將煤炭行業打造成碳中和技術突破的發源地——訪中國工程院院士謝和平

2021年，我國原煤產量41.3億噸，創歷史新高。今年1月至5月，我國原煤產量達18.1億噸，同比增長10.4%，已連續5個月保持兩位數快速增長，原煤日均產量超過1200萬噸。煤炭產量的增長趨勢與碳達峰、碳中和目標下的總量控制是否有矛盾，煤炭如何在保障能源安全穩定供應的同時，實現自身的低碳、零碳發展？就此，記者采訪了中國工程院院士謝和平。

實現“雙碳”目標并不意味著現在大幅退出煤炭

“碳達峰、碳中和目標已成為我國社會共識，將推進經濟社會廣泛而深刻的系統性變革。碳減排將是一個長期理性推進的過程，堅持先立后破，立足我國的能源資源稟賦，全國一盤棋應循序漸進地推進，而不是針對某一具體行業或細分領域‘點穴式’行政強制產能退出。”中國工程院院士謝和平說。

他告訴記者，美國、德國、英國、日本等發達國家碳達峰前后現代化進程、能源消費、碳排放強度等基本特征和變化規律表明，在工業化階段和現代化前期階段，能源消費彈性系數仍維持在較高水平，在人均GDP達到3萬美元之前，經濟增長很難與能源消費脫鉤，即經濟增長必須需要能源消費總量的增加來支撐。

“改革開放以來，除了個別異常年份外，我國能源消費彈性系數一直維持在0.5左右，充分顯示了我國經濟增長與能源消費唇齒相依的關系。”謝和平說，我國還處于社會主義初級階段，現代化水平與美國等發達國家還有較大差距，現代化進程的持續推進仍然需要較大的能源消費總量支撐，在相當長一段時間內經濟增長還無法與能源消費脫鉤。鑒于化石能源資源稟賦和可再生能源的不穩定性，煤炭仍將是我國新時代構建清潔低碳安全高效能源體系的“穩定器”和“壓艙石”。

通過謝和平團隊項目研究的初步預測，2030年前，煤炭消費量保持平穩或略有增長，維持在35億噸/年至45億噸/年；2031年至2050年，煤炭利用逐步向電力調峰、碳質還原劑以及保障能源安全等集中，煤炭消費量下降到35億噸/年左右；2051年至2060年，煤炭仍需用于電力調峰、碳質還原劑以及保障能源安全等不能被替代的用途，煤炭消費量仍會保持在25億噸/年左右；2060年實現碳中和后，為了應對油氣進口受限和可再生能源非正常波動的風險，仍需保持一定規模的煤炭生產和消費。

“屆時，煤炭生產和消費不單純是從煤炭利用本身出發，而是將其作為應急儲備、戰略儲備等。特別是俄烏沖突后，歐洲各國‘重啟’煤電應對能源危機。因此，實現碳達峰、碳中和并不意味著現在要大幅退出煤炭。”謝和平說。

大力提升科學產能先進產能

“碳中和目標下，我國經濟社會發展仍然需要依靠煤炭，只是需要的是科學產能的煤炭和清潔低碳利用的煤炭。”謝和平指出，過去10年，我國煤炭科學產能規模不斷增加，有力支撐了國家能源安全與經濟社會發展。碳中和目標賦予煤炭科學產能，即先進產能新的內涵，也將強化生態環境約束、安全高效集約化生產約束，使一些產能和資源不再符合煤炭科學產能的要求，甚至加快一些地方整體性退出煤炭生產，需要深入思考與分析碳中和目標下煤炭科學產能資源量、煤炭科學產能規模能否支撐我國現代化進程。

“碳中和目標下亟須提高煤炭科學產能、先進產能的支撐能力。”謝和平說，從我們近期完成的咨詢研究項目成果可以看出，如果只考慮現有在產煤礦符合生態環境約束、安全高效集約化生產約束、先進產能等要求的剩余資源量，按照現有技術水平和回采率，滿足40億噸/年的產量規模，僅可支撐15年左右；通過提高科學產能水平，提高煤炭資源采出率等，可延長時間，也僅能支撐到碳達峰時經濟社會發展對煤炭的需要。因此，迫切需要加大符合科學產能要求的煤炭資源勘探力度，摸清煤炭科學產能的資源量。統籌考慮碳中和目標下煤炭資源量、賦存條件、生態紅線等多種因素疊加下的產能規模。

“應以陜西、山西、內蒙古、新疆等為重點，謀劃煤炭科學產能支撐基地布局。建立健全煤炭科學產能的戰略儲備、產能儲備、產品儲備體系和以煤炭科學產能為支撐的柔性供給能力。加大綠色開采關鍵技術攻關，以技術為抓手，提高煤炭科學產能保障能力，支撐煤炭碳中和目標實現。”謝和平說。

煤炭碳中和發展的戰略藍圖

隨著技術進步，面對碳達峰、碳中和目標，煤炭實現碳中和的愿景是什么，煤炭企業、礦區、煤炭行業將呈現什么發展態勢？

在謝和平看來，應在深刻理解碳達峰、碳中和目標要求和準確把握我國能源消費需求的基礎上，科學謀劃、系統布局，提出符合實際、切實可行的煤炭碳中和發展目標、路線圖、施工圖，并重點推進碳中和“技術為王”的科技創新，加大加快煤炭開發利用減碳、用碳、固碳、零碳、負碳等技術研發應用，探索出全新的、可行的煤炭碳中和路徑。

他認為，煤炭碳中和的相關基礎研究和技術儲備不足，短期內還未能展現碳減排碳中和的潛力。應綜合碳中和目標、國家能源安全、經濟運行應急三大要求，立足我國國情實際，堅持系統觀念，統籌煤炭低碳發展和能源保供，準確把握減碳與發展、減碳與安全的關系，正確處理短期和中長期的關系，科學謀劃“能源安全兜底、綠色低碳開發、清潔高效利用、煤與新能源多能互補”四大戰略方向。

推進煤炭企業成為“煤炭+CCUS”與風、光、電多能互補的清潔能源生產基地，即按需靈活產生煤炭、風能、太陽能、氫能以及碳材料等，并實現井下巷道儲能，平抑可再生能源波動。“煤炭+CCUS”與可再生能源互補，穩定供應多元化清潔能源。推進礦區成為井下—地上資源一體化開發、立體化利用、零碳排放的碳中和示范區，即地下空間碳固化、碳封存，就地處置煤炭利用產生的二氧化碳，地面可再生能源利用、零碳排放，礦區植被形成碳匯，負碳排放。推進煤炭行業成為煤炭低碳、零碳、固碳和負碳技術突破的發源地，即突破煤礦智能化低碳綠色開采、井下無人開采、流態化開采關鍵技術，形成煤炭開發利用低碳零碳技術體系、煤炭+多能互補的零碳負碳技術體系。

煤炭碳中和發展的重點任務

實現煤炭碳中和需要布局哪些重點任務？

謝和平介紹，需要布局六大重點任務。

一是加大力度勘探符合煤炭科學產能要求的煤炭資源（資源保障）。探索應用國內外、行業內外先進勘探技術，進一步增強煤炭資源勘探手段和方法，提高煤炭資源探明程度，加快新增符合科學產能條件的煤炭資源量勘查，提高煤炭科學產能資源接續能力。

二是建設煤炭科學產能全國支撐基地（產能保障）。統籌考慮煤炭資源量、賦存條件、生態紅線劃設等多重因素，建設山西、陜北、內蒙古東部、內蒙古西部、新疆五大煤炭科學產能支撐基地。

三是推進柔性煤炭科學產能建設（經濟運行應急保障）。圍繞煤炭產量需求波動幅度加大的新形勢新要求，支持和鼓動云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、人工智能等新一代信息技術在煤礦的應用，推進可低成本寬負荷調節的無人柔性煤炭科學產能礦井建設，實現柔性生產提高煤炭供應調節能力，為經濟運行應急提供保障。

四是研究制定能源安全下的煤炭科學產能儲備戰略（國家能源安全保障）。科學研判可再生能源發展、地緣政治變化等復雜形勢下，保障我國能源安全對煤炭科學產能的最大需求，研究制定能源安全下煤炭科學產能儲備戰略。統一規劃支撐科學產能的煤炭資源調查評價、勘查和開發利用，建立安全可靠的資源儲備、產能儲備。

五是加快煤炭科學產能支撐力科技攻關（技術保障）。厘清煤炭勘查、開發、利用碳減排相關技術的研究基礎和攻關需求，篩選一批有自主知識產權、有較強產學研合作依托、有配套投入保障、有研發平臺和人才隊伍支撐的重點方向，集中資源予以立項支持。鼓勵科研機構和企業聯合開展綠色低碳開采各領域基礎研究、前沿探索，提高煤炭科學產能關鍵核心技術攻關能力，支撐高水平的煤炭科學產能建設。

六是構建適應碳中和要求的多能互補的煤礦清潔能源系統。探索風能、太陽能等可再生能源制氫耦合煤清潔轉化新路徑，通過氫能從產業鏈上實現可再生能源與煤轉化耦合，與煤化工的CCUS集成，形成綜合轉化技術體系。充分利用煤炭的穩定性和可再生能源的低/零碳排放優勢，構建適應碳中和要求的多能互補的煤礦清潔能源系統。

將技術突破作為核心變量

“碳中和目標下，我國能源發展應該重點落在技術創新上，即大力發展節能技術，提高能源利用效率，減少能源增量；大力發展新能源技術（‘風電/光電+儲能’技術等），優化電力結構；大力發展低碳清潔煤炭開發利用（‘清潔煤電+CCUS’技術等），大力發展少碳—用碳—零碳能源原理創新與顛覆性技術。”謝和平說。

“我國治理酸雨的二氧化硫減排實踐為煤炭碳中和提供了借鑒。以政策倒逼技術進步，以先進技術推進減排。”謝和平舉例。

20世紀90年代，我國一些地區燃用高硫煤，設備未采取脫硫措施，致使二氧化硫排放量不斷增加，造成嚴重的酸雨污染。1995年，國務院批準劃定酸雨控制區與二氧化硫污染控制區；1996年，提出實施包括二氧化硫在內的污染物排放總量控制。此后逐步嚴格排放標準、收縮排放總量控制限制，以政策倒逼燃煤污染物控制技術進步。2000年以后，加快已有燃煤電廠脫硫設施建設，持續研發并應用燃煤二氧化硫超低排放技術，逐漸建成全球最大的清潔煤電供應體系，煤炭消費量增長15.8%，二氧化硫排放量下降近80%。

“技術進步徹底顛覆了‘控制二氧化硫排放必然減少煤炭消費’的原有認識，突破了二氧化硫減排對煤炭消費的約束。”謝和平說。

“逐步強化的政策措施將倒逼煤炭從以往的鼓勵性自主碳排放控制轉向政策硬約束的強制性碳減排碳處理。因此，應加大加快煤炭開發利用減碳、用碳、固碳、零碳、負碳等技術研發應用。”謝和平認為，在少碳方面，發展化石能源清潔低碳新技術、二氧化碳捕集新原理與新技術等；在用碳方面，發展二氧化碳礦化發電顛覆性技術、二氧化碳驅油氣利用原理與技術等；在無碳方面，近零碳排放的直接煤固體燃料電池發電新技術、新能源技術如風能太陽能生物質地熱發電海水制氫等。

據了解，謝和平團隊在上述技術方面，正在從基礎研究走向工業擴試。以二氧化碳電化學捕捉新技術為例，初步成果顯示，該技術能耗僅為67千瓦時/噸，成本約為9.4美元/噸二氧化碳。此外，自2011年開始，四川大學、深圳大學等院校，也在探索碳中和新原理新技術攻關，包括低能耗二氧化碳捕集新原理新技術、二氧化碳礦化發電顛覆性技術、二氧化碳能源化資源化利用催化轉化技術、零碳排放的直接煤燃料電池發電技術等。