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        ★ 權威探討 ★

        碳中和目標下我國能源轉型路徑探討

        李全生1,2

        (1.國家能源投資集團有限責任公司,北京市東城區,100011;2. 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室,北京市昌平區,102209)

        摘 要 針對2℃情景下我國剩余碳排放空間遠低于目前發展模式下的預期碳排放總量,且化石能源消費占比高、單位能耗高、碳排放強度大的問題,圍繞實現碳中和目標,從節能提效碳減排,發展可再生能源和新能源碳替代,二氧化碳捕集、封存和利用的碳移除,發展零碳和負碳能源技術等4個方面,分析了我國碳中和的實現路徑,認為節能減排是實現碳中和的優先手段,提高終端消費電氣化水平是實現碳中和的重要環節,發展風能、太陽能、地熱能以及核能等是實現碳中和的關鍵支撐,負碳技術是實現碳中和的兜底手段。同時從科技創新支撐碳中和目標的層面,提出一批需要攻克的重大關鍵共性技術和需要提前布局的顛覆性技術,并提出相關體制機制建議及其保障措施。

        關鍵詞 碳達峰;碳中和;能源低碳轉型路徑;路徑探討;技術創新

        0 引言

        氣候變化是關系人類生存和長遠發展的重大挑戰,《巴黎協定》明確了全球共同應對氣候變化的政治共識和溫控目標。工業革命以來,人類化石能源大規模開發利用是大氣中溫室氣體濃度不斷上升的主要原因,煤炭、石油、天然氣等化石燃料燃燒產生的CO2,分別占全球CO2和溫室氣體排放量的85%和76%。截至2020年底,化石能源燃燒產生的CO2累計達2.25萬億t,導致全球地表平均溫度升高1.1 ℃,如果人為排放的溫室氣體導致全球升溫超過2 ℃,那么將給地球生態系統造成不可逆的破壞[1-2]。

        2020年9月22日,習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話,強調中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,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?!?0·60”目標的宣誓開啟了我國構建現代能源體系的新征程[3]。

        我國化石能源活動的碳排放占全部碳排放的85%左右,應該說能源系統的低碳轉型是碳達峰碳中和的關鍵,抓住了能源低碳轉型,就抓住了碳達峰碳中和的牛鼻子。習近平總書記提出的“四個革命、一個合作”能源安全新戰略,就是要建立清潔低碳、安全高效的現代能源體系,可以說碳達峰碳中和目標是能源革命和現代能源體系的題中應有之義,兩者目標是完全一致的。碳達峰碳中和目標的實現,要求我們更大力度加快能源革命,依靠創新驅動和科學管理,實現能源革命的目標,支撐國家能源安全穩定供應和低碳轉型,為實現中華民族的偉大復興提供經濟安全和穩定可靠的能源保障。

        1 我國實現碳達峰碳中和目標的緊迫性

        根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的定義,碳中和(Carbon Neutrality)是指在特定時期內,人為二氧化碳排放量與二氧化碳移除量相平衡的狀態。這也就意味著到2060年時,我國經濟社會活動所產生的二氧化碳排放量需要與二氧化碳移除量相等。

        根據IPCC第5次評估報告,如果要大概率(實現概率>66%)將人類造成的溫度升幅控制在2 ℃以內,則需要將工業革命以來人類活動累計產生的溫室氣體排放總量控制在2.9萬億t CO2當量之內,這意味著從2021開始,人類總共剩余可排放的CO2空間只有約6 500億t;而如果想把溫度控制在1.5 ℃以內,這個空間還需要降低到4 300億t。2020年在新冠肺炎疫情影響下,全球經濟增長放緩,全球CO2排放約420億t,但即便按照當前的排放速度,10年左右就會把全球的排放額度用盡,因此全球CO2減排任務艱巨[1-4]。

        2018年,中國工程院咨詢項目《碳約束條件下我國能源結構優化研究》提到,根據2℃情景下全球各個國家碳排放空間分配方案,按高碳排放情景方案分配計算,自2021年開始,高碳情景下,可供我國排放的CO2約3 400億t。低碳情景下,可供我國排放的CO2僅有1 150億t。2020年我國能源活動碳排放大約為112億t,照此推算,未來10~30年我國將用完碳排放配額[5-6],如表1所示。

        1 我國剩余碳排放空間

        分配方案2021年以后剩余碳排放量/億t CO2歷史累計人均趨同高碳排放情景3 400中碳排放情景14種方案平均值2 250低碳排放情景剩余人均趨同1 150

        2 我國實現碳中和目標下面臨的主要問題

        2.1 化石能源消費占比高

        我國“相對富煤、缺油、少氣”的化石能源資源稟賦特點決定了我國能源消費的結構。自1978年改革開放以來,我國化石能源消費占比由96.6%降低至2020年的84.4%;煤炭消費占比降幅最大,由最初的70.7%降低至2020年的56.8%,但煤炭仍然是我國的主體能源;石油消費占比基本穩定在20%左右;天然氣消費占比具有較大幅度的提高,從3.2%提高到目前的8.5%;非化石能源消費占比由最初的3.4%提高至現在的15.6%[7],如圖1所示。

        與世界主要經濟體相比,我國煤炭消費占比過高,遠高于世界平均水平,天然氣消費占比較低,這是我國能源賦存特點決定的,同時,這也是我國碳排放量大的主要原因。在非化石能源消費方面,歐盟各國平均占比達27%,優勢明顯;與其他經濟體相比,我國非化石能源消費占比差距不大,但是由于我國能源消費總量大,導致化石能源消費絕對量遠高于其他經濟體。如圖2所示。

        圖1 1978-2020年我國能源消費結構變化

        圖2 世界主要經濟體能源消費結構

        2.2 能耗高、碳排放強度大

        2019年,我國單位GDP能耗3.4 t標準煤/萬美元,是全球平均的1.5倍、美國的2.3倍、德國的2.8倍;我國單位GDP碳排放量6.9 t CO2/萬美元,是全球平均的1.8倍、美國的3倍、德國的3.8倍,如圖3所示。

        圖3 主要國家單位GDP能耗和碳排放(2019)

        3 我國碳中和實現路徑

        3.1 節能提效是實現碳中和的優先手段

        節能提效是我國能源戰略之首,是綠色、低碳的“第一能源”,是保障國家能源供需安全和能源環境安全的要素,在化石能源為主的能源結構下,節能提效是減排的主力。我國化石能源高占比和以煤為主的能源特點,決定了“越過煤油氣直接過渡到以新能源為主的零碳系統”之路是不可行的,必須堅持低碳和零碳并行發展之路。根據中國工程院的戰略研究,到2030年煤炭的消費比重仍將在50%左右,依然是主體能源,所以我國能源轉型的立足點和首要任務是切實做好化石能源,特別是煤炭的清潔高效開發利用[8]。

        我國節能潛力巨大,節能提效是減少污染物和碳排放的重要力量,必須堅持節能優先的方針。要積極推廣應用先進用能技術和智能控制技術,提升電力、冶金、化工等重點高耗能產業的用能效率,大力推動各行業節能改造,淘汰落后產能,降低全社會用能成本。如果我國能源利用效率可以達到2019年世界平均水平,則可節約15.8億t標準煤,可減少碳排放約39億t。因此加大產業結構優化調整以及大力推廣應用節能提效技術,可有效降低我國能源消耗和碳排放。

        3.2 提高終端消費電氣化水平是實現碳中和的核心環節

        “十三五”期間,我國電氣化水平得到顯著提升,我國電能替代規模累計超過8 000億kW·h,推動電能占終端能源消費比重從2015年的21.2%提高至2019年的25%左右,累計提高近4個百分點,年均提高1個百分點,2020年達到27%左右,已達到發達國家水平。但是我國不同行業電氣化水平差距較大,整體電氣化發展潛力依然較大,比如交通領域,鐵路的電氣化率已達71.9%,而建筑領域的電氣化率只有16.5%[9]。

        減少化石能源使用需要從需求側發力。必須大力實施電能替代,推動以電代煤、以電代油、以電代氣,形成以電能為主的能源消費格局,才能逐步由“以化石能源為主的低碳發展”過渡到“以新能源為主的零碳發展”。在工業領域,要深入實施電氣化升級,深挖工業窯爐、鍋爐替代潛力;交通領域,應推動電動汽車、港口岸電、公路和鐵路電氣化發展;建筑領域,應加強用能標準建設。

        加強能源系統與信息技術深度融合,推進能源生產數字化智能化變革。加快建設綠色智慧礦山、智慧電廠/場/站、數字鐵路、智慧港口、數字船舶等;加強配電網、加氫站、光伏建筑、分布式能源系統等新技術、新產業的培育與建設。

        預計到2025年、2030年、2035年,全國電能占終端能源消費比重分別達到31%、35%、39%;2020-2035年,預計全國替代電量將達到1.7萬億kW·h[9]。

        3.3 大力發展風能和太陽能是實現碳中和的關鍵支撐

        需求側提高電力在終端消費中的占比,供給側就需要足夠的清潔電力來支撐。目前來看,風能和太陽能發電是提高電力裝機、替代煤電的最大增量。2020年12月12日,習近平總書記在氣候雄心峰會上承諾:2030年我國非化石能源占一次能源消費比重達到25%左右,風電、太陽能發電總裝機容量達到12億kW以上。這為風能和太陽能的發展定出了明確指標。2015-2020年風能和太陽能發電裝機情況如圖4所示。

        圖4 2015-2020年風能和太陽能發電裝機情況

        “十三五”以來,我國風能和太陽能發電裝機規模從22 606萬kW提高到53 496萬kW,在電力裝機中的占比由13.7%提高到24.3%,年均新增裝機約6 000萬kW,照此情景增速發展,2030年裝機規??蛇_到約11.5億kW[10]。

        從發電量來看,“十三五”以來風能和太陽能發電量從2 987億kW·h增加到7 273億kW·h,年均新增發電量約760億kW·h,2020年在電力消費中占比達到9.3%。在不考慮發電效率有較大提升的前提下,按照此速度,2030年風能和太陽能發電量預計達到1.5萬億kW·h[10],如圖5所示。

        圖5 風能和太陽能發電量情況(2015-2020)

        綜合以上分析可知,按照習近平總書記提出的2030年風能和太陽能裝機規模指標,需要進一步加大投資力度,以滿足2030年風能和太陽能裝機規模超過12億kW的指標值。

        3.4 負碳技術是實現碳中和的兜底手段

        負碳技術主要包括自然生態碳匯和碳捕集封存與利用技術(CCUS)。2001-2010年,陸地生態系統年均固碳2.01億t(約合7.4億t CO2),相當于抵消了同期我國化石燃料碳排放量的14.1%,其中,森林生態系統是固碳主體,貢獻了約80%的固碳量。森林蓄積量每增加1億m3,相應地可以多固定1.6億t CO2;目前我國森林植被總碳儲量已達92億t,平均每年增加的森林碳儲量都在2億t以上,折合碳匯7億~8億t。根據評估,我國森林覆蓋率最大潛力可達到28%~29%,目前可用于造林的土地還有40萬km2,我國森林平均每公頃蓄積量約為90 m3,因此未來我國累計森林碳匯潛力超過120億t。所以碳匯方面下一步要加強森林經營管理,采取森林撫育等措施,建立健康、穩定、高效的森林生態系統[11]。

        風能和太陽能發電最大的弊端是不連續性和不穩定性,因此必須保留一定規模的煤電用來調峰和應對極端特殊氣候條件;另一方面,化石能源在滿足電力需求的同時,更重要的是還能提供我國工業發展所需要的原料。所以碳中和不可能真正做到“零碳”,必須要保留一定的化石能源,通過碳移除的手段實現碳中和。根據IEA發布的《能源技術展望報告2017》,要達到巴黎2℃的氣候目標,到2060年,累計減排量的14%來自于CCS/CCUS,且任何額外減排量的37%也來自于CCS/CCUS[12]。目前全球通過CCS/CCUS技術存儲利用的CO2大約是4 000萬t/a,如果要實現碳中和,到2030年全球通過該技術手段需要存儲利用16億t CO2,到2050年存儲利用76億t CO2。因此需要大力發展CCS/CCUS技術,為實現碳中和提供兜底手段[13]。

        4 科技創新支撐碳中和目標實現

        縱觀人類發展歷史,科技永遠是解決人類生存發展面臨問題的根本力量。碳中和的實現,靠現有技術是難以實現的,對產業結構、用能方式、能源結構的重塑,必須依靠科技第一生產力、創新第一動力的作用。應堅持面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康(“四個面向”),持續加大科技攻關,攻克清潔低碳能源轉型和CCUS基礎理論及其關鍵技術,以科技創新支撐碳中和目標的實現。

        4.1 攻克一批重大共性關鍵技術

        4.1.1 化石能源清潔高效利用

        (1)做好煤炭的清潔高效利用。加強煤炭低損害開發、智能開發和礦區生態保護與修復,建設綠色礦山,大力推進煤炭生產和運輸系統用能的清潔替代,提高生產效率和效益,降低污染物和碳排放,增加碳匯面積;研發超高參數超超臨界發電技術及裝備、智能靈活燃煤發電技術及裝備、新型動力循環燃煤發電技術及裝備;探索新能源“綠電、綠氫、綠氧”與煤化工耦合的產業新模式,研發以清潔低碳、安全高效為基礎的現代煤化工技術。

        (2)在冶金與建筑領域,研發清潔高效燃煤燃氣鍋爐技術及裝備,探索氫能煉鋼技術及裝備。

        (3)在交通領域,研發可實現整車超低碳和零排放的超低碳汽車技術,大力推廣應用電動汽車、氫燃料汽車。

        (4)大力推進化石能源生產端能源替代技術和余熱回收再利用技術。

        4.1.2 新型電力系統構建

        目前的電網系統尚且無法消納以風能和太陽能為主的新能源大規模高比例的接入,必須構建新型電力系統。能源供給側構建多元化清潔能源供應體系,提升煤電、核電、水電等多種電源的靈活性和壓艙石作用;能源消費側全面推進電氣化、虛擬調峰和全社會剛性節能提效;提升可再生能源電力的電網友好性和多元化利用;電網側——電力供需平衡的橋梁和紐帶,推進能源互聯網平臺升級,發展新一代的現代化電網,為一切清潔低碳能源電力的大面積優化配置和用戶的靈活用能、剛性節能提供支撐;為可再生能源高比例發展,提供安全可靠、靈活方便的服務。

        應構建如下以新能源為主體的新型電力系統:一是對現有電網進行升級改造,以適應大規模新能源接入和靈活電源調峰;二是大力發展新能源發電技術,研發大型化、輕量化、低成本風力發電技術,研發高效、低成本太陽能發電技術以及生物質發電技術;三是打造安全可控、靈活高效、智能友好的柔性智能電網,提升新能源消納能力;四是盡快突破大規模低成本的儲能技術,因地制宜發展抽水蓄能,降低電化學儲能成本,探索壓縮空氣儲能、制氫儲能等技術;五是推進“源網荷儲”一體化協同互動,統籌好電源側、電網側、用戶側功能與需求,促進新能源與電網、新能源與靈活調節電源協調發展。

        4.1.3 CCS/CCUS

        (1)加強CCS/CCUS技術基礎理論與技術研究。開展低損耗新型吸收劑的規?;苽浼伴L周期運行評價,探索通過模塊化降低捕集系統成本的技術路徑及潛力,形成基于燃煤電廠的百萬噸級CCUS系統優化與集成方案。依托示范項目驗證與迭代升級關鍵捕集技術,不斷降低捕集能耗、捕集成本。加快大規模低成本CO2捕集與地質利用關鍵技術在火電、冶金、化工、油氣開采等領域的覆蓋性和常規性應用研究。

        (2)探索CO2礦物轉化、固定和利用技術、CO2礦化發電技術研究;開展多個萬噸級規模的CO2化工與生物利用中試,在二氧化碳加氫合成高碳烴類化合物、制取液體燃料及相關催化劑研制等領域加強探索,推動CO2強化采油(CO2-EOR)、CO2驅替煤層氣(CO2-ECBM)等技術工業化示范。

        (3)根據碳的地質封存機理、長期運移規律及預測方法,研究CO2安全可靠封存與監測技術。

        (4)探索生物質能耦合碳捕集與封存技術(BECCS)和大規模低成本直接空氣碳捕集技術(DAC)。

        4.1.4 氫能及燃料電池

        氫能是有效耦合煤基能源和可再生能源系統的重要途徑,氫的熱值是汽油的3倍,燃料電池轉化效率高達60%,可廣泛應用于交通、工業煉化和冶金、建筑等領域。一是低碳/零碳制氫領域,研發可再生能源電解水制氫、煤制氫氣+CCS、化工副產氫關鍵技術和裝備;二是氫氣純化技術;三是氫氣儲運技術及裝備;四是大容量加氫站關鍵技術及裝備;五是先進燃料電池技術。

        4.2 提前布局一批顛覆性技術

        干熱巖是地熱資源的一種類型,我國陸域可采資源量達17萬億t標準煤,并且干熱巖發電系統安全、熱能連續性好、幾乎零碳排放;可控核聚變技術不產生核廢料,也不產生溫室氣體。所以干熱巖發電技術和可控核聚變技術是最理想的“零碳”能源,一旦取得成功,那么將徹底改變世界能源結構。

        4.2.1 干熱巖發電

        目前干熱巖型地熱能發電的開發利用還處于試驗研究階段,開展試驗的僅有美國、法國、德國、日本等為數不多的國家,經過20~40年時間的探索研究,在干熱巖型地熱能勘查評價、熱儲改造和發電試驗等方面積累了一定經驗,取得了重要進展:截至2017年底,累計建設增強型地熱系統(EGS)示范工程31項,累計發電裝機容量約12.2 MW。相比而言,我國這方面起步較晚,2012年國家863計劃才開啟關于干熱巖的專項研究。

        2021年3月國家科技部發布了“變革性技術關鍵科學問題”重點專項申報指南,意味著國家正積極推動干熱巖開發利用技術的研發。干熱巖開發利用關鍵技術研究方向為:深化干熱巖基礎理論和選址技術研究,掌握干熱巖儲層建造與人造熱儲監測驗證技術,人造熱儲的生產及優化控制,干熱巖發電及配套工藝與設備研發,干熱巖發電示范工程基地建設等。

        4.2.2 可控核聚變

        2020年11月27日,“華龍一號”全球首堆首次并網成功,這標志著我國打破了國外核電技術壟斷,正式進入核電技術先進國家行列。2020年12月4日,中國核工業集團主持研發的新一代“人造太陽”裝置—中國環流器二號M裝置(HL-2M)在成都建成并實現首次放電。未來可圍繞可控核聚變基礎理論、關鍵技術、材料及裝備進行研發。

        5 體制機制建議與保障措施

        (1)建立碳排放管理體系和監督制度。建立碳排放管理體系和碳減排評估、考核管理辦法,摸清“家底”,啟動碳減排規劃編制,探索基于碳排放總量管控的中長期國家碳預算制度。

        (2)加快建設碳市場。出臺碳排放權交易管理條例,為碳市場體系建設提供法律支撐;科學合理確定碳配額制度,逐步縮減免費配額比例,最終實現碳配額完全有償分配;加快建設碳交易平臺等市場基礎設施。

        (3)設置科技創新重大專項及平臺。以“頂層目標牽引、重大項目帶動、基礎能力支撐”的碳中和科技攻關組織模式,加強頂層設計,增強碳中和技術研發前沿研究力量配置,設立有關國家級研發平臺,進一步加強協同創新,圍繞化石能源清潔高效利用、新型電力系統構建、氫能及燃料電池、CCS/CCUS、干熱巖開發利用、可控核聚變等領域,加快布局重大關鍵和顛覆性技術攻關,以科技自立自強支撐碳中和目標。

        (4)綠色金融。以政府為主導,以中央企業為主力軍,同時帶動民間資本,設置碳中和基金,一方面扶持傳統能源行業低碳轉型,另一方面加大以風能和太陽能等新能源、新型儲能、氫能以及智能電網等新興能源產業的投資強度。

        6 結論

        (1)我國化石能源消費占比高、單位能耗高、碳排放強度大是實現碳中和目標的最大阻礙。2℃情景下我國剩余CO2排放空間約1 150~3 400億t,遠低于我國按當前模式發展的預計碳排放總量,實現碳中和必須采取有力手段,選取適合我國的碳中和路徑。

        (2)節能提效是實現碳中和的優先手段,提高終端消費電氣化水平是實現碳中和的重要環節,大力發展風能和太陽能是實現碳中和的關鍵支撐,負碳技術是實現碳中和的兜底手段。

        (3)科技創新是實現碳中和的有力支撐,需攻克“化石能源清潔高效利用”“新型電力系統構建”“CCS/CCUS”“氫能及燃料電池”等一批重大關鍵共性技術;需提前布局“干熱巖開發”“可控核聚變”等一批顛覆性技術。

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        Discussion on the path of China's energy transformation under the goal of carbon neutrality

        LI Quansheng1,2

        (1.China Energy Investment Group, Dongcheng, Beijing 100011, China; 2.State Key Laboratory of Water Resource Protection and Utilization in Coal Mining, Changping, Beijing 102209, China)

        Abstract Under the scenario of 2℃, the total remaining carbon emissions of China are far lower than the expected total carbon emissions if estimated according to the current development model. There are three major problems to achieve the goal of carbon neutral in China: high proportion of fossil energy consumption, high energy consumption and high carbon emissions per unit GDP. On the basis of the goal of carbon neutrality, this paper analyzes the realization path of carbon neutrality in China from the aspects of energy saving and efficiency improvement to reduce the carbon emission, the development of renewable energy and new energy to replace the carbon dioxide, carbon dioxide capture, storage and utilization to remove the carbon, and the development of zero carbon and negative carbon energy technology. This paper holds that energy conservation and emission reduction is the priority means to achieve carbon neutrality, and improving the electrification level of terminal consumption is the important link to achieve carbon neutrality, and the development of wind energy, solar energy, geothermal energy and nuclear energy is the key support to achieve carbon neutrality, and negative carbon technology is the guarantee means to achieve carbon neutrality. At the same time, from the level of scientific and technological innovation supporting carbon neutral target, a number of major key technologies need to be conquered and disruptive technologies need to be laid out in advance are proposed. Finally, the paper puts forward the system mechanism and safeguard measures.

        Key words carbon peak; carbon neutrality; the transition path way of low-carbon energy; discussion on the path; technological innovatisn

        中圖分類號 F426

        文獻標志碼 A

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        引用格式:李全生.碳中和目標下我國能源轉型路徑探討[J].中國煤炭,2021,47(8):1-7.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.08.001

        LI Quansheng.Discussion on the path of China's energy transformation under the goal of carbon neutrality[J].China Coal, 2021,47(8):1-7.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.08.001

        基金項目:中國工程院重大咨詢項目——面向碳中和的工程科技發展戰略研究(2021-XBZD-13-49),中國工程院咨詢項目“能源戰略(2035)——煤炭開發及轉化發展戰略(2035)”(2019-ZD-20-07)

        作者簡介:李全生(1965-),男,河南孟津人,教授級高工,博士生導師,長期從事煤炭綠色低碳開發利用及科技管理工作。E-mail:80635966@qq.com

        (責任編輯 康淑云)

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