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引 言
進入21世紀以來，推動綠色低碳轉型已成為全球許多國家應對氣候變化協議的共識。作為全球最大的碳排放國，中國在第七十五屆聯合國大會上莊嚴承諾碳達峰、碳中和的目標，并將該目標首次寫入政府工作報告。循跡溯源，中國43．1%的碳排放來自電力系統，而煤電供給了中國60%以上的電量。中國電力系統既面臨為經濟發展不斷增加電力供應的需求，又面臨為實現碳中和目標持續減少碳排放的壓力;一邊是要面對缺煤帶來的“電荒”等實際問題，另一邊卻是減煤的必由之路，給中國能源發展敲響了警鐘。在嚴控煤電和碳中和目標的背景下，中國煤電行業需不需要發展、如何發展是亟待思考的問題。
一、煤電在碳中和目標實現中的機遇
（1）煤炭在中國化石能源中的地位
化石能源中，中國石油、天然氣儲量匱乏，截至2020年底，煤炭、石油和天然氣查明儲量分別占世界的比例為13．3%、1．5%和4．5%。中國這種“富煤貧油少氣”的能源資源稟賦格局導致中國主體能源仍以碳排放強度較高的煤炭為主，煤炭消費量占能源消費總量的56．6%。
調整能源結構是實現碳中和目標的主要途徑之一，未來中國的能源結構逐漸轉變為風能、太陽能等非化石能源為主。《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《能源生產和消費革命戰略(2016－2030)》中明確指出:2030年一次能源消費量控制在60億t標煤以內，非化石能源占一次能源消費比重達到25%左右，2050年占比超過50%，2060年達到80%以上，其中2030年天然氣占一次能源消費比重達到15%左右。根據以上要求可知，2030年化石能源消費占比為75%，總量小于45億t標準煤，天然氣消費量小于9億t標準煤;2050年化石能源消費占比為超過50%;2060年中國化石能源消費占比與2030年相比約下降55%，由非化石能源替代。
結合中國的化石能源查明儲量的實際情況，考慮到能源安全，中國的石油消費量不宜增長且占比不宜超過天然氣，若2030年石油消費占比也按15%計算，消費量小于9億t標準煤，則煤炭消費占比為45%，消費量小于27億t標準煤。根據國家發展戰略，2035年中國基本實現現代化，2050年全面實現現代化，能源產業要繼續發展，否則不足以支撐現代化建設，2050年一次能源消費總量按70億t標準煤計算。《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》明確指出:加快煤炭減量步伐，“十四五”時期嚴控煤炭消費增長，“十五五”時期逐步減少，石油消費“十五五”時期進入峰值平臺期。因此，2050年中國天然氣和石油消費量仍分別維持在2030年9億t標準煤的水平，則兩者分別占比13%，煤炭消費占比不超過24%，消費量低于17億t標準煤。2050年非化石能源占一次能源消費總量的50%以上，非化石能源包括風電、太陽能發電、水電、核電、生物質發電等，這些非化石能源中單一種類的能源占比都不會超過24%，可見，2050年煤炭在中國的能源消費中依然排在第一。煤炭仍將在未來相當長一段時間內發揮重要作用，是中國能源安全和穩定供應的“壓艙石”。
（2）煤電在中國電力行業的地位
根據中國電力企業聯合會統計數據，2020年中國煤電裝機量為10．8億kW，發電量為46296億kW·h，“十三五”期間煤電裝機年均增速為3．7%，煤電機組以49%的裝機容量份額保障了全社會61%的電量供應，支撐了75%的高峰負荷需求。構建以新能源為主的新型電力系統是一個長期的過程，盡管中國目前的風電、光伏發電裝機規模都處于世界第一的水平，但總發電量占比仍然很低。即使在最有利的氣候條件下，風能和太陽能也無法產生足夠的電力滿足全年100%的需求，無法填補能源需求的空白。
2020年底中國的煤電裝機容量為10．8億kW，平均運行年齡僅為12年，顯著低于歐美國家平均運行40年的水平，讓這些煤電機組提前退役，不僅會給相關企業造成高額的沉沒成本與財務負擔，更會對電力系統的安全與穩定構成威脅，并造成經濟社會資源配置的低效率。因此，中國煤電在電力保供中的地位短期內難以改變，仍需有序發展，防止煤電大規模過快退出而影響電力安全穩定供應，解決好煤電發展問題是中國穩妥實現碳中和的關鍵。國家政策很明確，“十四五”期間嚴控煤電項目，根據發展需要合理建設先進煤電，繼續有序淘汰落后煤電，并實現煤電機組靈活制造規模1．5億kW。預測“十四五”期間煤電規模及發電量仍有較大增長空間，裝機容量增長約在2億kW;“十五五”后期，將逐步削減煤電存量，不過削減量不大;到2030～2035年，削減會加速;到2060年，中國仍需要保留5億kW左右煤電裝機量。
二、煤電在碳中和目標實現中面臨的挑戰
煤電是CO2排放的最大來源之一，碳中和要求能源消費結構向低碳化，無碳化調整，因此煤電是中國碳中和目標的“排頭兵”。在未來一段時間內，煤電將與非化石能源并存，煤電地位由“主體”向“兜底”轉變，煤電發電利用小時數減少、占比逐年下降，面對高比例非化石能源發電的新時代，煤電在未來需積累化石能源與非化石能源發電相結合的經驗，面臨清潔低碳化、深調靈活化，功能多元化和智慧能源化的改造技術挑戰，在碳中和時期為電力系統發揮電力平衡和調節作用。
清潔低碳化
中國煤電發展的主要制約因素已從常規污染物排放控制轉為低碳排放，清潔低碳化是面臨的首要挑戰。在清潔化(污染物排放控制)方面，煤電機組在發電標準煤耗不大于全國平均水平時比燃氣電廠更清潔，在污染物控制技術上，繼續向深度一體化協同控制發展，逐步使大氣污染物排放接近于零。要實現煤電機組低碳發展，需要逐步完成低碳—零碳—負碳排放，這主要需在三方面進行技術突破。
(1)節能改造技術。先進高效的燃煤發電技術，可通過降低煤耗減少碳排放。目前中國超超臨界機組實現自主研發，百萬千瓦空冷發電機組、大型循環流化床發電技術世界領先。截至2020年底，全國累計完成煤電節能改造超過6億kW，平均供電煤耗為305．5g/(kW·h)，其中超超臨界和超臨界機組占比49．5%，還存在占煤電容量50．5%的亞臨界及以下機組需通過升級改造來提升效率、降低煤耗或淘汰落后機組。此外，還需大力推動煤電機組由超超臨界向更高效的二次再熱高低位布置、700℃機組、多聯供機組等新型燃煤發電方式擴展，將先進煤電機組的供電煤耗降到250g/(kW·h)以下。
(2)生物質等非煤燃料摻燒技術。燃煤耦合生物質發電對于降低煤耗、促進能源結構調整和節能減排發揮了重要作用。在保證相同發電量的情況下，煤電機組可與污泥、生活垃圾等生物質耦合混燒，大幅度減少煤炭的使用量，達到與燃氣電廠一樣的碳排放。燃氣電廠按平均碳排放強度折算相當于供電煤耗為174g標煤/(kW·h)，按照安徽平山電廠煤電機組供電煤耗251g/(kW·h)和現階段新建機組要求設計供電煤耗全面低于270g/(kW·h)計，分別需要摻燒30%和36%比例的生物質燃料可達到單位供電量與燃氣電廠一樣的碳排放量。當然未來在可能條件下需不斷增加生物質燃料混燒比例，直至最后實現完全的生物質燃料替換，達到零碳排放。目前中國生物質發電量占比僅為1．5%，且以小容量的秸稈電廠為主。為實現生物質的摻燒，需要對燃料制備系統和鍋爐燃燒設備進行技術改造，利用大容量高參數煤電機組發電效率高的優勢，提高生物質的發電效率。除生物質外，中國煤電混氨發電技術實現突破，2022年建立了世界首個40MW等級煤電氨混應用項目，按年利用小時數4000h計，每年可減少煤電機組碳排放46萬t。
(3)煤電機組耦合碳捕集、利用與封存(CCUS)技術。煤電機組加裝CCUS可推動電力系統近零碳排放，避免已經投產的煤電機組提前退役，降低碳中和目標的經濟成本，在負荷變動或是極端工況條件下保持清潔低碳發電特性。但由于技術、成本及商業模式層面都尚未成熟，目前該技術還是以研發示范為主，沒有大規模發展。因此，加快CCUS研發技術的重大突破，解決CCUS高投入、高能耗、高風險的難題，成為我國以煤為主的能源結構向低碳多元化轉變的重要保障。此外，生物質能－碳捕集與封存(BECCS)技術將成為碳中和時適度保存煤電和實現電力負碳的可行性選擇，對煤電摻燒生物質燃料改造后的機組再加裝碳捕集技術，使未來煤電機組有望達到大范圍負碳排放。
深調靈活化
未來大規模可再生能源接入的電力系統對靈活性電源的需求將不斷提高，煤電機組需要擔當基荷和峰荷等多重功能，需要深度參與系統調峰、調頻、調壓和備用等電力輔助服務。煤電運行需要更加靈活，調峰能力更加突出可靠，目前國內煤電機組通過熱電解耦，低壓穩燃等技術可將煤電機組的最小穩定出力降至20%～30%的額定容量，但其增減出力的響應時間較長，爬坡速度緩慢，難以充分滿足系統靈活性的需求，無論是調峰深度、變負荷速率還是快速啟停能力都與歐美發達國家有較大差距。深調后煤電機組長期運行在低負荷工況之下，機組能效減低，煤耗率上升，導致NOx、CO2排放增加，造成環境影響;同時還會增加機組損耗，降低機組壽命，這意味著煤電深調靈活性改造還有很大的空間與潛力，需要在調峰的深度、速度、成本和環境影響等綜合技術上有所突破。因此，提升電力系統深調靈活技術將成為碳中和時期煤電發展的關鍵，國家明確“十四五”期間完成存量煤電機組靈活性改造2億kW，增加系統調節能力3000～4000萬kW。此外煤電機組利用小時數逐年降低，還需電力市場化改革加快推動煤電功能定位調整，建立包括電量、財稅、補貼、容量供給等服務在內的煤電評估機制和政策，通過市場手段，確保高效機組獲得經濟發電小時數，調峰機組得到符合市場規則的效益，進而促進風電、太陽能發電的消納。
功能多元化
我國電力企業需要從能源供應商向能源服務商轉化，實現功能多元化。煤電可利用生物質、垃圾、污泥等與煤摻燒發電，能將大量的能源植物收購作為能源利用，獲得較好的經濟收益，并為城市消納生活工業垃圾、污泥等靜脈服務。著眼中長期發展，單純依靠電力系統難以充分實現新能源利用，因而跨系統發展循環碳經濟是新能源多元化利用的重要方式。建設以煤電機組為核心的供熱、供汽、供水、蓄熱、蓄電等跨能源系統利用方式，為城市提供“電、熱、冷、汽、水、氫、壓縮空氣”等動脈服務，實現多種能源的相互轉化、相互控制、互補應用，促進多能融合互補，打通城市發展建設的“動靜脈”。此外，利用煤電CCUS或BECCUS捕獲的CO2，和火電的低谷電電解水制氫，結合來制取甲醇、甲烷等應用于工業原料領域，全面擴大碳循環經濟規模，并同時解決氫氣儲運安全性的難題。
智慧能源化
互聯網和智慧能源是推動我國能源供給側清潔低碳轉型的重要技術手段，需要煤電由傳統能源向智慧能源發展，既滿足用戶需求，又符合環境要求，不僅要實現能源需求智慧化，能源運輸智慧化，還應圍繞能源供應和消費系統智慧化。煤電未來要通過互聯網與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合，利用大數據、云計算提供智能感知、預警及診斷、綜合一體化全流程協同控制等綜合服務，實現自動化管理、精細化管理、精準化預測，從而完成煤電向數字化轉型。集成先進的傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術和控制技術，提升煤電機組運行靈活性，連續監測污染物排放，調整催化劑輸入等，構建基于實時在線煤質、爐內燃燒及污染物生成機理的“煤風水汽電污”智能全流程一體化協同聯動控制，開發形成煤電－儲能耦合發電多場景多目標應用的高效低碳新型智能化協同控制。此外，還需充分利用分布式能源，追求橫向能源多品種和供應方式的互補優化，協調縱向源—網—儲—荷等各環節的協同互動，提供能源一體化方案。
三、結論與建議
(1)圍繞化石能源在全球能源消費中的地位、煤炭在中國化石能源中的地位和煤電在中國電力行業中的地位等方面明確了煤電在碳中和目標實現中的機遇:全球范圍內，化石能源在全球及許多發達國家能源消費中占比高達80%以上，仍是主體能源;中國2030、2050年煤炭消費在一次能源消費中占比預測分別為45%和不超過24%，在單一種類的能源中占比最高，在較長時期內仍是中國能源安全和穩定供應的“壓艙石”;中國煤電在電力保供中的地位短期內難以改變，到2060年碳中和時可能仍需要保留5億kW左右煤電裝機量，以確保能源安全。
（2）按照“控制增量、優化存量、淘汰落后”的原則，合理建設先進煤電，并從清潔低碳化、深調靈活化，功能多元化和智慧能源化四個方面加大技術研發力度，其中清潔低碳化是煤電機組實現中國碳中和目標面臨的首要挑戰，需要逐步示范和推廣煤電機組低碳—零碳—負碳技術:將50．5%的亞臨界及以下煤電機組進行節能降耗升級改造及淘汰關停落后機組，將最先進的煤電機組摻燒30%的生物質燃料實現單位供電量與燃氣電廠一樣的碳排放量，將生物質能－碳捕集與封存(BECCS)技術進行示范應用。充分發揮煤電“托底保供”和系統調節能力，支撐能源綠色低碳高質量發展，在保障能源安全的同時，順利實現碳中和目標。
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