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2060年碳中和目标下煤炭保障性需求预测
0 引 言
2020年9月，中共中央总书记习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论会议上提出提高国家自主贡献力度，CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的目标，并先后在国内外重要会议上多次强调要如期落实该目标。能源领域，特别是以煤炭为主的化石能源，是我国碳排放的主要来源，煤炭行业碳减排是我国碳中和工作的重点[1]。2022年国务院发布的《“十四五”节能减排综合工作方案》中提出，要立足以煤为主的基本国情，抓好煤炭清洁高效利用。2022年4月国务院常务会议决定新增煤炭产能3亿t，改造煤电2.2亿kW。国务院关税税则委员会决定自2022年5月1日至2023年3月31日，对所有煤炭实施税率为0的进口暂定税率。2021年我国能源消费总量52.4亿t标准煤，煤炭消费量占比为56%；2021年一次能源生产总量43.3亿t标准煤，原煤生产量约29.5亿t标煤，占比约68.1%。以上数据表明我国煤炭消费以国内供应为主，能源领域碳中和工作迫切需要煤炭行业在碳中和背景下发挥重要作用，确保如期实现碳达峰、碳中和目标。然而，考虑到我国能源资源禀赋，煤炭行业发展面临保障能源供应安全和实现碳中和目标的双重任务[2]。
学术界针对碳达峰碳中和目标下煤炭发展路径问题开展了一些重要探索。谢和平等[3]通过国际类比分析法认为碳中和目标下我国煤炭从基础能源转向兜底能源的过程中需要12亿～15亿t/a的消费量用于电力调峰、碳质还原剂和保障能源供应安全。林卫斌等[4]从能源消费总量和结构2个维度定性预测了2050年煤炭消费占比在5%～10%，为2.5亿～5.5亿t标准煤。杨英明等[5]采用加权组合模型预测了未来煤炭消费结构，结果表明火电行业煤炭消费小幅增长后将不断下降。宋晓波等[6]基于国内外碳中和路径定性分析了碳达峰、技术突破和碳汇3个阶段煤炭的作用，提出了煤炭行业低碳发展路径。以上研究未能从产业发展和能源安全的视角全面研究煤炭保障性需求问题，研究方法多采用国际对比和定性分析，鲜见针对碳中和目标自下而上的预测研究。因此，科学预测碳中和目标下基于能源安全的煤炭保障性供应需求迫在眉睫，有利于科学制定我国煤炭产能规划和煤炭储备规模。
本研究首先基于煤炭流图的煤炭产业链发展现状，理清煤炭主要消费部门，识别煤炭消费重点领域；其次，运用部门分析和情景分析的组合预测方法从各个产业部门出发建立碳中和目标下基于自下而上部门情景分析法的煤炭需求预测模型，科学研判碳中和目标下煤炭保障性需求，运用类比法论证了结果的可靠性。然后，基于煤炭供需的未来发展趋势和需求预测结果，提出宏观和微观视角下煤炭工业碳中和发展路径与战略，为规划我国减煤最优路径，保障煤炭柔性供给和发挥碳中和进程中的煤炭压舱石作用提供决策参考。
1 部门情景分析法原理
1.1 部门情景分析法
部门分析法能够通过部门分解直接预测在一定经济发展水平和技术进步条件下的能源需求量。部门分析法通过分析基准年份各部门能源消费现状，使用单位产值能耗综合反映能源消费的技术水平和管理水平，并估计各目标时间节点各部门发展水平与能耗水平，从而预测目标年的各部门及全社会能源消费需求量。部门分析法已广泛应用于国家、地区、单一部门等能源经济模型中。开平安等[7]分析了能源经济模型中的开环和闭环属性，比较得到了部门分析法对于弹性系数法的优势及其在国家模型中的应用框架。隗斌贤等[8]从终端经济活动水平和能源强度视角运用部门分析法对浙江省能源需求进行预测。贺祖琪等[9]采用部门分析法、能源消费弹性系数法等方法对四川省能源需求进行预测，研究表明部门分析法具有较高的准确度和较小的相对误差。韩君[10]通过评述多个能源需求分析方法，认为组合预测模型能减少能源需求预测的误差。情景分析法是从目标情景出发构想未来社会能源需求的一类方法，其不局限于目前已有的技术条件，分析实现目标所需措施和可行性[11]。本研究采用情景分析法设置目标年份的各部门经济活动水平和能源消耗水平，能够弥补单一部门分析法依靠趋势外推或增长系数进行预测的不合理性。
综上，部门情景分析法兼顾部门差异性和部门发展趋势，能克服其他能源需求预测方法的不足。本研究采用部门分析和情景分析相结合预测碳中和目标下煤炭保障性需求，既能从消费端全面理清煤炭消费需求来源，也能有效刻画碳中和目标不同部门的未来发展情景。实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，碳中和社会发展模式面临巨大的不确定性，部门情景分析法兼顾部门差异性和发展趋势，能够克服其他能源需求预测方法的不足。
1.2 基于煤炭流图的煤炭需求关键部门识别
受我国煤炭资源禀赋影响，我国煤炭生产与消费基本处于相对平衡的状态[7]。我国2005—2020年煤炭生产与消费波动变化规律基本一致，煤炭消费在2013年达到最高值42.4亿t，此后煤炭生产与消费均处于峰值平台期，“十四五”、“十五五”期间煤炭消费将呈峰值回落并逐步下降的趋势[12]。能流图和碳流图能全面深刻地反映能源生产、消费结构和加工转换损耗等信息，是能源系统分析的主要工具之一[13-14]。2019年我国煤炭流图如图1所示，原煤生产量约38.5亿t，火力发电、供热、炼焦、制气、炼油、化工、水泥、钢铁八大部门作为煤炭消费大户，其占比约88.83%，这些部门将是未来煤炭消费和碳排放的重点部门。为确保2060年碳中和目标的实现，其他部门占煤炭消费总量的比例将会进一步下降。碳中和目标下煤炭保障性供应需求预测将重点聚焦于煤炭主要终端消费部门。
图1 2019年中国煤炭消费流图
Fig.1 China′s coal flow chart in 2019
2 碳中和目标下煤炭保障性需求组合预测建模
基于煤炭流图的煤炭需求关键部门识别结果显示，火力发电、供热、炼焦、制气、炼油、化工、水泥、钢铁八大部门是煤炭消费的主要部门。本研究将炼焦、制气、炼油、化工统称为煤化工部门，细分为传统煤化工和现代煤化工。因此，基于各个部门的重要程度，以电力、煤化工、钢铁、水泥、热力五大关键部门和其他部门为研究对象，综合考虑国家战略规划目标、专家判断和文献调研分析，建立基于自下而上部门分析与情景分析相结合的中国长期煤炭需求组合预测模型，分别预测2030、2040、2050、2060年各部门煤炭保障性需求。其中，为避免重复计算，原属于煤化工行业的焦炭用煤划分到钢铁部门，煤制焦炭环节则不计入。考虑到散煤燃烧等近年可能逐步淘汰，本研究假设其他部门煤炭消耗占比将在2030、2040、2050、2060年分别下降到6%、3%、2%和1%。
基于实现碳中和与保障能源安全的双重目标，设置3种煤炭保障性供应情景：① 基准情景是正常实现碳中和目标的煤炭需求量情景；② 保障情景是在实现碳中和目标时出现不可控紧急事件情况下煤炭全额保障性需求预测；③ 强化保障情景是在保障情景基础上，因电力部门供应中断加剧的应急储备和煤化工对保障油气供应安全的煤炭需求量预测，其他部门的预测保持不变。考虑部门差异性，各部门煤炭需求预测方法描述如下。
2.1 基于部门情景分析法的煤炭保障性需求预测模型
2.1.1 电力部门煤炭保障性需求预测模型
电力部门是我国煤炭消费的主要部门之一。大部分碳中和战略研究报告显示2060年煤电装机将清零，煤电将退出电力市场，天然气和氢能将作为电力调峰电源[15]。考虑诸如水涝、暴雪等气候极端事件的影响[16-17]，本研究将煤电作为保障极端情况下我国电力安全的储备电源，分别按不同的极端事件影响范围大小设置情景，结合煤电和煤电 CCS比例，预测碳中和目标下电力部门煤炭保障性供应需求。
电力部门的煤炭需求C1预测(式(1))，分为2部分：电力行业的煤炭安全供应量Ca按照电力供应安全15～30 d阈值范围设置情景，即紧急情况下电力系统仅由燃煤发电供应(式(2))；另一部分煤炭电力需求根据未来电力行业电源结构中作为托底的煤电和煤电 CCS比例预测基本煤耗需求Cb(式(3))：
C1=Ca Cb，
(1)
Ca=Eθt，
(2)
Cb=Eθω，
(3)
式中，E为全社会用电量，kWh；θ为全国煤电供电标准煤耗，g/kWh；t为煤电全额保障性供电天数占全年的比例，%；ω为电源结构中煤电和煤电 CCS的比例，%。
2.1.2 煤化工部门煤炭保障性需求预测模型
煤炭是煤化工部门的基础原材料，降低煤化工部门碳排放将有助于碳中和目标的实现。按照煤化工部门的构成，传统煤化工包含煤制焦炭、煤制甲醇和合成氨3部分，其中煤制焦炭并入钢铁部门进行测算；现代煤化工包括煤制油、煤制天然气、煤制烯烃、煤制乙二醇及其他(煤制芳烃、煤制乙醇等)。煤化工部门煤炭需求预测模型综合考虑煤化工行业的替代工艺、替代原料和国家碳中和目标的现实要求[18]，以部门当前煤炭需求和未来变化趋势开展预测，具体为
(4)
式中，C2为目标年份煤化工部门煤炭保障性需求量，t(以标准煤计)；
为第i个煤化工部门2020年的煤炭消耗量，t(以标准煤计)；εi为目标年份第i个煤化工部门煤炭消耗量相对于2020年的变化率，%。
2.1.3 钢铁部门煤炭保障性需求预测模型
作为世界上最大的粗钢生产和消费国，我国钢铁行业碳排放占全国碳排放的15%左右[19]。据预测，我国吨钢能耗将会从2015年的610 kg/t(以标准煤计，下同)逐步下降为2050年的495 kg/t[20]。因此，本研究依据线性下降趋势，预测我国2030、2040、2050、2060年吨钢能耗分别为569、535、495、469 kg/t。2021年上半年钢铁行业运行情况表明生铁产量增量对上半年粗钢产量增量的贡献占比不到30%，废钢利用取得初步成效。因此，钢铁产量下降、吨钢煤耗降低和废钢利用都将减少钢铁部门对于煤炭的需求。钢铁行业的煤炭保障性供应需求预测模型以钢铁部门产量水平和吨钢能耗为基础进行预测，综合考虑钢铁生产工艺结构，具体为
C3=P3φα，
(5)
式中，C3为钢铁行业煤炭需求预测量，kg(以标准煤计)；P3为钢铁产量，t；φ为长流程钢铁厂产量中的占比，%；α为吨钢煤耗，kg/t(以标准煤计)。
2.1.4 水泥部门煤炭保障性需求预测模型
我国水泥行业碳排放占全球排放的7%，为第三大工业能耗部门。国际能源署预计2050年全球水泥产量为46.82亿t，人均水泥产量将降至485 kg[21]。我国2020年水泥产量达到24亿t，占世界水泥总产量比例超过50%，人均产量1 818 kg，远高于世界平均水平575 kg/人，而吨水泥能耗控制目标为105 kg，预计消耗2.52亿t标准煤，水泥行业面临较大的去产能和节能减排压力。工业与信息化部于2016年发布的《工业绿色发展规划(2016—2020年)》提出到2020年，水泥综合能耗从2015年的112 kg/t 降至105 kg/t[22]。
本研究采用插值和外推方法预测中国水泥产量和水泥能耗中的煤炭占比，结合我国工业节能发展规划对于水泥行业能耗下降的发展规划，建立水泥行业煤炭保障性需求预测模型，具体为
C4=P4kβ，
(6)
式中，C4为水泥行业煤炭需求预测量，kg(以标准煤计)；P4为水泥产量，t；k为水泥能耗水平，kg/t(以标准煤计)；β为水泥能耗中的煤炭占比，%。
2.1.5 热力部门煤炭保障性需求预测模型
2019年热力部门的煤炭消费量为2.1亿t标准煤，占整个热力部门能源消费总量的87.1%。从需求来源看，热力供应部门可划分为工业用热和居民采暖2类，其中，工业用热约占全国热力消费总量的70%，居民采暖约占全国热力消费总量的30%。
按照热力供应部门的构成，计算煤炭保障性需求量预测(式(7))，其中，工业用热和居民热力的煤炭需求量预测分别为
C5=CHI CHR，
(7)
CHI=EHγPc，
(8)
(9)
式中，C5为热力部门的煤炭需求预测量，t(以标准煤计)；CHI为热力部门中工业用热煤炭需求量，t(以标准煤计)；CHR为热力部门中居民采暖煤炭需求量，t(以标准煤计)；
为2020年居民采暖煤炭需求量，t(以标准煤计)；EH为工业终端能源需求量，t(以标准煤计)；γ为热力需求占工业终端需求比例，%；Pc为煤炭占热力部门能耗量的比例，%；δ为目标年居民采暖煤炭消费的下降比例，%。
2.2 数据来源与情景设置
电力部门的全社会用电量数据来源于《中国能源电力发展展望2020》[23]《中国2030年能源电力发展规划研究及2060年展望》《中国碳中和综合报告2020》。本研究假设我国2030、2040、2050、2060年全社会用电量如图2所示。电源结构中煤电和煤电 CCS比例参考中国工程院重大咨询项目《我国碳达峰、碳中和战略及路径研究》课题2研究成果，并结合碳中和目标下CCS对电力系统灵活性、净零排放的重要作用[24-25]设置。电力部门供电煤耗的变化趋势依据近10 a降速态势进行情景设置。2019年我国煤电供电标准煤耗为329.05 g/kWh，假设2020—2060年全国煤电供电标准煤耗以2011—2020年全国供电标准煤耗年平均降速0.85%平稳下降。
图2 2020—2060年我国全社会用电量
Fig.2 China′s electricity consumption from 2020 to 2060
根据煤化工产业报告[26]中的煤炭消耗数据，本研究对未来煤化工行业的煤炭消耗预测数据做出合理调整，并对2060年煤化工部门的煤炭消耗较2050年变化幅度进行预测。保障情景下传统煤化工耗煤量预测中，合成氨部分的煤炭需求假设2020—2060年逐步降低到20%。考虑到煤制甲醇作为生产其他化工原料的中间产品，其煤炭需求预测为先升后降趋势，2060年逐步降低到72%。现代煤化工的耗煤预测依据不同产品类型设置。① 保障情景下，煤制油作为石油供应安全和保障航空煤油使用的化工产品，本研究假设其变化趋势为先升后降，2060年逐步降低到25%左右。② 考虑到煤制气对天然气的部分替代性，煤制气将呈现先升后降趋势，2060年总体下降比例为12%左右。③ 考虑到烯烃与乙二醇可能被二氧化碳加氢制甲醇、生物质可再生资源制醇类等替代，假设高比例替代背景下2060年烯烃替代比例约为77%，煤制乙二醇替代比例为60%。以上述保障情景为基础，基准情景综合考虑我国石油和天然气储备，假设2030年煤制油气产量是保障情景的1/2，从2040年开始将煤制油和煤制气下降为0，同时传统煤化工和其他现代煤化工类别相应降低。强化保障情景考虑煤制油和煤制气对于油气安全的贡献，假设2060年煤制油逐步降低到32%左右，煤制气产量下降比例为6%左右。
钢铁部门产量预测基于国际能源署2020年发布的钢铁技术路线图[27]，结合我国碳中和目标年份，调整得到我国2030、2040、2050、2060年钢铁产量分别为9.8亿～10.2亿、7.5亿～9.0亿、6.0亿～8.2亿、4.4亿～7.4亿t。钢铁部门粗钢生产工艺结构由长流程和短流程组成。保障情景下，钢铁行业只由电力和煤炭供能来保障生产，而氢气冶金完全由长流程代替，该情景下长流程钢铁厂占比将降低到2060年的15%左右。基准情景下，基于工信部《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见(征求意见稿)》假设2025年我国电炉占比达到20%，按照相同的线性增长趋势预测基准情景下2060年长流程钢铁厂占比逐步降低到8%。
水泥部门煤炭保障性需求预测数据来源包括水泥产量、吨水泥能耗水平、水泥部门煤炭消费占比3个因素。基于国际能源署研究报告[21]和《中国2050：一个全面实现现代化国家的零碳图景》报告[28]，本研究预测不同情景下水泥产量和水泥部门煤炭消费占比，吨水泥能耗水平参考工业节能发展规划对于水泥行业能耗下降的发展规划和当前水泥行业能效领跑者的能效水平进行设置，数据见表1。
表1 不同情景下水泥行业煤炭保障性需求预测
Table 1 Basic coal requirements for cement industry under different scenarios
基于《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》报告[29]，工业终端能源需求在保障情景和基准情景下，2030年分别为26.7亿和20.7亿t标准煤，2050年能源需求分别为24.4亿和14.1亿t标准煤，采用插值法预测2040年和2060年的工业终端能源需求。根据热力部门研究报告[15]，热力占工业终端能源需求的5%，2种情景下热力能源需求占比均为5%，而煤炭在热力部门能耗占比逐步降低到2060年的10%左右。居民采暖方面，基于零碳图景报告[28]，本研究设置基准情景下2050年煤炭占建筑部门终端能源消费总量的0，保障情景下2050年居民采暖煤炭消费量下降90%。
3 结果分析与讨论
3.1 碳中和目标下分部门煤炭保障性需求预测结果
3.1.1 电力部门煤炭保障性需求
不同情景下电力部门煤炭保障性需求预测结果见表2(煤耗以标准煤计)。假设我国电源结构中煤电和煤电 CCS的比重在2060年为6%时，电力部门基本煤炭需求量为2.10亿～2.46亿t标准煤。为应对极端事件对于电力安全的影响，保障情景下电力安全的额外煤炭保障性需求量为1.46亿～3.42亿t标准煤。综合来看，电力部门煤炭保障性需求预测面临的不确定较大，煤电CCUS技术的发展将从产业链视角影响到其未来煤炭需求量。碳中和目标下煤电与CCUS技术布局需要协调统筹发展，从长远来看，CCUS技术的大规模部署将有效增强我国实现碳中和目标的经济可行性[30]。提前部署以CCUS为托底技术的煤炭新产业，加强低成本实现煤炭产业链延伸与技术创新，促进高碳能源与去碳技术协同发展，尽早推广燃煤耦合生物质发电的BECCS负排放技术[31]。
表2 2030—2060年电力安全保障性煤炭需求预测
Table 2 Coal requirements prediction for electricity security from 2030 to 2060
3.1.2 煤化工部门煤炭保障性需求
在保障情景下，传统煤化工和现代煤化工耗煤量预测(以标准煤计，下同)如图3(a)和图3(b)所示，碳中和目标下传统煤化工煤炭保障性需求减少50%，煤制甲醇占比相对较高，现代煤化工中以煤制气为主。保障情景下煤化工行业(不含煤制焦炭)的煤炭保障性需求总量如图3(c)所示。以煤炭供应的保障情景结果为基础，基准情景下煤化工部门煤炭保障性需求预测结果如图3(d)所示。2060年，煤化工行业总耗煤量为0.35亿～1.04亿t标准煤。从煤化工产品结构来看，保障情景下煤制气占比相对较高，由于煤制氢技术的发展，预计未来煤制氢的煤炭消费量将具有一定的增长空间。因此，煤炭企业需要实现风电和光伏等绿色能源电解制氢与现代煤化工产业融合发展，充分开展煤化工产业废气二氧化碳综合利用等，创新煤化工低碳发展思路。
图3 不同情景下煤化工行业煤炭消耗中长期预测
Fig.3 Coal consumption requirements prediction for coal chemistry under different scenarios
3.1.3 其他部门煤炭保障性需求
根据钢铁行业和水泥行业煤炭需求量预测公式，计算得到2030、2040、2050、2060年不同情景下煤炭保障性需求量见表3(以标准煤计)。结果表明，钢铁行业和水泥行业煤炭需求量合计将逐渐减少90%，燃料替代和工业流程再造促使这2个部门煤炭需求降低。氢能冶金、新型低碳水泥、废钢利用等将对这些传统工业部门进行能源消费结构重构。
表3 不同情景下钢铁和水泥行业煤炭保障性需求预测量
Table 3 Basic coal requirements for iron and steel industry and cement industry under different scenarios
不同情景下热力部门的煤炭需求量预测如图4所示(以标准煤计)。由图4可以看出，2060年热力部门对于煤炭需求将降至0.055亿～0.118亿t标准煤。煤改清洁能源工程的推广实施将推动居民热力的煤炭需求降低至0，但居民热力对于电力和天然气的需求可能会有所增加。而工业部门余热回收与利用、节能提效技术等有望降低工业用热煤炭需求量。
图4 不同情景下热力部门煤炭需求量预测
Fig.4 Coal requirement prediction for heating production sector under different scenarios
3.2 碳中和目标下煤炭保障性需求综合预测结果
根据以上分析，汇总得到了基准情景、保障情景和强化保障情景下煤炭保障性需求预测结果，具体见表4，可知2060年煤炭产能需求在基准情景、保障情景、强化保障情景下分别为2.8亿～3.3亿、5.2亿～6.1亿、6.7亿～7.9亿t标准煤。2030年我国煤炭保障性需求为21.2亿～28.7亿t标准煤，2040、2050年将分别下降到14.0亿～20.9亿和6.6亿～13.1亿t标准煤。本研究的预测结果与中国石油经济技术研究院和国际能源署的预测结果基本吻合，中国石油经济技术研究院预测2030年和2060年我国煤炭需求分别为25.4亿～26.6亿和1.4亿～3.9亿t标准煤[32]，国际能源署预测2060年承诺目标情景下的煤炭需求量为5.5亿t标准煤[33]。基于以上预测结果，从总量上看，煤炭需求达峰后将大幅减少，我国中长期煤炭产能可按照3.5亿～7.0亿t标准煤进行生产布局优化。在总量持续锐减的情况下，煤炭开采业亟需考虑工人安置和再就业、废弃矿井利用、产能科学评价[34]、矿后综合管理等问题，探索煤炭开采朝向集采、选、充、热、电、气等一体化开采的新模式。
表4 不同情景下煤炭保障性需求预测结果
Table 4 Basic coal requirements with the goals of carbon neutrality and energy security under different scenarios
不同情景下的各部门煤炭产能需求预测结果如图5、6所示。从结构上看，煤炭消费结构将发生深刻变革，煤电安全保障、煤制氢、碳基原料生产将逐步成为煤炭消费主要来源，其中，按各情景煤炭需求均值计算，2060年电力部门的煤炭保障性供应需求量占比约73%(图5)。燃煤发电在电力行业的作用，将由承担基荷电源向辅助调峰和应急电源的角色转变[35]。煤制氢与可再生能源制氢相比具有成本优势和资源优势，在氢能发展的初期和中期阶段仍需依赖煤制氢技术满足氢气需求[36]。在其他工业部门，煤炭将由工业燃料向碳基原料转变，但煤炭作为高碳能源，可通过提取碳元素为工业过程提供碳基原料。
图5 各部门煤炭产能需求及总量变化趋势预测
Fig.5 China′s coal demand forecasts for different
coal consumption sectors
图6 保障和强化保障情景下我国各部门煤炭产能需求
预测及总量变化
Fig.6 China′s coal capacity demand forecast and total
change for different coal consumption sectors under extreme
and intensified extreme scenarios
根据核算，2060年煤炭产业链CCUS减排需求将达到7亿～15亿t/a，其中煤电行业减排需求为5.2亿～10.4亿t/a，煤化工减排需求将达到0.8亿～2.6亿t/a，钢铁行业减排需求为0.8亿～1.3亿t/a。煤电机组CCUS改造具备较强的碳排放捕获能力，所有煤电机组要在2060年前安装碳捕集装置。我国应加快部署煤炭产业链CCUS项目示范，开辟煤炭行业脱碳、去碳利用新途径。
3.3 基于趋势分析法的国际典型案例结果验证与分析
根据主要煤炭生产与消费国家的煤炭发展历程、能源结构演化和能源效率变化，分别按照各自发展趋势，采用线性拟合和多项式拟合整理得到了美国、德国、英国和法国的煤炭消费变化趋势(图7(a))和能源结构演变(图7(b))。国际经验表明，德国、英国和法国煤炭消费总量较少、去煤化进程相对较为平缓、能源效率相对较高。德国能源消费结构中煤炭逐步被天然气和非化石能源替代，但天然气对外依存度约95%；法国核能占比高，而英国的可再生能源和天然气有效保障了煤炭消费下降后的能源消费需求。美国的煤炭消费呈现明显的倒U型环境库兹涅茨曲线，自2005年开始，美国煤炭消费下降趋势非常明显，天然气和非化石能源增长迅速，但能源效率相对较低，单位GDP能耗是德国的1.5倍。
图7 主要国家煤炭消费变化特征与去煤化进程
Fig.7 Coal consumption trends and retirement process
of major countries
从以上国际经验来看，典型煤炭生产与消费国家的煤炭发展历程揭示了国际上存在能源替代与能效提升并重和单纯依靠资源替代的煤炭低碳化发展模式，这与各国资源禀赋密切相关。按照美国2005年煤炭消费达峰后资源替代模式，我国2060年煤炭消费将降至约2.9亿t标准煤。按德国能效提升与能源替代并重的发展模式，2060年我国煤炭消费将降至5.6亿～7.6亿t标准煤，2070—2075年实现煤炭高比例替代，与本文保障情景下预测结果基本吻合。综合来看，本文预测结果具有较高的准确度和可行性。结合中国工程院重大咨询项目《我国碳达峰、碳中和战略及路径研究》研究成果绘制的中国煤炭需求占比预测，与典型国家能源结构变化趋势相比，石油和天然气在我国能源结构占比不会超过50%，煤炭消费占比将从2030年的36%～48%逐步下降到2060年的6%～17%，其将在可再生能源大规模发展过程中发挥着重要的压舱石作用。
4 结论与建议
4.1 主要结论
1)综合煤炭消费重点部门对于煤炭保障性需求，得到了碳中和目标下不同时间节点的煤炭保障性需求，2060年煤炭产能需求在不同情景下预计分别为2.8亿～3.3亿、5.2亿～6.1亿、6.7亿～7.9亿t标准煤，产能规划可按照3.5亿～7.0亿t标准煤进行生产布局优化。2030、2040、2050中长期煤炭产能需求量分别为21.2亿～28.7亿、14.0亿～20.9亿和6.6亿～13.1亿t标准煤，煤炭行业将面临重大调整。
2)煤炭主要消费部门对于煤炭的保障性需求差异较明显，电力部门保障性供应需求较关键。考虑到非化石能源电力的替代作用，电力部门的煤炭需求取决于极端事件影响下煤炭对于电力的兜底保障作用和煤电CCUS技术链条的发展，而化工部门的煤炭需求主要来自现代煤化工的原料需求，钢铁和水泥行业由于无法实现煤炭燃料的完全替代而产生一部分煤炭保障性需求。从部门来看，电力部门对于煤炭保障性需求最大，但面临的不确定性也较高，新型电力系统中的煤炭角色有待深入研究。
3)借鉴典型国家煤炭发展进程和煤炭低碳化发展模式，2060年我国煤炭消费量将分别达到2.9亿t和5.6亿～7.6亿t标准煤。本研究结果与国际主要国家煤炭发展历程较为吻合，大多数国家采取了较平缓的低比例煤炭发展进程，且其煤炭消费量相对较小、能源效率高。
4.2 政策建议
煤炭行业高质量发展是碳中和目标对于我国能源发展的必然要求[37-38]。在煤炭从主体能源到压舱石能源的转型过程中，煤炭始终是我国能源安全的基础保障，将支撑我国能源体系的变革。基于碳中和目标下煤炭保障性需求预测结果，煤炭行业将面临重大调整，煤炭工业宏观调控要认清和把握好煤炭供需的未来发展趋势，明晰煤炭在碳中和目标下的未来定位。面对碳中和背景下煤炭产业的长期发展趋势，煤炭行业应从产能科学评价、产业链革新、节能减排、电力安全和煤炭柔性化供给等方面进行优化。
1)煤炭产能科学评价，稳步推进煤炭生产格局优化。在煤炭生产与消费总量持续锐减的大背景下，煤炭深度去产能将成为必然趋势，而煤炭产能科学评价是煤炭深度去产能的前提和基础，也是稳步推进煤炭生产格局优化的决策依据。基于煤炭产能科学评价结果，煤炭行业可逐步推动煤炭生产结构节能减排。在煤炭深度去产能的过程中，人员安置是煤炭企业社会责任的基石，推动废弃矿井综合利用，实现变废为宝，促进煤炭落后产能获得新生，创新矿井生命周期管理从摇篮到坟墓再到新生的新理论。
2)煤炭碳中和技术研发，推动煤炭产业链和技术链条延伸。随着煤炭生产与消费总量持续锐减，碳中和技术是煤炭行业永续发展的生命线。CCUS技术、高端煤化工技术、碳资源化技术等将对煤炭行业产业链和技术链进行低碳延伸。因此，加快煤炭碳中和技术研发力度，从资源利用效率、碳减排效果、经济、环保等方面探讨技术的开发潜力、价值、示范工程和商业模式，尽快实现技术盈利将决定碳中和目标下煤炭行业的生存发展空间。从技术链条看，煤炭产业向煤炭耦合CCUS技术延伸。从部门来看，CCUS技术既是保持低碳燃煤发电和煤化工利用的主要技术手段，也是钢铁、水泥等重点工业减排的必要技术选择。因此，碳达峰碳中和目标将促使煤炭传统产业链的革新和延伸，耦合CCUS的煤炭产业链对于推动煤炭工业高质量发展至关重要。
3)挖掘煤炭全产业链低碳发展和节能减排，提高全产业链智能化水平。煤炭行业低碳发展既要着眼于未来碳中和技术的研发和布局，也要着眼于当前煤炭行业低碳发展实践。煤炭工业近期科技发展需紧密围绕安全绿色智能开采和清洁高效低碳利用方向，打造低碳产业链。在未来一段时间内，除了推进煤炭去产能工作，煤炭行业还可从全产业链推动节能减排研究工作，挖掘煤炭领域节能减排潜力，提高煤炭资源回收利用效率，变产煤为产气，提高煤矿瓦斯抽采与利用效率，提升煤炭行业整体智能化水平，努力提高科技创新对我国煤炭工业高质量发展的支撑能力。
4)电力安全视角下煤炭产能规划、产运储用一体化发展与智能控制。煤炭一体化产业链智能控制模式对于我国电气化时代的社会发展与稳定至关重要。煤炭全产业链节能减排是碳中和目标下煤炭企业中长期发展的重要战略。新能源转型、高端煤化工、氢能布局、CCUS技术部署都将是煤炭产业业务模块优化布局的重要方向。加快建设煤炭低碳供应链管理体系是煤炭行业朝向集采、选、充、热、电、气等一体化全生命过程节能减排与智能管理的战略路径。
5)提升以智能化为支撑的煤炭柔性生产供给保障能力。在产业调整和能源转型过程中，煤炭资源开发供给的不均衡和需求的不确定为能源安全供给带来巨大挑战。煤炭智能柔性开放供给体系是将新一代技术与煤炭开发、运输、仓储等进行深度融合，实现煤矿决策的智能化和运行的自动化，保障煤炭资源安全、高效、稳定和柔性供给。对煤炭保障性需求的预测结果可以为我国未来制定煤炭产能收缩与释放机制提供参考。
随着碳达峰碳中和目标的逐步实现，煤炭行业将迎来巨大变化，然而，这种变化将是循序渐进式的稳步推进，煤炭对于能源-经济-社会-安全-环境系统稳定性将发挥重要的支撑作用。无论从我国能源禀赋还是碳中和成本而言，煤炭行业作为能源安全基石的重要性无法替代。因此，煤炭工业应高度重视碳中和技术研发力度，加大煤炭行业碳中和科学问题的研究，力争实现煤炭行业碳排放闭环管理，全面启动碳资源化利用前瞻性技术开发，助推中国能源强国和煤炭强国梦。
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Fundamental coal demand prediction under the goal of carbon neutrality in 2060
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