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★ 权威探讨 ★

碳中和目标下我国能源转型路径探讨

李全生1,2

(1.国家能源投资集团有限责任公司,北京市东城区,100011;2. 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室,北京市昌平区,102209)

摘 要 针对2℃情景下我国剩余碳排放空间远低于目前发展模式下的预期碳排放总量,且化石能源消费占比高、单位能耗高、碳排放强度大的问题,围绕实现碳中和目标,从节能提效碳减排,发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,发展零碳和负碳能源技术等4个方面,分析了我国碳中和的实现路径,认为节能减排是实现碳中和的优先手段,提高终端消费电气化水平是实现碳中和的重要环节,发展风能、太阳能、地热能以及核能等是实现碳中和的关键支撑,负碳技术是实现碳中和的兜底手段。同时从科技创新支撑碳中和目标的层面,提出一批需要攻克的重大关键共性技术和需要提前布局的颠覆性技术,并提出相关体制机制建议及其保障措施。

关键词 碳达峰;碳中和;能源低碳转型路径;路径探讨;技术创新

0 引言

气候变化是关系人类生存和长远发展的重大挑战,《巴黎协定》明确了全球共同应对气候变化的政治共识和温控目标。工业革命以来,人类化石能源大规模开发利用是大气中温室气体浓度不断上升的主要原因,煤炭、石油、天然气等化石燃料燃烧产生的CO2,分别占全球CO2和温室气体排放量的85%和76%。截至2020年底,化石能源燃烧产生的CO2累计达2.25万亿t,导致全球地表平均温度升高1.1 ℃,如果人为排放的温室气体导致全球升温超过2 ℃,那么将给地球生态系统造成不可逆的破坏[1-2]

2020年9月22日,习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话,强调中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。“30·60”目标的宣誓开启了我国构建现代能源体系的新征程[3]

我国化石能源活动的碳排放占全部碳排放的85%左右,应该说能源系统的低碳转型是碳达峰碳中和的关键,抓住了能源低碳转型,就抓住了碳达峰碳中和的牛鼻子。习近平总书记提出的“四个革命、一个合作”能源安全新战略,就是要建立清洁低碳、安全高效的现代能源体系,可以说碳达峰碳中和目标是能源革命和现代能源体系的题中应有之义,两者目标是完全一致的。碳达峰碳中和目标的实现,要求我们更大力度加快能源革命,依靠创新驱动和科学管理,实现能源革命的目标,支撑国家能源安全稳定供应和低碳转型,为实现中华民族的伟大复兴提供经济安全和稳定可靠的能源保障。

1 我国实现碳达峰碳中和目标的紧迫性

根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的定义,碳中和(Carbon Neutrality)是指在特定时期内,人为二氧化碳排放量与二氧化碳移除量相平衡的状态。这也就意味着到2060年时,我国经济社会活动所产生的二氧化碳排放量需要与二氧化碳移除量相等。

根据IPCC第5次评估报告,如果要大概率(实现概率>66%)将人类造成的温度升幅控制在2 ℃以内,则需要将工业革命以来人类活动累计产生的温室气体排放总量控制在2.9万亿t CO2当量之内,这意味着从2021开始,人类总共剩余可排放的CO2空间只有约6 500亿t;而如果想把温度控制在1.5 ℃以内,这个空间还需要降低到4 300亿t。2020年在新冠肺炎疫情影响下,全球经济增长放缓,全球CO2排放约420亿t,但即便按照当前的排放速度,10年左右就会把全球的排放额度用尽,因此全球CO2减排任务艰巨[1-4]

2018年,中国工程院咨询项目《碳约束条件下我国能源结构优化研究》提到,根据2℃情景下全球各个国家碳排放空间分配方案,按高碳排放情景方案分配计算,自2021年开始,高碳情景下,可供我国排放的CO2约3 400亿t。低碳情景下,可供我国排放的CO2仅有1 150亿t。2020年我国能源活动碳排放大约为112亿t,照此推算,未来10~30年我国将用完碳排放配额[5-6],如表1所示。

1 我国剩余碳排放空间

分配方案2021年以后剩余碳排放量/亿t CO2历史累计人均趋同高碳排放情景3 400中碳排放情景14种方案平均值2 250低碳排放情景剩余人均趋同1 150

2 我国实现碳中和目标下面临的主要问题

2.1 化石能源消费占比高

我国“相对富煤、缺油、少气”的化石能源资源禀赋特点决定了我国能源消费的结构。自1978年改革开放以来,我国化石能源消费占比由96.6%降低至2020年的84.4%;煤炭消费占比降幅最大,由最初的70.7%降低至2020年的56.8%,但煤炭仍然是我国的主体能源;石油消费占比基本稳定在20%左右;天然气消费占比具有较大幅度的提高,从3.2%提高到目前的8.5%;非化石能源消费占比由最初的3.4%提高至现在的15.6%[7],如图1所示。

与世界主要经济体相比,我国煤炭消费占比过高,远高于世界平均水平,天然气消费占比较低,这是我国能源赋存特点决定的,同时,这也是我国碳排放量大的主要原因。在非化石能源消费方面,欧盟各国平均占比达27%,优势明显;与其他经济体相比,我国非化石能源消费占比差距不大,但是由于我国能源消费总量大,导致化石能源消费绝对量远高于其他经济体。如图2所示。

图1 1978-2020年我国能源消费结构变化

图2 世界主要经济体能源消费结构

2.2 能耗高、碳排放强度大

2019年,我国单位GDP能耗3.4 t标准煤/万美元,是全球平均的1.5倍、美国的2.3倍、德国的2.8倍;我国单位GDP碳排放量6.9 t CO2/万美元,是全球平均的1.8倍、美国的3倍、德国的3.8倍,如图3所示。

图3 主要国家单位GDP能耗和碳排放(2019)

3 我国碳中和实现路径

3.1 节能提效是实现碳中和的优先手段

节能提效是我国能源战略之首,是绿色、低碳的“第一能源”,是保障国家能源供需安全和能源环境安全的要素,在化石能源为主的能源结构下,节能提效是减排的主力。我国化石能源高占比和以煤为主的能源特点,决定了“越过煤油气直接过渡到以新能源为主的零碳系统”之路是不可行的,必须坚持低碳和零碳并行发展之路。根据中国工程院的战略研究,到2030年煤炭的消费比重仍将在50%左右,依然是主体能源,所以我国能源转型的立足点和首要任务是切实做好化石能源,特别是煤炭的清洁高效开发利用[8]

我国节能潜力巨大,节能提效是减少污染物和碳排放的重要力量,必须坚持节能优先的方针。要积极推广应用先进用能技术和智能控制技术,提升电力、冶金、化工等重点高耗能产业的用能效率,大力推动各行业节能改造,淘汰落后产能,降低全社会用能成本。如果我国能源利用效率可以达到2019年世界平均水平,则可节约15.8亿t标准煤,可减少碳排放约39亿t。因此加大产业结构优化调整以及大力推广应用节能提效技术,可有效降低我国能源消耗和碳排放。

3.2 提高终端消费电气化水平是实现碳中和的核心环节

“十三五”期间,我国电气化水平得到显著提升,我国电能替代规模累计超过8 000亿kW·h,推动电能占终端能源消费比重从2015年的21.2%提高至2019年的25%左右,累计提高近4个百分点,年均提高1个百分点,2020年达到27%左右,已达到发达国家水平。但是我国不同行业电气化水平差距较大,整体电气化发展潜力依然较大,比如交通领域,铁路的电气化率已达71.9%,而建筑领域的电气化率只有16.5%[9]

减少化石能源使用需要从需求侧发力。必须大力实施电能替代,推动以电代煤、以电代油、以电代气,形成以电能为主的能源消费格局,才能逐步由“以化石能源为主的低碳发展”过渡到“以新能源为主的零碳发展”。在工业领域,要深入实施电气化升级,深挖工业窑炉、锅炉替代潜力;交通领域,应推动电动汽车、港口岸电、公路和铁路电气化发展;建筑领域,应加强用能标准建设。

加强能源系统与信息技术深度融合,推进能源生产数字化智能化变革。加快建设绿色智慧矿山、智慧电厂/场/站、数字铁路、智慧港口、数字船舶等;加强配电网、加氢站、光伏建筑、分布式能源系统等新技术、新产业的培育与建设。

预计到2025年、2030年、2035年,全国电能占终端能源消费比重分别达到31%、35%、39%;2020-2035年,预计全国替代电量将达到1.7万亿kW·h[9]

3.3 大力发展风能和太阳能是实现碳中和的关键支撑

需求侧提高电力在终端消费中的占比,供给侧就需要足够的清洁电力来支撑。目前来看,风能和太阳能发电是提高电力装机、替代煤电的最大增量。2020年12月12日,习近平总书记在气候雄心峰会上承诺:2030年我国非化石能源占一次能源消费比重达到25%左右,风电、太阳能发电总装机容量达到12亿kW以上。这为风能和太阳能的发展定出了明确指标。2015-2020年风能和太阳能发电装机情况如图4所示。

图4 2015-2020年风能和太阳能发电装机情况

“十三五”以来,我国风能和太阳能发电装机规模从22 606万kW提高到53 496万kW,在电力装机中的占比由13.7%提高到24.3%,年均新增装机约6 000万kW,照此情景增速发展,2030年装机规模可达到约11.5亿kW[10]

从发电量来看,“十三五”以来风能和太阳能发电量从2 987亿kW·h增加到7 273亿kW·h,年均新增发电量约760亿kW·h,2020年在电力消费中占比达到9.3%。在不考虑发电效率有较大提升的前提下,按照此速度,2030年风能和太阳能发电量预计达到1.5万亿kW·h[10],如图5所示。

图5 风能和太阳能发电量情况(2015-2020)

综合以上分析可知,按照习近平总书记提出的2030年风能和太阳能装机规模指标,需要进一步加大投资力度,以满足2030年风能和太阳能装机规模超过12亿kW的指标值。

3.4 负碳技术是实现碳中和的兜底手段

负碳技术主要包括自然生态碳汇和碳捕集封存与利用技术(CCUS)。2001-2010年,陆地生态系统年均固碳2.01亿t(约合7.4亿t CO2),相当于抵消了同期我国化石燃料碳排放量的14.1%,其中,森林生态系统是固碳主体,贡献了约80%的固碳量。森林蓄积量每增加1亿m3,相应地可以多固定1.6亿t CO2;目前我国森林植被总碳储量已达92亿t,平均每年增加的森林碳储量都在2亿t以上,折合碳汇7亿~8亿t。根据评估,我国森林覆盖率最大潜力可达到28%~29%,目前可用于造林的土地还有40万km2,我国森林平均每公顷蓄积量约为90 m3,因此未来我国累计森林碳汇潜力超过120亿t。所以碳汇方面下一步要加强森林经营管理,采取森林抚育等措施,建立健康、稳定、高效的森林生态系统[11]

风能和太阳能发电最大的弊端是不连续性和不稳定性,因此必须保留一定规模的煤电用来调峰和应对极端特殊气候条件;另一方面,化石能源在满足电力需求的同时,更重要的是还能提供我国工业发展所需要的原料。所以碳中和不可能真正做到“零碳”,必须要保留一定的化石能源,通过碳移除的手段实现碳中和。根据IEA发布的《能源技术展望报告2017》,要达到巴黎2℃的气候目标,到2060年,累计减排量的14%来自于CCS/CCUS,且任何额外减排量的37%也来自于CCS/CCUS[12]。目前全球通过CCS/CCUS技术存储利用的CO2大约是4 000万t/a,如果要实现碳中和,到2030年全球通过该技术手段需要存储利用16亿t CO2,到2050年存储利用76亿t CO2。因此需要大力发展CCS/CCUS技术,为实现碳中和提供兜底手段[13]

4 科技创新支撑碳中和目标实现

纵观人类发展历史,科技永远是解决人类生存发展面临问题的根本力量。碳中和的实现,靠现有技术是难以实现的,对产业结构、用能方式、能源结构的重塑,必须依靠科技第一生产力、创新第一动力的作用。应坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康(“四个面向”),持续加大科技攻关,攻克清洁低碳能源转型和CCUS基础理论及其关键技术,以科技创新支撑碳中和目标的实现。

4.1 攻克一批重大共性关键技术

4.1.1 化石能源清洁高效利用

(1)做好煤炭的清洁高效利用。加强煤炭低损害开发、智能开发和矿区生态保护与修复,建设绿色矿山,大力推进煤炭生产和运输系统用能的清洁替代,提高生产效率和效益,降低污染物和碳排放,增加碳汇面积;研发超高参数超超临界发电技术及装备、智能灵活燃煤发电技术及装备、新型动力循环燃煤发电技术及装备;探索新能源“绿电、绿氢、绿氧”与煤化工耦合的产业新模式,研发以清洁低碳、安全高效为基础的现代煤化工技术。

(2)在冶金与建筑领域,研发清洁高效燃煤燃气锅炉技术及装备,探索氢能炼钢技术及装备。

(3)在交通领域,研发可实现整车超低碳和零排放的超低碳汽车技术,大力推广应用电动汽车、氢燃料汽车。

(4)大力推进化石能源生产端能源替代技术和余热回收再利用技术。

4.1.2 新型电力系统构建

目前的电网系统尚且无法消纳以风能和太阳能为主的新能源大规模高比例的接入,必须构建新型电力系统。能源供给侧构建多元化清洁能源供应体系,提升煤电、核电、水电等多种电源的灵活性和压舱石作用;能源消费侧全面推进电气化、虚拟调峰和全社会刚性节能提效;提升可再生能源电力的电网友好性和多元化利用;电网侧——电力供需平衡的桥梁和纽带,推进能源互联网平台升级,发展新一代的现代化电网,为一切清洁低碳能源电力的大面积优化配置和用户的灵活用能、刚性节能提供支撑;为可再生能源高比例发展,提供安全可靠、灵活方便的服务。

应构建如下以新能源为主体的新型电力系统:一是对现有电网进行升级改造,以适应大规模新能源接入和灵活电源调峰;二是大力发展新能源发电技术,研发大型化、轻量化、低成本风力发电技术,研发高效、低成本太阳能发电技术以及生物质发电技术;三是打造安全可控、灵活高效、智能友好的柔性智能电网,提升新能源消纳能力;四是尽快突破大规模低成本的储能技术,因地制宜发展抽水蓄能,降低电化学储能成本,探索压缩空气储能、制氢储能等技术;五是推进“源网荷储”一体化协同互动,统筹好电源侧、电网侧、用户侧功能与需求,促进新能源与电网、新能源与灵活调节电源协调发展。

4.1.3 CCS/CCUS

(1)加强CCS/CCUS技术基础理论与技术研究。开展低损耗新型吸收剂的规模化制备及长周期运行评价,探索通过模块化降低捕集系统成本的技术路径及潜力,形成基于燃煤电厂的百万吨级CCUS系统优化与集成方案。依托示范项目验证与迭代升级关键捕集技术,不断降低捕集能耗、捕集成本。加快大规模低成本CO2捕集与地质利用关键技术在火电、冶金、化工、油气开采等领域的覆盖性和常规性应用研究。

(2)探索CO2矿物转化、固定和利用技术、CO2矿化发电技术研究;开展多个万吨级规模的CO2化工与生物利用中试,在二氧化碳加氢合成高碳烃类化合物、制取液体燃料及相关催化剂研制等领域加强探索,推动CO2强化采油(CO2-EOR)、CO2驱替煤层气(CO2-ECBM)等技术工业化示范。

(3)根据碳的地质封存机理、长期运移规律及预测方法,研究CO2安全可靠封存与监测技术。

(4)探索生物质能耦合碳捕集与封存技术(BECCS)和大规模低成本直接空气碳捕集技术(DAC)。

4.1.4 氢能及燃料电池

氢能是有效耦合煤基能源和可再生能源系统的重要途径,氢的热值是汽油的3倍,燃料电池转化效率高达60%,可广泛应用于交通、工业炼化和冶金、建筑等领域。一是低碳/零碳制氢领域,研发可再生能源电解水制氢、煤制氢气+CCS、化工副产氢关键技术和装备;二是氢气纯化技术;三是氢气储运技术及装备;四是大容量加氢站关键技术及装备;五是先进燃料电池技术。

4.2 提前布局一批颠覆性技术

干热岩是地热资源的一种类型,我国陆域可采资源量达17万亿t标准煤,并且干热岩发电系统安全、热能连续性好、几乎零碳排放;可控核聚变技术不产生核废料,也不产生温室气体。所以干热岩发电技术和可控核聚变技术是最理想的“零碳”能源,一旦取得成功,那么将彻底改变世界能源结构。

4.2.1 干热岩发电

目前干热岩型地热能发电的开发利用还处于试验研究阶段,开展试验的仅有美国、法国、德国、日本等为数不多的国家,经过20~40年时间的探索研究,在干热岩型地热能勘查评价、热储改造和发电试验等方面积累了一定经验,取得了重要进展:截至2017年底,累计建设增强型地热系统(EGS)示范工程31项,累计发电装机容量约12.2 MW。相比而言,我国这方面起步较晚,2012年国家863计划才开启关于干热岩的专项研究。

2021年3月国家科技部发布了“变革性技术关键科学问题”重点专项申报指南,意味着国家正积极推动干热岩开发利用技术的研发。干热岩开发利用关键技术研究方向为:深化干热岩基础理论和选址技术研究,掌握干热岩储层建造与人造热储监测验证技术,人造热储的生产及优化控制,干热岩发电及配套工艺与设备研发,干热岩发电示范工程基地建设等。

4.2.2 可控核聚变

2020年11月27日,“华龙一号”全球首堆首次并网成功,这标志着我国打破了国外核电技术垄断,正式进入核电技术先进国家行列。2020年12月4日,中国核工业集团主持研发的新一代“人造太阳”装置—中国环流器二号M装置(HL-2M)在成都建成并实现首次放电。未来可围绕可控核聚变基础理论、关键技术、材料及装备进行研发。

5 体制机制建议与保障措施

(1)建立碳排放管理体系和监督制度。建立碳排放管理体系和碳减排评估、考核管理办法,摸清“家底”,启动碳减排规划编制,探索基于碳排放总量管控的中长期国家碳预算制度。

(2)加快建设碳市场。出台碳排放权交易管理条例,为碳市场体系建设提供法律支撑;科学合理确定碳配额制度,逐步缩减免费配额比例,最终实现碳配额完全有偿分配;加快建设碳交易平台等市场基础设施。

(3)设置科技创新重大专项及平台。以“顶层目标牵引、重大项目带动、基础能力支撑”的碳中和科技攻关组织模式,加强顶层设计,增强碳中和技术研发前沿研究力量配置,设立有关国家级研发平台,进一步加强协同创新,围绕化石能源清洁高效利用、新型电力系统构建、氢能及燃料电池、CCS/CCUS、干热岩开发利用、可控核聚变等领域,加快布局重大关键和颠覆性技术攻关,以科技自立自强支撑碳中和目标。

(4)绿色金融。以政府为主导,以中央企业为主力军,同时带动民间资本,设置碳中和基金,一方面扶持传统能源行业低碳转型,另一方面加大以风能和太阳能等新能源、新型储能、氢能以及智能电网等新兴能源产业的投资强度。

6 结论

(1)我国化石能源消费占比高、单位能耗高、碳排放强度大是实现碳中和目标的最大阻碍。2℃情景下我国剩余CO2排放空间约1 150~3 400亿t,远低于我国按当前模式发展的预计碳排放总量,实现碳中和必须采取有力手段,选取适合我国的碳中和路径。

(2)节能提效是实现碳中和的优先手段,提高终端消费电气化水平是实现碳中和的重要环节,大力发展风能和太阳能是实现碳中和的关键支撑,负碳技术是实现碳中和的兜底手段。

(3)科技创新是实现碳中和的有力支撑,需攻克“化石能源清洁高效利用”“新型电力系统构建”“CCS/CCUS”“氢能及燃料电池”等一批重大关键共性技术;需提前布局“干热岩开发”“可控核聚变”等一批颠覆性技术。

参考文献:

[1] IPCC. The synthesis report of the fifth assessment report of the IPCC[M].UK:Cambridge University Press,2014.

[2] 尚凯元,郑彬,李晓骁.实现碳中和,需要全球合作应对[N].人民日报,2021-2-3(17)

[3] 习近平. 继往开来,开启全球应对气候变化新征程—在气候雄心峰会上的讲话[N].人民日报,2020-12-13(1)

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[5] BPAmoco.Statistical Review of World Energy[M].UK:BP Amoco Press,2020.

[6] IEA.Global energy review 2021[EB/OL].(2021-01-01)[2021-07-09].https://www.iea.org/reports/global-energy-review-2021.

[7] 中华人民共和国统计局.中国统计年鉴1978-2020[M].北京:中国统计出版社,2021.

[8] 谢克昌.节能提效才是减碳第一优选[N].中国能源报,2021-5-17(3).

[9] 杨昆.推动实现碳达峰、碳中和,加快构建以新能源为主体的新型电力系统[R].北京:中国电力企业联合会,2021.

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[12] IEA.Energy Technology Perspectives 2017 [EB/OL].(2017-06-01)[2021-07-09].https://www.iea.org/reports/energy-technology-perspectives-2017.

[13] IEA.Net zero by 2050—A roadmap for the global energy sectorwww[EB/OL].(2021-05)[2021-07-09].https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050.

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

中图分类号 F426

文献标志码 A

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引用格式:李全生.碳中和目标下我国能源转型路径探讨[J].中国煤炭,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

基金项目:中国工程院重大咨询项目——面向碳中和的工程科技发展战略研究(2021-XBZD-13-49),中国工程院咨询项目“能源战略(2035)——煤炭开发及转化发展战略(2035)”(2019-ZD-20-07)

作者简介:李全生(1965-),男,河南孟津人,教授级高工,博士生导师,长期从事煤炭绿色低碳开发利用及科技管理工作。E-mail:80635966@qq.com

(责任编辑 康淑云)