王 兵，李 璐，鮮玉嬌，于鵬偉，郝文超

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院 可持續(xù)發(fā)展與能源政策研究中心，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 管理學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

2020年9月，中共中央總書記習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論會(huì)議上提出提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，并先后在國(guó)內(nèi)外重要會(huì)議上多次強(qiáng)調(diào)要如期落實(shí)該目標(biāo)。能源領(lǐng)域，特別是以煤炭為主的化石能源，是我國(guó)碳排放的主要來源，煤炭行業(yè)碳減排是我國(guó)碳中和工作的重點(diǎn)[1]。2022年國(guó)務(wù)院發(fā)布的《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》中提出，要立足以煤為主的基本國(guó)情，抓好煤炭清潔高效利用。2022年4月國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議決定新增煤炭產(chǎn)能3億t，改造煤電2.2億kW。國(guó)務(wù)院關(guān)稅稅則委員會(huì)決定自2022年5月1日至2023年3月31日，對(duì)所有煤炭實(shí)施稅率為0的進(jìn)口暫定稅率。2021年我國(guó)能源消費(fèi)總量52.4億t標(biāo)準(zhǔn)煤，煤炭消費(fèi)量占比為56%；2021年一次能源生產(chǎn)總量43.3億t標(biāo)準(zhǔn)煤，原煤生產(chǎn)量約29.5億t標(biāo)煤，占比約68.1%。以上數(shù)據(jù)表明我國(guó)煤炭消費(fèi)以國(guó)內(nèi)供應(yīng)為主，能源領(lǐng)域碳中和工作迫切需要煤炭行業(yè)在碳中和背景下發(fā)揮重要作用，確保如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。然而，考慮到我國(guó)能源資源稟賦，煤炭行業(yè)發(fā)展面臨保障能源供應(yīng)安全和實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的雙重任務(wù)[2]。

學(xué)術(shù)界針對(duì)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下煤炭發(fā)展路徑問題開展了一些重要探索。謝和平等[3]通過國(guó)際類比分析法認(rèn)為碳中和目標(biāo)下我國(guó)煤炭從基礎(chǔ)能源轉(zhuǎn)向兜底能源的過程中需要12億～15億t/a的消費(fèi)量用于電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑和保障能源供應(yīng)安全。林衛(wèi)斌等[4]從能源消費(fèi)總量和結(jié)構(gòu)2個(gè)維度定性預(yù)測(cè)了2050年煤炭消費(fèi)占比在5%～10%，為2.5億～5.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤。楊英明等[5]采用加權(quán)組合模型預(yù)測(cè)了未來煤炭消費(fèi)結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明火電行業(yè)煤炭消費(fèi)小幅增長(zhǎng)后將不斷下降。宋曉波等[6]基于國(guó)內(nèi)外碳中和路徑定性分析了碳達(dá)峰、技術(shù)突破和碳匯3個(gè)階段煤炭的作用，提出了煤炭行業(yè)低碳發(fā)展路徑。以上研究未能從產(chǎn)業(yè)發(fā)展和能源安全的視角全面研究煤炭保障性需求問題，研究方法多采用國(guó)際對(duì)比和定性分析，鮮見針對(duì)碳中和目標(biāo)自下而上的預(yù)測(cè)研究。因此，科學(xué)預(yù)測(cè)碳中和目標(biāo)下基于能源安全的煤炭保障性供應(yīng)需求迫在眉睫，有利于科學(xué)制定我國(guó)煤炭產(chǎn)能規(guī)劃和煤炭?jī)?chǔ)備規(guī)模。

本研究首先基于煤炭流圖的煤炭產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀，理清煤炭主要消費(fèi)部門，識(shí)別煤炭消費(fèi)重點(diǎn)領(lǐng)域；其次，運(yùn)用部門分析和情景分析的組合預(yù)測(cè)方法從各個(gè)產(chǎn)業(yè)部門出發(fā)建立碳中和目標(biāo)下基于自下而上部門情景分析法的煤炭需求預(yù)測(cè)模型，科學(xué)研判碳中和目標(biāo)下煤炭保障性需求，運(yùn)用類比法論證了結(jié)果的可靠性。然后，基于煤炭供需的未來發(fā)展趨勢(shì)和需求預(yù)測(cè)結(jié)果，提出宏觀和微觀視角下煤炭工業(yè)碳中和發(fā)展路徑與戰(zhàn)略，為規(guī)劃我國(guó)減煤最優(yōu)路徑，保障煤炭柔性供給和發(fā)揮碳中和進(jìn)程中的煤炭壓艙石作用提供決策參考。

1 部門情景分析法原理

1.1 部門情景分析法

部門分析法能夠通過部門分解直接預(yù)測(cè)在一定經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和技術(shù)進(jìn)步條件下的能源需求量。部門分析法通過分析基準(zhǔn)年份各部門能源消費(fèi)現(xiàn)狀，使用單位產(chǎn)值能耗綜合反映能源消費(fèi)的技術(shù)水平和管理水平，并估計(jì)各目標(biāo)時(shí)間節(jié)點(diǎn)各部門發(fā)展水平與能耗水平，從而預(yù)測(cè)目標(biāo)年的各部門及全社會(huì)能源消費(fèi)需求量。部門分析法已廣泛應(yīng)用于國(guó)家、地區(qū)、單一部門等能源經(jīng)濟(jì)模型中。開平安等[7]分析了能源經(jīng)濟(jì)模型中的開環(huán)和閉環(huán)屬性，比較得到了部門分析法對(duì)于彈性系數(shù)法的優(yōu)勢(shì)及其在國(guó)家模型中的應(yīng)用框架。隗斌賢等[8]從終端經(jīng)濟(jì)活動(dòng)水平和能源強(qiáng)度視角運(yùn)用部門分析法對(duì)浙江省能源需求進(jìn)行預(yù)測(cè)。賀祖琪等[9]采用部門分析法、能源消費(fèi)彈性系數(shù)法等方法對(duì)四川省能源需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究表明部門分析法具有較高的準(zhǔn)確度和較小的相對(duì)誤差。韓君[10]通過評(píng)述多個(gè)能源需求分析方法，認(rèn)為組合預(yù)測(cè)模型能減少能源需求預(yù)測(cè)的誤差。情景分析法是從目標(biāo)情景出發(fā)構(gòu)想未來社會(huì)能源需求的一類方法，其不局限于目前已有的技術(shù)條件，分析實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所需措施和可行性[11]。本研究采用情景分析法設(shè)置目標(biāo)年份的各部門經(jīng)濟(jì)活動(dòng)水平和能源消耗水平，能夠彌補(bǔ)單一部門分析法依靠趨勢(shì)外推或增長(zhǎng)系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的不合理性。

綜上，部門情景分析法兼顧部門差異性和部門發(fā)展趨勢(shì)，能克服其他能源需求預(yù)測(cè)方法的不足。本研究采用部門分析和情景分析相結(jié)合預(yù)測(cè)碳中和目標(biāo)下煤炭保障性需求，既能從消費(fèi)端全面理清煤炭消費(fèi)需求來源，也能有效刻畫碳中和目標(biāo)不同部門的未來發(fā)展情景。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，碳中和社會(huì)發(fā)展模式面臨巨大的不確定性，部門情景分析法兼顧部門差異性和發(fā)展趨勢(shì)，能夠克服其他能源需求預(yù)測(cè)方法的不足。

1.2 基于煤炭流圖的煤炭需求關(guān)鍵部門識(shí)別

受我國(guó)煤炭資源稟賦影響，我國(guó)煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)基本處于相對(duì)平衡的狀態(tài)[7]。我國(guó)2005—2020年煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)波動(dòng)變化規(guī)律基本一致，煤炭消費(fèi)在2013年達(dá)到最高值42.4億t，此后煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)均處于峰值平臺(tái)期，“十四五”、“十五五”期間煤炭消費(fèi)將呈峰值回落并逐步下降的趨勢(shì)[12]。能流圖和碳流圖能全面深刻地反映能源生產(chǎn)、消費(fèi)結(jié)構(gòu)和加工轉(zhuǎn)換損耗等信息，是能源系統(tǒng)分析的主要工具之一[13-14]。2019年我國(guó)煤炭流圖如圖1所示，原煤生產(chǎn)量約38.5億t，火力發(fā)電、供熱、煉焦、制氣、煉油、化工、水泥、鋼鐵八大部門作為煤炭消費(fèi)大戶，其占比約88.83%，這些部門將是未來煤炭消費(fèi)和碳排放的重點(diǎn)部門。為確保2060年碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，其他部門占煤炭消費(fèi)總量的比例將會(huì)進(jìn)一步下降。碳中和目標(biāo)下煤炭保障性供應(yīng)需求預(yù)測(cè)將重點(diǎn)聚焦于煤炭主要終端消費(fèi)部門。

圖1 2019年中國(guó)煤炭消費(fèi)流圖Fig.1 China′s coal flow chart in 2019

2 碳中和目標(biāo)下煤炭保障性需求組合預(yù)測(cè)建模

基于煤炭流圖的煤炭需求關(guān)鍵部門識(shí)別結(jié)果顯示，火力發(fā)電、供熱、煉焦、制氣、煉油、化工、水泥、鋼鐵八大部門是煤炭消費(fèi)的主要部門。本研究將煉焦、制氣、煉油、化工統(tǒng)稱為煤化工部門，細(xì)分為傳統(tǒng)煤化工和現(xiàn)代煤化工。因此，基于各個(gè)部門的重要程度，以電力、煤化工、鋼鐵、水泥、熱力五大關(guān)鍵部門和其他部門為研究對(duì)象，綜合考慮國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃目標(biāo)、專家判斷和文獻(xiàn)調(diào)研分析，建立基于自下而上部門分析與情景分析相結(jié)合的中國(guó)長(zhǎng)期煤炭需求組合預(yù)測(cè)模型，分別預(yù)測(cè)2030、2040、2050、2060年各部門煤炭保障性需求。其中，為避免重復(fù)計(jì)算，原屬于煤化工行業(yè)的焦炭用煤劃分到鋼鐵部門，煤制焦炭環(huán)節(jié)則不計(jì)入。考慮到散煤燃燒等近年可能逐步淘汰，本研究假設(shè)其他部門煤炭消耗占比將在2030、2040、2050、2060年分別下降到6%、3%、2%和1%。

基于實(shí)現(xiàn)碳中和與保障能源安全的雙重目標(biāo)，設(shè)置3種煤炭保障性供應(yīng)情景：① 基準(zhǔn)情景是正常實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的煤炭需求量情景；② 保障情景是在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)時(shí)出現(xiàn)不可控緊急事件情況下煤炭全額保障性需求預(yù)測(cè)；③ 強(qiáng)化保障情景是在保障情景基礎(chǔ)上，因電力部門供應(yīng)中斷加劇的應(yīng)急儲(chǔ)備和煤化工對(duì)保障油氣供應(yīng)安全的煤炭需求量預(yù)測(cè)，其他部門的預(yù)測(cè)保持不變。考慮部門差異性，各部門煤炭需求預(yù)測(cè)方法描述如下。

2.1 基于部門情景分析法的煤炭保障性需求預(yù)測(cè)模型

2.1.1電力部門煤炭保障性需求預(yù)測(cè)模型

電力部門是我國(guó)煤炭消費(fèi)的主要部門之一。大部分碳中和戰(zhàn)略研究報(bào)告顯示2060年煤電裝機(jī)將清零，煤電將退出電力市場(chǎng)，天然氣和氫能將作為電力調(diào)峰電源[15]?？紤]諸如水澇、暴雪等氣候極端事件的影響[16-17]，本研究將煤電作為保障極端情況下我國(guó)電力安全的儲(chǔ)備電源，分別按不同的極端事件影響范圍大小設(shè)置情景，結(jié)合煤電和煤電+CCS比例，預(yù)測(cè)碳中和目標(biāo)下電力部門煤炭保障性供應(yīng)需求。

電力部門的煤炭需求C1預(yù)測(cè)(式(1))，分為2部分：電力行業(yè)的煤炭安全供應(yīng)量Ca按照電力供應(yīng)安全15～30 d閾值范圍設(shè)置情景，即緊急情況下電力系統(tǒng)僅由燃煤發(fā)電供應(yīng)(式(2))；另一部分煤炭電力需求根據(jù)未來電力行業(yè)電源結(jié)構(gòu)中作為托底的煤電和煤電+CCS比例預(yù)測(cè)基本煤耗需求Cb(式(3))：

C1=Ca+Cb，

(1)

Ca=Eθt，

(2)

Cb=Eθω，

(3)

式中，E為全社會(huì)用電量，kWh；θ為全國(guó)煤電供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，g/kWh；t為煤電全額保障性供電天數(shù)占全年的比例，%；ω為電源結(jié)構(gòu)中煤電和煤電+CCS的比例，%。

2.1.2煤化工部門煤炭保障性需求預(yù)測(cè)模型

煤炭是煤化工部門的基礎(chǔ)原材料，降低煤化工部門碳排放將有助于碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。按照煤化工部門的構(gòu)成，傳統(tǒng)煤化工包含煤制焦炭、煤制甲醇和合成氨3部分，其中煤制焦炭并入鋼鐵部門進(jìn)行測(cè)算；現(xiàn)代煤化工包括煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇及其他(煤制芳烴、煤制乙醇等)。煤化工部門煤炭需求預(yù)測(cè)模型綜合考慮煤化工行業(yè)的替代工藝、替代原料和國(guó)家碳中和目標(biāo)的現(xiàn)實(shí)要求[18]，以部門當(dāng)前煤炭需求和未來變化趨勢(shì)開展預(yù)測(cè)，具體為

(4)

2.1.3鋼鐵部門煤炭保障性需求預(yù)測(cè)模型

作為世界上最大的粗鋼生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，我國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放占全國(guó)碳排放的15%左右[19]。據(jù)預(yù)測(cè)，我國(guó)噸鋼能耗將會(huì)從2015年的610 kg/t(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)，下同)逐步下降為2050年的495 kg/t[20]。因此，本研究依據(jù)線性下降趨勢(shì)，預(yù)測(cè)我國(guó)2030、2040、2050、2060年噸鋼能耗分別為569、535、495、469 kg/t。2021年上半年鋼鐵行業(yè)運(yùn)行情況表明生鐵產(chǎn)量增量對(duì)上半年粗鋼產(chǎn)量增量的貢獻(xiàn)占比不到30%，廢鋼利用取得初步成效。因此，鋼鐵產(chǎn)量下降、噸鋼煤耗降低和廢鋼利用都將減少鋼鐵部門對(duì)于煤炭的需求。鋼鐵行業(yè)的煤炭保障性供應(yīng)需求預(yù)測(cè)模型以鋼鐵部門產(chǎn)量水平和噸鋼能耗為基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)測(cè)，綜合考慮鋼鐵生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)，具體為

C3=P3φα，

(5)

式中，C3為鋼鐵行業(yè)煤炭需求預(yù)測(cè)量，kg(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))；P3為鋼鐵產(chǎn)量，t；φ為長(zhǎng)流程鋼鐵廠產(chǎn)量中的占比，%；α為噸鋼煤耗，kg/t(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))。

2.1.4水泥部門煤炭保障性需求預(yù)測(cè)模型

我國(guó)水泥行業(yè)碳排放占全球排放的7%，為第三大工業(yè)能耗部門。國(guó)際能源署預(yù)計(jì)2050年全球水泥產(chǎn)量為46.82億t，人均水泥產(chǎn)量將降至485 kg[21]。我國(guó)2020年水泥產(chǎn)量達(dá)到24億t，占世界水泥總產(chǎn)量比例超過50%，人均產(chǎn)量1 818 kg，遠(yuǎn)高于世界平均水平575 kg/人，而噸水泥能耗控制目標(biāo)為105 kg，預(yù)計(jì)消耗2.52億t標(biāo)準(zhǔn)煤，水泥行業(yè)面臨較大的去產(chǎn)能和節(jié)能減排壓力。工業(yè)與信息化部于2016年發(fā)布的《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》提出到2020年，水泥綜合能耗從2015年的112 kg/t 降至105 kg/t[22]。

本研究采用插值和外推方法預(yù)測(cè)中國(guó)水泥產(chǎn)量和水泥能耗中的煤炭占比，結(jié)合我國(guó)工業(yè)節(jié)能發(fā)展規(guī)劃對(duì)于水泥行業(yè)能耗下降的發(fā)展規(guī)劃，建立水泥行業(yè)煤炭保障性需求預(yù)測(cè)模型，具體為

C4=P4kβ，

(6)

式中，C4為水泥行業(yè)煤炭需求預(yù)測(cè)量，kg(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))；P4為水泥產(chǎn)量，t；k為水泥能耗水平，kg/t(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))；β為水泥能耗中的煤炭占比，%。

2.1.5熱力部門煤炭保障性需求預(yù)測(cè)模型

2019年熱力部門的煤炭消費(fèi)量為2.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤，占整個(gè)熱力部門能源消費(fèi)總量的87.1%。從需求來源看，熱力供應(yīng)部門可劃分為工業(yè)用熱和居民采暖2類，其中，工業(yè)用熱約占全國(guó)熱力消費(fèi)總量的70%，居民采暖約占全國(guó)熱力消費(fèi)總量的30%。

按照熱力供應(yīng)部門的構(gòu)成，計(jì)算煤炭保障性需求量預(yù)測(cè)(式(7))，其中，工業(yè)用熱和居民熱力的煤炭需求量預(yù)測(cè)分別為

C5=CHI+CHR，

(7)

CHI=EHγPc，

(8)

(9)

2.2 數(shù)據(jù)來源與情景設(shè)置

電力部門的全社會(huì)用電量數(shù)據(jù)來源于《中國(guó)能源電力發(fā)展展望2020》[23]《中國(guó)2030年能源電力發(fā)展規(guī)劃研究及2060年展望》《中國(guó)碳中和綜合報(bào)告2020》。本研究假設(shè)我國(guó)2030、2040、2050、2060年全社會(huì)用電量如圖2所示。電源結(jié)構(gòu)中煤電和煤電+CCS比例參考中國(guó)工程院重大咨詢項(xiàng)目《我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略及路徑研究》課題2研究成果，并結(jié)合碳中和目標(biāo)下CCS對(duì)電力系統(tǒng)靈活性、凈零排放的重要作用[24-25]設(shè)置。電力部門供電煤耗的變化趨勢(shì)依據(jù)近10 a降速態(tài)勢(shì)進(jìn)行情景設(shè)置。2019年我國(guó)煤電供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為329.05 g/kWh，假設(shè)2020—2060年全國(guó)煤電供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗以2011—2020年全國(guó)供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗年平均降速0.85%平穩(wěn)下降。

圖2 2020—2060年我國(guó)全社會(huì)用電量Fig.2 China′s electricity consumption from 2020 to 2060

根據(jù)煤化工產(chǎn)業(yè)報(bào)告[26]中的煤炭消耗數(shù)據(jù)，本研究對(duì)未來煤化工行業(yè)的煤炭消耗預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)做出合理調(diào)整，并對(duì)2060年煤化工部門的煤炭消耗較2050年變化幅度進(jìn)行預(yù)測(cè)。保障情景下傳統(tǒng)煤化工耗煤量預(yù)測(cè)中，合成氨部分的煤炭需求假設(shè)2020—2060年逐步降低到20%?？紤]到煤制甲醇作為生產(chǎn)其他化工原料的中間產(chǎn)品，其煤炭需求預(yù)測(cè)為先升后降趨勢(shì)，2060年逐步降低到72%。現(xiàn)代煤化工的耗煤預(yù)測(cè)依據(jù)不同產(chǎn)品類型設(shè)置。① 保障情景下，煤制油作為石油供應(yīng)安全和保障航空煤油使用的化工產(chǎn)品，本研究假設(shè)其變化趨勢(shì)為先升后降，2060年逐步降低到25%左右。② 考慮到煤制氣對(duì)天然氣的部分替代性，煤制氣將呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)，2060年總體下降比例為12%左右。③ 考慮到烯烴與乙二醇可能被二氧化碳加氫制甲醇、生物質(zhì)可再生資源制醇類等替代，假設(shè)高比例替代背景下2060年烯烴替代比例約為77%，煤制乙二醇替代比例為60%。以上述保障情景為基礎(chǔ)，基準(zhǔn)情景綜合考慮我國(guó)石油和天然氣儲(chǔ)備，假設(shè)2030年煤制油氣產(chǎn)量是保障情景的1/2，從2040年開始將煤制油和煤制氣下降為0，同時(shí)傳統(tǒng)煤化工和其他現(xiàn)代煤化工類別相應(yīng)降低。強(qiáng)化保障情景考慮煤制油和煤制氣對(duì)于油氣安全的貢獻(xiàn)，假設(shè)2060年煤制油逐步降低到32%左右，煤制氣產(chǎn)量下降比例為6%左右。

鋼鐵部門產(chǎn)量預(yù)測(cè)基于國(guó)際能源署2020年發(fā)布的鋼鐵技術(shù)路線圖[27]，結(jié)合我國(guó)碳中和目標(biāo)年份，調(diào)整得到我國(guó)2030、2040、2050、2060年鋼鐵產(chǎn)量分別為9.8億～10.2億、7.5億～9.0億、6.0億～8.2億、4.4億～7.4億t。鋼鐵部門粗鋼生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)流程和短流程組成。保障情景下，鋼鐵行業(yè)只由電力和煤炭供能來保障生產(chǎn)，而氫氣冶金完全由長(zhǎng)流程代替，該情景下長(zhǎng)流程鋼鐵廠占比將降低到2060年的15%左右?；鶞?zhǔn)情景下，基于工信部《關(guān)于推動(dòng)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》假設(shè)2025年我國(guó)電爐占比達(dá)到20%，按照相同的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)基準(zhǔn)情景下2060年長(zhǎng)流程鋼鐵廠占比逐步降低到8%。

水泥部門煤炭保障性需求預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)來源包括水泥產(chǎn)量、噸水泥能耗水平、水泥部門煤炭消費(fèi)占比3個(gè)因素?；趪?guó)際能源署研究報(bào)告[21]和《中國(guó)2050：一個(gè)全面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化國(guó)家的零碳圖景》報(bào)告[28]，本研究預(yù)測(cè)不同情景下水泥產(chǎn)量和水泥部門煤炭消費(fèi)占比，噸水泥能耗水平參考工業(yè)節(jié)能發(fā)展規(guī)劃對(duì)于水泥行業(yè)能耗下降的發(fā)展規(guī)劃和當(dāng)前水泥行業(yè)能效領(lǐng)跑者的能效水平進(jìn)行設(shè)置，數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同情景下水泥行業(yè)煤炭保障性需求預(yù)測(cè)

基于《中國(guó)長(zhǎng)期低碳發(fā)展戰(zhàn)略與轉(zhuǎn)型路徑研究》報(bào)告[29]，工業(yè)終端能源需求在保障情景和基準(zhǔn)情景下，2030年分別為26.7億和20.7億t標(biāo)準(zhǔn)煤，2050年能源需求分別為24.4億和14.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤，采用插值法預(yù)測(cè)2040年和2060年的工業(yè)終端能源需求。根據(jù)熱力部門研究報(bào)告[15]，熱力占工業(yè)終端能源需求的5%，2種情景下熱力能源需求占比均為5%，而煤炭在熱力部門能耗占比逐步降低到2060年的10%左右。居民采暖方面，基于零碳圖景報(bào)告[28]，本研究設(shè)置基準(zhǔn)情景下2050年煤炭占建筑部門終端能源消費(fèi)總量的0，保障情景下2050年居民采暖煤炭消費(fèi)量下降90%。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 碳中和目標(biāo)下分部門煤炭保障性需求預(yù)測(cè)結(jié)果

3.1.1電力部門煤炭保障性需求

不同情景下電力部門煤炭保障性需求預(yù)測(cè)結(jié)果見表2(煤耗以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))。假設(shè)我國(guó)電源結(jié)構(gòu)中煤電和煤電+CCS的比重在2060年為6%時(shí)，電力部門基本煤炭需求量為2.10億～2.46億t標(biāo)準(zhǔn)煤。為應(yīng)對(duì)極端事件對(duì)于電力安全的影響，保障情景下電力安全的額外煤炭保障性需求量為1.46億～3.42億t標(biāo)準(zhǔn)煤。綜合來看，電力部門煤炭保障性需求預(yù)測(cè)面臨的不確定較大，煤電CCUS技術(shù)的發(fā)展將從產(chǎn)業(yè)鏈視角影響到其未來煤炭需求量。碳中和目標(biāo)下煤電與CCUS技術(shù)布局需要協(xié)調(diào)統(tǒng)籌發(fā)展，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，CCUS技術(shù)的大規(guī)模部署將有效增強(qiáng)我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)可行性[30]。提前部署以CCUS為托底技術(shù)的煤炭新產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)低成本實(shí)現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)鏈延伸與技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)高碳能源與去碳技術(shù)協(xié)同發(fā)展，盡早推廣燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電的BECCS負(fù)排放技術(shù)[31]。

表2 2030—2060年電力安全保障性煤炭需求預(yù)測(cè)

3.1.2煤化工部門煤炭保障性需求

在保障情景下，傳統(tǒng)煤化工和現(xiàn)代煤化工耗煤量預(yù)測(cè)(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)，下同)如圖3(a)和圖3(b)所示，碳中和目標(biāo)下傳統(tǒng)煤化工煤炭保障性需求減少50%，煤制甲醇占比相對(duì)較高，現(xiàn)代煤化工中以煤制氣為主。保障情景下煤化工行業(yè)(不含煤制焦炭)的煤炭保障性需求總量如圖3(c)所示。以煤炭供應(yīng)的保障情景結(jié)果為基礎(chǔ)，基準(zhǔn)情景下煤化工部門煤炭保障性需求預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3(d)所示。2060年，煤化工行業(yè)總耗煤量為0.35億～1.04億t標(biāo)準(zhǔn)煤。從煤化工產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，保障情景下煤制氣占比相對(duì)較高，由于煤制氫技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)未來煤制氫的煤炭消費(fèi)量將具有一定的增長(zhǎng)空間。因此，煤炭企業(yè)需要實(shí)現(xiàn)風(fēng)電和光伏等綠色能源電解制氫與現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，充分開展煤化工產(chǎn)業(yè)廢氣二氧化碳綜合利用等，創(chuàng)新煤化工低碳發(fā)展思路。

3.1.3其他部門煤炭保障性需求

根據(jù)鋼鐵行業(yè)和水泥行業(yè)煤炭需求量預(yù)測(cè)公式，計(jì)算得到2030、2040、2050、2060年不同情景下煤炭保障性需求量見表3(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))。結(jié)果表明，鋼鐵行業(yè)和水泥行業(yè)煤炭需求量合計(jì)將逐漸減少90%，燃料替代和工業(yè)流程再造促使這2個(gè)部門煤炭需求降低。氫能冶金、新型低碳水泥、廢鋼利用等將對(duì)這些傳統(tǒng)工業(yè)部門進(jìn)行能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)重構(gòu)。

表3 不同情景下鋼鐵和水泥行業(yè)煤炭保障性需求預(yù)測(cè)量

不同情景下熱力部門的煤炭需求量預(yù)測(cè)如圖4所示(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))。由圖4可以看出，2060年熱力部門對(duì)于煤炭需求將降至0.055億～0.118億t標(biāo)準(zhǔn)煤。煤改清潔能源工程的推廣實(shí)施將推動(dòng)居民熱力的煤炭需求降低至0，但居民熱力對(duì)于電力和天然氣的需求可能會(huì)有所增加。而工業(yè)部門余熱回收與利用、節(jié)能提效技術(shù)等有望降低工業(yè)用熱煤炭需求量。

圖4 不同情景下熱力部門煤炭需求量預(yù)測(cè)Fig.4 Coal requirement prediction for heating production sector under different scenarios

3.2 碳中和目標(biāo)下煤炭保障性需求綜合預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)以上分析，匯總得到了基準(zhǔn)情景、保障情景和強(qiáng)化保障情景下煤炭保障性需求預(yù)測(cè)結(jié)果，具體見表4，可知2060年煤炭產(chǎn)能需求在基準(zhǔn)情景、保障情景、強(qiáng)化保障情景下分別為2.8億～3.3億、5.2億～6.1億、6.7億～7.9億t標(biāo)準(zhǔn)煤。2030年我國(guó)煤炭保障性需求為21.2億～28.7億t標(biāo)準(zhǔn)煤，2040、2050年將分別下降到14.0億～20.9億和6.6億～13.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤。本研究的預(yù)測(cè)結(jié)果與中國(guó)石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院和國(guó)際能源署的預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合，中國(guó)石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院預(yù)測(cè)2030年和2060年我國(guó)煤炭需求分別為25.4億～26.6億和1.4億～3.9億t標(biāo)準(zhǔn)煤[32]，國(guó)際能源署預(yù)測(cè)2060年承諾目標(biāo)情景下的煤炭需求量為5.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤[33]?；谝陨项A(yù)測(cè)結(jié)果，從總量上看，煤炭需求達(dá)峰后將大幅減少，我國(guó)中長(zhǎng)期煤炭產(chǎn)能可按照3.5億～7.0億t標(biāo)準(zhǔn)煤進(jìn)行生產(chǎn)布局優(yōu)化。在總量持續(xù)銳減的情況下，煤炭開采業(yè)亟需考慮工人安置和再就業(yè)、廢棄礦井利用、產(chǎn)能科學(xué)評(píng)價(jià)[34]、礦后綜合管理等問題，探索煤炭開采朝向集采、選、充、熱、電、氣等一體化開采的新模式。

表4 不同情景下煤炭保障性需求預(yù)測(cè)結(jié)果

不同情景下的各部門煤炭產(chǎn)能需求預(yù)測(cè)結(jié)果如圖5、6所示。從結(jié)構(gòu)上看，煤炭消費(fèi)結(jié)構(gòu)將發(fā)生深刻變革，煤電安全保障、煤制氫、碳基原料生產(chǎn)將逐步成為煤炭消費(fèi)主要來源，其中，按各情景煤炭需求均值計(jì)算，2060年電力部門的煤炭保障性供應(yīng)需求量占比約73%(圖5)。燃煤發(fā)電在電力行業(yè)的作用，將由承擔(dān)基荷電源向輔助調(diào)峰和應(yīng)急電源的角色轉(zhuǎn)變[35]。煤制氫與可再生能源制氫相比具有成本優(yōu)勢(shì)和資源優(yōu)勢(shì)，在氫能發(fā)展的初期和中期階段仍需依賴煤制氫技術(shù)滿足氫氣需求[36]。在其他工業(yè)部門，煤炭將由工業(yè)燃料向碳基原料轉(zhuǎn)變，但煤炭作為高碳能源，可通過提取碳元素為工業(yè)過程提供碳基原料。

圖5 各部門煤炭產(chǎn)能需求及總量變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)Fig.5 China′s coal demand forecasts for differentcoal consumption sectors

圖6 保障和強(qiáng)化保障情景下我國(guó)各部門煤炭產(chǎn)能需求預(yù)測(cè)及總量變化Fig.6 China′s coal capacity demand forecast and totalchange for different coal consumption sectors under extremeand intensified extreme scenarios

根據(jù)核算，2060年煤炭產(chǎn)業(yè)鏈CCUS減排需求將達(dá)到7億～15億t/a，其中煤電行業(yè)減排需求為5.2億～10.4億t/a，煤化工減排需求將達(dá)到0.8億～2.6億t/a，鋼鐵行業(yè)減排需求為0.8億～1.3億t/a。煤電機(jī)組CCUS改造具備較強(qiáng)的碳排放捕獲能力，所有煤電機(jī)組要在2060年前安裝碳捕集裝置。我國(guó)應(yīng)加快部署煤炭產(chǎn)業(yè)鏈CCUS項(xiàng)目示范，開辟煤炭行業(yè)脫碳、去碳利用新途徑。

3.3 基于趨勢(shì)分析法的國(guó)際典型案例結(jié)果驗(yàn)證與分析

根據(jù)主要煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)家的煤炭發(fā)展歷程、能源結(jié)構(gòu)演化和能源效率變化，分別按照各自發(fā)展趨勢(shì)，采用線性擬合和多項(xiàng)式擬合整理得到了美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和法國(guó)的煤炭消費(fèi)變化趨勢(shì)(圖7(a))和能源結(jié)構(gòu)演變(圖7(b))。國(guó)際經(jīng)驗(yàn)表明，德國(guó)、英國(guó)和法國(guó)煤炭消費(fèi)總量較少、去煤化進(jìn)程相對(duì)較為平緩、能源效率相對(duì)較高。德國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭逐步被天然氣和非化石能源替代，但天然氣對(duì)外依存度約95%；法國(guó)核能占比高，而英國(guó)的可再生能源和天然氣有效保障了煤炭消費(fèi)下降后的能源消費(fèi)需求。美國(guó)的煤炭消費(fèi)呈現(xiàn)明顯的倒U型環(huán)境庫茲涅茨曲線，自2005年開始，美國(guó)煤炭消費(fèi)下降趨勢(shì)非常明顯，天然氣和非化石能源增長(zhǎng)迅速，但能源效率相對(duì)較低，單位GDP能耗是德國(guó)的1.5倍。

圖7 主要國(guó)家煤炭消費(fèi)變化特征與去煤化進(jìn)程Fig.7 Coal consumption trends and retirement processof major countries

從以上國(guó)際經(jīng)驗(yàn)來看，典型煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)家的煤炭發(fā)展歷程揭示了國(guó)際上存在能源替代與能效提升并重和單純依靠資源替代的煤炭低碳化發(fā)展模式，這與各國(guó)資源稟賦密切相關(guān)。按照美國(guó)2005年煤炭消費(fèi)達(dá)峰后資源替代模式，我國(guó)2060年煤炭消費(fèi)將降至約2.9億t標(biāo)準(zhǔn)煤。按德國(guó)能效提升與能源替代并重的發(fā)展模式，2060年我國(guó)煤炭消費(fèi)將降至5.6億～7.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤，2070—2075年實(shí)現(xiàn)煤炭高比例替代，與本文保障情景下預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合。綜合來看，本文預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度和可行性。結(jié)合中國(guó)工程院重大咨詢項(xiàng)目《我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略及路徑研究》研究成果繪制的中國(guó)煤炭需求占比預(yù)測(cè)，與典型國(guó)家能源結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)相比，石油和天然氣在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)占比不會(huì)超過50%，煤炭消費(fèi)占比將從2030年的36%～48%逐步下降到2060年的6%～17%，其將在可再生能源大規(guī)模發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的壓艙石作用。

4 結(jié)論與建議

4.1 主要結(jié)論

1)綜合煤炭消費(fèi)重點(diǎn)部門對(duì)于煤炭保障性需求，得到了碳中和目標(biāo)下不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的煤炭保障性需求，2060年煤炭產(chǎn)能需求在不同情景下預(yù)計(jì)分別為2.8億～3.3億、5.2億～6.1億、6.7億～7.9億t標(biāo)準(zhǔn)煤，產(chǎn)能規(guī)劃可按照3.5億～7.0億t標(biāo)準(zhǔn)煤進(jìn)行生產(chǎn)布局優(yōu)化。2030、2040、2050中長(zhǎng)期煤炭產(chǎn)能需求量分別為21.2億～28.7億、14.0億～20.9億和6.6億～13.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤，煤炭行業(yè)將面臨重大調(diào)整。

2)煤炭主要消費(fèi)部門對(duì)于煤炭的保障性需求差異較明顯，電力部門保障性供應(yīng)需求較關(guān)鍵?？紤]到非化石能源電力的替代作用，電力部門的煤炭需求取決于極端事件影響下煤炭對(duì)于電力的兜底保障作用和煤電CCUS技術(shù)鏈條的發(fā)展，而化工部門的煤炭需求主要來自現(xiàn)代煤化工的原料需求，鋼鐵和水泥行業(yè)由于無法實(shí)現(xiàn)煤炭燃料的完全替代而產(chǎn)生一部分煤炭保障性需求。從部門來看，電力部門對(duì)于煤炭保障性需求最大，但面臨的不確定性也較高，新型電力系統(tǒng)中的煤炭角色有待深入研究。

3)借鑒典型國(guó)家煤炭發(fā)展進(jìn)程和煤炭低碳化發(fā)展模式，2060年我國(guó)煤炭消費(fèi)量將分別達(dá)到2.9億t和5.6億～7.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤。本研究結(jié)果與國(guó)際主要國(guó)家煤炭發(fā)展歷程較為吻合，大多數(shù)國(guó)家采取了較平緩的低比例煤炭發(fā)展進(jìn)程，且其煤炭消費(fèi)量相對(duì)較小、能源效率高。

4.2 政策建議

煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展是碳中和目標(biāo)對(duì)于我國(guó)能源發(fā)展的必然要求[37-38]。在煤炭從主體能源到壓艙石能源的轉(zhuǎn)型過程中，煤炭始終是我國(guó)能源安全的基礎(chǔ)保障，將支撐我國(guó)能源體系的變革。基于碳中和目標(biāo)下煤炭保障性需求預(yù)測(cè)結(jié)果，煤炭行業(yè)將面臨重大調(diào)整，煤炭工業(yè)宏觀調(diào)控要認(rèn)清和把握好煤炭供需的未來發(fā)展趨勢(shì)，明晰煤炭在碳中和目標(biāo)下的未來定位。面對(duì)碳中和背景下煤炭產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)，煤炭行業(yè)應(yīng)從產(chǎn)能科學(xué)評(píng)價(jià)、產(chǎn)業(yè)鏈革新、節(jié)能減排、電力安全和煤炭柔性化供給等方面進(jìn)行優(yōu)化。

1)煤炭產(chǎn)能科學(xué)評(píng)價(jià)，穩(wěn)步推進(jìn)煤炭生產(chǎn)格局優(yōu)化。在煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)總量持續(xù)銳減的大背景下，煤炭深度去產(chǎn)能將成為必然趨勢(shì)，而煤炭產(chǎn)能科學(xué)評(píng)價(jià)是煤炭深度去產(chǎn)能的前提和基礎(chǔ)，也是穩(wěn)步推進(jìn)煤炭生產(chǎn)格局優(yōu)化的決策依據(jù)?；诿禾慨a(chǎn)能科學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果，煤炭行業(yè)可逐步推動(dòng)煤炭生產(chǎn)結(jié)構(gòu)節(jié)能減排。在煤炭深度去產(chǎn)能的過程中，人員安置是煤炭企業(yè)社會(huì)責(zé)任的基石，推動(dòng)廢棄礦井綜合利用，實(shí)現(xiàn)變廢為寶，促進(jìn)煤炭落后產(chǎn)能獲得新生，創(chuàng)新礦井生命周期管理從搖籃到墳?zāi)乖俚叫律男吕碚摗?/p>

2)煤炭碳中和技術(shù)研發(fā)，推動(dòng)煤炭產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)鏈條延伸。隨著煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)總量持續(xù)銳減，碳中和技術(shù)是煤炭行業(yè)永續(xù)發(fā)展的生命線。CCUS技術(shù)、高端煤化工技術(shù)、碳資源化技術(shù)等將對(duì)煤炭行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)鏈進(jìn)行低碳延伸。因此，加快煤炭碳中和技術(shù)研發(fā)力度，從資源利用效率、碳減排效果、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面探討技術(shù)的開發(fā)潛力、價(jià)值、示范工程和商業(yè)模式，盡快實(shí)現(xiàn)技術(shù)盈利將決定碳中和目標(biāo)下煤炭行業(yè)的生存發(fā)展空間。從技術(shù)鏈條看，煤炭產(chǎn)業(yè)向煤炭耦合CCUS技術(shù)延伸。從部門來看，CCUS技術(shù)既是保持低碳燃煤發(fā)電和煤化工利用的主要技術(shù)手段，也是鋼鐵、水泥等重點(diǎn)工業(yè)減排的必要技術(shù)選擇。因此，碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)將促使煤炭傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的革新和延伸，耦合CCUS的煤炭產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)于推動(dòng)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要。

3)挖掘煤炭全產(chǎn)業(yè)鏈低碳發(fā)展和節(jié)能減排，提高全產(chǎn)業(yè)鏈智能化水平。煤炭行業(yè)低碳發(fā)展既要著眼于未來碳中和技術(shù)的研發(fā)和布局，也要著眼于當(dāng)前煤炭行業(yè)低碳發(fā)展實(shí)踐。煤炭工業(yè)近期科技發(fā)展需緊密圍繞安全綠色智能開采和清潔高效低碳利用方向，打造低碳產(chǎn)業(yè)鏈。在未來一段時(shí)間內(nèi)，除了推進(jìn)煤炭去產(chǎn)能工作，煤炭行業(yè)還可從全產(chǎn)業(yè)鏈推動(dòng)節(jié)能減排研究工作，挖掘煤炭領(lǐng)域節(jié)能減排潛力，提高煤炭資源回收利用效率，變產(chǎn)煤為產(chǎn)氣，提高煤礦瓦斯抽采與利用效率，提升煤炭行業(yè)整體智能化水平，努力提高科技創(chuàng)新對(duì)我國(guó)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的支撐能力。

4)電力安全視角下煤炭產(chǎn)能規(guī)劃、產(chǎn)運(yùn)儲(chǔ)用一體化發(fā)展與智能控制。煤炭一體化產(chǎn)業(yè)鏈智能控制模式對(duì)于我國(guó)電氣化時(shí)代的社會(huì)發(fā)展與穩(wěn)定至關(guān)重要。煤炭全產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)能減排是碳中和目標(biāo)下煤炭企業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展的重要戰(zhàn)略。新能源轉(zhuǎn)型、高端煤化工、氫能布局、CCUS技術(shù)部署都將是煤炭產(chǎn)業(yè)業(yè)務(wù)模塊優(yōu)化布局的重要方向。加快建設(shè)煤炭低碳供應(yīng)鏈管理體系是煤炭行業(yè)朝向集采、選、充、熱、電、氣等一體化全生命過程節(jié)能減排與智能管理的戰(zhàn)略路徑。

5)提升以智能化為支撐的煤炭柔性生產(chǎn)供給保障能力。在產(chǎn)業(yè)調(diào)整和能源轉(zhuǎn)型過程中，煤炭資源開發(fā)供給的不均衡和需求的不確定為能源安全供給帶來巨大挑戰(zhàn)。煤炭智能柔性開放供給體系是將新一代技術(shù)與煤炭開發(fā)、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)等進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)煤礦決策的智能化和運(yùn)行的自動(dòng)化，保障煤炭資源安全、高效、穩(wěn)定和柔性供給。對(duì)煤炭保障性需求的預(yù)測(cè)結(jié)果可以為我國(guó)未來制定煤炭產(chǎn)能收縮與釋放機(jī)制提供參考。

隨著碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的逐步實(shí)現(xiàn)，煤炭行業(yè)將迎來巨大變化，然而，這種變化將是循序漸進(jìn)式的穩(wěn)步推進(jìn)，煤炭對(duì)于能源-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-安全-環(huán)境系統(tǒng)穩(wěn)定性將發(fā)揮重要的支撐作用。無論從我國(guó)能源稟賦還是碳中和成本而言，煤炭行業(yè)作為能源安全基石的重要性無法替代。因此，煤炭工業(yè)應(yīng)高度重視碳中和技術(shù)研發(fā)力度，加大煤炭行業(yè)碳中和科學(xué)問題的研究，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)碳排放閉環(huán)管理，全面啟動(dòng)碳資源化利用前瞻性技術(shù)開發(fā)，助推中國(guó)能源強(qiáng)國(guó)和煤炭強(qiáng)國(guó)夢(mèng)。