謝和平,任世華,謝亞辰,焦小淼

(1.深圳大學(xué) 深地科學(xué)與綠色能源研究院，廣東 深圳 518060； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 管理學(xué)院，北京 100083； 3.煤炭科學(xué)研究總院 科技支持中心，北京 100013； 4.密西根州立大學(xué) 地理系，密西根州 東蘭辛市 48823)

2020年9月至2021年4月習(xí)近平總書(shū)記在第75屆“聯(lián)合國(guó)大會(huì)”“氣候雄心峰會(huì)”“達(dá)沃斯議程”“領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)”等至少8次重大國(guó)際會(huì)議上宣布或強(qiáng)調(diào)中國(guó)“二氧化碳力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”，并要求“碳達(dá)峰、碳中和納入我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)整體布局”，制定碳達(dá)峰行動(dòng)計(jì)劃，“支持有條件的地方和重點(diǎn)行業(yè)、重點(diǎn)企業(yè)率先達(dá)峰”。碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)已成為我國(guó)社會(huì)共識(shí)，不僅是負(fù)責(zé)任大國(guó)對(duì)國(guó)際社會(huì)的莊嚴(yán)承諾，更是推進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略，將推進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)廣泛而深刻的系統(tǒng)性變革，對(duì)各行各業(yè)產(chǎn)生深刻的影響。能源生產(chǎn)消費(fèi)相關(guān)的碳排放是我國(guó)碳排放的重要來(lái)源，煤炭生產(chǎn)消費(fèi)的碳排放占我國(guó)碳排放總量的70%～80%[1]，油氣生產(chǎn)消費(fèi)的碳排放約占15%[2]。碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)要求著力提高能源利用效能，控制化石能源消費(fèi)總量，實(shí)施可再生能源替代，建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，將我國(guó)的發(fā)展建立在高效利用資源、嚴(yán)格保護(hù)生態(tài)環(huán)境、有效控制溫室氣體排放的基礎(chǔ)上，推動(dòng)我國(guó)綠色發(fā)展邁上新臺(tái)階[3]。

然而，以煤為主的能源資源稟賦和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所處階段，決定了未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展仍將離不開(kāi)煤炭。碳達(dá)峰碳中和需要長(zhǎng)期努力才能實(shí)現(xiàn)，在2030年前的近10 a碳達(dá)峰過(guò)程中，以及在2060年前的近40 a碳中和過(guò)程中，仍需要煤炭發(fā)揮基礎(chǔ)能源作用，做好經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的能源兜底保障?？陀^研判碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和煤炭消費(fèi)演變趨勢(shì)，科學(xué)規(guī)劃煤炭生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量，推動(dòng)煤炭行業(yè)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)同步實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，支撐新能源穩(wěn)定接續(xù)以煤為主的化石能源成為主體能源，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和、能源安全穩(wěn)定供應(yīng)雙重目標(biāo)的客觀要求。

回顧煤炭行業(yè)的發(fā)展歷程，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶動(dòng)能源消費(fèi)快速上升，資金、技術(shù)、人力、政策等生產(chǎn)要素不斷在煤炭行業(yè)積聚，推動(dòng)煤炭行業(yè)負(fù)載運(yùn)行，超負(fù)荷生產(chǎn)，低端粗放式發(fā)展。一些專(zhuān)家學(xué)者提出煤炭行業(yè)應(yīng)遵循客觀發(fā)展規(guī)律，回歸適宜的生產(chǎn)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)展，被行業(yè)廣泛認(rèn)同，但是進(jìn)展不及預(yù)期。筆者等[4]在2018年提出煤炭行業(yè)要有勇氣自我革命，通過(guò)革煤炭落后產(chǎn)能的命，革煤炭生態(tài)損害的命，革煤炭污染排放的命，實(shí)現(xiàn)煤炭生產(chǎn)的綠色化、智能化，利用的清潔化、低碳化。陳浮等[5]提出從全生命周期視角厘清煤炭行業(yè)與下游產(chǎn)業(yè)間的減排責(zé)任，樹(shù)立“能源命運(yùn)共同體”的理念，共同推動(dòng)低碳防污協(xié)同治理。碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)促進(jìn)煤炭消費(fèi)減量，帶動(dòng)煤炭消費(fèi)比重下降，給煤炭行業(yè)帶來(lái)發(fā)展空間受限的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也為煤炭行業(yè)留出降低生產(chǎn)規(guī)模、提升發(fā)展質(zhì)量的時(shí)間和空間，給煤炭行業(yè)帶來(lái)轉(zhuǎn)型升級(jí)的機(jī)遇。

筆者系統(tǒng)分析美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家碳達(dá)峰前后現(xiàn)代化進(jìn)程、能源消費(fèi)、碳排放強(qiáng)度等基本特征和變化規(guī)律，分析研判我國(guó)能源消費(fèi)格局演變趨勢(shì)及不同時(shí)段煤炭消費(fèi)規(guī)模，由此系統(tǒng)分析了碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)給煤炭行業(yè)帶來(lái)的三大發(fā)展機(jī)遇，為我國(guó)能源和煤炭相關(guān)決策、政策制定提供參考。

1 碳達(dá)峰前后美國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程與能源消費(fèi)特征

歐美主要發(fā)達(dá)國(guó)家在19世紀(jì)末、20世紀(jì)初完成了工業(yè)化，并開(kāi)啟現(xiàn)代化進(jìn)程。發(fā)達(dá)國(guó)家在基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化后，能源消費(fèi)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤，能源消費(fèi)達(dá)峰，碳排放開(kāi)始下降。綜合考慮經(jīng)濟(jì)體量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口規(guī)模等因素，美國(guó)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)有很好的借鑒意義。根據(jù)現(xiàn)代化進(jìn)程、能源消費(fèi)和碳排放趨勢(shì)，美國(guó)碳排放可分3個(gè)階段(圖1)：即碳達(dá)峰前期(1949—1999年)、碳達(dá)峰平臺(tái)期(2000—2008年)、碳達(dá)峰后期(2009年至今)，分別呈現(xiàn)不同的特征和規(guī)律。依據(jù)Tapio彈性分析法[6]對(duì)美國(guó)能源消耗與GDP增長(zhǎng)的脫鉤程度進(jìn)行定量分析(圖2)。

圖1 美國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程及能源消費(fèi)變化特征 Fig.1 Modernization process and characteristics of energy consumption changes of US

圖2 美國(guó)GDP、能源消費(fèi)變化及能源脫鉤狀態(tài)Fig.2 GDP,energy consumption changes and energy decoupling index of US

由圖2(a)可知，1950—2019年美國(guó)GDP增長(zhǎng)量只在2008年“金融危機(jī)”后的2009年處于負(fù)增長(zhǎng)，而能源增長(zhǎng)量受2次“石油危機(jī)”“金融危機(jī)”的影響，正負(fù)增長(zhǎng)均存在，共同決定了美國(guó)能源消耗與GDP增長(zhǎng)的脫鉤狀態(tài)。結(jié)合圖2(b)可知，美國(guó)能源消耗與GDP增長(zhǎng)的脫鉤狀態(tài)呈現(xiàn)4種態(tài)勢(shì)：衰退脫鉤、增長(zhǎng)連續(xù)、弱脫鉤和強(qiáng)脫鉤，整體上美國(guó)能源消耗與GDP增長(zhǎng)處于弱脫鉤狀態(tài)向強(qiáng)脫鉤狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

1.1 碳達(dá)峰前期(1949—1999年)

現(xiàn)代化進(jìn)程的指標(biāo)可從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化及個(gè)人生活等指標(biāo)[7]來(lái)判斷，筆者主要從經(jīng)濟(jì)和社會(huì)指標(biāo)分析美國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程、能源消費(fèi)、碳排放的變化特征。美國(guó)1949年前基本完成了工業(yè)化，1949—1999年是現(xiàn)代化持續(xù)推進(jìn)的過(guò)程，其主要變化特征為：① 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)和人均GDP持續(xù)增長(zhǎng)。GDP由0.3萬(wàn)億美元增長(zhǎng)到9.4萬(wàn)億美元，年均增長(zhǎng)7.4%，人均GDP于1996年增加到3萬(wàn)美元，達(dá)到高收入國(guó)家水平；② 經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)繼續(xù)優(yōu)化，增長(zhǎng)質(zhì)量持續(xù)提升。服務(wù)業(yè)增加值在GDP中的比重由59.7%上升到76.2%，是GDP增長(zhǎng)的主力；③ 城鎮(zhèn)化程度進(jìn)一步提高。城鎮(zhèn)人口占比由70.0%提高到78.7%，增長(zhǎng)了8.7%(圖1(a))。

現(xiàn)代化進(jìn)程推進(jìn)促使能源消費(fèi)穩(wěn)步增長(zhǎng)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，其主要變化特征為：① 能源消費(fèi)總量和碳排放量穩(wěn)步增長(zhǎng)。能源消費(fèi)總量由11.5億tce增長(zhǎng)到34.8億tce，年均增長(zhǎng)2.3%，能源消費(fèi)彈性系數(shù)0.31。碳排放量與能源消費(fèi)量呈正相關(guān)性，由22.1億t增加到56.9億t，年均增長(zhǎng)1.8%(圖1(b))；② 能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。化石能源在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比由90.7%增加到1966年的93.9%，而后逐步降低到85.2%，石油和天然氣先后超過(guò)煤炭成為第一和第二大能源(圖1(c))。

經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使得單位GDP能耗和單位GDP碳排放快速的降低，單位GDP能耗由43.2 tce/萬(wàn)美元逐步降低到3.7 tce/萬(wàn)美元，年均降速4.8%。單位GDP碳排放由82.6 t/萬(wàn)美元降低到6.1 t/萬(wàn)美元，年均降速5.1%。單位GDP能耗的降低是推動(dòng)能源消費(fèi)碳排放強(qiáng)度由1.91 t/tce降低到1.64 t/tce，年均降速0.3%的主要原因(圖1(d))。

能源消費(fèi)與GDP增長(zhǎng)的脫鉤程度僅在1950，1955和1960年處于增長(zhǎng)連接狀態(tài)(>0.8)，其他年份均呈現(xiàn)弱脫鉤(0～0.8)或強(qiáng)脫鉤狀態(tài)(<0)，其中弱脫鉤年份的脫鉤指數(shù)均值為0.43，強(qiáng)脫鉤年份脫鉤指數(shù)的均值為-0.26。能源消費(fèi)與GDP增長(zhǎng)的脫鉤狀態(tài)處于增長(zhǎng)連接逐步向弱脫鉤、強(qiáng)脫鉤轉(zhuǎn)變態(tài)勢(shì)(圖2)。

1.2 碳達(dá)峰平臺(tái)期(2000—2008年)

現(xiàn)代化進(jìn)程各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)化速度明顯放慢。GDP由10.0萬(wàn)億美元增長(zhǎng)到14.3萬(wàn)億美元，年均增長(zhǎng)5.5%。人均GDP由3.6萬(wàn)美元增長(zhǎng)到4.8萬(wàn)美元，年均增長(zhǎng)3.6%。服務(wù)業(yè)增加值在GDP中占比由76.6%增加到79.1%，年均增長(zhǎng)0.3%。城鎮(zhèn)人口占比由79.1%緩慢升高到80.4%，城鎮(zhèn)化進(jìn)程明顯放緩(圖1(a))。

能源消費(fèi)總量穩(wěn)定在(35.6±0.8)億tce，碳排放總量穩(wěn)定在(58.9±1.2)億t(圖1(b))，能源消費(fèi)碳排放強(qiáng)度穩(wěn)定在1.63～1.65 t/tce(圖1(d))。能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭、石油、天然氣、核能及可再生能源占比均趨于穩(wěn)定(圖1(c))。

經(jīng)濟(jì)保持增長(zhǎng)，能源消費(fèi)和碳排放趨于穩(wěn)定，使得單位GDP能耗由3.6 tce/萬(wàn)美元降低到2.5 tce/萬(wàn)美元，年均降速4.2%。單位GDP碳排放由5.9 t/萬(wàn)美元下降到4.1 t/萬(wàn)美元，年均降速為4.6%(圖1(d))。

能源消費(fèi)基本與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)脫鉤，能源消費(fèi)與GDP增長(zhǎng)的脫鉤指數(shù)均呈現(xiàn)弱脫鉤或強(qiáng)脫鉤狀態(tài)，其中弱脫鉤年份脫鉤指數(shù)的均值為0.27，強(qiáng)脫鉤年份脫鉤指數(shù)的均值為-0.74(圖2)。

1.3 碳達(dá)峰后期(2009年至今)

金融危機(jī)后，美國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程迎來(lái)新的發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)保持增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。GDP由13.9萬(wàn)億美元增長(zhǎng)到2019年的21.4萬(wàn)億美元，年均增長(zhǎng)5.4%；人均GDP由4.7萬(wàn)美元增加到2019年的6.5萬(wàn)美元，年均增長(zhǎng)3.3%。服務(wù)業(yè)增加值占GDP比重由78.6%緩慢增加到2019年的80.3%。城鎮(zhèn)人口占比由80.6%緩慢上升到82.5%，城鎮(zhèn)化進(jìn)程緩慢推進(jìn)(圖1(a))。

能源消費(fèi)波動(dòng)中略有增長(zhǎng)，總量穩(wěn)定在35.2億～36.2億tce，碳排放量緩慢降低，由53.9億t降低到2019年的51.4億t，年均降速0.47%(圖1(b))。能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，石油消費(fèi)占比穩(wěn)定在36.2%±0.8%；頁(yè)巖氣革命促使頁(yè)巖氣產(chǎn)量從2009年的880億m3增加到2019年的7 232億m3，促使天然氣占比由24.9%迅速增加到2020年的33.9%；煤炭消費(fèi)占比由21.0%快速下降到9.9%；可再生能源由8.1%增加到2019年的12.5%，超過(guò)煤炭成為第三大能源(圖1(c))。

經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，能源消費(fèi)總量趨于穩(wěn)定，消費(fèi)結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，使得單位GDP能耗由2.4 tce/萬(wàn)美元降低到1.7 tce/萬(wàn)美元，年均降速3.6%；單位GDP碳排放由3.9 t/萬(wàn)美元降低到2.4 t/萬(wàn)美元，年均降速4.6%；能源消費(fèi)碳排放強(qiáng)度由1.59 t/tce降低到1.42 t/tce，年均降速1.22%(圖1(d))。

能源消費(fèi)與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)依然呈脫鉤狀態(tài)，2009年呈衰退脫鉤狀態(tài)，2010和2013年呈增長(zhǎng)連接狀態(tài)，其他年份均弱脫鉤或強(qiáng)脫鉤狀態(tài)，其中弱脫鉤年份脫鉤指數(shù)的均值為0.34，強(qiáng)脫鉤年份脫鉤指數(shù)的均值為-0.26(圖2)。

綜上，從美國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程、能源消費(fèi)、碳排放強(qiáng)度等的變化可知：① 頁(yè)巖氣革命支撐了美國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源需求，現(xiàn)代化進(jìn)程仍需化石能源。近10 a頁(yè)巖氣產(chǎn)量年均增長(zhǎng)23.4%，支撐天然氣在美國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中提高了9%，化石能源在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比穩(wěn)定保持在80%以上；② 節(jié)能帶動(dòng)現(xiàn)代化進(jìn)程與能源消費(fèi)脫鉤，是支撐能源達(dá)峰、碳排放下降的最核心因素。近10 a美國(guó)單位GDP能耗年均降速達(dá)3.6%，節(jié)能相當(dāng)于增加美國(guó)能源供應(yīng)41.5%，且不增加碳排放；③ 如光靠新能源增長(zhǎng)，支撐不起美國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。近10 a美國(guó)核能基本不增長(zhǎng)，可再生能源在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中僅增長(zhǎng)4.4%。如果扣除頁(yè)巖氣推動(dòng)的天然氣消費(fèi)增長(zhǎng)，美國(guó)將增加4.6%的能源供應(yīng)缺口。

2 碳中和目標(biāo)下我國(guó)能源發(fā)展路徑及消費(fèi)結(jié)構(gòu)

2.1 我國(guó)能源需求總量變化趨勢(shì)

按照現(xiàn)代化進(jìn)程的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)指標(biāo)來(lái)判斷我國(guó)當(dāng)前所處發(fā)展階段。從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)看，我國(guó)GDP在2005年后快速增長(zhǎng)，2020年達(dá)到14.7萬(wàn)億美元，與美國(guó)2010年前后相當(dāng)，但我國(guó)人口規(guī)模大，2020年我國(guó)人均GDP與美國(guó)1978年前后相當(dāng)(圖3(a))。2020年我國(guó)服務(wù)業(yè)在GDP中占比與美國(guó)1948年相當(dāng)(圖3(b))。我國(guó)非農(nóng)業(yè)就業(yè)人數(shù)占比自改革開(kāi)放以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展經(jīng)歷2次停滯期后迅速增加到84.4%，達(dá)到與美國(guó)1945年前后相當(dāng)?shù)乃?圖3(c))。我國(guó)城鎮(zhèn)人口占比自1950年的10.6%增加到2020年63.9%，與美國(guó)1950年前后相當(dāng)(圖3(d))。綜合來(lái)看，目前我國(guó)現(xiàn)代化程度與美國(guó)1950—1970年相當(dāng)。

圖3 中美現(xiàn)代化進(jìn)程指標(biāo)對(duì)比Fig.3 Comparison of indicators in the modernization process between China and US

我國(guó)現(xiàn)代化水平與美國(guó)還有很大差距，現(xiàn)代化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)仍然需要能源支撐。除了1978年、1981年、2003—2005年等異常年份外，改革開(kāi)放以來(lái)我國(guó)能源消費(fèi)彈性系數(shù)一直維持在0.5左右，充分顯示了我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與能源消費(fèi)唇齒相依的關(guān)系[8]。主要發(fā)達(dá)國(guó)家的歷史經(jīng)驗(yàn)也表明，在工業(yè)化階段和現(xiàn)代化的前期階段，能源消費(fèi)彈性系數(shù)維持在較高水平。按照《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出的“到2035年基本實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化”的目標(biāo)，若屆時(shí)達(dá)到人均GDP 3萬(wàn)美元左右的中等發(fā)達(dá)國(guó)家水平，我國(guó)GDP將增長(zhǎng)到200萬(wàn)億元以上。既使能源消費(fèi)彈性系數(shù)保持在美國(guó)1949—1999年0.31左右的水平，到2035年我國(guó)能源需求也將接近60億tce，單位GDP能耗與美國(guó)2019年相當(dāng)。人均GDP達(dá)到3萬(wàn)美元后，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)開(kāi)始與能源消費(fèi)脫鉤，我國(guó)能源消費(fèi)量將保持穩(wěn)定并開(kāi)始緩慢下降，預(yù)計(jì)到2060年仍保持在55億～60億tce。

2.2 碳中和目標(biāo)下我國(guó)能源發(fā)展路徑

能源領(lǐng)域是我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的核心所在，但不意味著要完全退出煤炭，要完全退出化石能源。借鑒美國(guó)碳達(dá)峰前后的能源消費(fèi)、碳排放強(qiáng)度等基本特征和變化規(guī)律，結(jié)合我國(guó)能源資源稟賦和經(jīng)濟(jì)社會(huì)所處發(fā)展階段，碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下，我國(guó)能源發(fā)展將主要有三大路徑。

2.2.1 持續(xù)提高能源效率，減少能源消費(fèi)

美國(guó)能源消費(fèi)碳排放強(qiáng)度在碳達(dá)峰前期、達(dá)峰期下降幅度較小，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰核心是提高能源效率，降低單位GDP能耗，在不大幅度增加能源消費(fèi)的前提下，支撐經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。2019年美國(guó)單位GDP能耗僅相當(dāng)于1949年的3.9%。

我國(guó)單位GDP能耗自1988年以來(lái)呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，由29.8 tce/萬(wàn)美元降低到2019年的3.4 tce/萬(wàn)美元，降低了88.6%，但距離世界平均水平和發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距，是世界平均水平的1.4～1.5倍[9]，是美國(guó)的2倍，如圖4所示。若能達(dá)到世界平均，每年可減少能耗13億tce、減排二氧化碳34億t，約占2020年我國(guó)碳排放量的1/3。因此，提高能源效率，減少能源消費(fèi)，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的最重要途徑。

圖4 中、美單位GDP能耗比較Fig.4 Comparison of energy consumption per unit of GDP between China and US

2.2.2 大力發(fā)展新能源，優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代化進(jìn)程推動(dòng)電力需求增加，電力在終端能源消費(fèi)中的占比逐步提高，能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化核心是電力結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1949—2015年煤炭一直是美國(guó)發(fā)電能源的第一大來(lái)源，從2016年起天然氣成為第一大發(fā)電能源，且占比不斷提高。到2020年天然氣發(fā)電占比達(dá)到40%，可再生能源21%，核電19%，煤炭?jī)H占19%[10]。在碳達(dá)峰前期，燃煤發(fā)電在美國(guó)的電力結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但占比呈下降趨勢(shì)，天然氣發(fā)電呈增加趨勢(shì)，其他能源發(fā)電占比變化不大。在碳達(dá)峰平臺(tái)期，燃煤發(fā)電占比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，天然氣發(fā)電占比穩(wěn)步增加，天然氣發(fā)電對(duì)煤炭的替代是推動(dòng)美國(guó)碳達(dá)峰的重要原因。在碳達(dá)峰后期，燃煤發(fā)電占比由2009年的45.7%迅速降低到2020年的19.9%，降低了25.8%；天然氣發(fā)電持續(xù)增加，由2009年的22.1%增加到2020年的39.3%，增加了17.2%；可再生能源發(fā)電穩(wěn)步增加了10.5%，如圖5所示。天然氣和可再生能源持續(xù)替代煤炭發(fā)電，支撐了美國(guó)碳達(dá)峰后期碳排放量下降[11]。

圖5 美國(guó)電力結(jié)構(gòu)變化Fig.5 Changing electricity structure of US

近年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展新能源技術(shù)，非化石能源發(fā)電在我國(guó)電力結(jié)構(gòu)中的占比顯著上升，但依然沒(méi)有改變我國(guó)以煤電為主的電力結(jié)構(gòu)，2020年我國(guó)電力結(jié)構(gòu)中燃煤發(fā)電量占比大于60%?；诿绹?guó)現(xiàn)代化進(jìn)程和碳達(dá)峰前后電力結(jié)構(gòu)對(duì)比，我國(guó)電力結(jié)構(gòu)還有很大優(yōu)化空間。然而，我國(guó)天然氣增產(chǎn)有限，難以像美國(guó)那樣作為發(fā)電的第一大能源。碳中和目標(biāo)下，我國(guó)應(yīng)大力發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電技術(shù)，逐步提高非化石能源發(fā)電占比，持續(xù)優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)。

2.2.3 大力發(fā)展CO2能源化資源化新技術(shù)，推進(jìn)CO2再利用

自20世紀(jì)70年代起，美國(guó)多次出臺(tái)能源與碳減排相關(guān)的法案，逐步健全了碳減排政策體系[12]，推動(dòng)了低碳技術(shù)創(chuàng)新。如研發(fā)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)技術(shù)，配合燃燒前碳捕集技術(shù)，推動(dòng)美國(guó)零碳燃煤發(fā)電快速發(fā)展[13]；大規(guī)模碳捕捉和封存(CCS)技術(shù)已取得突破性進(jìn)展，全球51個(gè)碳捕獲能力40 萬(wàn)t/a以上的項(xiàng)目中有10個(gè)在美國(guó)[14]。拜登科學(xué)新政鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新，用創(chuàng)新的解決方案來(lái)捕獲和儲(chǔ)存碳，開(kāi)發(fā)新的零碳排放技術(shù)，支撐在2050實(shí)現(xiàn)凈零碳排放[15]。

碳中和并不是不產(chǎn)生CO2，而是產(chǎn)生的CO2被利用或封存了。CO2封存很難具有經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)存在逃逸的風(fēng)險(xiǎn)，大力發(fā)展CO2能源化資源化新技術(shù)是戰(zhàn)略性方向。研究和應(yīng)用CO2礦化發(fā)電技術(shù)等，CO2礦化輸出能源、加工天然礦物、處理工業(yè)固廢，推進(jìn)CO2能源化利用；研發(fā)和應(yīng)用CO2催化轉(zhuǎn)化制甲醇等碳轉(zhuǎn)化技術(shù)，將CO2作為原料，推進(jìn)CO2資源化利用。

2.2.4 增強(qiáng)自給能力，保障能源安全

能源安全穩(wěn)定供應(yīng)是一個(gè)國(guó)家強(qiáng)盛的保障和安全的基石，美國(guó)制定前瞻性的能源戰(zhàn)略并通過(guò)立法長(zhǎng)期推進(jìn)“能源獨(dú)立”[16]。自1973年尼克松總統(tǒng)提出能源獨(dú)立計(jì)劃，此后歷屆美國(guó)政府均將能源獨(dú)立作為能源政策的核心內(nèi)容[17]。里根政府大力推行能源市場(chǎng)自由化政策，解除了對(duì)天然氣的價(jià)格管制，努力營(yíng)造一個(gè)充分競(jìng)爭(zhēng)的、鼓勵(lì)私人投資和技術(shù)進(jìn)步的政策環(huán)境[18]。奧巴馬政府不僅從法律和政策層面，而且從技術(shù)和資金層面大力推行能源新政，大大促進(jìn)了美國(guó)新能源的發(fā)展[19]。特朗普?qǐng)?zhí)政后，美國(guó)能源政策目標(biāo)從能源獨(dú)立向能源主導(dǎo)轉(zhuǎn)變，當(dāng)前拜登政府重新強(qiáng)調(diào)從傳統(tǒng)能源獨(dú)立向強(qiáng)調(diào)清潔能源和大力發(fā)展新能源轉(zhuǎn)變[20]。在能源獨(dú)立和市場(chǎng)自由化、鼓勵(lì)創(chuàng)新等政策的刺激下，美國(guó)頁(yè)巖氣革命取得成果，改變了美國(guó)乃至世界的油氣供應(yīng)格局。能源自給率由2005年的69.3%提高到2020年的103.0%，如圖6所示。

圖6 中美能源自給率比較Fig.6 Comparison of energy self-sufficiency rate between China and US

我國(guó)油氣對(duì)外依存度持續(xù)上升，能源安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。基于能源資源稟賦條件，我國(guó)不能簡(jiǎn)單復(fù)制美國(guó)發(fā)展非常規(guī)油氣的能源獨(dú)立模式，但可借鑒其成功經(jīng)驗(yàn)[21]。鄒才能等[16]提出了我國(guó)“能源獨(dú)立”的“三步走”構(gòu)想，依靠“潔煤穩(wěn)油增氣、大力提高新能源”解決“能源安全”問(wèn)題，依靠“國(guó)內(nèi)生產(chǎn)+海外權(quán)益”兌現(xiàn)“能源自主”愿景，依靠“新能源+智能源”實(shí)現(xiàn)“能源獨(dú)立”戰(zhàn)略。煤炭具備適應(yīng)我國(guó)能源需求變化的開(kāi)發(fā)能力，具有開(kāi)發(fā)利用的成本優(yōu)勢(shì)，煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化技術(shù)經(jīng)過(guò)2005年以來(lái)的“技術(shù)示范”“升級(jí)示范”已趨于成熟，具備短期內(nèi)形成大規(guī)模油氣接續(xù)能力的基礎(chǔ)，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮煤炭在平衡能源品種中的作用，推進(jìn)煤炭與油氣耦合發(fā)展，保障我國(guó)能源安全。

2.3 碳中和目標(biāo)下煤炭消費(fèi)主要領(lǐng)域

美國(guó)在碳達(dá)峰后，煤炭消費(fèi)長(zhǎng)期保持在7億～10億t，2018年后才快速下降，到目前5億t左右。德國(guó)在1990年碳達(dá)峰，煤炭消費(fèi)多年保持在2億t左右。日本在2013年碳達(dá)峰后，煤炭仍長(zhǎng)期占能源消費(fèi)的20%以上，見(jiàn)表1。美國(guó)、德國(guó)、日本發(fā)展歷程表明，即使有可替代煤炭的能源，碳達(dá)峰后仍然使用煤炭，只是煤炭的用途發(fā)生了變化。鑒于我國(guó)能源資源稟賦和經(jīng)濟(jì)社會(huì)所處階段，煤炭消費(fèi)量占比雖下降，但是在能源體系中的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”作用越來(lái)越凸顯。結(jié)合發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展歷程，預(yù)計(jì)我國(guó)在2060年完全實(shí)現(xiàn)碳中和后，仍需要煤炭作為電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑以及保障油氣供應(yīng)安全等。

表1 發(fā)達(dá)國(guó)家煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)情況(2019年)Table 1 Coal production and consumption in developed countries (2019)

2.3.1 電力調(diào)峰

碳中和目標(biāo)下，風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電成為增量電力供應(yīng)的主要來(lái)源，煤炭單純作為電力來(lái)源的需求將逐步下降。然而，受氣候、天氣、光照等人為不可控的自然條件影響，可再生能源供給能力不確定性大，提供的主要是能源量，能源供應(yīng)和調(diào)節(jié)能力有限?？稍偕茉创蟊壤尤腚娋W(wǎng)，將給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，需要燃煤發(fā)電作為調(diào)峰電源平抑電力波動(dòng)。

國(guó)內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)[22-26]基于多種模型和關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置對(duì)我國(guó)未來(lái)電力需求進(jìn)行了預(yù)測(cè)，因不同機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)的年份不一致，筆者采用最小二乘法將不同機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)結(jié)果均延長(zhǎng)到2060年，如圖7所示。不同機(jī)構(gòu)對(duì)我國(guó)2060年電力需求量預(yù)測(cè)范圍在11.8萬(wàn)億～17.9萬(wàn)億kW·h，最高和最低差距1.5倍，差異較大，以各機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)均值作為電力用煤需求預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，見(jiàn)表2。

圖7 不同研究機(jī)構(gòu)對(duì)我電力需求的預(yù)測(cè)Fig.7 Forecasts of my electricity demand by different research institutions

我國(guó)投入運(yùn)行的世界首臺(tái)1 350 MW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組，供電煤耗降至251 gce/(kW·h)，據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計(jì)2020年我國(guó)大于6 MW電廠供電煤耗為305.5 gce/(kW·h)，假設(shè)2050年前以每年1 gce/(kW·h)的速度降低，2050—2060年以每年2 gce/(kW·h)的速度降低，到2060年燃煤機(jī)組煤耗將降至255.5 gce/(kW·h)。我國(guó)2015—2020年燃煤發(fā)電量占比由67.9%降低到60.8%，降低了7.1%，未來(lái)燃煤發(fā)電在電力結(jié)構(gòu)中占比的下降速度將取決于可再生能源電量對(duì)煤電的替代和可再生能源電力對(duì)煤電調(diào)峰的需求?？紤]可再生能源發(fā)展的速度，按可再生能源最大能力發(fā)展、正常發(fā)展2種情況設(shè)計(jì)適中情景和快速情景。適中情景假設(shè)燃煤發(fā)電占比以每5年18%的比例降低；快速情景假設(shè)燃煤發(fā)電占比以每5年23%的比例降低。按可再生能源電力配置5%～20%的儲(chǔ)能容量，其中一半由燃煤發(fā)電來(lái)滿足進(jìn)行測(cè)算，到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和后，燃煤發(fā)電裝機(jī)規(guī)模仍需保持3億～4億kW，年耗煤量3.9億～6.4億t，見(jiàn)表2。

表2 電力調(diào)峰用煤需求量預(yù)測(cè)Table 2 Coal demand forecast for power peak regulation

2.3.2 碳質(zhì)還原劑

鋼鐵是現(xiàn)代化進(jìn)程中的必需品，煤炭是煉鋼所需碳質(zhì)還原劑的最主要來(lái)源。雖然氫能被寄予厚望，但是目前全球氫冶金技術(shù)尚處于研發(fā)、試驗(yàn)階段，據(jù)預(yù)測(cè)到2050年前后高純氫能冶煉鋼鐵可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化[27]。我國(guó)雖然出臺(tái)了一系列政策推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，但政策主要著力于交通領(lǐng)域，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于政策制定和規(guī)劃之中[28]。因此，到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和前后，我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)的碳質(zhì)還原劑還將主要由煤炭提供。

自2017年我國(guó)推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革及收緊廢鋼進(jìn)口政策，國(guó)產(chǎn)廢鋼的利用得到快速發(fā)展，廢鋼煉鋼比由2017年的17.8%，增加到2020年的21.2%，但仍遠(yuǎn)低于美國(guó)72.1%和世界平均水平48.3%。通常用廢鋼煉1 t鋼的能耗可降低0.35 t/tce，減少1.6 t的CO2排放。據(jù)中美現(xiàn)代化進(jìn)程指標(biāo)的對(duì)比，假設(shè)未來(lái)40 a我國(guó)的人均粗鋼表觀需求量達(dá)到美國(guó)能源信息署公布的1980—2020年人均粗鋼表觀需求量水平。我國(guó)未來(lái)人口預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，參考國(guó)務(wù)院印發(fā)的《國(guó)家人口發(fā)展規(guī)劃(2016—2030年)》，指出我國(guó)人口總量將在2030年前后達(dá)到峰值14.5億，選擇國(guó)際學(xué)者在《柳葉刀》[29]發(fā)布的我國(guó)未來(lái)人口參考情景預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)(表3)?；?020年我國(guó)噸鋼標(biāo)煤耗0.75 t/tce，結(jié)合廢鋼行業(yè)的發(fā)展設(shè)計(jì)適中和快速發(fā)展情景，通過(guò)加權(quán)得到對(duì)應(yīng)的噸鋼煤耗數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)碳中和目標(biāo)下碳質(zhì)還原劑的用煤需求進(jìn)行測(cè)算，見(jiàn)表3。適中情景假設(shè)我國(guó)廢鋼煉鋼比在2020年基礎(chǔ)上以每年增加1.2%的速度發(fā)展，直至2060年達(dá)到69.2%；快速情景假設(shè)我國(guó)廢鋼煉鋼比在2020年基礎(chǔ)上以每年增加2%的速度發(fā)展，到2025年達(dá)到國(guó)家工信部發(fā)布的《鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整政策》中提出的煉鋼廢鋼比達(dá)到30%的目標(biāo)，至2050年達(dá)到81.2%后保持穩(wěn)定。結(jié)果表明，到2060年作為碳質(zhì)還原劑的用煤需求仍將為3.0億～3.7億t，見(jiàn)表3。

表3 碳質(zhì)還原劑煤炭需求量預(yù)測(cè)Table 3 Demand forecast of carbonaceous reducing agent coal

2.3.3 保障能源安全

近20年來(lái)，我國(guó)油氣消費(fèi)日益增長(zhǎng)，油氣供需進(jìn)口不斷加大，對(duì)外依存度逐年提高，2020年已上升到73%和43%，油氣的安全穩(wěn)定供應(yīng)已成為危及我國(guó)能源安全的核心問(wèn)題[30-31]。基于能源安全的視角，筆者團(tuán)隊(duì)完成“緩解油氣對(duì)外依存度的煤炭作為研究”課題研究，采用聚類(lèi)歸納分析法綜合考慮煤炭轉(zhuǎn)化方式、能量轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，將煤炭接續(xù)油氣聚類(lèi)歸納為五大路徑(圖8)，并對(duì)煤炭緩解油氣對(duì)外依存度的潛力進(jìn)行情景分析，預(yù)測(cè)了緩解油氣對(duì)外依存度的煤炭需求量，2060年將達(dá)到4.9億～5.2億t，如圖9所示。

圖8 煤炭大比例接續(xù)油氣的路徑Fig.8 Path of a large proportion of coal continuing to oil and gas

圖9 緩解油氣對(duì)外依存度的煤炭需求量Fig.9 Demand for coal to mitigate external dependence on oil and gas

2.4 碳中和目標(biāo)下能源消費(fèi)格局

借鑒美國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程、能源消費(fèi)、碳排放強(qiáng)度等基本特征和變化規(guī)律，結(jié)合我國(guó)能源發(fā)展趨勢(shì)和相關(guān)政策，可將我國(guó)能源消費(fèi)格局變化分為3個(gè)階段，見(jiàn)表4。

表4 碳中和目標(biāo)下煤炭與新能源的地位變化Table 4 Status change of coal and new energy under the carbon neutral target

(1)緩慢過(guò)渡期(2021—2030年)。2030年前，適應(yīng)碳達(dá)峰的要求，風(fēng)、光等新能源是滿足能源增量需求的主體，規(guī)模增長(zhǎng)速度快，但是由于基數(shù)小，在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比提高緩慢，逐步由15%向30%靠近，成為補(bǔ)充能源。而由于我國(guó)能源消費(fèi)保持在較高水平，新能源增量趕不上能源需求增量，煤炭消費(fèi)量保持平穩(wěn)或略有增長(zhǎng)，維持在45億～35億t/a，但是煤炭在能源消費(fèi)中的占比逐步下降到50%左右，由主體能源轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)能源(基礎(chǔ)能源是指雖然不是能源需求增量的主要供應(yīng)來(lái)源，但仍然是第一大能源品種，在能源體系中發(fā)揮基礎(chǔ)性作用)。

(2)關(guān)鍵過(guò)渡期(2031—2050年)。2031—2050年，碳達(dá)峰后，新能源不僅是滿足能源增量需求的主體，并開(kāi)始替代煤炭等化石能源，新能源在能源消費(fèi)中的占比提高到30%～49%，成為替代能源。與此同時(shí)，受碳排放約束，煤炭消費(fèi)一定程度上被替代，煤炭利用逐步向電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑以及保障能源供應(yīng)安全等集中，煤炭消費(fèi)量下降到35億～25億t/a，由基礎(chǔ)能源轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｕ夏茉?保障能源是指以保障能源供應(yīng)穩(wěn)定性和安全性為主要功能的能源品種)。

(3)過(guò)渡結(jié)束期(2050—2060年)。2050—2060年，隨著進(jìn)入碳中和攻堅(jiān)期，新能源大幅度代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源，新能源在能源消費(fèi)中的占比提高到50%～80%，成為主體能源。與此同時(shí)，受碳排放約束，煤炭只剩下電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑以及保障能源供應(yīng)安全等不能被替代的用途，煤炭消費(fèi)量下降到15億～12億t/a，由保障能源轉(zhuǎn)變?yōu)橹文茉?支撐能源是指以支撐其他能源發(fā)展為主要功能的能源品種，主要作為調(diào)峰、儲(chǔ)備等)。

3 碳中和目標(biāo)下煤炭行業(yè)發(fā)展機(jī)遇

我國(guó)曾多次出臺(tái)政策措施減少煤炭消費(fèi)，但效果均不明顯。2017年，北方地區(qū)冬季取暖大力度推行煤改氣，但因氣源緊張，不得不大幅度縮減規(guī)模，一些用戶再次回到用煤。2018年后，一些地方限制煤電發(fā)展，而可再生能源發(fā)電供應(yīng)不上，2020年冬季湖南、廣東、江西、內(nèi)蒙古、浙江等地發(fā)布有序用電通知，多年不見(jiàn)的拉閘限電再次出現(xiàn)。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)煤炭的持續(xù)需求，推動(dòng)了煤炭行業(yè)被動(dòng)式超負(fù)荷運(yùn)行。碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)促進(jìn)煤炭消費(fèi)減量，帶動(dòng)煤炭生產(chǎn)強(qiáng)度下降，給煤炭行業(yè)帶來(lái)發(fā)展空間受限的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也為煤炭行業(yè)留出降低發(fā)展速度、提升發(fā)展質(zhì)量的時(shí)間和空間，給煤炭行業(yè)帶來(lái)轉(zhuǎn)型發(fā)展的機(jī)遇。

3.1 回歸高質(zhì)量發(fā)展的機(jī)遇

煤炭行業(yè)70 a負(fù)載運(yùn)行，超負(fù)荷生產(chǎn)，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展貢獻(xiàn)了925億t煤炭產(chǎn)品，在支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了一系列嚴(yán)重的問(wèn)題[32-33]。煤礦基本建設(shè)欠賬較多，加上一些煤礦高負(fù)荷甚至超能力生產(chǎn)，安全生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生。井下工程和采空區(qū)規(guī)模超出地質(zhì)承載力，嚴(yán)重破壞了地下水系，造成大面積地表沉陷和植被破壞。

煤炭行業(yè)專(zhuān)家學(xué)者早在20世紀(jì)末就提出推進(jìn)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的愿望，根據(jù)地質(zhì)條件、技術(shù)水平建設(shè)科學(xué)產(chǎn)能，煤炭產(chǎn)量控制在合理規(guī)模。錢(qián)鳴高院士提出“在地質(zhì)條件好的情況下同樣產(chǎn)出10億t煤，中美百萬(wàn)噸死亡率差不多。但是油氣、可再生能源上不來(lái)，我國(guó)的煤炭產(chǎn)能就必須擴(kuò)大到30億t，必須開(kāi)采地質(zhì)條件不好的20億t，因此問(wèn)題就出現(xiàn)了”[34]。為了滿足高產(chǎn)能的要求，煤炭行業(yè)做出了巨大努力，1/3依靠適應(yīng)國(guó)情的新技術(shù)和世界一流的煤礦，1/3依靠一般技術(shù)的煤礦，而另外的1/3則依靠技術(shù)水平低、安全差的煤礦[35]。錢(qián)鳴高院士研究認(rèn)為，按照目前煤炭行業(yè)的技術(shù)水平，我國(guó)煤炭產(chǎn)量在25億～30億t比較合適。

煤炭行業(yè)管理部門(mén)早在1998年就提出以煤為基，重視開(kāi)發(fā)新能源和可再生能源，改善能源結(jié)構(gòu)[36]，并給出了具體路徑：以電力為中心，以煤炭為基礎(chǔ)，積極開(kāi)發(fā)油氣，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，重視開(kāi)發(fā)新能源和可再生能源，提高能源利用率和節(jié)約能源，走優(yōu)質(zhì)、高效、潔凈、低耗的能源可持續(xù)發(fā)展的道路；依靠科技進(jìn)步，改善能源結(jié)構(gòu)，促使資源利用優(yōu)化是目前中國(guó)能源戰(zhàn)略的核心問(wèn)題，也是保證能源、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的基本途徑。在煤炭消費(fèi)占比75%時(shí)就判斷煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比持續(xù)下降，并預(yù)測(cè)2010年下降到65%(實(shí)際值69.2%)，2020年下降到60%(實(shí)際值56.8%)，2050年下降到40%～50%。為保證煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，錢(qián)鳴高等[37-38]提出煤炭科學(xué)開(kāi)采和建設(shè)科學(xué)產(chǎn)能；謝和平等[39-40]提出涵蓋生產(chǎn)安全度、生產(chǎn)綠色度、生產(chǎn)機(jī)械化程度3個(gè)層面12個(gè)一級(jí)指標(biāo)、27個(gè)二級(jí)指標(biāo)的指標(biāo)體系，以識(shí)別和評(píng)價(jià)煤炭科學(xué)產(chǎn)能。經(jīng)評(píng)價(jià)認(rèn)為，2010年我國(guó)煤炭科學(xué)產(chǎn)能10.8億t，支撐煤炭產(chǎn)量的33.3%；到2020年，接近25.9億t，支撐煤炭產(chǎn)量的64.6%，如圖10所示。

圖10 科學(xué)產(chǎn)能對(duì)煤炭產(chǎn)量的支撐能力變化Fig.10 Change of supporting capacity of scientific productivity on coal output

科學(xué)產(chǎn)能的理念已被廣泛接受，但是建設(shè)步伐不及預(yù)期。碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下，煤炭行業(yè)可放下產(chǎn)量增長(zhǎng)的包袱，回歸到合理規(guī)模，走科學(xué)產(chǎn)能之路，走自己的高質(zhì)量發(fā)展之路，為煤炭行業(yè)回歸高端發(fā)展提供了難得機(jī)遇。煤炭行業(yè)需要盡快從擴(kuò)大產(chǎn)能產(chǎn)量追求粗放性效益為第一目標(biāo)的增量時(shí)代，邁向更加重視生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)運(yùn)、消費(fèi)全過(guò)程安全性、綠色性、低碳性、經(jīng)濟(jì)性的存量時(shí)代，快速提升發(fā)展質(zhì)量。

3.2 煤炭行業(yè)升級(jí)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的機(jī)遇

2015年以來(lái)，積極把握經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的態(tài)勢(shì)，煤炭行業(yè)主動(dòng)提出煤炭革命、自我革命。從思想上，重新認(rèn)識(shí)自我、自我變革，主動(dòng)適應(yīng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的趨勢(shì)，主動(dòng)滿足人們對(duì)美好生活的環(huán)境要求，主動(dòng)迎接世界能源發(fā)展變革的挑戰(zhàn)，革粗放開(kāi)發(fā)的命，革落后產(chǎn)能的命，革污染排放的命[41]。從理念上，推進(jìn)煤炭開(kāi)發(fā)利用一體化、礦井建設(shè)與地下空間利用一體化、煤基多元清潔能源協(xié)同開(kāi)發(fā)和煤炭潔凈低碳高效利用[42]。從目標(biāo)和藍(lán)圖上，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、理念創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)零生態(tài)損害的綠色開(kāi)采、零排放的低碳利用、建設(shè)多元協(xié)同的清潔能源基地[37,43]，實(shí)現(xiàn)采掘智能化、井下“無(wú)人化”、地面“無(wú)煤化”[38]，推進(jìn)煤炭成為清潔能源，開(kāi)發(fā)是綠色的，利用是清潔的；煤礦成為集光、風(fēng)、電、熱、氣多元協(xié)同的清潔能源基地；煤炭行業(yè)成為社會(huì)尊重、人才向往的高新技術(shù)行業(yè)[39-40]。從技術(shù)路線上，分智能化無(wú)人開(kāi)采、流體化開(kāi)采、地下空間開(kāi)發(fā)利用、清潔低碳利用四大領(lǐng)域，提出了升級(jí)與換代、拓展與變革、引領(lǐng)與顛覆三階段、三層次技術(shù)裝備攻關(guān)清單[44]。從攻關(guān)重點(diǎn)上，提出了煤炭資源深部原位流態(tài)化開(kāi)采的定義、內(nèi)涵、關(guān)鍵詞[45-47]，系統(tǒng)闡述了深部原位流態(tài)化開(kāi)采構(gòu)想、基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)體系，并給出了核心顛覆性技術(shù)構(gòu)想[48-50]。

煤炭革命的理念已獲廣泛認(rèn)可，大量高校、科研院所已開(kāi)始研究，一些研究團(tuán)隊(duì)取得了一定進(jìn)展，但尚未取得重大突破。深圳大學(xué)提出了一種可適用于現(xiàn)場(chǎng)施工的固體資源流態(tài)化開(kāi)采新方法——迴行開(kāi)采結(jié)構(gòu)及方法，進(jìn)行深部煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采時(shí)只需布置一個(gè)水平大巷和一個(gè)流態(tài)化資源井下中轉(zhuǎn)站，不需要建設(shè)用于煤炭提升、運(yùn)輸?shù)木颷51]。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)提出了鉆井式煤與瓦斯物理流態(tài)化同采方法，通過(guò)地面鉆井對(duì)突出等煤層實(shí)施高壓射流原位破煤，碎煤顆粒以流態(tài)形式輸運(yùn)至地面，同時(shí)涌出瓦斯經(jīng)鉆井抽采利用，并將地面固廢材料回填至采煤空穴，實(shí)現(xiàn)近零生態(tài)損害的煤與瓦斯協(xié)同開(kāi)采，顛覆傳統(tǒng)的煤炭井工開(kāi)采模式[52]。碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)倒逼煤炭行業(yè)改變過(guò)去幾十年引進(jìn)—消化—吸收—再創(chuàng)新的路徑延續(xù)式創(chuàng)新模式，煤炭行業(yè)將迎來(lái)實(shí)現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新的機(jī)遇，可以集聚優(yōu)勢(shì)創(chuàng)新資源，輕裝上陣主攻技術(shù)裝備，早日成為高精尖技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

3.3 搶占新能源主陣地的機(jī)遇

煤炭與可再生能源具有良好的互補(bǔ)性。煤炭的主要利用方式是發(fā)電，可再生能源利用的主要方式也是發(fā)電，燃煤發(fā)電與可再生能源發(fā)電優(yōu)化組合，可充分利用燃煤發(fā)電的穩(wěn)定性，為可再生能源平抑波動(dòng)提供基底，規(guī)避可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性；利用可再生能源的碳綜合能力，為燃煤發(fā)電提供碳減排途徑，在很大程度上減輕單純?nèi)济喊l(fā)電的碳減排壓力。除了電力外，煤炭與可再生能源在燃燒和化學(xué)轉(zhuǎn)化方面的耦合，也逐步形成模式，突破了一系列技術(shù)，為煤炭與可再生能源深度耦合提供了良好基礎(chǔ)。

煤礦區(qū)具有發(fā)展可再生能源的先天優(yōu)勢(shì)。煤礦區(qū)除了豐富的煤炭資源外，還有大量的土地、風(fēng)、光等其他資源[53]。我國(guó)目前已有及未來(lái)預(yù)計(jì)新增的采煤沉陷區(qū)面積超過(guò)6萬(wàn)km2[54]，可為燃煤發(fā)電和風(fēng)光發(fā)電深度耦合提供土地資源。煤礦井巷落差大，可用于抽水蓄能，為可再生能源調(diào)峰[55-56]。我國(guó)煤礦井巷和采空區(qū)形成的地下空間大，體積超過(guò)156億m3，且有不少的殘煤[57]。殘余煤炭二氧化碳吸附能力強(qiáng)[58]，有利于井下碳吸附、碳儲(chǔ)存[59]。此外，井下溫度較高且穩(wěn)定，可發(fā)展地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用技術(shù)[53]。過(guò)去很多年，煤炭企業(yè)發(fā)展新能源基礎(chǔ)弱，也沒(méi)有動(dòng)力、決心，碳中和目標(biāo)倒逼煤炭企業(yè)主動(dòng)發(fā)展新能源，進(jìn)入新能源主陣地。可以充分發(fā)揮煤礦區(qū)優(yōu)勢(shì)，以煤電為核心，與太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)電協(xié)同發(fā)展，構(gòu)建多能互補(bǔ)的清潔能源系統(tǒng)，將煤礦區(qū)建設(shè)成為地面-井下一體化的風(fēng)、光、電、熱、氣多元協(xié)同的清潔能源基地[50]。

4 結(jié)論與展望

(1)借鑒美國(guó)碳達(dá)峰前后現(xiàn)代化進(jìn)程、能源消費(fèi)、碳排放等基本特征和變化規(guī)律，結(jié)合我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)所處發(fā)展階段和現(xiàn)代化進(jìn)程，我國(guó)能源需求仍將增加。碳中和目標(biāo)下，我國(guó)需要通過(guò)持續(xù)提高能源效率、大力發(fā)展新能源、增強(qiáng)自給能力等路徑，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和、能源安全穩(wěn)定供應(yīng)的雙重目標(biāo)。

(2)結(jié)合我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和能源發(fā)展趨勢(shì)，提出我國(guó)能源消費(fèi)格局演變分為煤炭由基礎(chǔ)能源—保障能源—支撐能源、新能源對(duì)應(yīng)由補(bǔ)充能源—替代能源—主體能源的3個(gè)階段，預(yù)測(cè)煤炭消費(fèi)量分別為45億～35億，35億～25億，15億～12億t/a，新能源在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比分別為15%～29%，30%～49%，50%～80%。即使實(shí)現(xiàn)了碳中和，仍然需要煤炭作為電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑和保障能源供應(yīng)安全。

(3)綜合煤炭行業(yè)負(fù)載運(yùn)行的發(fā)展歷程和消費(fèi)減量帶動(dòng)煤炭生產(chǎn)強(qiáng)度下降，預(yù)判了碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)給煤炭行業(yè)帶來(lái)三大發(fā)展機(jī)遇，即回歸高質(zhì)量發(fā)展的機(jī)遇、升級(jí)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的機(jī)遇和搶占新能源主陣地的機(jī)遇。

今后應(yīng)把握碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，為煤炭行業(yè)留出降低發(fā)展速度、提升發(fā)展質(zhì)量的時(shí)間和空間，抓住帶給煤炭行業(yè)的轉(zhuǎn)型機(jī)遇，碳達(dá)峰碳中和進(jìn)程也將是煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)乃至顛覆式發(fā)展的過(guò)程。實(shí)現(xiàn)碳中和后，有望：

(1)煤炭成為精品，雖然產(chǎn)量降低，但是價(jià)格回歸到應(yīng)有的本真價(jià)值，反映地表無(wú)塌陷、生態(tài)無(wú)損傷條件下的綠色低碳煤炭生產(chǎn)完全成本。

(2)煤礦成為現(xiàn)代化能源供應(yīng)系統(tǒng)。按需靈活生產(chǎn)煤炭、電力、碳材料等，井下巷道儲(chǔ)能，平抑可再生能源波動(dòng)，煤炭與可再生能源互補(bǔ)，穩(wěn)定供應(yīng)清潔能源。

(3)煤礦區(qū)成為零碳/負(fù)碳清潔能源生產(chǎn)基地。地下空間碳固化、碳封存，就地處置煤炭利用產(chǎn)生的二氧化碳；地面可再生能源利用，零碳排放；礦區(qū)植被形成碳匯，負(fù)碳排放。

(4)煤炭企業(yè)成為清潔能源和高端材料供應(yīng)商。煤炭企業(yè)將成為新能源開(kāi)發(fā)的主陣地、煤基高端碳材料的引領(lǐng)者。