戴厚良院士:碳中和目标下我国能源发展战略
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应对气候变化,实现碳中和是全球大势、时代命题,关乎人类未来生存发展。2020年能源相关二氧化碳排放量约占全球二氧化碳排放总量的87%,化石能源燃烧是全球二氧化碳排放的主要来源。摩根士丹利资本国际公司(MSCI)发布《MSCI 净零追踪》(MSCI Net-Zero Tracker)报告显示,截至2021年底,全球已有136个国家提出“零碳”或“碳中和”目标,覆盖全球85%的人口、90%的GDP和88%的碳排放量。中国是全球应对气候变化工作的参与者、贡献者和引领者,推动了《联合国气候变化框架公约》《京都议定书》《巴黎协定》等一系列条约的达成和生效。2020年9月,习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布:“中国将提高国家自主贡献力度采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。碳达峰、碳中和是中央经过深思熟虑做出的重大战略决策,将成为中国未来数十年内经济社会发展的主基调之一。2021年10月,中共中央、国务院发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,指出能源绿色低碳发展是实现碳中和的关键,能源领域要通过强化能源消费强度和总量双控、大幅提升能源效率、严格控制化石能源消费、积极发展非化石能源、深化能源体制机制改革等重大举措,加快构建清洁低碳安全高效能源体系,助力国家实现碳达峰、碳中和目标。

一、“双碳”目标下我国能源转型发展面临的挑战

我国作为全球能源消费和碳排放的第一大国,2020年,一次能源消费量达49.8×108t 标准煤,占全球26.1% ;能源燃烧相关二氧化碳排放量为98.9×108t,占全球30.9%。在政策引导和技术进步的推动下,我国能源转型已取得初步进展,非化石能源消费快速增加,2020年在能源结构中占比15.9%,但仍然面临产业结构偏重、能源消费偏煤、能源利用效率偏低、碳中和窗口期偏短、新能源关键矿物供应不足等一系列挑战。

(一) 产业结构偏重,面临降能耗与稳制造两难选择

目前,我国处于工业化中后期,第二产业占比曾长期处于40%以上,近5年才降至40%以下。2020年,我国第二产业占GDP比重为37.8%,高于制造业强国德国(26.5%,2020年) 和日本(28.7%,2019年),远高于美国(18.2%,2019年)、英国(17.0%,2020年)、法国(16.4%,2020年),也高于世界平均水平(27.9%)。我国制造业对GDP的贡献率为26.2%,比全球平均水平(16.5%)高出近10个百分点。制造业是我国国民经济的基石,夯实实体经济根基、走制造强国之路必须确保制造业占比稳定。

相对于巴西、澳大利亚等资源国的原料开采和发达国家占据优势的高端制造业,我国承担的加工制造环节能源资源消耗强度大、单位GDP碳排放量高。我国第二产业能源消费占全国能源消费总量70%左右,其中,钢铁、水泥、有色金属、汽车等高耗能产业全球占比高,2020年生产了全球57%的粗钢、58%的水泥、57%的电解铝和32.5%的汽车,这是我国能源消耗总量大、单位GDP能源消耗强度高的重要原因。我国制造业整体处于全球价值链中低端,通过调整产业结构降低碳排放强度的难度要远大于发达国家。

(二)能源结构偏煤,控煤减碳背景下保障能源安全的难度增大

基于我国富煤、油气不足的资源禀赋,能源消费结构呈煤炭占比大,石油、天然气、新能源占比小的“一大三小”格局。煤炭长期在我国能源安全战略中发挥着基础性作用,是我国第一大主体能源。2000年以来,我国煤炭消费在一次能源消费中的比重快速下降,2020年较2000年下降11.7个百分点,但仍高达56.8%,远高于全球平均27%和G7国家平均12%的水平。2020年,我国煤炭消费量为39.6×108t,占全球煤炭消费总量的54.3%,是印度煤炭消费量的4.7倍、美国的8.8倍和欧洲的8.9倍。

煤炭具有高碳属性,其单位热值碳排放量是石油的1.4倍、天然气的2倍,煤炭燃烧碳排放占我国能源相关二氧化碳排放量的79%,“减煤”被视为能源绿色低碳转型的主要举措。然而,“减煤”速度过快、力度过大,煤炭对能源体系安全运转的托底保供”作用将会被削弱,短期内会引发能源安全问题,如2021年下半年部分地区由于电煤供应不足引发的“拉闸限电”现象。预计我国煤炭消费量将在“十四五”期间达峰,2035年前仍是我国第一大能源,期间既要控煤减碳,又要发挥好煤炭“压舱石”作用,保障能源安全的难度越来越大。

(三)能源利用效率偏低,工艺、标准和综合利用等均有不足

2000年以来,我国单位GDP能耗持续下降,但仍远高于全球平均水平。根据国际能源署和世界银行数据,2020年我国每万美元GDP能耗为3.4t标准煤,是全球平均水平的1.5倍、美国的2.3倍、德国的2.8倍。分析我国单位能耗偏高、能源利用效率偏低的原因:一是产业结构中第二产业和高耗能产业占比高;二是部分产业工艺落后,煤炭、钢铁等行业落后产能和过剩产能仍然大量存在,部分地方政府仍依赖传统产业及生产模式维持经济增长;三是我国能效标准低于发达经济体,例如欧盟和美国通过提高家电能效标准实现电力消费量下降15%,而我国下降幅度不足5%;四是能源综合利用率低,据统计,我国约50%的工业能耗没有被利用,余热资源利用率只有30%左右,远低于发达国家40%~60%的平均水平。我国再生资源利用率也远低于世界发达经济体。例如,“十三五”期间,我国再生铝产量占铝产量的比例为20%,美国达到80%,日本则接近100%。

(四)碳中和窗口期偏短,能源转型成本高

从碳达峰到实现碳中和,全球平均用时需53年,美国用时需46年,西方发达经济体平均超过70年,而我国只有30年时间。我国不但要完成全球最高碳排放强度降幅,还要用全球历史上最短的时间实现从碳达峰到碳中和,任务艰巨。发达国家的存量煤电资产大多已经进入集中退役期,50%煤电机组平均服役年限在40年左右,部分煤电机组服役年限超过60年。而我国大量燃煤电厂建成服役时间较短,在运煤电机组平均服役时间为12年,约50%的容量在过去10年内投运,85% 的容量在过去20年内投运。按照40年的服役年限,为了实现2060年碳中和,未来新建的煤电机组将在到达寿命周期之前提前退役,搁浅资产损失巨大。根据牛津大学前期研究成果,我国煤电搁浅资产规模可能高达3万亿~7.2万亿元。考虑到近年我国仍在新建煤电机组,实际搁置规模有可能更大。同时,随着碳中和推进,化石能源需求减少、行业体量缩小、部分生产场地关停成为必然趋势,传统资源型城市转型和相关行业人员分流、再就业等问题也需要统筹考虑。

(五)新能源规模发展面临挑战,关键矿物供应存在风险

在政策引领和技术进步的推动下,我国核能、水能、风能、太阳能、生物质能和地热能等非化石能源以及氢能、储能和新能源汽车产业取得长足进展,但规模化发展仍面临诸多挑战。核电部分核心零部件、基础材料仍依赖进口,核聚变能开发利用尚处于探索阶段。水电工程施工环境复杂、生态环境脆弱,工程技术、建设管理和移民安置难度不容小觑。与常规电源相比,风能和太阳能发电具有典型的间歇性、波动性和随机性特征,高比例新能源条件下电力系统可靠性不足。生物质能发电总装机容量依然不高,规模化发展仍需时日。地热能领域干热岩资源勘探开发技术尚处于起步阶段。氢能方面,输配和典型场景应用成本高,高压储氢设备、燃料电池与国外相比还存在较大差距。储能方面,抽水储能发展空间有限,电化学储能成本高,尚无法满足长时储能需求,安全性也有待提高。新能源汽车所需锂、钴、镍等关键矿物资源储量不足,消费量大,严重依赖进口,2020年消费量分别占全球的50%、30%、50%,对外依存度分别达到74%、95%、90%,存在供应中断风险。


碳中和目标下我国能源发展战略构想

(一)总体战略思想

以习近平生态文明思想和“四个革命、一个合作”能源安全新战略为指引,贯彻落实“能源的饭碗必须端在自己手里”的新要求,坚持“立足国情、安全发展,科学创新、务求实效”的方针,遵循自主可控和绿色低碳发展理念,通过节能与提效双轮驱动、供给与消费两端发力,系统实施节能、去碳、创新、提效、应急、支撑、合作“七大战略工程”,加速推动能源系统由以煤炭为主的“一大三小”(煤炭大,石油、天然气和新能源小),向新能源为主的“三小一大”(煤炭、石油和天然气小,新能源大)转变,支撑我国如期实现碳达峰、碳中和目标。

(二)第一步(2020—2035年),减煤、控油、增气,大力发展新能源

通过减煤、控油、增气,大力发展新能源,2035年我国非化石能源占比将超过35%。一是严格控制煤炭产量,加大落后产能、小煤矿的淘汰力度,制定老矿合理退出机制,积极推动煤炭深加工产业化示范与规模化发展,全面提升煤炭清洁利用水平。二是加强太阳能、风能、地热能对化石能源的替代,加快新能源汽车对燃油车的替代,控制石油消费增长。三是加快陆上西部地区天然气增储上产,实现陆上东部地区天然气产量稳中有升,推进海上天然气勘探开发,持续推动天然气产业快速发展。四是大力发展风电、光伏,因地制宜规模化配置陆上风电,鼓励有条件的地区大力发展海上风电,积极支持分布式风电、光伏发展。坚持安全第一、生态优先和绿色发展原则,稳步推进水电、核能与生物质能等清洁能源有序发展。五是加快碳捕获与封存/碳捕获、利用与封存(CCS/CCUS)技术攻关与示范,推动二氧化碳驱油/气、化工/生物利用等二氧化碳利用技术及工艺的创新和应用,推进CCS/CCUS国家示范区建设。

(三)第二步(2036—2050年),非化石能源加速替代

强化新能源高效开发利用技术攻关,不断完善新能源供需体系建设,促进终端用能电气化水平实现跨越式提升,全面推进新能源产业发展,加快提升新能源消费总量与消费占比,2050年,预计我国非化石能源占比将达到70%以上。一是持续加强节能提效技术、设备的推广应用,大力推动全社会节能提效,全面实现节能提效预期目标。二是海上天然气开发取得阶段性成果,天然气储备、管网体系更加完善,天然气消费2040年左右达峰后保持基本稳定。三是随着交通电动化进程加快,石油作为燃料的消费快速下降,作为原料的消费占比快速提升。四是持续推进整装煤炭开发基地和大型综合能源化工基地建设,建成以绿色煤炭资源为基础的精准开发模式,全面提升煤炭兜底保供能力。五是加大CCS/CCUS等环节关键技术、工艺、设备的攻关力度,加快推进CCS/CCUS技术在水泥、钢铁等重工业领域和天然气发电领域的规模化应用。

(四)第三步(2051—2060年),现代能源体系全面建成

进一步巩固风能、太阳能、氢能、核能等清洁能源的主体地位,强化煤炭、天然气与可再生能源融合发展,以化石能源为主的现代化能源应急储备体系全面建成,2060年非化石能源占比超过80%。煤炭、石油等高碳化石能源回归原料属性,全面推进能源结构绿色低碳转型。推动CCS/CCUS技术商业化规模应用,不断完善低碳循环经济体系建设。全面建成智慧协同、多能互补、多网融合、快速响应的智慧能源系统,我国能源体系绿色低碳转型取得全面胜利。


碳中和目标下我国能源发展的关键性战略举措

实现碳达峰、碳中和,能源消费结构调整是核心,产业结构调整是关键,化石能源清洁化是基础,节能减排是抓手,建设现代化能源体系是目标。要实施好节能、去碳、创新、提效、应急、支撑、合作“七大战略工程”,助力“双碳”目标实现。

(一)节能工程:强化四类节能举措,推动能源消费实现节约高效

加强意识节能:通过节能理念宣传、节能硬性约束、党政机关引领示范等手段,积极引导全社会转变传统用能习惯,开展全民节能行动,牢固树立“节能是第一能源”意识。突出结构节能:通过大力推动重点领域节能降碳,加快压减高耗能产业,严格控制增量,调整优化存量,加快推动产业转型升级,促进我国制造业向中高端迈进。做精技术节能:加强节能降碳科技攻关和示范应用,推进物联网、人工智能等新一代数字技术与各行业深度融合,依靠技术创新推进行业用能效率提升。做实管理节能:通过节能提效立法,完善节能减排财政税收优惠政策,强化节能减排监督检查考核,保障节能减排管理工作持续有效运行。

(二)去碳工程:强化四类减碳举措,推动能源行业先行碳中和

持续提高工业设备和电力电器能效,加大建筑领域节能降碳关键技术创新攻关力度,加快电动车对燃油车的替代,大幅提升工业、建筑、交通等重点行业用能效率和清洁能源消费占比,实现源头“减碳”。设立碳循环经济研究专项,加快碳转化技术研发及应用,加大碳利用产业扶持力度,尽快突破碳循环经济发展的技术瓶颈和制度障碍,推进二氧化碳化工/生物利用等技术及工艺的创新和应用,实现经济“用碳”。推动光伏/光热发电、风电、水电、核电等清洁电力对火电的替代,加强工业领域电力、热力和氢能应用,构建基于电气化、光伏建筑、柔性用电系统的新型建筑能源系统,推进交通领域的智能化、数字化、电动化、网联化和共享化转型,减少对化石能源的依赖,实现有序“替碳”。战略性开展燃烧前捕集、富氧燃烧捕集等大规模二氧化碳捕集技术研究,集中开展二氧化碳埋存选址理论及关键技术攻关,推进二氧化碳驱油/气、咸水层封存等技术规模化应用,实现科学“埋碳”。

(三)创新工程:突出前沿性、颠覆性技术研发,推动“零碳”能源供应

立足煤炭、油气、核能、可再生能源、氢能与储能、智能电网、综合能源系统七大领域,围绕基础研究、关键共性技术、前沿引领技术、颠覆性技术、工程示范应用五大方向,系统构建“七横五纵”技术创新体系。在传统化石能源领域,不断发展和推广煤炭无害化、数字化和智能化开采技术,提高煤炭生产效率,降低煤炭生产端碳排放,同时加强煤炭清洁燃烧和高效发电技术攻关,推动燃煤发电机组灵活高效运行;加大井下油水分离、页岩油地下原位开采、无水压裂与增能压裂等油气绿色生产技术及新型炼油加工技术攻关,确保油气基础供应。在新能源领域,研发可控核聚变能源开发和应用关键技术,积极推进热核聚变实验堆建设,力争早日实现“人造太阳”技术应用;大力发展低成本风能、太阳能发电技术,建立基于大数据、云计算、人工智能等的新能源电力智能调控技术,支撑我国沙漠、戈壁、荒漠地区大型风能、太阳能发电基地高效开发和安全运行;大力发展安全高效低成本氢能技术,攻关完善制氢、储氢、输氢、用氢技术,统筹推进氢能“制储输用”全链条发展;大力发展高效率、长寿命、低成本的先进储能技术,加强全固态电池、钙钛矿电池、锂空气电池等电池技术攻关,保障新型电力系统安全稳定运行。

(四)提效工程:构建灵活可靠的智慧能源系统,推动能效大幅提升

充分应用新一代数字化、智能化信息技术,加快构建“源、网、荷、储”智慧协同,煤、油、气、电、氢多能互补,电网、热网、燃料网多网融合,产、消双向灵活响应的智慧能源系统,实现多种能源系统在供给侧、输/配侧、需求侧的互联互通与深度融合。支持和鼓励各类能源主体自主接入能源系统,双向参与能源市场交易,促进能源利用效率和服务水平大幅提升。

(五)应急工程:构建扎实稳固的应急储备系统,确保能源安全自主可控

通过实施绿色煤炭资源勘探开发重大科技创新工程,集中建设整装煤炭开发基地和大型综合能源化工基地,保留必要的产能储备等措施,做好煤炭兜底保障能力建设。长期维持煤电装机容量(2.0 ~ 4.5)×108kW,使电力安全供应天数保持在90天的安全阈值水平上。构建兼具保底和调节功能的石油储备体系,储备规模达到120天进口量水平,实施“探而不采、产能储备”战略,建立10×108t 探明地质储量规模的石油资源战略储备。突出天然气与新能源“最佳伙伴”关系,强化天然气储备,尽快建成一定规模的国家天然气战略储备,形成包括国家、地区、企业三级储备主体,战略储备和商业储备相结合的天然气储备体系,逐步增加储气规模,形成地下与地上相结合的储库系统。

(六)支撑工程:建立与时俱进的配套政策体系,保障能源安全转型

统筹制定可再生能源与化石能源协调发展政策,建立健全化石能源企业转型、退出机制,制订可再生能源发展专项规划。按照“先立后破、破立并举、等量替代”的原则,充分利用传统能源资源地区可再生能源资源丰富的优势,做好接续产业的区域转移和承接,特别是做好重化工行业、大型数据中心等高耗能产业在中西部能源资源富集地区的布局,形成产业接续与可再生能源就地消纳的双赢格局。加大科技创新支持力度,设立并实施战略性科技重大专项,发挥新型举国体制优势,集中优势资源,构建国家碳中和战略科技力量体系,打好碳中和关键核心技术攻坚战。坚持“全国一盘棋”和“共同但有区别原则”,充分考虑各地区差异,科学合理分配碳排放指标,完善碳排放“双控”制度。尽快建立自主碳排放计量体系,加强温室气体排放、碳核查等领域基础数据采集;持续深化碳排放权交易市场建设,探索建立绿色金融改革实验区。

(七)合作工程:充分利用两个市场、两种资源,推进绿色能源国际合作

坚持全方位国际合作不动摇,落实“一带一路”倡议,持续打造开放条件下油气安全保障体系,高度重视中东、中亚—俄罗斯地区低成本、低碳足迹油气资源项目获取,加强天然气和LNG领域国际合作。推进能源产业国际化,建立新能源国际合作运行及投资体系,鼓励先进新能源技术在“一带一路”国际市场中的应用和推广,提高新能源国际合作水平。发挥我国新能源关键矿物产业链和技术两大优势,在共建“一带一路”框架内,促进新能源关键矿物领域的对话交流与合作,打造供应国、通道国、消费国一体化协同保障的供应链体系,构建原矿、精矿、产品多类型进口机制,最大限度降低供应风险。积极在国际合作内容、机制、途径、对象等方面进行创新和实践,在能源安全新战略的指引下,加强与先进发达国家在煤炭清洁化利用、甲烷减排、先进核能、CCS/CCUS等绿色低碳技术领域的合作,加强与邻国电力基础设施的互联互通。


结束语

在碳中和目标指引下,我国作为全球主要的能源消费国与二氧化碳排放国,未来能源转型面临经济、技术、安全、社会等多方面的压力和挑战,能源行业需加强规划,突出重点,扭住关键,精准发力,狠抓落实,加速化石能源与新能源融合发展,加快建设以化石能源兜底、以新能源为主体的清洁低碳、安全高效的新型能源体系,为国家如期实现碳达峰、碳中和不断做出新贡献。

参考文献(略)

戴厚良,苏义脑,刘吉臻,顾大钊,匡立春,邹才能.碳中和目标下我国能源发展战略思考[J].石油科技论坛,2022,41(1):1-8.

Dai Houliang, Su Yinao, Liu Jizhen, Gu Dazhao,Kuang Lichun, Zou Caineng.Thinking of China’s Energy Development Strategy under Carbon Neutrality Goal[J].Petroleum Science and Technology Forum, 2022,41(1):1-8.

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