气候目标下中国煤基能源与CCUS技术的耦合性研究

聂立功

(神华科学技术研究院有限责任公司，北京市昌平区，102211)

★ 经济管理 ★

气候目标下中国煤基能源与CCUS技术的耦合性研究

聂立功

(神华科学技术研究院有限责任公司，北京市昌平区，102211)

《巴黎协定》进一步明确2℃的温升目标，碳排放问题将成为制约中国煤基能源体系可持续发展最为核心而长久的因素。在分析中国煤基能源体系的作用、地位、结构及发展布局的基础上，结合二氧化碳捕集、利用与封存技术的减排潜力、发展阶段特点与主要障碍，认为中国煤基能源体系与CCUS技术具有较好的协同耦合发展潜力。

气候目标 煤基能源 可持续发展 CCUS技术 耦合性

煤炭是中国最主要的化石能源资源，长期以来作为主要工业燃料和原料，在国民经济中发挥着支柱作用。煤炭主要用于发电、炼钢、建材、化工等行业，煤炭开采、运输与转化利用等行业共同构成煤基能源体系，本文重点探讨煤炭生产、煤电及现代煤化工产业。

2016年11月4日《巴黎协定》生效，巴黎气候协定进一步明确了将全球温升控制在2℃以内的目标。根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)研究评估，若要实现2℃的气候目标，全球温室气体排放需在2020年左右达到峰值,随后开始稳步下降，在21世纪下半叶全球要实现净零碳排放。据崔学勤等(2016)测算结果显示，2℃目标下，全球2030年、2050年 CO2排放量相对 2010 年分别需要下降 16%和63%。在此背景下，全球化石能源，尤其对于碳排放强度最大的煤炭行业而言，将面临着大幅度减少碳排放的挑战。

二氧化碳捕集、利用与封存技术(CCUS)是指将CO2从工业或者能源生产相关源中分离出来，加以地质、化工或生物利用，或输送到适宜的场地封存，使CO2与大气长期隔离的技术组合。CCUS技术的碳减排效果显著，总减排潜力巨大，在各类化石能源行业中均可以应用。但是，额外能耗大、减排成本高、长期安全监测难等问题是当前制约CCUS发展应用的主要问题。CCUS技术已经进入到工业规模级示范发展阶段，截至2016年底，全球有15个投入运行的大型一体化CCUS项目，捕集CO2达到2950万t/a。

本文尝试在全球2℃温升目标共识的背景下，从分析中国煤基能源体系自身作用、地位、结构、发展布局的趋势特点和面临的主要挑战约束入手，结合二氧化碳捕集、利用与封存技术的减排潜力、发展阶段与主要障碍，研究和评估中国煤基能源体系与CCUS技术的相互关系及发展潜力。

1 中国煤基能源可持续发展的意义、趋势和制约因素

1.1 中国可持续利用煤基能源的意义

煤炭是中国储量、产量、消费量最大的化石能源资源，在经济高速发展的30多年里发挥着基础能源和重要支撑产业的作用。2002-2011年间(也被称为中国煤炭行业的“黄金十年”)，中国经济平均增速10.7%，能源消费平均增速9.6%，年均能源消费增长2.17亿t标准煤，其中66.1%以上来自于煤炭。近年来，煤炭消费总量有所下降，但2016年煤炭消费总量约37.8亿t，占中国一次能源消费量仍高达62%。由于中国到2030年前仍处于城镇化和工业化发展的进程之中，能源消费总量将继续上升，而可再生能源对于传统煤基能源的大规模替代是一个渐进的过程，因此，煤炭消费总量一段时期内仍将维持较大规模。预计2030年煤炭在一次能源消费结构中占比50%左右，在未来相当长时期内，煤炭作为主体能源和重要工业原料的地位不会发生根本性改变。因此，煤基能源可持续发展是关系中国经济社会长期持续稳定发展的重大问题。

1.2 中国煤基能源可持续发展的发展布局和趋势

在可持续发展和生态文明等发展理念的要求下，中国煤基能源体系的区域布局、发展方向、产业结构、技术水平等都将随之发生深刻调整与变革。

(1)从资源接续和开发布局方面看，煤炭开发呈现向西部地区集中的趋势。中国煤炭资源储量集中在中西部地区，随着开采数量和开发强度增大，东部诸多省份煤炭资源接续困难，土地资源破坏和资源压覆现象较重，由此，根据全国主体功能区划及大型能源基地规划，煤炭开发利用在地域空间上将进一步向西北部资源密集地区集中。根据全国主体功能区划，未来能源资源开发将“重点在能源资源富集的山西、鄂尔多斯盆地、西南、东北和新疆等地区建设能源基地”。

(2)从煤炭转化利用方式上看，煤炭将由燃料向燃料与原料并举的方向发展。《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》中明确指出，“煤炭是我国的主体能源和重要原料，适度发展煤炭深加工产业，既是国家能源战略技术储备和产能储备的需要，也是推进煤炭清洁高效利用和保障国家能源安全的重要举措”，预计2020年，我国煤制油产能为1300万t/a、煤制天然气产能为170亿m3/a。从国家的规划与政策导向上看，未来将依托中国丰富的煤炭资源，依靠技术创新带动煤炭产业转型升级发展，不断提高能效、降低水耗、保护生态环境、降低污染物排放，实现煤炭企业向综合能源、电力、化工一体化发展模式转型。

(3)从煤炭转化利用规模上看，煤电、煤化工等煤炭产业将向集中化和大型化发展。国家发改委、环保部、国家能源局联合印发了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》，提出为进一步提升煤炭高效清洁发展水平，国家将持续提高发电用煤比重，到2020年电煤在煤炭消费总量的占比达到60%，减少分散燃烧，实现燃煤方式和技术水平的现代化。在装机规模上提高了煤电准入门槛，新建机组原则上采用60万kW及以上超超临界机组。国家能源局在《关于规范煤制油、煤制天然气产业科学有序发展的通知》中明确提出，禁止建设20亿m3/a及以下规模的煤制天然气项目和100万t/a及以下规模的煤制油项目。国家产业政策将引导燃煤电站装机容量、煤化工、煤制油、煤制气设计产能趋向大型化，煤炭转化利用更加就近向西部大型煤炭生产基地集中。

1.3中国煤基能源可持续发展面临的主要制约因素

1.3.1 大气环境污染

传统煤炭利用方式造成大量污染物排放，燃煤是SOX、NOX、粉尘等污染物的主要来源，煤炭清洁利用是实现治理雾霾等大气环境问题的重要手段。据清华大学MEIC模型分析，煤炭是中国一次PM2.5及二次前体物的重要排放源，占一次PM2.5颗粒物排放总量的53%，对中国SOX、NOX、VOC总排放量的贡献度分别为91%、68%和16%。随着新《环保法》以及大气污染、水污染、土壤污染等专项行动计划的实施，煤基能源的污染控制要求将更加严格。

1.3.2 水资源瓶颈

在开发利用重心向西北部地区转移的过程中，煤炭开发利用面临的水资源瓶颈问题日益突出。中国煤炭资源与水资源富集地区呈现出显著逆向分布的特点，富煤的西北部地区水资源相对短缺。煤炭开采以及转化利用(发电、煤化工、煤制油气等)均是高耗水部门，限制了大规模的煤炭开采和就地加工转化。在国家执行最严格的水资源管理制度的刚性约束下，推进西北部地区能源、煤炭、煤电、煤化工等大型基地建设必须解决水资源约束的瓶颈。

1.3.3 碳排放约束

近年来，国际社会对气候变化的科学认识不断深化，共同采取积极行动应对气候变化、实现低碳发展日益成为全球共识。在化石能源中，煤炭的碳强度最高，也是最大的二氧化碳排放源，日趋严格的二氧化碳排放限制对煤炭的长期利用提出了质疑。煤炭占中国化石能源碳排放量的80%以上，实现煤炭相关产业的低碳转型是降低碳排放总量、达成气候变化目标的重要途径。中国已承诺2030年左右二氧化碳排放达到峰值并争取早日实现，煤基能源产业面临的碳排放约束将不断严苛。

2 CCUS技术的作用潜力及发展障碍

CCUS技术具有碳减排潜力大、与传统化石能源体系结合度高等特点，多元化的CO2资源化利用技术延伸了传统化石能源的产业链，经济和社会效益突出。但是，目前该技术还处于研发和示范的早期阶段，因此存在着技术成熟度低、能耗高、成本高、长期封存安全性有待检验等方面的不足，CCUS技术的产业化发展应用尚需时日。

2.1 CCUS技术的作用

CCUS技术是在应对全球气候变化的背景下所提出的，但是其作用和综合效益可以涵盖包括应对气候变化以及产生附带经济、环境和社会效益等多个方面。

(1)CCUS是减缓气候变化技术组合中重要的技术选择之一。在应对气候变化方面，CCUS技术的作用得到国际社会的高度评价与广泛认可，已被定位为达成全球气候目标至关重要的减排技术选择之一，并且是实现化石能源利用二氧化碳深度减排的唯一途径。IPCC《决策者第五次评估报告摘要》指出，如果没有CCUS，绝大多数气候模式运行都不能实现2℃的气候目标，重要的是，“如果没有CCUS，缓解气候变化的成本将会达到2倍以上，平均升高138%。”

(2)CO2资源化利用可以延伸煤基能源产业链，经济效益和社会效益巨大。二氧化碳资源化利用技术，是指利用CO2的物理、化学或生物等特性、作用，生产具有商业价值的产品，涵盖了能源增采与合成、资源增采、化学品合成、消费品生产等众多领域。在不同的政策背景与减排情景下，CO2利用技术2030年可实现减排CO2约2～8.8亿t/a，工业产值可达到3000～9000亿元/a。在其他社会效益方面，CCUS技术为解决能源安全(如CO2强化采油、CO2驱替煤层气)、水资源(CO2驱采地下水)等问题提供技术选择，通过延伸煤炭行业的产业链，创造就业机会与新的经济增长极，在实现减排效益的同时，产生良好的社会、经济与环境生态综合效益。

(3)碳捕集过程还可以产生环境污染物减排的协同效益。在环境效益方面，推广CCUS技术的过程中，通过技术路线设计和创新CO2利用途径等方式，在脱碳的过程中可以实现对汞、SOX、NOX等其他大气环境污染物一体化脱除，可以发挥区域环境治理的协同效应。在富氧燃烧、燃烧前捕集(煤气化)等技术路线下，脱碳的过程中可以实现SOX、NOX等污染物的协同脱除；在咸水层封存方式中也可以实现酸性气体的一体化封存。总体而言，实施CCUS技术可以达到减低大气污染物排放的协同效应。

2.2 CCUS技术的主要特点

CCUS同传统化石能源系统具有广泛的结合度，尤其对于化石能源电站、化工厂、钢铁厂、水泥厂等大规模集中固定排放源，碳捕集技术可以更好地发挥减排作用。由于适用于大型排放源，碳捕集和减排规模都较大，在捕集、运输和封存的成本控制方面规模经济效应显著。煤基能源体系的碳排放源具有多样性，而二氧化碳利用技术包括能源、生物、化工等多个行业，碳源与碳利用、封存往往布局于相邻地域，因此，CCUS产业链具有集聚经济的潜力和需求。

由于CCUS技术具有产业链长、跨行业、长周期、效益多元化等特点，应在更大的时空尺度和更加多元的维度识别和评价CCUS技术的作用和价值，并根据各地区的特点与需求，发展各具特色的CCUS技术与产业。

2.3 CCUS技术产业化应用的主要障碍

高成本、高能耗、地质封存安全性等问题是制约CCUS发展的主要障碍，其中尤以成本过高严重影响CCUS的产业化应用，而CCUS全流程成本中，捕集部分占了绝大部分成本。例如，在电力部门一个大规模CCUS项目成本的70%～90% 都用于捕集和压缩过程相关的花费上。以煤气化为龙头的现代煤化工行业，在煤炭转化过程中可以产生部分高浓度碳源，实施捕集的成本将大大降低。以神华鄂尔多斯108万t/a煤炭直接液化示范工程的CO2排放情况分析，据测算对煤气化环节的高浓度碳源实施规模化捕集，成本有望控制在100元/t左右。

3 煤基能源与CCUS技术的耦合性

在气候目标约束和现有能源结构条件下，煤基能源同CCUS技术具有相互依存、协调互补的关系。一方面，煤基能源体系的存续发展是CCUS技术应用的前提；另一方面，CCUS技术具有解决煤电、煤化工、水泥、钢铁行业中CO2排放问题的潜力，是碳约束条件下煤基能源可持续发展的重要技术保障。

中国煤基能源体系与CCUS技术的耦合性如图1所示。整体而言，从CCUS与煤基能源体系的作用、特点、趋势分析可以看出，二者呈现出相互契合、协同互补的发展态势，具有耦合发展的潜力。CCUS技术的作用、特点能够较好地契合中国未来煤基能源低碳转型的发展趋势和需求。

(1)地域空间分布上煤基能源与CCUS具有较好的契合度。中国煤炭生产进一步向西北部集中，同时依托煤炭基地建设若干煤电、现代煤化工示范基地带动碳排放源向西北地区集中，而中国适宜CO2地质封存的地下空间主要位于西北部地区，排放源西移可增大配对比例，缩短输送距离，有利于集中建设和优化区域输送管网，提高源汇匹配度，从而减少运输成本且提高CCUS贡献度。

(2)煤基能源规模化、基地化布局发展，为CCUS发展提供了产业化发展的基础条件。排放源集中化、大型化带来的全流程规模效应，可降低CCUS减排成本。在包含煤炭、煤电、煤化工、油气开采等多行业的综合能源基地内，便于发挥CCUS跨行业的特点，带来集聚经济效益。由于西部地区具有较多二氧化碳提高石油采收率(CO2-EOR)等负成本CCUS机会，通过系统规划，可以进一步增加CCUS技术减排贡献、降低总体减排成本。

(3)现代煤化工产生的高浓度气源占比增加可降低捕集成本，增加早期低成本实施CCUS的机会。在CCUS示范应用的早期，利用高浓度碳源的低成本优势，有利于国家和企业降低示范期的总体成本，提高技术进步率，缩短技术示范应用到发展成熟的周期。

图1 中国煤基能源体系与CCUS技术的耦合性

(4)二氧化碳增强采水(CO2-EWR)在封存CO2的同时驱采深层地下水加以回收利用，可以一定程度上缓解煤基能源面临的水资源压力。在有条件的地区实施地下咸水层封存和驱采地下水，通过净化后可以成为煤基产业的新补充供水源，同时有利于调节地下地质封存空间的压力，提高封存安全性。

(5)实施碳捕集对于煤炭转化利用过程中的污染物可以产生协同治理的环境效益。无论对燃煤电厂还是现代煤化工厂实施碳捕集，都要求对尾气进行净化处理，可有效减少硫化物、氮氧化物等污染物排放，避免污染源的区域间转移，可以产生较好的环境协同效益。

4 结论与展望

4.1 结论

CCUS被包含在全球以最低成本追求《巴黎协定》2℃气候目标的诸多能源技术情景之中，CCUS是煤基能源实现深度碳减排的必由之路，而中国被认为是潜在的CCUS最大应用市场。对于中国而言，煤炭在较长时间内的基础地位不会发生根本改变，推进煤基能源体系的清洁、高效、低碳开发利用，是生态环境约束下煤炭发展的必然选择，同时也是优化能源结构、促进能源生产和消费革命的关键所在。

在气候目标约束下，依靠技术创新，通过开发先进燃煤发电机组、发展现代煤化工并结合二氧化碳捕集、利用与封存技术，实现煤炭清洁高效开发利用、污染物超低排放、有效控制碳排放，是中国煤炭工业转型、实现可持续发展的重要路径，也是全球达成2℃温升目标的重要保证。在深度碳减排的外部约束条件下，中国煤基能源同CCUS技术具有较好的互补性与耦合性，二者协同发展的潜力和市场空间巨大。通过煤基能源与CCUS技术的耦合协同发展，可以实现经济、能源、气候、环境及社会等多元效益。

4.2 展望

国际碳减排责任分担机制和未来中国碳减排政策措施力度是CCUS技术发展的决定性因素。当前全球气候治理模式处于深度调整期，政策走向具有较大不确定性，因此本文旨在从科学研究层面探讨CCUS技术同煤基能源可持续发展的相互关系，供政府决策者和相关行业企业参考。

未来根据不同的政策走向和技术进步水平，可以研究开发CCUS与中国煤基能源的耦合方式、耦合途径、优先领域的评估方法，并对技术发展时空路线图深入细化研究，进一步筛选识别出主要路线和早期机遇，作为CCUS同煤炭能源体系耦合发展的总体战略和优选路径。

在政策布局上，2017年我国即将启动全国碳排放权交易市场，煤基能源行业大多是碳市场覆盖的范围之内，亟待补充完善和开发CCUS技术适用的碳核查指南与碳减排方法学，为控排企业投入CCUS研发和示范应用给予创新激励和提供可选路径。CCUS的广泛部署有赖于政府能否给予其“公平的低碳政策”，也就是说，在研发支持、产业政策设计方面，可以参照可再生能源等其他低碳技术给予CCUS相适的关注、认可和支持。

[1] 髙翔.《巴黎协定》与国际减缓气候变化合作模式的变迁[J].气候变化研究进展，2016(2)

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[7] 吴秀章.中国二氧化碳捕集与地质封存首次规模化探索[M].北京：科学出版社，2013

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Studyoncouplingofcoal-basedenergyandCCUStechnologyinChinaunderclimatetarget

Nie Ligong

(Shenhua Science and Technology Research Institute Co., Ltd., Changping, Beijing 102211, China)

As the Paris Agreement further clarified the temperature target of 2 degrees Celsius, carbon emissions become the core and long-lasting factors that constrain the sustainable development of Chinese coal-based energy system. This paper first analyzed the role, status, structure and development of Chinese coal-based energy system, combined with the characteristics, potential of reduction emission and main obstacles of carbon dioxide capture, utilization and storage (CCUS) technology, it was believed that there was favorable cooperative coupling development potential between Chinese coal-based energy system and CCUS technology.

climate target, coal-based energy, sustainable development, CCUS technology, coupling

中国工程院重大咨询研究项目(2016-ZD-07-02-01，2016-ZD-07-08)

聂立功.气候目标下中国煤基能源与CCUS技术的耦合性研究[J].中国煤炭，2017，43(10):10-14.

Nie Ligong. Study on coupling of coal-based energy and CCUS technology in China under climate target [J].China Coal，2017，43(10):10-14.

TD-9

A

聂立功(1962-)，男，黑龙江绥棱人，高级工程师，主要从事煤炭经济与战略研究。

(责任编辑 宋潇潇)