“双碳”目标下我国能源发展战略的若干思考
时间：2023-02-01 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 权威探讨 ★
“双碳”目标下我国能源发展战略的若干思考
Thoughts on China's energy development strategy under the goals of carbon peak and carbon neutrality
随着社会发展和技术进步，世界各国能源低碳转型一直在路上。从世界能源结构演变进程看，大致经过了以薪柴为主的生物质能源、以煤炭石油天然气为主的化石能源以及未来以新能源可再生能源为主体的现代能源体系。换言之，能源结构优化升级是一个“此消彼长”的过程，一种能源占比的下降伴随着另一种能源占比的上升，技术进步、资源禀赋等是能源结构升级的内在因素，突发事件是外在诱因。
1 碳达峰碳中和对我国能源转型提出新要求
1.1 碳达峰碳中和的概念
碳达峰是二氧化碳等温室气体排放达到最大值(峰值)；碳中和是人为碳排放与人为碳去除的相抵消，是人为“净零”碳排放。尽管海洋、森林、湿地等自然生态系统有一定的碳汇能力，但海洋酸化已很严重，如沿海赤潮等富营养化问题就是佐证；如继续按传统办法吸收二氧化碳会影响海洋生物乃至海洋生态安全。因此，碳中和要控制并降低碳排放、减少碳排放总量，碳汇只考虑新增的吸收二氧化碳的量，以人类碳排放不再增加气候系统的压力为目标。
我国的碳达峰是指二氧化碳这一温室气体的排放达到峰值；我国碳中和的“碳”也是二氧化碳。尽管温室气体除二氧化碳之外，还包括甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物等6种气体。由于我国尚未签署甲烷等非二氧化碳温室气体减排的国际协议，实现碳中和目标时是否包含非二氧化碳温室气体，取决于国家的未来决策和基础研究等条件支撑。
温室效应早已引起科学家的注意。1824年法国学者傅里叶提出，地球大气层犹如温室大棚的玻璃具有增温效果；1958年美国斯克里普斯海洋研究所在夏威夷冒纳罗亚山3 400 m处建立二氧化碳观测站；1979年2月日内瓦第一次世界气候大会(FWCC)提出并确立“气候变暖”议题；1988年世界气象组织(WMO)和联合国环境署(UNEP)成立气候变化政府间专门委员会(IPCC)，并于1990年、1995年、2001年、2007年、2014年、2022年发布6次评估报告。第6次报告第一工作组报告《气候变化2021：自然科学基础》的结论包括：1850-1900年以来，地表平均温度上升约1.1 ℃；极端气象灾害造成的损失主要包括沿海地区人员死亡与损失增加，对电力、应急及其他系统破坏增加，对贫困地区影响增大，导致农业和经济损失，威胁粮食安全，损害海洋生态系统，并对陆地和内陆水域生态系统造成损失等[1]。
关于引起气候变化的原因学术界有不同认识。IPCC报告汇总工业革命以来的气候变化，是百年尺度的，认为气候变化很可能由人为排放引起；而千年尺度的物候学研究和万年尺度的地质学研究发现，气候变化有其自身规律。千年尺度的研究发现，5 000年以来地球多次发生气候变暖变冷现象，约500年 1个小周期，气温升降幅度在2～4 ℃。地质学研究发现，全新世1万年以来地球出现多次“冰期”和“间冰期”。所以气候变化是人为排放还是自然变化引起并没有共识。此外，地球气温还受太阳系乃至宇宙的影响。2009年冬天和2020年冬天均很冷，间隔11年正好是太阳黑子活动周期。简言之，气候变化是一个科学问题，不同研究会有不同结论；应对气候变化国际公约是国际共识，碳达峰、碳中和是发展问题，是国际贸易和地缘政治问题，需要世界各国携手合作共同采取行动应对气候变化问题[2]。
1.2 “双碳”目标下的相关机遇与挑战
1.2.1 相关产业的发展机遇
相关研究表明，要实现我国碳中和远景目标，需要百万亿元的投资，以促进经济社会由高碳到低碳、近零碳的转变，因此低碳产业、技术和产品均有巨大机遇。
(1)能源清洁低碳化。虽然我国光伏、风电、生物质等清洁能源装机容量增长迅速，接近发电装机容量的一半，但在能源结构中的占比依然较低，从而为清洁能源、相关技术和产品带来发展机遇。
(2)工业绿色低碳转型。据“十四五”规划，降低钢铁、有色、石化、化工、造纸、水泥等行业能耗和碳排放强度潜力巨大。
(3)交通绿色低碳。据《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》，到2025年，新能源车渗透率将提高至20%左右，到2035年纯电动车将成为新销售车辆主流，从而为新能源汽车及其上游“三电”、氢能、材料、设备及充电桩等带来机遇。
(4)建筑节能降碳发展机遇。要提高建筑节能标准，发展绿色建筑，进行既有建筑的节能低碳改造，按照更高标准设计建造新建筑。绿色建筑产品、技术及认证等领域，发展空间均很大。
(5)碳移除技术。通过植树造林、退耕还林还草等可以提高碳汇水平。“十三五”末我国森林积蓄量已超过175亿m3，但绝对水平依然较低，所以碳捕获、碳利用和碳储存(CCUS)以及碳循环经济(CCE)等技术蕴藏着巨大机遇。
1.2.2 经济社会面临的相关挑战
“双碳”目标下我国国民经济的整体发展也面临前所未有的挑战。
(1)发展不平衡不充分的挑战，体现在我国东西部、南北方、城乡等空间上的不平衡和富裕时间先后的不平衡；工业化和城市化的历史任务尚未完成是发展的不充分。例如，基础设施尚未建成，“一线”城市仍有不少“砖混”建筑、台风暴雨季节在“城中看海”时有出现，因而迫切需要进行城市建筑更新。从居民福利水平看，数亿人没有用过“抽水马桶”、没有坐过飞机。所以实现中国式现代化目标，能源消费仍要增长，但在发展的同时还要控制能耗和二氧化碳排放，既要关注长期问题，也要解决紧迫的现实问题。
(2)我国能源资源禀赋以煤为主，虽然2021年人均能源消费仅3.5 t标准煤，但碳排放总量在100 t以上，人均水平与欧盟国家相当，碳减排国际压力较大。
(3)碳中和起点强度高、实现时间短；从碳达峰到碳中和仅30 a时间，西方国家一般在40～70 a 之间。总之，我国无法效仿发达国家自然达峰做法，而要推动能源绿色低碳转型，探索一条符合我国国情的碳中和之路[2]。
1.3 “双碳”目标下，国家顶层部署的能源转型目标任务
习近平总书记高度重视应对气候变化和碳达峰、碳中和问题。习近平总书记多次参与重大气候外交活动，为《巴黎协定》达成、签署、生效和实施做出历史性突出贡献[3]；习近平总书记提出，应对气候变化不是别人要我们做，而是我们自己要做。2020年9月22日是重要的时间节点。2020年9月22日以来，习近平总书记在国内外的不同场合，论述“双碳”50多次。需要指出的是，2020年12月16-18日的中央经济工作会议要求制定到2030年的碳达峰行动方案。2021年3月15日，中央财经委员会第九次会议指出，碳达峰碳中和是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策，是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，要纳入生态文明建设整体布局。国家对我国碳达峰碳中和工作有过2次“纠偏”，第1次是针对少数地区希望上“高能耗高排放”项目，中央会议和文件对此严令禁止；第2次“纠偏”是2021年7月30日中央政治局会议，针对国内一些地方和行业“率先达峰”表态，中央政治局会议要求全国一盘棋，纠正运动式“减碳”。所有这些，都为我国碳达峰碳中和工作明确了基调和原则[2]。
国家“1+N”政策已经出台。2021年10月，《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》[4](以下简称《意见》)和《2030年前碳达峰行动方案》(以下简称《方案》)相继发布。《意见》提出，2025年单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%；到2030年，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上，非化石能源消费比重达25%左右，二氧化碳排放量达到峰值并稳中有降；到2060年，绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，非化石能源消费比重达80%以上，实现碳中和目标。《意见》提出10方面31项重点任务，包括：推进经济社会发展全面绿色转型，加快构建清洁低碳安全高效的能源体系，加快推进低碳交通运输体系建设，提升城乡建设绿色低碳发展质量，持续巩固提升碳汇能力，加强绿色低碳重大科技攻关和推广应用，完善政策体系、推进市场化机制建设等。
《方案》提出“十四五”“十五五”的目标任务，其中，能源绿色低碳转型、节能降碳增效、工业领域和城乡建设碳达峰、交通运输绿色低碳、循环经济助力降碳、绿色低碳科技创新、碳汇能力巩固提升、绿色低碳全民行动及各地梯次有序达峰等“碳达峰十大行动”是重点[5]。能源、工业、城乡、交通、碳汇是纵向方面，纵向要到底；节能、循环经济、科技创新是横向方面，横向要到边；全国、各地梯次有序，覆盖全国范围；组织领导、全民行动涉及每一个主体，人人有责，领导是关键。《方案》是四维的系统设计。国家层面的“1+N”政策体系已经面世，《意见》和《方案》是“1”，是顶层设计，提出我国碳达峰碳中和时间表、路线图和施工图，其中，能源绿色低碳转型均是重要目标任务，相关部门行动方案是“N”，能源领域的碳达峰碳中和规划已经出台，关键在落实落地。
2 “双碳”背景下构建新型能源体系的思考
能源是经济社会发展的物质基础，也是碳排放的主要来源。从全球平均看，二氧化碳等温室气体的55%来自能源生产和消费；而我国的占比在60%以上，煤电排放的二氧化碳等温室气体占比在40%以上。在碳中和背景下我国能源发展战略涉及的方面众多，“碳中和背景下能源发展战略的若干思考”[6]“对碳中和导向下我国能源发展的若干战略思考”[7]等文章已有详细研究。在处理降碳与能源安全的矛盾过程中，要分清主要矛盾和次要矛盾，要不要发展能源产业是主要矛盾，其他如结构优化、安全高效、清洁低碳、成本最低、能源独立、国内外统筹等细分领域目标是次要矛盾。基于上述认识，笔者曾经在“对碳中和导向下我国能源发展的若干战略思考”一文中，将碳中和背景下的我国能源发展战略概化为图1，并且目前又进行了如下深入思考。
图1 碳中和背景下的我国能源发展战略构成示意
2.1 推动能源结构优化，稳妥降碳
从世界能源发展规律看，人类最初是以利用生物质能源为主，工业革命后开始利用煤炭等化石能源，而可再生能源的利用时间并不长；因此能源结构经历了从低碳到高碳再回归低碳的演变过程。据中电联和美国能源信息署(EIA)2021年的资料[8]，2020年美国工业、服务业和居民用电占比分别为26.5%、34.2%和39.3%，分别高出我国-40.5、18.1、24.7个百分点。由于产业结构和用电结构的差异，我国单位GDP电耗是美国的2.8倍，但人均生活用电量仅是美国的17.6%。因此，优化能源结构仍是我国未来的努力方向，追求减污降碳协同应成为重要内容。
2.1.1 可再生能源与化石能源的对比分析
2005-2020年我国煤炭消费占比、非化石能源电力和火电占比变化如图2所示。通过对能源数据分析发现，虽然全国煤炭消费占比由2005年的72.4%下降到2020年的56.8%，平均每年下降1.04个百分点，但全国原煤产量却由2005年的23.65亿t增加到2019年的38.46亿t，增长了近15亿t。而同时煤电装机容量占比在不断下降，由2005年的75.68%下降到2020年的56.59%，下降了19个百分点。虽然非化石能源装机容量提高了43.41%，但非化石能源电力仅从2005年的7.4%增长到2020年的15.9%，说明非化石能源的发电效率远低于煤炭发电效率。化石能源与可再生能源特点的对比分析见表1。因此，稳妥有序、安全降碳非常重要。要实现“双碳”目标不是一刀切地不要煤炭和煤电，而要坚持先立后破，还原煤炭是商品的本来属性以及煤炭是燃料、原料的双重属性，不能在舆论上跟风，将煤炭看成是“肮脏的能源”和“噬水的煤炭”。
图2 2005-2020年我国煤炭消费占比、非化石能源电力和火电占比变化
表1 化石能源与可再生能源特点对比分析
能源类型资源特性成果形成成本(经济可承受)存在的问题需要的管理知识化石能源密度大耗竭性,不可再生性资源依赖型第一次技术革命:蒸汽机,煤炭第二次技术革命:发动机,油气可承受环境污染、温室气体排放系统论、信息论、控制论可再生能源密度低间歇性、人为不可控资源依赖型第三次工业革命:可再生能源(发展中,许多技术亟待开发)关键技术突破后,可与传统能源相媲美低碳、运行中基本不排放自组织、协同论、突变理论
2.1.2 提升非化石能源占比，推动能源结构优化
煤炭作为燃料主要用于电力、热力生产，作为原料主要用于工业，如精炼金属、生产化肥和化工产品等，合理控制煤炭消费增长仍是主要方向。《方案》要求，“‘十四五’时期严格合理控制煤炭消费增长，‘十五五’时期逐步减少”。《“十四五”现代能源体系规划》要求，抓好煤炭清洁高效利用，促进新能源占比逐渐提高，推动煤炭和新能源优化组合。因此，要在煤炭勘探、采煤、选煤、配煤和煤炭分级利用的全生命周期中，深挖煤炭清洁高效利用潜力，形成优质高效的数字化、智能化的新产业新业态。推动重点用煤行业减煤、限煤；合理划定禁止煤炭散烧的区域，科学有序地推进散煤替代；推动煤电向基础保障性和系统调节性电源并重转型。这些要求是推动能源低碳转型平稳过渡的必然举措，也是保障国家能源安全的必然选择。
逐步提升非化石能源消费占比是优化能源结构的重要内容。中央经济工作会议已经提出，合理发展天然气，安全发展核电，大力发展水电、风电、太阳能、生物质能等非化石能源，实施可再生能源替代行动，努力以非化石能源满足新增能源需求、替代存量化石能源消费量；深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。但新能源可再生能源开发利用受资源条件约束，并非取之不尽用之不竭，例如，没有太阳光，光伏发电板建的再多也发不了电；没有风，风机建的再多也发不了电；上游不来水，水电站的容量建的再大也发不了电。
因此，要建设形成集风、光、水、煤于一体的现代能源基地，以电网为平台的能源综合调控系统，促进电、热、冷、气等能源深度耦合，工业、交通、建筑的电能替代以及多种储能设备、用能负荷，乃至多系统的协调配合，以提高能源系统的安全性、灵活性和综合利用效率。要走中国特色的低碳发展道路，应发挥技术创新的驱动作用，并给颠覆性技术留下足够的空间。在电力供应不是特别宽裕的情况下，应充分发挥自备电厂存量资源的作用，以满足电力公用、城市基础设施和居民生活水平提高的用电需求。
2.2 能源转型期氢和智慧能源的重要作用
在推进我国能源转型过程中，除寻求“用炭不排碳”的化石能源安全高效、清洁低碳利用外，在蓄能、智慧化调节方面要“补短板”，以促进能源供应端的多元化低碳化、用能端的柔性化高效化、平台端的数字化智能化。
2.2.1 氢
氢，与柴油、汽油等品种类似，是一种清洁高效、来源广泛的二次能源，是一种“含能量”物质或含能载体，是未来我国能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，是战略性新兴产业和未来产业的重点发展方向。发展氢产业对于支撑我国高质量发展、推动能源绿色低碳转型、助力“双碳”目标实现具有重要意义。
2020年，全球氢气需求量达9 000万t，氢气产量约7 000万t，几乎完全通过化石燃料生产，给全球带来了近9亿t CO2排放量。在制氢方面，76%以天然气为原料，剩余23%主要以煤炭为原料，电解法制氢只占约1%。每年生产氢气消费天然气约2 050亿m3(占全球天然气消费总量6%)、煤炭1.07亿t(占全球煤炭消耗总量的2%)。2021年，我国氢产量约3 342万t，新型储能装机容量为573万kW，如图3所示。
图3 我国近年来的氢能产量和新型装机容量[9]
氢的特点，一是资源丰富，可由水制取，水是地球上最丰富的资源；二是燃烧剩余物是水，是清洁能源；三是燃烧热值高，约为汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍；四是效率高，氢燃料电池效率高于内燃机。内燃机效率在20%～30%之间；如果考虑马达和控制器耗损，内燃机输出能量仅约24%或更低；而燃料电池效率在35%～45%之间。
目前制氢方式主要有4种：化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质及其他制氢。煤和天然气制氢成本较低，以天然气制氢的经济性最好。天然气制氢应用广泛，但原料利用率低、工艺复杂、操作难度高，且生成物中二氧化碳等温室气体的排放成为重大制约。工业副产物制氢，不仅可以“变废为宝”，成本也较低。电解水制氢，历经百年发展，在系统安全、电气安全、设备安全等方面形成了较为完善的标准体系和管理规范，涵盖氢气站、系统技术、供配电系统规范等；产品纯度高、无污染，但成本较高制约了其推广应用。光解水与生物质制氢的技术尚未成熟，实现商业化还需一段时间。
氢，与需要电缆输送的电力不同，可以随交通工具携带，不仅可以作为储能用途，还可广泛用作工业原料；既可作为现代化交通运输工具的燃料直接使用，通过燃料电池技术应用于汽车、轨道交通、船舶等领域，还可用于分布式发电，为住宅、商业建筑等供电供暖，也可作为炼化、钢铁、冶金等行业的高效原料、还原剂和高品质热源[10]。
但氢发展中的问题也需引起重视。一是随着化石能源制氢的碳减排及氢产业的发展，相应的法规标准建设十分迫切；二是用电制氢效率较低，用电解水制氢的效率还要再打折；三是燃料电池车用氢不同于一般工业用氢，对纯度要求很高，同时成本高、基础设施建设缓慢等也制约了燃料电池用氢的发展；四是氢在存储和运输过程中的安全性要求较高。
在氢能发展领域，近期可从4个方面进行推进：利用沿海化工聚集区建成扩大氢能利用的枢纽，鼓励当前使用化石燃料制氢的炼油和化工企业转向更清洁的方式制氢；充分利用现有天然气基础设施运输氢以降低成本；积极扩大氢在交通领域的应用范围；加强国际合作，启动国际氢贸易，建立首批航运线路。提升氢在全球能源体系的影响力。同时，应确立氢发展长期战略、刺激氢发展的市场需求，并在发展中防范氢产业投资风险，支持科技研发以降低制氢成本[11]。目前我国各地积极推动氢产业发展，已经初步构建起生产-运输-储存-使用氢的产业链条，今后要继续积极开拓市场引导氢产业的发展。
2.2.2 智慧能源
智慧能源，不是新的能源品种，而是拥有自组织、自检查、自平衡、自优化等功能，在“电源、储能、输电、配电、售电、终端用户能效管理、节能云平台”等领域加强整合，形成能源互联网，以满足系统、安全、清洁和经济要求的能源组织形式。发展智慧能源的目的是利用信息技术，特别是大数据、人工智能等，可实现电能的优化配置和高效利用，推进能源生产与消费模式革命，提高能源利用效率。而加快发电设施、用电设施和电网智能化改造，能提高电力系统的安全性、稳定性和可靠性；而加强分布式能源网络建设，提高可再生能源占比，促进能源利用结构优化[12]是智慧能源的内在要求。通过燃煤电厂的灵活性、节能和热电联产的“三改联动”，是目前我国最经济的储能乃至保证能源供应安全的有效途径。
制定能源转型和能源企业发展战略，需要考虑国民经济、社会发展和生态文明建设的全局，以世界标准、国际眼光进行规划。要做好顶层设计，以便能顶天立地。所谓顶天，就是要顺应绿色低碳发展国际潮流，符合联合国可持续发展2030目标，并且要关注并用好国家政策导向；在顶天的同时还要能立地，即，工作有抓手、项目能落地、结果可显现、可考核。这样，通过能源绿色低碳化可为经济繁荣奠定基础，而通过创新驱动可谋划长远，以能源资源的可持续利用支撑经济社会的可持续发展。
3 俄乌冲突对全球能源转型的影响以及能源安全的启示
俄乌冲突时间超过半年，其影响显而易见：欧盟国家能源价格上涨，部分国家重启燃煤电厂等。同时俄乌冲突也影响了欧盟国家的碳中和进程。但能源转型进程中的波折也揭示出事物发展波浪式前进、螺旋式上升的规律。国外能源转型情景与1973年能源危机带来的情景类似，转型方向不会有大的变化，欧盟国家与俄罗斯能源(特别是天然气)的“脱钩”步伐会加快。
俄乌冲突导致全球范围内一度广遭“抛弃”的煤炭和煤电重新受到重视。德国、英国、法国等在呼吁节约用能的同时，也一改以往的“弃煤”姿态，加大燃煤发电量以弥补因天然气短缺带来的供应缺口。法国准备重启一家燃煤电厂，以便在冬季寒冷到来时增加发电量。德国放弃了2035年100%绿电目标，上议院批准一项能源法案，包括可再生能源新目标、天然气进口计划、燃煤和燃油发电机组将重返电力市场等。德国2030年的绿电目标为80%，到21世纪末将风能和太阳能装机容量增长3倍，从117 GW增加到360 GW。德国原计划退煤退核退气，现转变为退气退煤再退核。美国的情况也大致如此。美国自1973年能源危机后确定“能源独立”战略，到2021年基本实现“能源独立”，能源技术也取得较大进步。美国最高法院2022年6月30日对西弗吉尼亚州诉美国环保署(EPA)案作出最终裁决：限制EPA利用《清洁空气法案》来监管发电厂温室气体排放的权力，反映了美国在环境保护上的“进三步退两步”。
面对降碳和石油天然气对外依存度居高不下的双重压力，我国必须把能源安全放在更为重要的位置。能源安全，包括保障国民经济和社会发展的能源供应安全、能源系统运行安全及民生用能安全等方面。以往能源安全风险主要源于自然灾害、金融危机、地缘政治等方面；由于台风等灾害曾经导致我国南方一些地方的油价上涨。而今，一些风险还来自突发因素，如俄乌冲突等“黑天鹅”事件，尤其是北溪输气管道的破坏，加大了欧洲国家能源供应的紧张程度；此外，也有来自技术方面的风险，如电力系统的安全稳定风险以及生产运行操作等技术层面的风险。风险一旦发生，会对经济社会发展和人民生活的正常秩序产生较大破坏。在面对自然灾害时应对能源安全风险的主要措施是油气储备(包括国家的战略储备和企业的商业储备)能在能源供应紧张时有效释放(美国这方面已有成功的实践)。因此，要保障我国经济社会发展对能源的需求，必须建立能源供给应急预案，防范各种人为因素和自然灾害给能源供应安全带来的风险隐患。
4 结语
“欲速则不达”是我国先人的认识。我国能源转型需要较长时间，不可能一蹴而就，一定要处理好降碳与安全发展之间的关系。在降碳过程中，必须警惕各种风险，包括急功近利对经济的刚性破坏，无视科学进行的“一刀切”“齐步走”式减碳引发的系统风险，包括时时、事事、处处都要减碳引发的不公平等，更要警惕西方国家利用“双碳”的信息不对称遏制中国发展[13]。中央经济工作会议已提出要求，坚持全国统筹、“全国一盘棋”，纠正“运动式减碳”。要兼顾并处理好降碳和能源安全关系，必须将能源安全放在优先位置。一要发挥煤炭的兜底和压舱石作用，减轻油气进口导致外汇快速消耗的压力；研发“利用炭少排碳乃至不排碳”的技术路径，推动煤炭安全高效、清洁低碳利用；二要把电力供应安全放在首位，要避免电力生产供应发生重特大事故、电力设施破坏、电力供应持续危机等突发事件引起的大面积停电；特别要避免新型电力系统出现大面积停电的潜在风险，以局部安全保障系统整体安全的方式，让能源的“饭碗”牢牢端在自己的手上。
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