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谢和平院士:将煤炭行业打造成碳中和技术突破的发源地

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谢和平院士:将煤炭行业打造成碳中和技术突破的发源地

发布日期:2022-07-27 作者:来源:煤化工期刊 点击:


2021年,我国原煤产量41.3亿t,创历史新高。2022年1月~5月,我国原煤产量达18.1亿t,同比增长10.4%,已连续5个月保持两位数快速增长,原煤日均产量超过1 200万t。煤炭产量的增长趋势与碳达峰、碳中和目标下的总量控制是否有矛盾,煤炭如何在保障能源安全稳定供应的同时,实现自身的低碳、零碳发展?就此,中国工程院院士谢和平有以下观点。

实现“双碳”目标并不意味着现在大幅退出煤炭

  “碳达峰、碳中和目标已成为我国社会共识,将推进经济社会广泛而深刻的系统性变革。碳减排将是一个长期理性推进的过程,坚持先立后破,立足我国的能源资源禀赋,全国一盘棋应循序渐进地推进,而不是针对某一具体行业或细分领域‘点穴式’行政强制产能退出。”中国工程院院士谢和平认为。
  美国、德国、英国、日本等发达国家碳达峰前后现代化进程、能源消费、碳排放强度等基本特征和变化规律表明,在工业化阶段和现代化前期阶段,能源消费弹性系数仍维持在较高水平,在人均GDP达到3万美元之前,经济增长很难与能源消费脱钩,即经济增长必须需要能源消费总量的增加来支撑。
  “改革开放以来,除了个别异常年份外,我国能源消费弹性系数一直维持在0.5左右,充分显示了我国经济增长与能源消费唇齿相依的关系。”谢和平表示,我国还处于社会主义初级阶段,现代化水平与美国等发达国家还有较大差距,现代化进程的持续推进仍然需要较大的能源消费总量支撑,在相当长一段时间内经济增长还无法与能源消费脱钩。鉴于化石能源资源禀赋和可再生能源的不稳定性,煤炭仍将是我国新时代构建清洁低碳安全高效能源体系的“稳定器”和“压舱石”
  通过谢和平团队项目研究的初步预测,2030年前,煤炭消费量保持平稳或略有增长,维持在35亿t/a至45亿t/a;2031年至2050年,煤炭利用逐步向电力调峰、碳质还原剂以及保障能源安全等集中,煤炭消费量下降到35亿t/a左右;2051年至2060年,煤炭仍需用于电力调峰、碳质还原剂以及保障能源安全等不能被替代的用途,煤炭消费量仍会保持在25亿t/a左右;2060年实现碳中和后,为了应对油气进口受限和可再生能源非正常波动的风险,仍需保持一定规模的煤炭生产和消费。

届时,煤炭生产和消费不单纯是从煤炭利用本身出发,而是将其作为应急储备、战略储备等。特别是俄乌冲突后,欧洲各国“重启”煤电应对能源危机。因此,实现碳达峰、碳中和并不意味着现在要大幅退出煤炭。

大力提升科学产能先进产能
  “碳中和目标下,我国经济社会发展仍然需要依靠煤炭,只是需要的是科学产能的煤炭和清洁低碳利用的煤炭。”谢和平指出,过去10年,我国煤炭科学产能规模不断增加,有力支撑了国家能源安全与经济社会发展。碳中和目标赋予煤炭科学产能,即先进产能新的内涵,也将强化生态环境约束、安全高效集约化生产约束,使一些产能和资源不再符合煤炭科学产能的要求,甚至加快一些地方整体性退出煤炭生产,需要深入思考与分析碳中和目标下煤炭科学产能资源量、煤炭科学产能规模能否支撑我国现代化进程。
  “碳中和目标下亟须提高煤炭科学产能、先进产能的支撑能力。”谢和平指出,从我们近期完成的咨询研究项目成果可以看出,如果只考虑现有在产煤矿符合生态环境约束、安全高效集约化生产约束、先进产能等要求的剩余资源量,按照现有技术水平和回采率,满足40亿t/a的产量规模,仅可支撑15年左右;通过提高科学产能水平,提高煤炭资源采出率等,可延长时间,也仅能支撑到碳达峰时经济社会发展对煤炭的需要。因此,迫切需要加大符合科学产能要求的煤炭资源勘探力度,摸清煤炭科学产能的资源量。统筹考虑碳中和目标下煤炭资源量、赋存条件、生态红线等多种因素叠加下的产能规模。
  “应以陕西、山西、内蒙古、新疆等为重点,谋划煤炭科学产能支撑基地布局。建立健全煤炭科学产能的战略储备、产能储备、产品储备体系和以煤炭科学产能为支撑的柔性供给能力。加大绿色开采关键技术攻关,以技术为抓手,提高煤炭科学产能保障能力,支撑煤炭碳中和目标实现。”谢和平表示。
煤炭碳中和发展的战略蓝图
  随着技术进步,面对碳达峰、碳中和目标,煤炭实现碳中和的愿景是什么,煤炭企业、矿区、煤炭行业将呈现什么发展态势?
  在谢和平看来,应在深刻理解碳达峰、碳中和目标要求和准确把握我国能源消费需求的基础上,科学谋划、系统布局,提出符合实际、切实可行的煤炭碳中和发展目标、路线图、施工图,并重点推进碳中和“技术为王”的科技创新,加大加快煤炭开发利用减碳、用碳、固碳、零碳、负碳等技术研发应用,探索出全新的、可行的煤炭碳中和路径。
  他认为,煤炭碳中和的相关基础研究和技术储备不足,短期内还未能展现碳减排碳中和的潜力。应综合碳中和目标、国家能源安全、经济运行应急三大要求,立足我国国情实际,坚持系统观念,统筹煤炭低碳发展和能源保供,准确把握减碳与发展、减碳与安全的关系,正确处理短期和中长期的关系,科学谋划“能源安全兜底、绿色低碳开发、清洁高效利用、煤与新能源多能互补”四大战略方向。
  推进煤炭企业成为“煤炭+CCUS”与风、光、电多能互补的清洁能源生产基地,即按需灵活产生煤炭、风能、太阳能、氢能以及碳材料等,并实现井下巷道储能,平抑可再生能源波动。“煤炭+CCUS”与可再生能源互补,稳定供应多元化清洁能源。推进矿区成为井下—地上资源一体化开发、立体化利用、零碳排放的碳中和示范区,即地下空间碳固化、碳封存,就地处置煤炭利用产生的二氧化碳,地面可再生能源利用、零碳排放,矿区植被形成碳汇,负碳排放。推进煤炭行业成为煤炭低碳、零碳、固碳和负碳技术突破的发源地,即突破煤矿智能化低碳绿色开采、井下无人开采、流态化开采关键技术,形成煤炭开发利用低碳零碳技术体系、煤炭+多能互补的零碳负碳技术体系。
煤炭碳中和发展的重点任务
  实现煤炭碳中和需要布局哪些重点任务?
  谢和平介绍,需要布局六大重点任务。
  一是加大力度勘探符合煤炭科学产能要求的煤炭资源(资源保障)。探索应用国内外、行业内外先进勘探技术,进一步增强煤炭资源勘探手段和方法,提高煤炭资源探明程度,加快新增符合科学产能条件的煤炭资源量勘查,提高煤炭科学产能资源接续能力。
  二是建设煤炭科学产能全国支撑基地(产能保障)。统筹考虑煤炭资源量、赋存条件、生态红线划设等多重因素,建设山西、陕北、内蒙古东部、内蒙古西部、新疆五大煤炭科学产能支撑基地。
  三是推进柔性煤炭科学产能建设(经济运行应急保障)。围绕煤炭产量需求波动幅度加大的新形势新要求,支持和鼓动云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等新一代信息技术在煤矿的应用,推进可低成本宽负荷调节的无人柔性煤炭科学产能矿井建设,实现柔性生产提高煤炭供应调节能力,为经济运行应急提供保障。
  四是研究制定能源安全下的煤炭科学产能储备战略(国家能源安全保障)。科学研判可再生能源发展、地缘政治变化等复杂形势下,保障我国能源安全对煤炭科学产能的Z大需求,研究制定能源安全下煤炭科学产能储备战略。统一规划支撑科学产能的煤炭资源调查评价、勘查和开发利用,建立安全可靠的资源储备、产能储备。
  五是加快煤炭科学产能支撑力科技攻关(技术保障)。厘清煤炭勘查、开发、利用碳减排相关技术的研究基础和攻关需求,筛选一批有自主知识产权、有较强产学研合作依托、有配套投入保障、有研发平台和人才队伍支撑的重点方向,集中资源予以立项支持。鼓励科研机构和企业联合开展绿色低碳开采各领域基础研究、前沿探索,提高煤炭科学产能关键核心技术攻关能力,支撑高水平的煤炭科学产能建设。
  六是构建适应碳中和要求的多能互补的煤矿清洁能源系统。探索风能、太阳能等可再生能源制氢耦合煤清洁转化新路径,通过氢能从产业链上实现可再生能源与煤转化耦合,与煤化工的CCUS集成,形成综合转化技术体系。充分利用煤炭的稳定性和可再生能源的低/零碳排放优势,构建适应碳中和要求的多能互补的煤矿清洁能源系统。
将技术突破作为核心变量
  “碳中和目标下,我国能源发展应该重点落在技术创新上,即大力发展节能技术,提高能源利用效率,减少能源增量;大力发展新能源技术(‘风电/光电+储能’技术等),优化电力结构;大力发展低碳清洁煤炭开发利用(‘清洁煤电+CCUS’技术等),大力发展少碳-用碳-零碳能源原理创新与颠覆性技术。”谢和平认为。
  “我国治理酸雨的二氧化硫减排实践为煤炭碳中和提供了借鉴。以政策倒逼技术进步,以先进技术推进减排。”谢和平举例。
  20世纪90年代,我国一些地区燃用高硫煤,设备未采取脱硫措施,致使二氧化硫排放量不断增加,造成严重的酸雨污染。1995年,国务院批准划定酸雨控制区与二氧化硫污染控制区;1996年,提出实施包括二氧化硫在内的污染物排放总量控制。此后逐步严格排放标准、收缩排放总量控制限制,以政策倒逼燃煤污染物控制技术进步。2000年以后,加快已有燃煤电厂脱硫设施建设,持续研发并应用燃煤二氧化硫超低排放技术,逐渐建成全球Z大的清洁煤电供应体系,煤炭消费量增长15.8%,二氧化硫排放量下降近80%。
  “技术进步彻底颠覆了‘控制二氧化硫排放必然减少煤炭消费’的原有认识,突破了二氧化硫减排对煤炭消费的约束。”谢和平指出。
  “逐步强化的政策措施将倒逼煤炭从以往的鼓励性自主碳排放控制转向政策硬约束的强制性碳减排碳处理。因此,应加大加快煤炭开发利用减碳、用碳、固碳、零碳、负碳等技术研发应用。”谢和平认为,在少碳方面,发展化石能源清洁低碳新技术、二氧化碳捕集新原理与新技术等;在用碳方面,发展二氧化碳矿化发电颠覆性技术、二氧化碳驱油气利用原理与技术等;在无碳方面,近零碳排放的直接煤固体燃料电池发电新技术、新能源技术如风能太阳能生物质地热发电海水制氢等。
  据了解,谢和平团队在上述技术方面,正在从基础研究走向工业扩试。以二氧化碳电化学捕捉新技术为例,初步成果显示,该技术能耗仅为67 kWh/t,成本约为9.4美元/t二氧化碳。此外,自2011年开始,四川大学、深圳大学等院校,也在探索碳中和新原理新技术攻关,包括低能耗二氧化碳捕集新原理新技术、二氧化碳矿化发电颠覆性技术、二氧化碳能源化资源化利用催化转化技术、零碳排放的直接煤燃料电池发电技术等


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