碳中和目标下中国煤炭产业发展多情景构想研究

廖志高，阮梦颖

（1.广西科技大学经济与管理学院，广西 柳州 545006；2.广西工业高质量发展研究中心，广西 柳州 545006）

中国作为全球最大的发展中国家和碳排放国，因经济的高速增长导致碳排放持续上升，过量的碳排放使中国面临的减排压力也与日俱增。全球变暖加剧了地球气候系统的不稳定性，使得极端气候越来越多发。中国高度重视应对气候变化工作，面对全球气候变暖这个关乎全世界、全人类的严峻问题，中国提出了二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取2060年前实现碳中和，并以此为目标展开减排活动。温室气体的排放绝大部分来自化石能源的使用，煤炭是高碳化石能源，控制煤炭消费量是中国实现碳中和的关键。本文对中国2060年碳中和时不同情景下二氧化碳排放量以及煤炭消费量进行估算，探究煤炭的减排力度，旨在为实现碳达峰、碳中和目标助力。[1]

一、碳中和目标导向下中国煤炭发展定位

矿物燃料的使用会生成大量二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、颗粒物、碳氢化合物和重金属等污染物。煤炭属于高碳能源，单位煤炭燃烧过程中释放的二氧化碳远高于其他化石能源。煤炭从开采到终端使用的全过程，各个环节都会带来污染问题。据国家统计局发布的数据，2020年中国全年能源消耗总量为49.8亿吨标准煤，较上年增长了2.2%，其中煤炭消耗量增长了0.6%，煤炭消耗量占能源消耗总量的一半以上。①中国经济高速增长依赖能源的消耗，发展经济的同时由于大量使用煤炭，环境问题尤为突出。碳中和目标导向下，中国需要大力削减化石能源的消费量，尤其是限制煤炭的消费量，并提升非化石能源的消费比例，加大清洁能源的使用，加快推进可再生能源的发展[2]。

煤炭作为中国生产与消费规模最大的化石能源，是当前工业生产的支柱，已形成相对完整、成熟的产业链；目前因水电、风能、太阳能、海洋能等新能源开发利用的技术还不成熟，短期内无法解决受气候、季节影响等不稳定问题，所以煤炭仍然是中国当前最经济、最可靠的能源资源；“富煤、贫油、少气”的能源禀赋特征从根本上决定了中国以煤炭为主的能源结构在短期内不会改变，但在“双碳”目标碳减排任务驱动下，煤炭产业要加快技术升级，全面推进煤炭智能绿色开采及清洁高效利用进程，研究碳捕捉应用技术，以便未来将煤炭作为稳定器，发挥煤炭在能源体系中的兜底保障作用。

二、中国煤炭发展前景探讨

（一）当前能源结构

受新冠肺炎疫情的影响，2020年全球一次能源消费下降4.5%，燃料增长速度多数低于过去10年的平均水平，全球煤炭产量减少5.2%、消费量减少4.2%，煤炭发电全球占比下滑到35.1%[3]，但煤炭仍是电力行业的主要能源；可再生能源在全球总发电量中占比从10.3%增长到11.7%，能源结构得到优化。在全球能源消费量下跌的情况下，中国是少数能源消费量增长的国家之一，也是全球为数不多的碳排放量增加的国家之一；2020年中国一次能源消费量增长2.0%，其中煤炭消费量比上年增加了0.32%，占全球煤炭总消费量的55.5%。②目前，已有20多个国家和地区宣布“退煤”目标，国际压力和社会舆论对煤炭行业的发展提出了更高的要求，中国“退煤”工作有序展开，持续推进煤炭消费规模的缩减，实现煤炭从主力能源转向调节性能源。

（二）能源结构变化对碳排放的影响

实现碳中和目标关键在于调整能源结构，降低化石能源的消费比重，提高如水能、风能、太阳能、核电、生物质能等清洁能源的占比。全球能源结构经历了从以煤炭为主到以油气为主的阶段，当前正在向非化石能源为主的结构过渡；中国实现碳中和必然要改变以煤炭为主的能源结构[4]。基于能源结构变化对碳排放的影响，以下将从产业结构与能源结构之间的联系以及现有研究的碳中和目标导向探讨煤炭的发展前景。

1.能源结构变化与产业结构变化的关系

观察部分已完成碳达峰目标的发达国家发现：其经济发展阶段靠前、能源结构转型时间较早，发达国家无一不在淘汰煤炭、降低煤电装机比重、选用更为清洁的能源发电取代煤电[5]。2020年北美洲、独立国家联合体、中东等都以天然气发电为主；中南美洲以水电发电为主；欧洲进入各种能源均衡发电的格局，超过核能发电；亚洲地区仍以煤炭发电为主，煤电占比为57.2%。2020年，中国水电、可再生能源发电、核能发电持续增长，但煤电仍占发电总量的62.6%。能源产业尤其是煤炭产业是中国碳排放的主要来源，煤炭消费比重虽持续下降，但2020年仍高达56.8%（美国和欧盟煤炭消费比重不超过15%②），要实现碳中和目标，中国的能源结构就必须进一步调整，大幅削减煤炭的消费比重。中国近5年煤炭与天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量占能源消费总量的比重如图1所示。

图1 2016—2020年煤炭与清洁能源消费量占能源消费总量比重

发达国家产业结构经历了由第二产业为主导向第三产业为主导的转变，碳中和背景下中国要优化产业结构、持续推进可持续发展。虽然中国的服务业比重持续稳步增长，且在2020年增加值占GDP比重达到了54.5%，但对比美国、欧盟碳达峰时服务业增加值占GDP比重分别为73.9%、63.7%，中国的服务业还有很大的提升空间。为实现“双碳”目标，进一步降低第二产业带来的能源消耗及碳排放，中国服务业增加值占比将在2030年达到63%，在2060年占比超过70%，平稳推进产业优化升级。中国近5年三大产业增加值占国内生产总值比重如图2所示。

图2 2016—2020年三大产业增加值占国内生产总值比重

产业结构变化同经济增长、能源消耗、二氧化碳排放有直接联系，工业以及制造业单位增加值能耗高、碳排放量就大，可通过调整产业结构促进能源结构的转变。从2016年到2020年中国产业结构与能源结构发展变化的对比来看，随着第二产业的改造升级、占比逐年降低，在第三产业中加快推进现代服务业的建设，改变了能源消费，进一步影响到了能源的利用效率，从而减少煤炭的消费量。同时，通过推动工业生产向低碳化转型，制造业加快向高附加值、低能耗产业转变，清洁设备、新能源汽车、林业经济等产业比重的上升，天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量占比的持续上升，从而推动非化石能源的发展。

2.基于现有研究的碳中和目标导向下中国煤炭发展前景

美国、英国、德国等国家已经完成了石油、天然气代替煤炭的过程，完成或正在开展可再生能源替代煤炭的工作；中国一直致力于降低煤炭消费量，开发利用能够替代煤炭的能源资源。由于中国能源结构是多煤、少油、缺气，且现阶段清洁能源发展不够成熟，受季节、气候等因素的影响较大，短期内对煤炭的取代工作相对困难，但清洁能源取代煤炭是实现碳中和目标的必然趋势[6]。

为了探讨现有研究的碳中和目标导向下煤炭的发展前景，可利用未来碳汇估算碳源量来计算不同假设情景下，2060年碳中和时二氧化碳的排放量及煤炭消费量。

（1）情景一

根据《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》中的设置，中国2060年实现碳中和可以与该研究中1.5℃温控目标情景下研究状况等同[7]。在该研究中1.5℃温控情景下，一次能源需求与能源系统二氧化碳排放预测见表1，对我国能源发展预测见表2。

表1一次能源需求与能源系统二氧化碳排放预测

表2能源发展预测

该研究中，实现1.5℃温控目标导向2050年二氧化碳净零排放时，一次能源消费构成为非化石能源占比超过85%、煤炭消费比重低于5%，该情景中农林业和土地利用年增碳汇为7.8亿吨、CCS/BECCS（碳捕集与封存/生物质能碳捕集与封存）埋存量为8.8亿吨。研究表明，中国海洋每年可从大气中吸收大约2.4亿吨二氧化碳，由此可根据陆地碳汇、海洋碳汇、CCS碳汇等估算在2060年碳中和时的二氧化碳排放量约为19亿吨。1.5℃温控目标情景下，假设2050年化石能源消费占一次能源消费总量的15%，其中煤炭消费占比为3%，将该能源结构视为2060年碳中和情景下的一次能源消费结构，碳排放只考虑由化石燃料燃烧产生。根据IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）核算框架进行能源碳排放量计算[8]：

式（1）中：Ici——碳排放量，i——化石能源的类型，Ei——不同能源消耗量，θi——不同能源标准煤换算系数，fi——不同能源的碳排放系数。

计算得出2060年煤炭消费量约为2.8亿t。

（2）情景二

根据《2060年碳中和目标下的低碳能源转型情景分析》，2060年碳中和情景下，一次能源消费总量约为47亿吨标准煤，非化石能源消费所占比重为81%，煤炭、石油、天然气消费占比分别为7%、8%、4%，碳排放同样只考虑由化石燃料燃烧产生。③估算化石能源消费的二氧化碳排放量的公式为：

式（2）中：Ic——化石能源消费的二氧化碳排放量，Ici——各化石能源碳排放量。

计算得出该情景下2060年中国二氧化碳排放量约为20亿吨，煤炭的消费量为3.7亿吨。

（3）情景三

设置碳汇量最大化时的情景得到碳中和目标导向下最宽松的减排力度，讨论该情景下煤炭的消费情况。《2060年碳中和目标下的低碳能源转型情景分析》中未提及陆地与海洋碳汇量的明确数据，但预测了2060年碳中和情景下CCS可达到16亿吨。③中国科学院大气物理研究所的研究结果显示，中国陆地生态系统年均吸收二氧化碳量约为11.1亿吨，远高于情景一和情景二中的陆地碳汇量。

为追求最大碳汇情景，情景三可设置为2060年，陆地碳汇量达到11.1亿吨、海洋碳汇量取2.4亿吨、CCS碳汇量达到16亿吨，此情景下碳汇总量为29.5亿吨，也是2060年碳中和时能够排放二氧化碳的最大量。为得到煤炭最大限度的消费量，选取情景二中的能源消费结构，化石能源消费占比为19%，其中煤炭消费占比为7%，在此情景下计算得到煤炭的最大消费量为5.7亿吨。不同情景下二氧化碳排放量与煤炭消费量对比如图3所示。

图3三种情景下碳排放量与煤炭消费量对比

2020年中国碳排放总量为102.4亿吨，按照以上3种情景，2060年碳中和时碳排放的最大值为29.5亿吨、最小值为19亿吨，在未来40年内要再减排72.9亿～83.4亿吨二氧化碳，中国将面临巨大的减排压力。2020年煤炭消费量为39亿吨，2060年实现碳中和时煤炭消费量至少要下降到5.7亿吨，煤炭未来发展十分受限，但情景三考虑碳汇量最大化时煤炭消费量比情景一中多1倍，不同情景下煤炭消费量存在差异。煤炭行业应该在2030年以前努力进行技术升级，推进煤矿智能化，积极进行绿色转型，尽早实现达峰，避免达峰时碳排放量过高影响碳中和进程。2030年至2050年，煤炭行业要进一步开发研究负碳技术，加快向新能源转型，实现煤炭行业与新能源行业的耦合发展。

三、碳中和目标下中国煤炭发展的多情景构想

碳中和目标导向下，各研究预测的一次能源消费情况虽有差异，但总体呈现煤炭消费量显著下降、天然气消费量稳步提升的趋势，非化石能源消费量占主要地位。这虽符合未来能源发展结构的主流预测，但由于中国石油和天然气能源占比较低，且对外依存度较高，存在的不确定性因素对未来能源发展造成影响，不能完全摆脱对煤炭的依赖，煤炭消费量大幅削减困难，需考虑降低石油、天然气的消费以调节煤炭带来的二氧化碳排放压力，一次能源消费会存在不同结构。由于不能准确得知未来的碳汇量与能源消费结构，推测在碳中和进程中煤炭消费量的缩减存在不同的力度，为应对碳中和目标给煤炭带来的挑战，本文根据2060年碳中和目标下能源结构设置多个假设情景，以此分析在碳中和目标导向下煤炭最宽松的减排空间，探讨煤炭减排压力最小时的情景[9]，为煤炭未来可能存在减排困难提供参考方案，以便2060年前实现碳中和目标。

（一）数据设置

选用《2060年碳中和目标下的低碳能源转型情景分析》情景下2060年一次能源消费总量为47亿吨标准煤，结合2030年碳达峰时煤炭消费估计量为29.4亿吨标准煤，约占一次能源的30%，为探讨碳中和时最有利于煤炭发展的情形，选用上文所述中情景三的数据进行预测，即2060年二氧化碳排放量为29.5亿吨为碳中和时最大二氧化碳排放量的情况。③

（二）情景构想

1.情景A：石油与天然气在一次能源消费中占比均为10%

该情景下，2060年碳中和时石油与天然气在一次能源消费中占比均为10%，结合2060年能源消费总量为47亿吨标准煤、二氧化碳排放量为29.5亿吨以及碳排放量与碳排放系数，计算得到煤炭能源的二氧化碳排放量为11.92亿吨，煤炭消费量为4.5亿吨，占一次能源消费比例的6.8%，非化石能源占比的73.2%。该情景与上述情景二中预测的2060年碳中和时煤炭消费占比相差不大，非化石能源占比较情景二低，能源结构还有很大的优化空间，此时煤炭减排压力较大，化石能源的消费受到很大限制，消费量在达峰后要减少24.9亿吨，符合目前主流预测的发展前景。

2.情景B：石油与天然气在一次能源消费中占比均为8%

该情景下，石油与天然气消费量逐渐下降，2060年在一次能源消费中占比均为8%，计算得到煤炭能源的二氧化碳排放量为15.4亿吨，煤炭消费量为5.8亿吨，占一次能源消费比例8.8%，非化石能源占比75.2%。该情景下煤炭消费量与情景三考虑在碳中和目标导向下最宽松的减排力度时一致，消费量在达峰后要减少23.6亿吨，此时煤炭减排压力较小，未来能较轻松地完成碳中和时煤炭行业的减排目标，化石能源消费留有调整空间。

3.情景C：石油与天然气在一次能源消费中占比均为5%

该情景下，石油与天然气在一次能源消费中占比均为5%，计算得到煤炭能源的二氧化碳排放量为20.7亿吨，煤炭消费量为7.8亿吨，占一次能源消费比例的11.8%，非化石能源消费占比为78.2%。该情景下非化石能源消费占比最高，能源结构最优，煤炭减排压力最小；煤炭消费量在达峰后要减少21.6亿吨，此时在碳中和目标导向下未来煤炭有最易实现的减排目标。三种情景下2060年一次能源消费结构如图4所示。

图4三种情景下2060年一次能源结构对比

上述情景是基于现有碳中和研究资料及能源发展情况为探索煤炭未来最小减排压力设置的假设性讨论。未来化石能源消费量要显著下降，若煤炭减排难度大，就需要其他化石能源减少消费量、加大减排力度，以实现2060年碳中和目标。前面讨论结果显示，在考虑最大碳汇的情景下，当石油与天然气在一次能源消费中占比均不超过5%时，煤炭消费受限最小，有最为宽松的减排空间，这个结果能为煤炭能源减排压力最小目标导向下的能源结构调整提供借鉴思路。

为实现2060年碳中和目标，要调整能源结构，化石能源消费必然受到限制。本文讨论碳中和目标导向下解决煤炭减排困难问题的情景，可以通过限制石油、天然气的消费缓解煤炭减排压力，但实现碳中和最主要的是降低煤炭消费。因此，只有实行技术升级以提高煤炭利用效率，才能实现煤炭的绿色开发利用。

四、碳中和目标导向下中国煤炭产业实现路径

（一）碳中和目标导向下中国一次能源消费

碳中和为大气中碳源和碳汇达到均衡的状态，实现碳中和的根本路径是降低碳源排放，因此削减煤炭消费是必不可少的。情景A、B、C分别讨论了不同情景下二氧化碳的排放量及煤炭的消费量，得出煤炭减排最宽松的情景，为未来发展进程中削减煤炭消费量提供了思路。

美国部分地区在极端天气下大范围停电现象反映出新能源的脆弱性以及未来新能源在发展成熟后进入大规模应用时仍需煤炭作为稳定器；中国石油和天然气资源不足，2020年中国原油对外依存度为73%、天然气对外依存度为43%④，在全球地缘政治日趋复杂的背景下，石油和天然气进口成本高且存在安全风险，煤炭仍是我国能源安全的压舱石。若由于自然因素、技术不足等方面的原因，未来中国尚不能摆脱对煤炭的依赖，煤炭消费量至少缩减为情景三中的5.7亿吨的这一目标难以实现，则需考虑调整一次能源消费结构，进一步控制石油及天然气的消费，以缓解煤炭产业压力。

碳中和主要依靠技术，实现碳中和目标不仅需降低煤炭消费量，更重要的是采用技术创新优化能源结构。中国在核心技术自主研发、外部技术引进吸收等方面还有提升空间，煤炭产业中大部分物探技术、开采装备的制造工艺、自动化技术、煤炭提质加工技术等还不够成熟，需加强能源行业的技术研发，切实提升科技对实现碳中和目标的关键支撑作用。

（二）碳中和目标导向下中国煤炭产业发展路径

1.煤炭开发环节低碳路径

在煤炭相关的开发利用中，碳减排和低碳路径研究对中国实现碳达峰、碳中和至关重要。在煤炭开发环节中，碳排放在整个煤炭碳排放链中占比较低，但其绝对值较大[10]，碳排放成本将逐渐附加于煤炭产品及煤炭生产企业，实现碳中和要进一步推进煤矿的智能化建设。

煤炭的绿色开采需要寻求先进技术以综合利用余热、余压、节水、节材等节能项目，实现资源的循环使用。高机械化水平能够增加产量、提高生产率、降低生产成本；矿井安排合理、集中有利于降低吨煤掘进率，从而降低原煤成本；采用智能化和数字化管理有利于更科学合理地指挥调度，从而提高生产效率。组建大型煤企、推进煤矿智能化是实现碳中和目标的必由之路，也是煤炭行业未来高质量发展的主攻方向，中国应加速推进煤炭企业的重组优化，发挥大型企业优势，统筹规划煤炭种类的配采措施[11]、促进多样化生产、推动技术创新、提高煤炭开发效率。

将原煤变为商品煤需经煤炭的洗选，传统的煤炭洗选加工虽能实现75%的入洗，但在碳中和目标下仍需通过增加煤炭的入洗率来提高质量、保留优质产能，顺应低碳节能的发展趋势。新形势下要进一步推动干法选煤技术智能化进程[12]，结合智能化发展趋势，将物联网、大数据、云平台等“互联网+”技术融入干法选煤全过程，做到煤中有机质与矿物质的精准分离，实现高效低碳处理。选煤行业要进一步开发先进高效的粉煤灰、煤泥、煤矸石等的干法分选技术，加强低热值煤矸石发电技术、煤矸石填充技术，粉煤灰、煤泥等低附加值产品的再利用技术等，实现其资源化利用和固体废弃物零排放，使煤炭清洁高效利用。

2.碳中和目标导向下煤电实现路径

经计算得到中国煤炭资源主要用途如表3所示，煤炭行业下游需求端集中在电力、建材、化工、钢铁四大行业，煤炭主要用于电力行业，煤电是中国二氧化碳排放最主要的来源，在碳中和目标下必须科学解决电力行业用煤污染问题。

表3煤炭资源用途及比例

中国电力主要为火力发电，其中煤电是火电的主力，应加快扩大非化石能源的发电比例，促进煤电减排实现电力清洁发展[13]。要降低二氧化碳排放量就要先考虑燃煤发电的燃料替代，用低碳、零碳燃料代替煤炭。天然气是比煤炭更清洁高效的能源，天然气发电代替煤电应成为目前火电发展的主要趋势，未来则应继续推进可再生能源发电取代煤电。

根据中国的能源资源禀赋，完全淘汰燃煤电厂是不现实的。煤电的节能改造可通过淘汰那些效率低、煤耗高、性能差的老小机组以及对占煤电容量30%的亚临界机组进行升级改造等方式加以实现，也可通过煤电的节能改造大幅度降低煤耗；此外，还可以通过掺烧非煤燃料如生物质、污泥、生活垃圾等的方式降低煤电碳排放，实现煤电的低碳发展。

3.加强碳封存、利用能力

除了从发电环节降低二氧化碳排放量外，还要考虑碳捕集工程，大力开展CCS工作，将发电产生的二氧化碳收集储存起来，实现电力供应过程清洁化；碳捕集、利用和封存（CCSU）是碳减排的重要技术，是指将二氧化碳从排放源中捕集分离，再通过罐车、管道、船舶进行运输，以实现二氧化碳的地质、化学、生物利用，或是进行地质封存与海洋封存。CCSU成本高，现阶段难以发展应用，但对实现碳中和意义重大，不仅可以实现化石能源净零排放，还能增强电力系统的灵活性，因此应进一步加强研究如何降低CCSU的成本、能耗及风险，使CCSU技术能尽快投入使用。

4.有序“退煤”与矿区修复

碳中和目标下应科学有序开展“退煤”工作。目前仍需探索煤炭的多元化发展，将煤炭与大数据管理、智能化领域等结合起来，提升煤炭的利用价值，推进煤炭行业走向绿色发展并做好兜底保障工作，在新能源对煤炭的替代过程中稳健退煤。同时，应积极参与国际碳交易、购买碳排放权；在行业间对碳配额进行合理分配，从经济层面对煤炭的稳定“离场”提供保障。此外，还需要对开采煤炭造成的矿区生态环境的破坏进行治理，推进矿区土地复垦建设，构建稳定的生态系统，并对因煤炭消费下降导致废弃的煤矿、煤电厂等资源进行再开发利用，结合新形势寻求煤炭行业发展转型机会。

结 语

本文根据目前碳中和目标导向下能源结构转变的研究，量化估计不同假设情景下2060年碳中和时二氧化碳排放量和煤炭消费情况，得到现有研究的假设情景下2060年碳中和时碳排放量在19亿～29.5亿吨，在未来40年内要再减排73亿～84亿吨，煤炭消费量将大幅下降。考虑未来削减煤炭消费量可能困难，为探讨碳中和目标导向下煤炭最宽松的减排空间，以实现碳中和时二氧化碳最大排放量的情形为基础，设置不同情景构想预测2060年时煤炭的消费情况。结果显示，当石油与天然气在一次能源消费中占比均不超过5%时，煤炭消费受限最小。该结果可为未来煤炭在碳中和目标导向下存在减排困难时提供能源结构调整的参考。

煤炭产业实现碳中和要继续推进煤炭安全智能绿色开发利用：(1)优化煤炭产能结构，提升先进产能占比；(2)加强煤矿智能化建设，降低生产能耗；(3)加强煤矿瓦斯抽采，提高利用效率；(4)加强开发矿区碳汇，探索碳中和示范矿区；(5)加快可再生能源替代煤炭；(6)大力发展CCS技术，推动储能项目建设。

注 释：

①数据来源于国家统计局2021年发布的《中华人民共和国2020年国民经济和社会发展统计公报》。

②数据源于《bp世界能源统计年鉴》。

③相关数据来源主要参考了清华大学团队《2060年碳中和目标下的低碳能源转型情景分析》的研究报告。

④数据源于《2020年国内外油气行业发展报告》。