• (010)84657853 84657852 84657855 84658665
  • (010)84657900
  • mt@zgmt.com.cn
  • 北京市朝阳区芍药居35号中煤信息大厦(100029)

★ 世界煤炭 ★

应对气候变化背景下中美煤炭清洁高效利用技术路径对比与合作前景

姜大霖

(国家能源集团技术经济研究院,北京市昌平区,102211)

摘 要 全球气候治理和绿色发展对煤炭未来可持续开发利用带来了挑战。尽管全球达成了控制煤炭使用以促进绿色低碳转型的共识,但中美两国作为煤炭能源大国,短期不具备放弃使用煤炭的条件,煤炭的低碳转型成为两国共同面临的问题。笔者从中美两国分别提出的煤炭能源清洁高效利用计划出发,分析了当前中美两国煤炭发展面临的问题、清洁高效利用计划的异同,比较了两国气候政策以及在煤基能源规模化碳减排主要技术路线,分析研究了碳捕集利用与封存技术示范应用等领域的最新进展与走势。指出,在当前国际形势和两国关系背景下,应寻找中美两国相关领域未来合作的窗口和机遇。

关键词 气候变化 中美合作 煤炭清洁高效利用 碳捕集利用与封存技术

在全球绿色发展和应对气候变化的双重压力下,煤炭的开发利用受到各方质疑。2017年11月,加拿大和英国发起“弃用煤炭发电联盟”,旨在逐步减少燃煤发电量,倡议政府和企业出台政策支持清洁能源的发展[1],截至2020年8月,该联盟的成员数量已由成立时的20个国家和地区增加到104个。淘汰煤炭的政策已经在欧洲广泛发布并实施,欧洲各国政府相继列出放弃煤炭的时间表。自1992年里约气候峰会以来,风、光等可再生能源开发利用逐步增加,受经济合作与发展组织(OECO)国家需求急剧下降的影响,2019年全球的煤炭消费量减少了0.6%,在一次能源中占比降至27%,为过去16年来最低。虽然国际上正在形成关于减少煤炭的共识,但是国家之间能源资源禀赋、发展阶段、技术条件等因素的不同,都会使未来各国煤炭需求和发展路径有所差异。当前煤炭仍是最大的单一发电来源,在全球总发电量中占比约36%。根据英国石油公司(BP)的预测,未来煤炭消费总量将逐渐趋于稳定,在全球能源消费中仍会占据重要的地位。

当前承诺逐步淘汰煤炭的国家大都是国内煤炭产量很少或者煤炭进出口很少的国家,相比于煤炭仍是重要能源的国家来说,如美国、中国以及“一带一路”沿线诸多的发展中国家,完全淘汰煤炭仍面临严峻的挑战。如,德国弃煤政策左右摇摆,2019年1月,德国煤炭退出委员会宣布将在2038年前关闭所有煤炭火力发电厂,而能源经济和能源部都表示德国到2030年仍将保持一半的煤电产能,认为德国无法做到同时不生产核电和煤电;美国联邦政府和州政府则在弃煤问题上产生了分歧,美国部分州政府制定了淘汰煤炭的时间表,与特朗普政府“让煤炭再次伟大”的政策针锋相对。

从应对气候变化的视角看,《巴黎协定》框架下,目前已有100多个国家提出了2050中长期低碳发展战略,很多国家提出2050年前实现碳中和,习近平主席2020年9月在联合国大会上也首次向国际社会承诺中国努力在2060年之前实现碳中和。而另一方面,煤炭在全球能源生产消费中碳排放的比重居高不下,2019年约占44%,全球碳排放总量仍在持续上升(数据来自国际能源署2019年报告)。煤炭目前仍为中国和美国重要的一次能源,两国分别提出了煤炭未来清洁高效发展的路径。在当前中美关系呈现出全面对抗的背景下,煤炭合作是中美两国为数不多的对话窗口,对比中美两国煤炭清洁高效的发展问题,对两国当前解决能源安全问题、共同应对气候变化问题以及改善中美关系问题或具有重要意义和潜在机会。

1 煤炭在中美能源体系中的现状与问题

1.1 煤炭在中美两国能源系统中的作用对比

中美两国同为煤炭生产和消费大国,2019年两国煤炭生产总量(中国为26.8亿t标准煤,美国为6.4亿t标准煤)约占全球煤炭生产消费总量的55%,两国煤炭总消费量(中国为28亿t标准煤,美国为5.3亿t标准煤)占全球煤炭总量的近60%。总体上看,煤炭在两国能源结构中都占据了举足轻重的位置,从煤炭生产总量和总消费量趋势上看均呈现下降趋势,如图1所示。2019年,中国煤炭消费约占总能源消费量的58%,为第一大能源品种;美国煤炭消费量约占12%,为第三大能源品种。煤炭资源的储量丰富、风险性低、成本低等特点使得未来煤炭在中美两国的能源生产和消费中仍将保持重要地位。

图1 中美煤炭生产与消费走势

1.2 中美两国煤电机组情况对比

煤电在中美两国电力供应中都占据重要位置,同时占比均呈下降趋势。2019年中国煤电占总电力供应的65%。1965-1985年,美国燃煤发电保持高速增长,但自1985年以后,美国燃煤发电的发展急剧萎缩,特别是美国页岩气革命以来,煤电占总发电量的比例持续下降,2019年下降至24%,如图2所示。

从煤电机组特点上来看中美两国显著不同。中国煤电机组整体呈现存量大、机组新、效率高等特点[2],而美国煤电机组存量小且处于老旧机组淘汰与新机组更替期。根据美国能源信息署(EIA)的统计,2010-2018年,美国陆续退役煤电机组共计8.94万MW,284座煤电发电厂退役,剩余246座。美国燃煤发电厂的平均使用年限约为40年,如图3所示,但有11%的发电厂运行年限已经超过60年,煤电机组的服役年限成为美国淘汰煤电的一个重要因素。未来新型电厂的开发成为美国煤炭清洁高效利用的重要方面。截至2017年底,中国煤电装机中300~400 MW容量机组共853台,且主要集中在2000年以后投运,服役年限在10年及以下和10~20年的机组占比分别为39.98%和42.79%,服役年限超过30年的共18台;500~999 MW容量机组共532台,服役年限在10年及以下机组共301台,占比为56.58%,服役年限在11~20年的机组共213台,占比为40%;1000 MW容量及以上机组建设起步较晚,共投运97台,服役年限在10年以下的90台,服役年限超过10年的机组只有7台,服役年限最长的为12年。

图2 1985-2019年间中美煤炭发电占总发电量的比例变化

图3 中美煤电机组平均服役年龄对比

1.3 碳排放是制约中美煤炭长期利用的关键问题

2017年,中国煤炭消费碳排放量约为74亿t,约占全国总排放量的80.4%,美国煤炭消费碳排放量约为13亿t,约占全国总排放量的27.8%(数据来自国际能源署2019年报告)。煤炭的高碳排量放使得未来全球实现气候目标约束下的碳排放面临巨大挑战。中美两国的煤炭资源相对丰富,在能源系统中广泛应用,也是保证经济增长的核心助力,这对于两国环境保护、温室气体减排和相关产业发展既是挑战又是机遇。那么如何将煤炭变得清洁、高效,以平衡国家未来发展中对可满足能源消费及环境可持续发展的双重要求,成为中美两国未来能源发展的重要方向。

2 中美煤炭清洁高效利用计划异同

2018年11月,美国能源部(DOE)公布了“Coal FIRST”计划,包含灵活(Flexible)、创新(Innovative)、弹性(Resilient)、小型(Small)、变革(Transformative),旨在开发未来先进煤电厂,为美国消费者提供安全、稳定、可靠的近零排放电力。此类电厂的特征如下:能够灵活运行以满足电网需求;使用创新的先进组件,提高效率,减少排放;为美国提供灵活的电力;比目前的传统公用事业规模燃煤电厂的规模小;改变了煤电技术的传统设计和制造方式。

截至2020年7月,DOE已经陆续为该项目的研发累计投资3亿美元,分别用于开发未来电厂关键组件、新型燃煤发电技术、先进燃煤系统所需的关键部件及先进燃煤电厂概念的设计和系统集成设计研究方面。其中,燃烧后的碳捕集是“Coal FIRST”计划的重要组成部分。

2013年以来,煤炭清洁高效利用逐渐成为中国环保与能源政策的重要内容[3];2016年,煤炭清洁高效利用纳入中国《“十三五”国家科技创新规划》面向2030年的重大科技项目。煤炭的绿色开发、高效发电、清洁转化、煤炭污染控制以及碳捕集利用与封存等核心关键技术的研发成为当前中国煤炭清洁高效利用的重点关注领域[4]

中美两国都经过多年的努力,在煤炭清洁高效利用,煤矿安全开采,土地复垦,水资源保护以及燃煤电厂除尘、脱硫、脱销等问题上基本得到有效缓解。未来在全球共同应对气候变化、能源电力系统加速低碳化转型的背景下,煤基能源结合碳捕集与封存技术(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)是未来中美两国煤炭清洁发展共同关注的领域[5]

3 中美CCUS发展对比

随着煤炭利用形式引发的碳排放问题日趋严峻,如何平衡碳减排与煤炭利用间的矛盾,将是煤基能源产业长期面临的问题和挑战。需要尽快提升煤炭的清洁高效利用技术水平,CCUS技术亟待深入开展。CCUS技术能够实现化石能源的低碳利用,被认为是未来在提高能效和可再生能源技术减排方面极具前景的技术[6]

3.1 美国CCUS技术发展

美国CCUS技术发展处于全球领先的地位,在捕集项目数量、捕集规模及CO2输送管网等方面均位居全球第一。美国二氧化碳强化采油(CO2-EOR)技术起步较早,产业化发展已经成熟。2018年美国内部收益法45Q联邦法案的出台,为CO2封存设立税收抵免。该法案规定如果在2024年前开工的项目,则通过EOR永久封存的CO2可抵税35美元/t,而地质封存的CO2可抵税50美元/t。受益于政策支持,美国境内大型CCUS设施数量居世界之首,累计捕集和注入的CO2已超过1.5亿t。美国这些设施总共可捕集CO2 2500万t/a,相当于每年道路上的汽车减少540万辆。目前,全球共有19个工业规模的CCUS项目在运行,总捕集规模约为3200万t/a,其中10个项目在美国,总计捕集CO2 2500万t/a,占全球总量的80%左右。美国CCUS项目涉及多个行业,包括天然气加工(1700万t/a)、合成天然气生产(300万t/a)、化肥生产(200万t/a)、燃煤发电(100万t/a)、制氢(100万t/a)和乙醇生产(100万t/a)。值得注意的是,美国的10个项目中有6个完全由市场因素驱动,主要来自低成本碳源同CO2提高石油采收率市场需求的匹配。这10个项目中有4个需要大量政策支持才能在经济上可行。在美国积极推动CCUS激励措施和进程的有加利福尼亚、蒙大拿、德克萨斯、北达科他和怀俄明等多个地方州政府。由于电力行业在美国温室气体排放中占28%,2019年,美国又增加了3座电厂碳捕集改造项目。投运后,将新增CO2捕集能力1030万t/a。此外,美国还拥有超过8000 km的CO2输送管道,约占全球的85%。

美国未来积极计划并大规模部署CCUS。2019年底,美国国家石油委员会(NPC)受美国能源部委托刚刚完成并发布了《迎接双重挑战:碳捕集、利用和封存规划化部署路线图》报告,指出美国应在CCUS领域处于全球领先地位,并具有推动CCUS广泛部署的强大能力,应通过启动、扩展和规模化应用3个阶段实现CCUS在美国的大规模部署。未来25年,美国CCUS累计投资将达到6800亿美元,其中包括280亿美元的基础设施投资,就业岗位达到23万个,CCUS规模增至5亿t/a,捕集、运输和封存的CO2相当于美国原油基础设施系统排放量的75%,如表1所示。

表1 美国CCUS发展路线图中的主要发展阶段目标

阶段累计投资/亿美元基础设施投资/亿美元就业岗位/万个CCUS规模/(亿t/a)启动阶段(未来5-7年)5002010.6亿t/a扩张阶段(未来15年)17509041.5亿t/a规模化应用阶段(未来25年)6800280235亿t/a

在研发资助方面,为通过持续的技术研发和示范使CCUS技术成本在未来20年降低10%~30%,美国国会应在未来10年拨款15亿美元/a用作CCUS研发经费,以促进技术开发和示范[7]

3.2 中国CCUS技术发展

与美国相比,中国CCUS技术的发展无论从项目单体规模还是技术发展上都处于相对落后水平。截至2019年底,中国共开展了9个中小规模碳捕集示范项目、12个地质利用与封存项目,其中包含10个全流程示范项目。不包括传统化工利用,所有CCUS项目的累计CO2封存量约为200万t。中国CO2捕集示范项目覆盖行业较少,目前主要集中在煤化工行业,其次为火电行业等[8]。地质利用和封存项目以提高石油采收率为主。

中国CO2捕集示范项目主要分布在华东、华北地区。从捕集环节来看,当前中国第一代捕集技术成本能耗仍然偏高,缺乏大规模示范工程经验,第二代技术处于实验室研发或小型试验阶段。从运输环节来看,CO2陆路车载运输和内陆船舶运输技术已成熟,CO2陆地管道输送技术是最具应用潜力和经济性的技术。从利用环节来看,CO2-EOR已应用于多个驱油与封存示范项目。此外,目前转化为食品和饲料的技术已实现大规模商业化,其他技术仍处于研发或小规模示范阶段。从封存环节来看,我国已完成了全国CO2理论封存潜力评估,陆上地质利用与封存技术的理论总容量为万亿吨级,适宜的地质封存空间充足。当前国家在CCUS技术研发方面给予一定科研经费支持,在规模化示范和产业应用方面尚没有明确清晰的激励政策出台。

中国是潜在的未来全球最大CCUS应用市场,预计2050年,CO2捕集利用规模将达到8~24亿t/a。成本经济性是当前制约中国CCUS技术发展的重要因素,在CCUS捕集、输送、利用与封存环节中,捕集是能耗和成本最高的环节。

4 中美煤炭清洁高效利用合作现状与展望

4.1 中美煤炭清洁高效利用合作机制与现状

CCUS领域合作方面,2009年11月,中美清洁能源联合研究中心(CERC)成立。中美两国选择华中科技大学和西弗吉尼亚大学领导各自研究团队,分别组成中、美两国清洁煤技术联盟。两个联盟(统称为清洁能源联合研究中心清洁煤技术联盟,CERC-ACTC)将实施一项为期5年的工作计划,以大力促进中美两国在清洁煤(包括CO2捕集、利用和封存)领域的技术进步。根据中美清洁联合能源中心协议及其知识产权附约,双方在技术管理达成约定后方可启动“基于Integrated Gasification Combined Cycle(IGCC)的CO2捕集与封存”“燃烧后CO2捕集、利用与封存技术”“地质封存能力和近期机遇”“微藻固碳与利用”“富氧燃烧研究、开发与示范”以及“煤炭多联产与CO2捕集”等合作活动。CERC的第1阶段完成后,2014年11月发表的《中美两国元首北京会晤主要共识和成果》和《中美气候变化联合声明》,均将中美清洁能源联合研究中心二期(2016-2020)合作列为重要内容建立清洁煤产学研联盟,主要在先进发电技术、煤清洁转化技术、燃烧前捕获、燃烧后捕获、富氧燃烧、CO2埋存、CO2利用、模拟集成方向进行合作。《中美气候变化联合声明》提出要推进碳捕集、利用和封存重大示范,联合在中国建立一个重大碳捕集新项目,推进CO2提高采水率新试验项目。

洁净煤合作方面,2017年格盟国际(山西国际能源集团)作为中方成员单位,与美国西弗吉尼亚大学共同组建了中美能源(山西)研发中心,积极推进煤清洁发电、低成本碳捕集和地质封存技术;与浙江大学、中国矿业大学合作开展低阶煤分级利用、超高温裂化等多项技术研发,特别是低阶煤分级利用项目,已列入科技部重点研究项目。

4.2 美国政府气候立场对未来合作的影响

美国关于气候变化的立场与行动方面的不断反复使得未来中美两国合作存在巨大的不确定性。奥巴马政府把气候变化和美国能源独立联系起来,强调新能源和低碳经济对于美国未来经济竞争力和国际地位的重大影响,发布《总统气候行动计划》和《清洁电力计划》(CPP)为代表的行政法规,在美国国内推动低碳行动。除此之外,奥巴马政府带领美国同其他国家一同推动《巴黎协定》的达成、签署和提前生效,同时积极敦促中国和印度等新兴大国在环境问题上承担更多义务。2017年特朗普就任美国总统以来,一改其前任奥巴马政府的“亲气候”立场,使美国国内的气候政策出现大幅倒退,“放松管制”成为特朗普政府气候政策的重要特征。特朗普政府发布了“能源独立”政令,颁布了一系列“反气候反环保”政策措施,包括:取消《总统气候行动计划》,暂缓、修改或撤销CPP;放弃奥巴马政府关于“温室气体排放社会成本”(目前36美元/t)的概念,取消相关政府工作小组;采取行动修改或取消第3338号部长命令,特别是其中对煤炭开采的土地租赁限制;审查联邦法规35824号和其他相关法规,适时暂停、修正或者废除新建、改建油气设施排放标准。除此之外,特朗普政府大幅削减气候相关项目经费支持,停止为清洁能源和气候变化提供资金,并宣布退出《巴黎协定》。

与国家政策不同,地方政府应对气候变化的态度具有明显的差别,致力于气候行动的美国气候联盟的参与者持续壮大。为应对特朗普政府宣布美国退出《巴黎协定》的决定,加州、纽约州和华盛顿州在2017年结成气候联盟,截至2020年,已有25个州加入美国气候联盟并承诺采取应对气候变化的行动。承诺《巴黎协定》地区的生产总值占全美GDP的68%、人口占65%、碳排放量约占51%。每个加入气候联盟的地区都从气候框架与法律、发电、能源效率、交通运输、地区韧性、气候融资、气候污染物、土地等方面为应对气候变化做出了努力。加州通过立法明确了加州的碳排放总量控制与交易计划,成为美国唯一一个多部门温室气体排放交易体系,并设定了2045年电力行业达到近零排放的目标;纽约州设定了2040年所有电力来自无碳能源的目标;华盛顿州确立了2045年实现全部清洁电力的目标。

国家层面立场的反复、地方层面行动的持续扩大为未来中美地区间、城市间的气候合作提供了可能的空间和新的机遇[9]

5 结语

中国煤炭资源丰富、煤电机组使用年限较短,未来煤炭在中国能源生产和消费中仍将保持重要地位[10]。与中国不同,美国煤电所占的市场份额在逐渐下降,但与欧洲完全去煤化的路线不同,美国对未来煤炭发展的定位和政策总体偏中性,由于能源电力系统高度市场化,技术和成本是美国煤炭未来发展的决定性因素。提高煤炭的清洁度和效率成为中美两国未来能源发展的重要方面。当前中美两国对未来煤炭科技创新发展的关注点高度契合,使得中美两国在煤炭方面仍有相互合作的潜在空间。与此同时,在未来大概率形成的多能互补、多元化能源供应格局下,煤基能源资源与成本优势结合潜在技术变革性的创新与进步,有可能使得煤炭在能源市场具有相对竞争力。

当前中国的CCUS技术仍处在早期阶段,美国的CCUS技术研发、产业政策、市场体系、产业链等方面已经非常成熟,未来中国需要向美国进行学习和技术借鉴[9]。美国国家政府层面应对气候变化立场的不断反复、当前中美战略性的对抗、是否全面脱钩等使得中美能源与气候合作在未来仍存在极大的不确定性。

参考文献:

[1] 初冬梅,姜大霖,陈迎.弃用煤炭发电联盟成立的背景、影响及应对思考[J].煤炭经济研究,2019,39(11):4-9.

[2] 宋绍伟.中国煤电机组设备状态评价及分析[J].能源与节能,2020(5):136-138.

[3] 朱彤.能源转型与我国煤炭高效清洁利用[J].神华科技,2019,17(2):75-81,96.

[4] 李小炯.我国煤炭资源清洁高效利用现状及对策建议[J].煤炭经济研究,2019,39(01):71-75.

[5] 中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究[J].中国工程科学,2015,17(9):1-5.

[6] 申硕,樊静丽,陈其针,等.碳捕集、利用与封存(CCUS)技术的文献计量分析[J/OL].热力发电:1-7[2020-10-18].https://doi.org/10.19666/j.rlfd.202007181.

[7] 冯帅.美国气候政策之调整:本质、影响与中国应对——以特朗普时期为中心[J].中国科技论坛,2019(2):179-188.

[8] 魏一鸣, 廖华, 余碧莹,等. 中国能源报告(2018):能源密集型部门绿色转型研究 [M]. 北京: 科学出版社, 2018.

[9] 科学技术部社会发展科技司. 中国碳捕集利用与封存技术发展路线图(2019版) [R]. 2019.

[10] GCCSI. Global status of CCS 2019 [R]. Sydney: Global CCS Institute, 2019.

Cooperation prospect and technological path comparison on clean and high efficient utilization of coal in China and the United Statesunder the background of responding to climate change

Jiang Dalin

(China Energy Technology and Economics Research Institute, Changping, Beijing, 102211, China)

Abstract Global climate governance and green development have brought challenges to sustainable development and utilization of coal in the future. Although worldwide reached consensus on controlling use of coal to promote green and low-carbon transformation, China and the United States, as large coal energy countries, do not have the conditions to give up using of coal in the short term, and the low-carbon transformation of coal became a common problem faced by both countries. On the basis of the clean and high efficient utilization plans of coal proposed by China and the United States respectively, the author analyzed problems of coal development, and similarities and differences of clean and high efficient utilization plans in China and the United States, compared climate policies, main technical routes of large-scale carbon emission reduction of coal-based energy and analyzed and studied the new development and trend of demonstration application of carbon capture, utilization and storage (CCUS) technology, and indicated that it is important to look for windows and opportunities for future cooperation between China and the United States in relevant fields under the current international situation and the background of bilateral relations.

Key words climate change, cooperation between China and the United States, clean and high efficient utilization of coal, carbon capture, utilization and storage (CCUS)

移动扫码阅读

引用格式:姜大霖. 应对气候变化背景下中美煤炭清洁高效利用技术路径对比与合作前景[J].中国煤炭,2020,46(11):128-133.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.11.021

Jiang Dalin. Cooperation prospect and technological path comparison on clean and high efficient utilization of coal in China and the United States under the background of responding to climate change [J].China Coal,2020,46(11):128-133.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.11.021

中图分类号 TD98

文献标识码 A

作者简介:姜大霖(1981-),男,辽宁瓦房店人,经济学博士,高级工程师,国家能源集团技术经济研究院战略新兴产业研究部副主任,主要研究方向为碳捕集利用与封存(CCUS)技术经济与政策研究,气候变化与能源低碳转型、碳市场与企业碳资产管理研究等。E-mail:jiangdalin_ch@163.com。

(责任编辑 张 梦)