全球气候变化被视为21世纪人类社会面临的巨大挑战之一[1],它不仅关乎人类的生存环境变化，更涉及全球经济和地缘政治格局[2]。面对日益严峻的气候形势，2016年《巴黎协定》提出将全球温升控制在比工业化前水平高2 ℃的范围内，并尽最大努力限制在1.5 ℃左右[3]。但无论是控制在1.5 ℃还是2.0 ℃，全球剩余碳排放空间和碳达峰时间均非常有限[4-5]。2019年全球能源碳排放量达331亿t，处于历史高位[6]，亟待采取积极措施促使温室气体实现“净零排放”，即人为移除与人为排放之间实现平衡，也称为“碳中和(Carbon Neutrality)”[7-8]。可见，碳中和对于改善生态环境、应对气候变化、助推高质量发展具有重要意义。当下各国对碳中和的呼声越来越高[9]，截至2020年10月，全球127个国家或地区已相继提出各自的碳中和目标[10]，其余国家也纷纷为限制或禁止煤炭发电设定时间表[11]。
2020-09-22，习总书记在第75届联合国大会提出，中国确保2030年前CO2排放达峰，力争2060年前实现碳中和。这一承诺成为推动全球气候治理转折的关键行动[12]，但也意味着中国只有30 a时间去完成欧美发达国家50～70 a时间的碳减排任务[10]，每年排放下降率高达8%。欧盟率先提出2050年实现碳中和的战略路线图[13]，为我国提供了多视角参照系。但资源禀赋、产业结构差异巨大，绝不能生搬硬套，亟需探索符合国情的碳中和路径。此外，新冠疫情改变全球发展格局，低碳复苏必将成为大国间博弈的重要领域[12]，如何实现碳中和是中国亟待回答的问题[1]。2060年碳中和擘画未来全球经济-能源-气候间关系的宏伟蓝图，与1.5 ℃温升控制目标相匹配[10]。但未来碳中和之路必将极为艰辛，亟需全面厘清重点行业发展战略，扩大气候治理激励政策。
经济发展离不开能源，碳排放又与能源消费息息相关[14]。当前中国经济结构决定了能源使用量巨大，单位GDP能耗不但高于世界平均水平，更是发达国家的2～3倍。现阶段煤炭仍是国家能源安全的基石，占中国一次性能源消耗的50%以上[15-16]，碳减排压力巨大[17]。因此，煤炭消费达峰是中国碳达峰的前提[17]，更是实现碳中和愿景的关键。煤炭行业与下游煤电等产业唇齿相依，但必须认清与煤炭相关的碳排放主要产生于利用环节[18]，并非生产。因此，煤炭行业碳中和重点关注绿色开采，科学用煤应由煤电、煤化工等下游产业着力承担。这并非撇清责任，而是从全生命周期去更审慎公正地评判。以往学者较多关注煤炭绿色、清洁低碳、安全高效开采与利用[19-22]，或重视煤矿区生态修复的技术与方法[23]。先前煤炭行业首创煤化工CO2捕集、咸水层封存与监测成套技术，建成世界首个10万t级煤化工碳捕获与封存(Carbon Capture and Storage，CCS)示范工程[22]，但离净零排放尚远。煤炭行业作为一个重点减排产业，更应该系统地研究低碳化利用，为实现碳中和愿景提供独特的行业发展路径。
当前已有多个行业公布其碳中和目标，或量身定做行业发展路线图[24]，但处于风头浪尖的煤炭行业却罕有发声。本研究拟阐明3个基本论断:① 正视国家战略需求与行业发展目标之间的偏差:碳中和作为国家全局战略必须高度重视，但并非要求每个行业与每个环节都完全实现碳中和，国情决定了大幅减煤是不可行的;② 厘清行业责任与自身义务的减排边界:煤炭利用的减排绝非煤炭单个行业的责任，但作为重点行业必须科学制定并严格执行发展路线图，为碳中和作应有贡献;③ 兼顾节能减排与开源增汇的双重策略:组合利用相关减排技术实现煤炭全生命周期的低碳化，同时也需重视生态修复，以及碳捕获、利用与封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)技术等增加碳汇的路径。基于此，阐述“脱碳”与“去煤”非对等关系，从全生命周期视角厘清煤炭行业及其下游产业碳减排责任，全面梳理不同情景下未来煤炭需求，阐明煤炭行业发展与碳中和愿景的差距，编制以“能源命运共同体”理念为基础的煤炭行业碳中和愿景实现路线图，为未来中国煤炭行业发展和能源安全决策贡献建议。
1 “脱碳”≠“去煤”
中国能源碳排放自2013年起进入缓慢上升期(图1)，但经济发展对能源需求仍有上升空间[25]，达峰后仍将保持高位运行[5]。
图1 中国主要能源碳排放变化
Fig.1 Change of carbon emissions of major energy sources in China
WEI等[26]认为，中国自主减排贡献(Nationally Determined Contributions，简称NDCs)约束力全球领先，但仍需在现有基础上大幅减排:针对2 ℃温控目标，2030年与2050年分别需减排2.9×109 t 与9.4×109 t的CO2当量。由此可见，中国未来“脱碳”需求迫在眉睫、任重道远。进入21世纪以来，煤炭碳排放量从2000年的23.9亿t快速升至2013年的69.04亿t，达到历史最高位;随后缓慢下降，自2016年起基本保持66亿t左右，仍处高位平台期。其外，即便碳排放增速有所放缓，但煤炭的碳排放量依旧占能源总排放量的70%～80%”。为尽快实现“脱碳”，“去煤”、“减煤”呼声高涨[27]。这也与媒体报道、公众认知偏差有关，一般认为化石能源在开采、加工、利用过程中负面环境效应大[14]，总将煤炭利用与高污染、高排放等负面形象挂钩，甚至一些媒体片面地认为只要不再用煤就可以轻松实现碳中和。但事实并非如此，具体分析如下:
(1)能源革命到底革谁的命？谢和平等[16]指出，能源革命并非不要煤炭，而是革“落后产能”与“肮脏利用”的命。高排放、高污染并非源于煤炭自身，而是未按绿色、洁净、低碳方式开发与利用。笔者认为，碳达峰之前并非放弃煤炭，仅是新的经济增量要靠非化石能源来支撑。国家能源战略不只是考虑排放问题，更要注重安全。例如，2020年部分地区冬季供热用煤不足，已昭示不可盲目“去煤”。新能源能否完全替代煤炭？更多取决于安全性、可靠性、经济性、接续性。显然，这些问题目前无法得到保障。此外，新能源也未完全解决碳排放问题，且自身污染排放复杂多样。煤炭作为国家能源安全的基石，短期内盲目“去煤化”绝非治理高排放的良策。变革煤炭开发利用理念，引入CCUS等关键技术，并与新能源组合发展才是现实的选择。
(2)发达国家“碳中和”的起点是什么？我国煤炭生产与消费约占全球的一半，煤电占比高达50.2%[18]，紧随其后的印度和美国分别只占11.0%和10.6%。同时，中国又是世界工厂，钢铁、炼焦、铝锭、水泥等高耗能产品占全球50%以上，经济结构决定了能源消耗。笔者认为，中国碳中和起点与欧美国家完全不同，发达国家倡导的“去煤化”本质上基本不存在，除美国外，发达国家几乎已不用煤。美国为自身利益至今也没有明确何时实现碳中和。因此，我国碳中和愿景不能盲目地按欧洲“去煤化”路线执行，按此路径不但会严重威胁国家能源安全，更会将中国经济推向深渊，拱手让出全球市场份额。
(3)碳中和愿景在何层面上实现再平衡？碳中和是国家全局战略，归根结底要在国家层面上实现再平衡，要求每个行业都完全实现碳中和本身就是一种谬误。煤炭相关的碳排放约占排放总量的70%～80%[28]，但碳排放主要源自利用环节，并非开采环节。电力、供热、冶金、化工等耗煤占比达90%，其中电力与供热占了60%[25]。因此，只要在建设、开采、闭关阶段借助绿色开采、节能减排、生态碳汇和CCUS技术减碳，实现了净零排放则可认定煤炭行业实现了碳中和愿景;而煤电、煤化工等形成的碳源不应归因于煤炭行业。同时，应与国内大循环新格局背景相结合，打通煤炭生产、分配、流通、消费等各个环节，厘清涉及各行业的碳减排共同责任，并实施“科学用煤、清洁去碳”的碳中和技术路径。
综上，碳中和愿景并非要求每个行业都完全实现碳中和，盲目“去煤”不符合国情，不仅难保障生态安全，甚至会威胁能源安全与经济安全。煤炭碳排放主要源自利用环节，煤电、煤化工等下游利用形成的碳源不应归因于煤炭行业。因此，实现“脱碳”绝不等同于必须“去煤”，绿色开采、科学用煤才是保障碳中和愿景达成的关键。
2 碳中和愿景对煤炭行业的挑战
当前舆论几乎一边倒地认为“去煤”是未来能源发展的大势所趋[29]。在现有技术条件下，依据《巴黎协定》约定的温升控制设定碳排放总限额，全球可能损失80%的煤炭产能。不难预见，未来煤炭行业必将面临史无前例的巨大挑战。
(1)煤炭相关利好政策全面退出。碳中和愿景对中国今后几十年社会经济发展活动提出了全新要求，未来必须走高效清洁的绿色低碳发展道路[30]，低碳转型与新能源替代是推动低碳发展的关键[4]。在实现碳中和愿景、加快生态文明建设、深化供给侧结构性改革、打好“三大攻坚战”、推动高质量发展等多重要求下，煤炭行业相关利好政策可能将全面退出。如，受能源结构调整约束，“十四五”期间，以煤为主的化石能源在一次能源消费中的占比势必有所调整。
(2)前期资本投入存在搁浅风险。煤炭行业资本投入巨大、生产周期长，碳中和愿景带来的政策性变化风险可能导致企业巨大的损失，煤电行业也面临着同样的难题。山西省2008年关停并转中小煤矿，尽管沉重打击了私挖乱采，保护了资源，但也严重挫伤了地方经济和煤电等下游企业，一些历史遗留问题至今没有得到妥善解决。“十三五”期间，国家已经制定并落实了各省单位GDP能耗下降率，也限制了各地燃煤总额，实际上已调节了煤炭生产能力。2020年中国关闭矿井数量达12 000处，未来10 a仍关闭3 000处[21]。淘汰落后产能无可厚非，但因压煤而摒弃先进产能，让投资蒙受巨额损失则是得不偿失。
(3)煤炭行业存亡面临巨大挑战。碳中和愿景要求碳排放尽快达峰，传统的开采、燃煤将难以为继[31]。煤炭开采和发电是碳排放最高的环节，近几年中国已经淘汰落后产能数亿t，关闭了数百个低效燃煤电厂[32]。中国碳中和的核心是CO2再平衡，主要源于煤电和供热。此外，煤炭在开采与运输环节也有大量CH4排放。随着“碳排放权”市场建立，未来煤炭行业面临着巨大的成本风险和财务压力，若不能转嫁到下游产业，或一旦新能源技术突破形成成本优势，必将为煤炭行业的生存敲响丧钟。
(4)煤炭科技研发面临重大考验。现有绿色开采、清洁利用等技术几乎很难实现碳中和意愿，曾视为未来战略的“煤炭清洁利用”技术仍不足匹配碳中和愿景。当前超临界发电技术几乎将燃烧效率提升至极限，但它并不能脱碳，对碳减排贡献有限[18]。与CCUS相关的富氧燃烧或燃烧捕集有助于燃煤电厂脱碳，一旦碳权交易成本高于CCUS成本或CCUS成本大幅下降、经济可行，那么CCUS技术必将推动燃煤发电变革，否则煤电规模不可避免地大幅下降。
综上，能源相关政策变化、结构调整等外因交织，催生了煤炭行业生存难题与资本搁浅风险;行业危机、人才流失、经费下滑又会阻碍煤炭相关科技进步，形成恶性循环。因此，亟需以危机倒逼煤炭低碳化与负排放技术进步;同时也要研判未来煤炭行业发展态势，审慎预测未来煤炭需求及其在能源结构中的占比。
3 中国未来煤炭行业发展态势
3.1 典型机构设定的煤炭需求预测分析
煤炭需求预测多采用能源消费弹性系数法、情景分析法、时间序列法、灰色预测模型法等[28]，也可用组合模型或因素分析[33]。情景分析法依据关键参数设置差异，可厘清不同情景下煤炭需求。当前有多家国际或国内权威机构发布能源展望报告，如国际能源署(IEA)、美国能源信息署(EIA)、英国石油公司(BP)、挪威国家石油公司(Equinor)、中国石油经济技术研究院(ETRI)、美国埃克森美孚公司(ExxonMobil)等。上述报告立足能源现状提出多种情景，可为能源预测提供借鉴。为此，参考IEA，EIA，BP，Equinor，ETRI等6家机构发布的研究报告，选择其中10种情景(表1)并提取主要参数，基于2000—2015年间原煤产量历史数据与最小二乘法的多元线性回归拟合煤炭需求方程，预测未来30 a中国煤炭需求。
表1 不同机构对未来能源需求预测的情景描述
Table 1 Scenario descriptions of future energy demand forecasts by different institutions
机构报告情景名称描述关键参数设定碳排放增速/%能源需求增速/%预测年份IEAWEO世界能源展望2020既定政策情景IEA-SPS20按现有政策意图和目标执行,且有具体措施支持00.802020—2040可持续发展情景IEA-SDS20清洁能源政策和投资激增使能源体系步入正轨,实现可持续能源目标:《巴黎协定》、能源获取和空气质量-3.80-0.502020—2040EIAAEO年度能源展望2019参考情景EIA-RCP19假设现行法律和条例在整个预测期间不变,使用参考案例作为基准来比较基于策略的建模0.701.202020—2050BPBP Energy Outlook 2020加速转型情景BP-RT20碳价格大幅上涨,并辅以严格措施支持,2050年能源相关碳排放下降约70%,2100年全球温升控制2 ℃水平-3.900.302020—2050净零情景BP-NZ20社会行为和偏好重大转变加速碳减排,假设2050年全球能源碳减排达95%以上(与温升1.5 ℃情景一致)-9.400.302020—2050基准情景BP-BAU20政府政策、技术和社会偏好继续以现有模式发展,进程相对缓慢,碳排放将在2030年前达峰-0.300.702020—2050ETRI2050年世界与中国能源展望基准情景ETRI-BAU19能源多元、清洁、低碳、安全、高效、智能发展;2050年煤炭占比降至30%;碳排放在2030年前后达峰-0.280.892020—2050EquinorEnergy Persp-ectives 2020改革情景Equinor-Reform20延续当前政策和技术,并继续按现有规模发展。假设气候政策持续偏紧,零碳技术使用有限,碳价尚未足够高,2050年化石能源占比降至75%-0.700.302020—2050再平衡情景Equinor-Renewal20与《巴黎协定》保持一致,全球温升低于2 ℃,全球能源相关碳排放以年均4%速度下降。2050年碳排放下降2/3,能源需求比2019年下降15%-3.70-0.502020—2050竞争情景Equinor-Rivalry20未将气候变化摆在优先地位,能源转型尚未启动,且世界正面临走上这条道路的风险与迹象,如贸易战、社会和政治动荡以及有可能进一步升级地区冲突0.200.702020—2050
注:不同情景描述及关键参数设定来源于相应报告。
由图2可知，不同情景下未来煤炭需求存在差异，且随预测期延长差异愈发显著;但所有情景中煤炭市场份额(即占一次能源比重)均呈不同程度的下降趋势。有研究认为要实现2030年碳达峰目标，煤炭消费应早于2020年达峰[34]。也有研究认为，煤炭行业碳达峰时间点设定于 2030 年较为妥当[25]。根据预测结果，除EIA-RCP19，IEA-SPS20两种情景外，其余预测均在2020年前达峰。可见，当前煤炭消费已基本达峰，但仍处于高位，囿于经济发展规模、可再生能源以及减排技术等因素的不确定性，未来煤炭需求量差异悬殊。根据预测结果，大致可分为维系现状、适度减少、净零愿景3个区间(表2)。与维系现状及适度减少相比，净零愿景可实现1.5或2 ℃温控目标，但极具挑战性，2050年煤炭需求低于6亿t，尚不足当前煤炭产量的1/6。
图2 不同情景下中国未来煤炭需求预测
Fig.2 Forecast of China’s future coal demand under different scenarios
表2 2030与2050年煤炭需求及其占比预测的区间划分
Table 2 Interval division of coal demand and its proportion forecast in 2030 and 2050
情景预测年份情景选择标准煤炭需求量/亿t煤炭在一次能源占比/%维系现状2030IEA-SPS20,EIA-RCP19,Equinor-Rivalry2038.96～39.45522050EIA-RCP19,Equinor-Rivalry2033.65～37.2540适度减少2030BP-BAU20,Equinor-Reform 20,ETRI-BAU1932.71～36.28432050BP-BAU20,Equinor-Reform 20,ETRI-BAU1921.18～26.5430净零愿景2030IEA-SDS20,BP-RT20,BP-NZ20,Equinor-Rebalance2027.15～28.04372050BP-RT20,BP-NZ20,Equinor-Rebalance202.53～5.5010
3.2 低碳技术进步修正的煤炭需求预测
典型机构设定情景未考虑煤炭开采或低碳利用技术进步，需进一步修正。谢和平等[16]曾预测2025年煤炭需求约为28亿～29亿t，占能源消费总量的50%～52%。而王一鸣[5]指出，2030年前煤炭在中国一次能源消费总量中占比仍超过一半(与维系现状情景相近)，但落实NDCs目标需降至45%(与适度减少情景相近)。若假设2050年煤炭实现原位利用、近零排放、CCUS技术成熟与成本降低、生态修复增加碳汇，可基本实现“净零排放”，2060年实现碳中和则不是奢望。为此，基于煤炭需求缓慢下降直至稳定的假设，重新设定煤炭占一次能源消费比重情景:2025年为50%～52%;2030年为45%～50%。参考袁亮等[15]情景设定并结合本研究结果，2050年设定:① 科技突破与有序开发参照Equinor-Reform20;② 仅科技突破参照ETRI-BAU19;③ 维持现状参照BP-NZ20。最终再运用线性趋势法预测2050—2060年煤炭需求。
基于上述分析重构2020—2060年煤炭需求区间(图3)。2030年实现碳达峰后亟需向1.5 ℃温升目标转化。无论需求上限，或是发展规模仍存在分歧，2030年后煤炭市场份额下滑均不可避免。根据预测，2030—2050年是煤炭行业生死存亡的关键期，至2050年预测上限几乎是下限的8倍。因此，在全球碳约束下，煤炭未来发展空间终究取决于自身能否实现原位利用、零碳排放以及CCUS技术应用与推广。可见，低碳化与负排放科技是煤炭行业生存的压舱石，但留给煤炭行业变革的时间十分紧迫。若难以实现上述科技重大突破，则煤炭行业还将面临深度洗牌。因此，必须重视煤炭行业现状与碳中和愿景间的差距。
图3 考虑低碳技术的煤炭需求预测
Fig.3 Forecast of China’s future coal demand modified by consider low-carbon technology
4 煤炭行业现状与碳中和愿景的差距
从煤炭行业自身发展的视角出发，若想2030年前实现碳达峰目标、2060年达成碳中和愿景，必须正视几个方面的问题(图4):
(1)标准规范不匹配，仍需修订符合碳中和愿景的绿色矿山建设标准。当前正在实行的是自然资源部2018年颁布《煤炭行业绿色矿山建设规范》，尽管涉及了节能、降耗、减排等环保的要求，但与促成碳中和愿景实现的新目标不完全相符。因此，新标准对煤炭行业重点如下:① 要明确界定碳排放的核算边界;② 加大技改升级，减少排放;③ 实施生态修复，增加碳汇。
(2)监管要求不健全，仍需规范煤炭企业碳排放监测及信息披露要求。碳排放信息收集精确与否是判断实现碳中和的前提，但目前尚未构建高精度长时序的碳排放动态监测体系，也缺乏采集与评估碳足迹的能力，难以厘清应对气候相关风险与减碳贡献度。此外，碳排放信息披露是评判是否净零排放的重要依据，但目前尚未强制要求公开披露，外界无法得知是否满足净零排放要求。
图4 煤炭行业与碳中和愿景差距示意
Fig.4 Gap between the coal industry and the vision of carbon neutrality
(3)治理能力不成熟，仍需提升煤炭行业对气候变化风险的应对能力。中国煤炭生产重心正向生态更为脆弱的西部转移，气候升温、干旱脆弱与煤炭开采交织，可能诱发更为严峻的生态环境问题，煤炭行业亟需主动应对气候变化所带来各项风险。同时，西部脆弱的生态也为煤炭企业增加碳汇提供了一个良好场地。当前煤炭企业尚未充分理解气候转型的相关风险，也没有系统性地建立气候风险分析体系。行业层面也没有提出针对煤炭企业开展环境和气候风险分析的具体要求。
(4)技术研发不充分，仍需强化低碳化与负排放双重技术的研发部署。中国在绿色矿山建设、煤炭清洁利用等方面已取得长足进展[35]，但对标碳中和实现仍有差距。以CCUS为例，当前全球已实施相关技术包含CO2驱油、CO2驱煤层气等[32]，主要通过燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧等路径[36]。截至2019年中国已开展21个捕获利用与封存项目，累积CO2封存量约200万t[17]。部分碳去除后可被束缚于自然系统中，但多数碳仍需永久储存在地下深部方能保障安全。事实上，只有高度成熟的CCUS技术才能实现负排放潜力，但目前该技术仍处于起步阶段，成本高达300～900元/t，不利于大面积的推广。
(5)激励机制不完善，重建符合碳中和愿景的减排增汇激励机制。现阶段激励力度与覆盖范围仍显不足，对煤炭企业低碳、零碳投资缺乏特殊激励[37];碳市场交易是未来趋势[25]，但当下碳市场对煤炭行业作用仍有限，煤炭行业也尚未与碳足迹挂钩，相关激励机制设计更未以投资或资产的碳足迹为评价标准[4]，极难从根本上调动煤炭企业低碳化生产的积极性。
煤炭占中国一次能源消费总量一半以上，即便不考虑煤电对碳源的巨大贡献，煤炭行业离深度脱碳仍有巨大差距。为妥善解决标准规范、监管要求、治理能力、技术研发、激励机制等层面的不足，亟需有针对性地制定面向碳中和愿景的煤炭行业发展路线。
5 面向碳中和愿景的煤炭行业发展路线图
煤炭行业在实现碳中和愿景中必须实现自我改革与救赎。为此，制定符合碳达峰目标与碳中和愿景的煤炭行业发展路线图(图5)。
5.1 基本研判
5.1.1 构建煤炭全生命周期的碳足迹核算体系
煤炭的全生命周期包括施工建设，煤炭开采、运输、加工、利用、关闭、生态修复等阶段，不同时期均涉及碳循环。但煤炭行业的全生命周期碳足迹核算，不应纳入下游产业煤炭利用所产生的碳源。上述阶段中，除生态修复可增加碳汇外，其余都可能增加碳排放;且碳足迹均是可监测、可评估的，现有技术也能在一定程度上实现碳减排，如使用节能设备、减少尾气排放、提高煤炭利用率等。矿区生态修复作为生态增汇的重要途径之一[38]，如何保障碳汇不减少成为煤炭行业必须要面对与解决的问题。此外，我国2 000 m以内浅煤层中煤层气(主要成分为CH4)地质资源量约为36.8万亿m3，若能在煤炭开采前或开采过程中将煤层气抽采出并加以利用，也是碳减排的重要举措。还有采煤造成的土地损毁，会间接引起植被损毁、土壤碳库损失、生物多样性降低等。我国西部还存在煤田自燃等潜在威胁。这些伴生问题也会改变碳足迹。为此，应厘清煤炭全生命周期的碳源与碳汇效应，分析碳循环相互作用机制，从煤炭全生命周期视角构建碳足迹核算体系，以评估或预测模拟煤矿区在不同时期、不同阶段的温室气体排放量。
5.1.2 响应层次与实现机制
土地退化平衡(Land Degradation Neutrality，简称LDN)是面向2030年的联合国可持续发展目标之一，与碳中和均有平衡(Neutrality)的表述，即以平衡为手段实现“净零退化”。LDN的响应层次为“避免优先于减少，减少优先于恢复”[38]。煤炭行业达成碳中和愿景也可参照此标准。因此，煤炭行业碳中和实现机制包含2个层面:① 通过避免或减少排放措施，从源头避免与过程减排推动实现“近零排放”。② 在碳循环动态监测下确定已排放的CO2，并预测未来潜在排放CO2，并采取有效措施抵消已排放温室气体，形成以碳收支平衡为特征的“净零排放”。
这里需要进一步界定“近零”与“净零”的概念差异。即便未来低碳化技术实现了颠覆性变革，煤炭全生命周期及其下游利用的“零排放”仍难达成，但源头“近零排放”是可能实现的。除“近零排放”达成外，仍需通过负排放技术与生态修复等增加碳汇的方式抵消排放的CO2，进而实现“净零排放”。
5.1.3 树立能源命运共同体理念
低碳甚至零碳能源是气候解决方案的基础[39]。厘清煤炭、电力、冶金、建材、化工等行业碳排放责任固然重要，但如若煤炭低碳利用技术无法推广落地，必将致使煤炭行业陷入存亡困境。必须从能源命运共同体的整体性、系统性视角出发，明确煤炭行业及其下游产业相辅相成、唇齿相依的纽带关系。
能源命运共同体是一种更为包容平等、兼收共蓄的新型能源发展理念，其概念可界定为:能源行业在谋求自身发展时，应兼顾其他行业的利益，合作应对气候变化、环境污染等造成的行业危机，确保能源各行业机会平等、规则平等、权利平等，进而实现各能源行业共建、共享、共赢的共同体理念。因此，既要统筹煤炭全生命周期清洁绿色低碳生产，也要制定煤炭行业与下游产业协同的中长远期的定量约束与路径方案。例如，煤炭利用排放的大气污染物与温室气体具有同源性[4]，应构建行业耦合协同的低碳防污减排体系，依托近零排放的清洁低碳利用技术，实现温室气体与大气污染物双重减排。
5.2 路径选择
参照谢和平等[16]提出的煤炭革命战略构想，探寻符合中国特色的煤炭行业转型发展路径。期间需实现煤炭3.0向4.0，5.0的转型升级，由自动化向智能化、无人化迈进，由超低排放向近零排放、零排放迈进。而本研究也发现2020—2030年煤炭消费变幅并不大，但2030—2050年却是煤炭行业生死存亡的关键期。为此，将煤炭行业发展路线划分为起步期、攻关期、巩固期3个阶段。
图5 煤炭行业实现碳达峰目标与碳中和愿景的路线
Fig.5 Roadmap for coal industry to achieve the goal of carbon peak and the vision of carbon neutralization
5.2.1 起步期:2020—2030年
(1)能耗达峰。即便未来煤炭消费比重将逐步回落，但需求总量短期内难有较大降幅[28]。推动碳减排尽快达峰，就要将煤炭利用过程中节能降耗置于首位，在开采各环节采用高能效开采技术和设备，开展余热、余压、节水、节材等综合利用节能项目，持续优化煤炭利用效率[27]。煤炭兼具能源与资源双重属性，作为资源可用于煤制油、煤制气等化工品进行能源转化，也能解决部分高碳排放问题[30]。散煤燃烧的排污量是火电排放的5倍以上，应着力推进煤炭集中利用、源头控制散煤消费与燃烧，科学规划“煤改气”、“煤改电”。其外，要以减量规划倒逼煤炭行业改革升级，推动能源污染与煤炭燃烧碳排放第三方治理、环境托管等创新发展新模式。
(2)集聚协同。随着碳减排压力增大，煤炭产品质量要求必将水涨船高，市场竞争也将愈发激烈。亟待推动煤炭产业链形成新标准，应持续向下游延伸以增加产业链附加值。因此，应构建以煤炭产业为源头，煤电、煤化工等下游产业链集聚融合、相互连接的产业体系;推进清洁高效热电联产技术、特殊煤种超临界循环流化床等高效清洁发电技术;提高低碳化原料比例，减少全生命周期碳足迹，带动上下游产业链碳协同减排。
(3)增加碳汇。基于自然解决方案的减排措施(如植树造林)是增加生态碳汇的重要措施[40]，矿区生态修复则是煤炭行业达成碳中和愿景的有效途径。此前矿区生态修复多关注立地修复，且修复比率不足1/4[41]。我国煤矿主战场位于气候干旱、生态脆弱的中西部，该区生态修复不仅成本高，且修复收效甚微[38]。于昊辰等[38]曾构建了一个基于LDN的矿山土地生态动态恢复框架，提出了类似“耕地占补平衡”的异位修复策略，明确了碳源与碳汇并不一定必须在同一地区实现，可为碳中和愿景下矿区生态修复提供新思路。
5.2.2 攻关期:2030—2050年
(1)开采利用。探索低阶煤中低温热解转化及产物分质分级梯级利用，加快低阶煤利用技术研发。不同行业应加大科技研发投入，携手研发碳减排技术，推动煤炭开采、加工、运输、利用等全产业链清洁低碳生产，推动燃煤发电超低排放、近零排放与节能技术改造，提升煤炭利用效率，严控煤炭能耗强度，从源头实现碳减排。而针对煤炭行业，应提高煤炭行业绿色低碳标准，着力突破煤炭低碳化利用以及碳去除等关键技术。
(2)CCUS技术。脱碳、去碳技术攻关是提高碳循环利用水平的关键举措，大力发展CCUS等硬减排技术是未来40 a的必由之路。要想实现CO2深度减排，无论是燃烧发电、煤制氢，抑或是CO2作为介质干热岩发电，在技术上必须与CCUS联合。未来既要突出CCUS中“U”的利用效应[42]，也要降低CCUS成本，突破以二氧化碳为原料的循环利用技术瓶颈[32]。为此，应加快部署煤矿产业链CCUS项目示范，着力开辟煤炭脱碳、去碳利用新途径，将煤炭的能量与物质同时高效利用。例如，通过CCUS技术，煤炭企业可为下游产业提供CO2用于驱煤层气或地质封存，共同实现互利双赢。
(3)生态修复。假设通过有效的生态修复措施，煤炭行业净零碳排放已经实现，那么碳中和愿景是否达成了呢？事实并非如此，以往煤炭开发利用所致的碳排放在大气中长期累积，历史遗留问题仍需持续去除[18]。考虑未来温控目标，必须增加对负排放技术的关注，以更高水平的LDN衡量生态修复需求。未来既要实现采煤对生态环境的近零扰动、减少废弃物排放，又要以新型生态修复理念保障生态碳汇增加。因此，该阶段可鼓励煤炭企业积极承担国土绿化行动责任，利用荒山、荒漠等地区开展植树造林，以增加森林碳汇规模[40]。如此一来，生态修复碳汇可抵消排放部分的CO2，甚至形成净零排放或负排放效应。
(4)新能源耦合。煤炭短期内难以破除碳排放瓶颈，减排成本大幅降低难;而可再生能源低成本、大规模储能问题难以突破，高比例接入能源体系难。因此，未来仍需在高峰期调用煤电以保障能源基本供应，与此同时也应提升自身碳减排的贡献度，并为新能源发展提供支撑基础。煤炭与新能源耦合形成新能源体系，实现风光水火储一体化，可实现煤炭大幅碳减排。
(5)适应碳市场。碳中和愿景在形成企业竞争新格局的同时，新机遇也将不断涌现。只有适应未来碳交易市场机制，才能率先优化资源配置、应对气候风险、厘清碳排放价格[4]，进而健全煤炭行业低碳发展体制机制，倒逼解决煤炭资源过度消耗的问题。煤炭行业必须将碳中和目标纳入企业未来发展战略，提升碳资产管理能力，强化全生命周期碳循环动态监测，积极适应气候变化下碳排放配额规则[40]，主动参与碳排放权交易市场建设与煤炭行业碳排放实施方案制定。
5.2.3 巩固期:2050—2060年
(1)零碳利用。该阶段有望步入井下无人、地上无煤的煤炭工业5.0时代，实现深地原位利用，煤、电、气、热、水、油实现一体化供应，以及太阳能、风能、蓄水能与煤炭协同开发，基本实现近零排放。此外，应探索固碳新途径，只要将排放的碳经过化学处理，防止其转变为CO2，CH4等温室气体，便可避免温室效应的发生。未来应推进燃烧一体化利用(发电+化工)与化学一体化利用(化工+储能)。例如，基于等离激元效应的零碳能源生产类似于人工复制了光合作用，即部分金属纳米颗粒可在光线照射下产生光能集聚效应，进而将二氧化碳和水分子分解为碳、氧、氢离子。如若将其中的碳离子与氢离子组合，可进一步生成碳氢化合物供工业利用。
(2)负排放技术。鉴于负排放技术在成熟度、潜力、成本、风险等方面差异大，决定了负排放技术的不确定性。过早将碳中和愿景建立在不可预见的负排放技术上是不理性的，极易促使2050年之前更多高排放技术的应用，延缓了减排压力。因此，负排放路径应作为补充手段储备，在其成熟可控、成本可行的基础上，在2050之后对冲远期非二氧化碳等难以减排的残余排放。
6 结论与展望
(1)中国未来“脱碳”之路迫在眉睫，但并非要求每个行业都完全实现碳中和。煤炭当前仍是国家能源安全的基石，发挥着兜底保障的重要责任，盲目放弃煤炭并不可行，绿色开采、科学用煤才是保障碳中和实现的关键。其外，煤炭碳排放主要源自利用环节，煤电、煤化工等下游利用形成的碳源不应归因于煤炭行业。但由于政策偏向、结构调整、科技乏力等因素，未来煤炭行业仍将面临深度洗牌的风险。
(2)煤炭碳排放已基本实现达峰，但仍处于历史高位。典型机构情景预测的未来煤炭需求大致可分为维系现状、适度减少、净零愿景3个区间，未来煤炭市场份额衰减难以避免。2030—2050年是煤炭行业生死存亡的关键期，低碳化与负排放科技是煤炭行业生存的压舱石，但留给煤炭行业变革的时间十分紧迫。
(3)为保障煤炭行业的碳中和愿景按期达成，应科学评估煤炭全生命周期碳足迹，树立“能源命运共同体”理念推动低碳防污协同治理。总结了煤炭行业实现碳中和的“三步走”战略:① 起步期(2020—2030年)着力推动煤炭能耗达峰、产业集聚协同、生态修复增汇，保障煤炭碳排放尽早达峰;② 攻关期(2030—2050年)重点攻关低碳开采、脱碳去碳、生态修复技术，主动适应碳市场需求，实现煤炭与新能源耦合共生;③ 巩固期(2050—2060年)应耦合零碳利用与负排放技术，积极抵消以往排放的温室气体，保障准时或提前达成碳中和愿景。
(4)煤炭行业达成碳中和愿景涉及矿业、化工、生态、储能、计算机等多学科交叉，建议进一步聚合优势研究力量进行科研攻关，以低碳化技术助推煤炭开发利用“近零排放”、以负排放技术保障CO2等温室气体实现“净零排放”。需要强调，生态修复增加碳汇是一项长期工程，快速发展有限;工业过程消费过程中节能减排也并非一蹴而就，潜力有限;现有排放二氧化碳封存利用技术竞争优势弱，仍需加强技术研发。因此，煤炭行业达成碳中和愿景责任在肩、任重道远，但必须主动适应、转型应对，为国家层面2030年前实现碳达峰目标、2060年达成碳中和愿景作出应有贡献。
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