一、煤電排放占我國碳排放的最大份額
國際能源署在其《2050年能源零排放路線圖報告》中指出，CO2排放的重點能源行業(yè)是電力、工業(yè)、交通和建筑這四大領域，并且強調，電力領域應是全球最先實現(xiàn)零碳化的重點排放領域。報告提出了到2040年，全球煤電從能效最低的亞臨界機組開始，燃煤電廠將逐步被完全淘汰的路線圖。我國的燃煤發(fā)電的總裝機容量到2021年已達11億千瓦，雖然其占比已經(jīng)降低至50%以下，但煤電的發(fā)電量占比仍然超過60%。2020 年我國碳排放總量113億噸，其中能源領域碳排放99億噸，占比88%；全國火電發(fā)電量為53300億度，碳排放實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)為51.2億噸，占當年我國CO2總排放量比重的51.76%。況且，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化深入推進，我國能源消費總量將在 2030 年前后達峰后，電力需求仍將持續(xù)增長。嚴峻的現(xiàn)實是，要實現(xiàn)碳達峰和碳中和，能源是主戰(zhàn)場，煤電減碳是主力軍。不首先實現(xiàn)煤電大幅度減碳，“雙碳”目標是不可能達到的。
無可替代
根據(jù)我國電力發(fā)展規(guī)劃，到2030年，可再生的風電和太陽能發(fā)電的總裝機容量將達到12億千瓦以上，但在“雙碳目標”和建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的推動下，預計到2030年，新能源裝機將大大超過原規(guī)劃而會達到17億千瓦以上。但是必須看到，風電和太陽能發(fā)電有著不可忽視的短板，那就是“不可控”， 是一個不穩(wěn)定的間歇電源。其裝機的發(fā)電能力嚴重受限于晝夜日照、季節(jié)變化、天氣陰晴、風力大小等自然氣象條件的限制。據(jù)報道，2019年在全國非化石能源發(fā)電量占比僅為32.6%情況下，風電和光電就已經(jīng)普遍面臨并網(wǎng)難、消納難、調度難等問題。2021年2月，美國德克薩斯州因嚴寒天氣，全州電網(wǎng)在4分鐘內完全崩潰。450萬戶家庭和大量企業(yè)失去電力；長達數(shù)天的斷電造成近百人死亡。其中一個主要原因，是已占相當產(chǎn)能比的風電和光伏電源，因風葉凍結和連續(xù)陰霾天氣而無法出力。我國去冬今春南方數(shù)省頻繁拉閘限電，則是因降雨少影響水力發(fā)電，以及風、光條件差影響到風電和光伏電的正常運行。
實際上，我國現(xiàn)有的大型煤電機組在我國電力生產(chǎn)中的基礎支撐作用將難以替代。首先，我國煤電為主的電源結構是我國缺油少氣、煤炭豐富的資源稟賦特點決定的，是建國以來70多年，尤其是近30多年來全國電力戰(zhàn)線廣大干部職工和技術人員，經(jīng)過自力更生艱苦奮斗、引進消化吸收國外先進技術、大膽積極創(chuàng)新建立起來的，形成了一個世界最大和領先、布局合理、穩(wěn)定可靠的煤電生產(chǎn)和電力輸送配置的巨大系統(tǒng)，強有力保障和支撐了國家的能源安全、生產(chǎn)和社會發(fā)展、人民生活水平不斷提高的需要。我國已經(jīng)成為世界煤電生產(chǎn)最強國，這個歷史過程和結果具有巨大的慣性，改變起來絕非短期，更非一朝一夕之功。
隨著我國產(chǎn)業(yè)結構的調整和城市化進程，電力需求側的結構性變化明顯，負荷不穩(wěn)定和變化幅度增加劇烈，要求發(fā)電側具有深度隨動的主動性，電網(wǎng)的調度調節(jié)高度靈活。如上所述，風電和光伏發(fā)電在目前大規(guī)模儲能技術未獲突破的情況下，完全不能滿足這些要求，而我國大型煤電系統(tǒng)則能適應需求側的變化。
如前所述，我國已建成的大容量超（超）臨界參數(shù)和亞臨界參數(shù)機組的總容量有8.73億千瓦，這些機組及其配套設施、輸配電系統(tǒng)的資產(chǎn)總量高達數(shù)以10萬億人民幣。這筆龐大的資產(chǎn)是國家和人民長期奮斗積累起來的財富。這些機組服役時間大都不長，正當“青春”和“年富力強”的好年華，決不能輕易地讓它們以“低碳轉型”的名義提前退役，造成不可挽回的巨大損失。如果以全新的生產(chǎn)、儲能（目前還沒有成熟的技術）和不穩(wěn)定的風光發(fā)電系統(tǒng)來替換上述煤電系統(tǒng)的電量生產(chǎn)能力，其投資和運行成本的高企將可想而知。
三、生物質與煤耦合發(fā)電是煤電
生物質發(fā)電和風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等可再生能源電力一樣，都是（近）零碳排放的電力生產(chǎn)方式，而且還具有風力發(fā)電和太陽能發(fā)電所沒有的優(yōu)勢：即在自然界，年度再生的農(nóng)、林剩余物資源量比較穩(wěn)定；燃料可以運輸、儲存以便常年均衡使用。利用大型高效燃煤機組混燒生物質燃料發(fā)電，是國際上實現(xiàn)生物質發(fā)電的一種先進技術。不僅比現(xiàn)有的生物質直燃發(fā)電(一般為中、小發(fā)電廠)的發(fā)電效率高，而且可以明顯降低煤電機組的碳排放量，提高煤—生物質耦合發(fā)電的靈活性，加強煤電生產(chǎn)的可持續(xù)性，是煤電走向低碳化一條現(xiàn)實可行、也是唯一的路徑。
國際上在大型燃煤發(fā)電廠中采用生物質混燒技術，源于1997年12月在日本京都通過的《聯(lián)合國氣候變化框架公約的京都議定書》。該議定書的目的，是限制發(fā)達國家二氧化碳的排放量以抑制全球氣候變化。自那時以來，發(fā)達國家尤其是歐盟國家，就開始在法規(guī)政策和技術上采取各種措施以降低煤電的碳排放。其中最主要的技術，就是采用燃煤與生物質耦合混燒發(fā)電。生物質混燒技術逐步成熟起來后，得到了很好的推廣和應用。
四、英國和丹麥關閉煤電的底氣
以丹麥為例。2017年，現(xiàn)代生物能源已經(jīng)占到可再生能源的近七成(69%)。其最主要的貢獻，是在熱電聯(lián)產(chǎn)領域以生物質燃料特別是生物質成型顆粒燃料替代煤炭。由于在技術上解決了多摻富含鉀和氯的秸稈易產(chǎn)生鍋爐結焦的問題，1992年，功率為7.8萬千瓦的midkraft發(fā)電廠使用秸稈與煤混燃發(fā)電即已達到50%:50%的比例，年消化秸稈7萬噸。1999年，丹麥已實現(xiàn)使用120萬噸秸稈(占全國年產(chǎn)秸稈350萬噸近三成)及20萬噸木切片與煤混燃發(fā)電的目標(原料不足部分進口)。丹麥能源信息署(EnergiNet) 估計，生物質能已占到全國發(fā)電能源消費量的四分之一以上；并預計，隨著越來越多的生物質(包括沼氣)熱電聯(lián)產(chǎn)項目投產(chǎn)，到2026年這個數(shù)字將提高為57%。英國則是在在強有力的激勵政策推動下，從上世紀末起，煤電生物質耦合發(fā)電得到強勁的發(fā)展。經(jīng)過20多年的煤電廠生物質耦合混燒燃煤發(fā)電的實踐，最終使英國所有的大型燃煤電廠全部改造成為生物質混燒。最典型的是英國裝機容量最大Drax電廠。該電廠共裝有6臺66萬千瓦燃煤機組。從2003年在一臺機組上改造混燒5%的生物質開始，不斷增加生物質混燒比，直至全部煤電機組均改造成生物質混燒，最終于2018年實現(xiàn)了4臺66萬千瓦煤電機組100%燃燒生物質顆粒燃料。成為世界上最大的生物質燃料火電廠。與此同時，該廠通過國內外兩個市場，解決了年需1000萬噸生物質顆粒燃料的供給問題。因此，根據(jù)他們的經(jīng)驗，大型燃煤機組進行煤—生物質混燃發(fā)電在技術上是十分成熟的，為我國煤電行業(yè)借鑒國際經(jīng)驗實現(xiàn)低碳轉型展示了一條康莊大道。而且我國大型燃煤機組的特殊優(yōu)勢是可以使煤—生物質混燒發(fā)電如虎添翼。其優(yōu)勢之一是我國的燃煤機組世界最高供電效率和最低供電煤耗，其二具有深度調峰的負荷調節(jié)技術， 使機組負荷調節(jié)范圍達到100%—20%，第三是煙塵、SO2、NOX等常規(guī)大氣污染物都能達到超低排放。
1. “綠色”發(fā)電指標，即規(guī)定所有發(fā)電公司必須完成一定指標的碳零排放發(fā)電量；
3. 完不成“綠色”發(fā)電“指標的予以懲罰；
正因為有了如此的成功變革，英國和丹麥才有底氣正式宣布，將分別在2025年和2030年，全部關閉所有的煤電廠。丹麥和英國等國的經(jīng)驗表明，燃煤火電廠要實現(xiàn)通過煤-生物質混燒達到低碳發(fā)展的目的，必須具備三個條件：
2、建立可靠的生物質燃料的供給市場；
而前提條件則是，必須要有足夠而且比較穩(wěn)定的生物質燃料供應。在生物原料資源方面，我國有著不可忽視的優(yōu)勢。
中國的國情決定，我們不可能像歐美國家那樣大量進口生物質能的原料。因此，決定我國當前和今后大規(guī)模應用生物質能的關鍵，首先是資源量潛力，其次是將理論資源潛力轉變?yōu)閷嶋H應用的能力。
我們對邊際土地種植能源植物的巨大潛力的精確測算結果是，適宜種植能源植物(灌木，草類)的3類邊際土地即灌木林、疏林地和低覆蓋度草地，面積合計為1.79億公頃；以1公里柵格為單位，先計算出180萬個土地單位的凈初級生產(chǎn)力(NPP)，而后折算為能源植物的生物量和地上部(可利用)生物量，再折算為能量。將年能源植物能量加上估算的可利用年有機廢棄物(包括農(nóng)作物秸稈、農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物、畜禽糞便、林業(yè)撫育、采伐和加工剩余物、城市生活垃圾、工業(yè)廢水/生活污水和餐飲廢油)折能量，得到年生物質能總資源量為9.56億噸標準煤(考慮到畜禽糞便、廢、污水和廢油不適宜耦合發(fā)電，發(fā)電可用生物質資源量為5.69 噸標準煤)。需要強調指出的是，該資源潛力是能源植物在完全自然(生長)條件下的情況。如果人工種植，必然會增加投入(水、肥，選種等)和管理，則能源植物的生物量和能源潛力將可翻一、兩番甚至更多。與此同時，隨著生產(chǎn)和生活水平的不斷提高，城鄉(xiāng)有機垃圾的資源量也還會繼續(xù)增加。擴大造林面積也將增加“三剩物”的產(chǎn)出。因此，屆時生物質可利用的年資源量將超過20億噸標準煤。而當前我國用于發(fā)電的燃煤量每年約折合為16億噸標準煤。
而如果換一個角度看，這樣一個年總產(chǎn)值超萬億元的巨大支柱型產(chǎn)業(yè)和市場，包括極其大量的勞動力崗位，恰恰是振興鄉(xiāng)村的急需。一些生物質直燃電廠前幾年參與扶貧攻堅的實踐已證明，農(nóng)村存在大量廢棄的和無人收獲的農(nóng)、林有機物。只要設立常年的收購站，一個弱勞力甚至殘疾人，靠收集出售這些原料，年收入也能上萬元甚至數(shù)萬元。
六、對我國高質量低碳發(fā)電的幾點建議
1. 首先是采用已經(jīng)經(jīng)過示范運行的煤電升級改造創(chuàng)新技術，對現(xiàn)有在役的煤電機組進行升級改造，除了將落后低效率高煤耗的機組進行淘汰外，對所有在役的煤電機組，包括30萬千瓦、60萬千瓦和100萬千瓦等級的亞臨界、超臨界和超超臨界機組，制定具體的供電煤耗要求和碳排放強度標準，以及靈活性低負荷性能要求，限時完成，否則不許上網(wǎng)運行。力爭在“十四五”期間盡可能完成對所有在役的煤電機組的升級改造。實現(xiàn)在役煤電機組的高效和低煤耗發(fā)展，實際上這是實現(xiàn)煤電與生物質耦合發(fā)電的基礎和前提。
3. 制定系列政策，推進在邊際土地上種植灌木、草類等能源植物以及有林地的改造，建立農(nóng)、林廢棄物和能源植物收、儲、運和初加工的產(chǎn)業(yè)鏈。推動建立全國性的生物質燃料供需市場。生物質發(fā)電利用由小型直燃發(fā)電廠逐漸轉為以大型燃煤電廠混燒利用為主。
對煤電高質量低碳發(fā)展提出三步走的建議：即進一步淘汰煤電的落后產(chǎn)能；對仍然需要繼續(xù)服役的非最先進機組自身的升級改造；大型高效煤電機組生物質耦合混燒發(fā)電和推進CCUS技術的研發(fā)和利用。其中，首先是對在役機組的升級改造，以進一步降低煤耗減排二氧化碳；二是使煤電的生物質耦合混燒發(fā)電起到承上啟下的作用，在煤電自身通過創(chuàng)新改造成為高效率低煤耗靈活性機組的基礎上，再進一步降低其碳排放。這樣就能創(chuàng)造一個時間窗口，為采用CCUS等技術最終實現(xiàn)煤電的碳零排放打下基礎。而我國推動發(fā)展煤和生物質耦合混燒發(fā)電的關鍵，是“完善綠色低碳政策和市場體系”，“制定和實施相應的扶持激勵生物質混燒政策”和“建立和發(fā)展生物質燃料的供需市場體系，實現(xiàn)國內和國際兩個生物質顆粒燃料市場的雙循環(huán)”。我們相信，只要堅定地按照黨中央和習近平總書記關于“3060”雙碳目標的戰(zhàn)略決策的一系列指示和要求，千方百計走煤電低碳發(fā)展的道路，我們的目標就一定會實現(xiàn)。（清華大學1 倪維斗，毛健雄，李定凱 中國農(nóng)業(yè)大學2 石元春，程序，朱萬斌）
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