土地的植树造林,为煤炭行业积累大规模的碳汇;第二是可通过经济手段,购买碳排放权,积极参与国际碳汇交易市场,同时注重国内区域间和行业间的碳交易,布局和储备不同时间段的碳排放配额,构建科学、有序的碳排放权交易方案。

      

      3) 2051—2060年完成期策略:突出煤炭的原料属性与安全应急保障属性,转型打造多元化的新市场和新经济特色。实现角色属性转型-应急储备能源与油气替代资源,将煤电从基础能源转为可再生能源的备用电源,发挥“托底”作用。同时,基于煤炭转化技术将煤炭资源作为重要工业原材料,打造绿色、低碳煤炭原料与应急能源的新型煤炭行业。煤炭未来的重点转型方向是打造煤炭资源清洁转化产业与新的煤炭消费市场,将煤炭资源从能源转向原料。未来煤炭是以原料作为主要属性,要持续发展清洁燃料和基础化工原料的现代深加工技术、煤基先进材料技术等。 此外,形成新经济发展的特色优势,特别是面向能源数字经济、智能化生产、生态修复与开发等方向,实现企业角色转变与多元化发展。

      

      3 碳中和背景下煤炭行业发展建议

      

      3.1 加强顶层设计,明确煤炭未来发展的减排目标、实施路径与行动方案

      

      碳中和背景下,不能简单地“去煤化”或者“去煤电”,需要科学规划,寻求可持续与转型的发展路径,不能断崖式地“硬着陆”。鉴于我国能源国情,需要明确至少近20年内煤炭的“压舱石”和“稳定器”地位,远期仍要突出煤炭的原料属性与安全应急保障属性,清晰定位煤炭发展方向。

      

      同时,要从技术突破的动态发展、能源供给的安全与稳定、全生命周期的经济性和外部性收益等多维度的综合视角,设计不同节点的具体减排目标、实施路径与行动方案,合理配置煤炭与其他能源的竞合关系,有序淘汰落后煤炭用能、适度新增和退出优质煤炭生产与消费,实现煤炭的“软落地”。

      

      3.2 实施全局性的节能减排,同等重视煤电之外的全产业链及全行业的碳减排

      

      碳中和倒逼煤炭转型,不仅要注重煤电消费主体的自身可持续发展,开展先进煤炭发电等高效利用技术以及碳封存与转化利用技术创新,而且更要加强在煤炭绿色开采、煤层气利用(CH4减排)、煤炭加工和煤炭储运等煤炭发电与消费前端产业链各环节的碳减排。要突出推进全局节能,同等重视提升煤焦化、冶金、水泥、化工等各行业煤炭资源的利用效率,积极探索难脱碳领域的减排方式,全方位科学规划煤炭消费的碳减排路径。

      

      3.3 积极引导煤炭行业多元化发展,建立健全新形势下企业转型退出机制

      

      新形势下煤炭企业转型需要积极探索多元化发展,特别是在生产服务、大数据管理、绿色发展、智能化等领域呈现了发展优势。当前,煤矿、煤电、煤炭洗选加工、煤化工等不同煤炭领域企业所面临的转型问题存在着较大的差异性,未来企业转型如何利用现有优势发展,缺少具体执行路径与科学思考。

      

      要强化煤炭资源的应急安全储备功能,加强煤炭的原料属性及其现代化工品供应能力,做好煤电充当备用安全电源的转型机制,包括大型煤矿产能的快速提高能力、建设极端气候条件或恶劣天气事件等突发情况下区域或城市备用电力供应系统等。

      

      未来煤炭消费下降,势必形成大规模的废弃煤矿、废弃煤电厂,并将出现矿区废弃地及其剩余废弃资源的开发利用、矿区生态修复、废弃电厂资产回收、退出企业人员安置等一系列问题,需要结合新的发展形势特征,面向能源数字化管理、智能化生产、生态修复、废弃资源利用等新兴产业方向,深入研究企业转型发展的基础、优势与不足,建立健全煤炭领域企业转型发展机制。

      

      3.4 做好煤炭行业转型的政策保障,强化中长期科技支撑与人才储备

      

      遵循市场经济规律,应补偿煤电在充当“压舱石”和“稳定器”保障责任的碳排放成本,建立新能源发电对煤电应急保障的补偿保障制度与财税优惠,分担煤炭碳排放责任。 此外,在“让路”新能源发电时,需要对煤电“让路”所承担的基荷、调峰、备用给予相匹配的市场回报,以实现煤电与新能源发电的互补共存。 长期来看,在部分领域实现煤炭的稳健退出,需要参考发达国家经验,做好不同层面的政策保障。

      

      加强煤炭领域中长期的科技创新研发投入与人才保障。要充分发挥大型综合能源企业的引领作用,加强煤炭行业与其他能源和矿业行业间的协同创新,建立开放共享的碳减排技术国家研发中心,筹备专项基金,持续推进先进燃煤发电、CCS/CCUS、智慧能源技术等重大前沿技术、基础理论攻关与成套装备研发,建设煤矿区碳中和示范项目以及煤矿、煤电和煤化工等煤炭开发利用转化全产业链的碳减排示范项目。注重校企合作与人才储备,有效解决煤炭、化工、电力领域高校未来学科建设与发展问题,长期为煤炭领域发展与转型提供技术服务与人才保障。

      

      4 结 语

      

      实现碳中和目标将对我国煤炭的发展造成重大影响,机遇与挑战并存。本文在系统分析我国煤炭行业发展面临的宏观环境与可能影响的基础上,提出了煤炭发展的定位、阶段划分、碳减排路径及相应的应对策略。

      

      1) 碳中和背景下,煤炭行业发展的核心优势是近期煤炭的基础能源地位,未来机会关键在于先进发电技术及CCS/CCUS等洁净煤技术的未来发展以及碳汇应用,劣势与挑战均集中于煤炭消费的碳排放问题和非化石能源快速发展的竞争压力。

      

      2) 碳达峰(2030年)前是煤炭转型发展的重要战略窗口期,2050年前是煤炭与新能源的竞争和合作发展期,2051—2060年是煤炭转型与碳中和的完成期。煤炭行业的定位/碳减排策略为:基础能源/节能提效为主(2021—2030年)-重要能源/持续节能提效减排、推进碳移除技术与碳汇应用(2031—2050年)-备用或安全应急能源及化工原料/完成多元化转型(2051—2060年)。

      

      3) 建议加强面向2060年的煤炭行业未来发展的顶层设计,统筹谋划全产业链及全行业的全局节能减排问题,积极引导煤炭领域企业基于优势资源开展多元化转型,建立健全中长期煤炭发展的制度保障与有序退出补偿机制。


      责任编辑:宫在芹

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