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河南碳达峰中和路径与技术方案
教务部 2022-01-31
导读：河南省是中国重要的人口、农业、工业及能源消费大省，碳中和战略的实施对推动区域经济绿色低碳高质量发展、促进中国2060年碳中和愿景的实现具有重要意义。但长久以来煤炭主导的较单一能源结构导致河南省面临碳排放基数大、生态治理形势严峻、能源对外依存度持续增长、可再生能源开发程度低等关键问题。为此，详细梳理了河南省当前的能源供需结构、二氧化碳排放与林业碳汇情况，归纳出河南省碳中和目标导向下的七大行动方案，进而分析和预测能源发展多情景构想下的重点行业碳排放，并提出了河南省碳中和的实现路径。研究结果表明：1）河南省碳中和战略的实施主要受制于煤炭丰富但油气缺乏的资源禀赋、高耗能和第二产业占比过大等因素；2）需同时从能源革命和经济结构深化调整两个方面着力：一方面，侧重煤炭的减量替代和清洁化利用，发展风、光、生物质能等新能源和储能技术，优化森林结构以提升林业碳汇功能；另一方面，引入高技术含量和高附加值的新兴产业，适当迁出部分金属冶炼、非金属矿物制品等传统高耗能高排放行业，提升工业和居民生活用能终端电气化水平。3）按照既定政策（保守情景）、能源转型（参考情景）、激进取代（极端情景）3种情景预测河南省分别在2077、2056、2050年左右实现碳中和。4）中国碳中和愿景的全面实现应鼓励重点省份、行业先行开展改革试点和探索创新，突出地方优势，形成各具特色的地方低碳发展模式。
关键词:碳中和 河南省 行动方案 能源转型 碳汇碳排放预测

2020年9月，国家主席席大大在第七十五届联合国大会上郑重提出中国将力争于2030年前达到二氧化碳排放峰值，努力争取2060年前实现碳中和，彰显了中国积极应对气候变化的坚定决心。在2021年全国两会中，碳中和议题也成为了众多专家、代表关注的重要焦点。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的《全球升温1.5 ℃特别报告》，碳中和（carbon neutrality）是指一个组织在单位年限内的二氧化碳排放与二氧化碳消除达到平衡，因此也称为净零二氧化碳排放（net-zero CO2 emissions）[1]。尽管中国早在2000年左右便开始对CCUS（碳捕获、利用与封存）和碳减排相关技术进行探索[2-3]，但必须指出的是，目前的研究大多尚处于试点示范阶段，规模化商业应用还存在不少阻碍。同时，中国仍是全球最大的发展中国家和第一碳排放大国。这凸显了中国减排时间的紧迫性和低碳转型任务的艰巨性。自碳中和目标提出以来，已有众多专家学者基于不同行业、不同视角对“双碳”目标导向下的行业发展趋势、碳中和路径提出了构想和具体建议，涵盖新能源[4]、传统化石能源[5-7]、尊龙凯时[8]、交通[9]、电力[10]、CCUS[11]、碳交易制度[12]等诸多领域。值得注意的是，碳中和目标的实现既离不开各行业的技术升级和市场发展，也要因地制宜，考虑不同省份差异化的地理环境、经济发展水平和产业结构，探索由市场化商业行为和区域化政府行为共同控制下的各具特色的碳中和行动措施。

河南省作为中国的人口、农业、工业大省及交通部重点打造的全国交通枢纽中心，近年来经济持续稳中向好发展。2010—2019年，全省GDP年均增长8.9%，2019年已达5.43万亿元，居全国第五。与此同时，河南省也是能源消费大省，消费总量长期居全国第五，尤其以煤炭作为最主要的能源供应。过重的产业结构（高耗能行业占比过大）及长久以来以煤炭为主的能源结构也导致河南省内大气污染较为严重，清洁能源开发利用和大气污染治理形势紧迫、严峻。此外，河南省作为“黄河流域生态保护和高质量发展”重大国家战略的核心区域，亟需通过能源转型推动经济绿色低碳高质量发展。为促进中国2030年前碳达峰、2060年前碳中和战略目标的顺利实现，河南省在2021年政府报告中已经提出了碳中和的“十四五”发展目标与任务，将着重构建低碳高效的能源支撑体系，实施电力“网源储”优化、煤炭稳产增储、油气保障能力提升、新能源提质工程，增强多元外引能力，优化省内能源结构；力争在“十四五”阶段持续降低碳排放强度，煤炭占能源消费总量比重降低5%左右。整体看来，尽管河南省已经明确了“双碳”目标下的短期能源转型战略方向，但具体的实施路径和行动方案尚未完全敲定，不利于各行业尽快制定相应的应对措施和转型升级方案。藉此，针对“双碳”目标导向下能源转型的挑战和机遇，本文总结河南省能源发展及碳排放现状，提出碳中和实现的技术路线和行动方案，以期为河南省中长期能源转型规划与碳中和政策制定提供参考依据。

1 河南省能源发展现状


1.1 能源消费情况


能源活动是二氧化碳排放的主要来源，河南省富煤贫油少气的资源禀赋特征也决定了长期以来以煤炭为主导的能源消费结构（图1）。自“十二五”以来，河南省能源消费总量逐步增长，但增长速率明显减缓，“十三五”期间的能源消费总量年均增速由“十二五”期间的4.5%下降至0.7%。同时，随着全省经济发展实现加速转型和结构深化调整以及污染防治工作的推进，煤炭在能源消费中的占比持续下降，近十年来下降了12.8%；天然气、一次电力及其他能源消费占比则逐步提高，比“十二五”初期分别提升了3.6%和4.0%。2019年，河南省能源消费总量为2.23 × 108 t（吨标准煤），比上年下降1.6%，占全国能源消费总量4.86 × 109 t的4.6%。其中：煤炭消费占比为67.4%，折合标煤约为1.50 × 108 t，较上年下降2.5%；石油消费3.50 × 107 t，占比为15.7%，较上年增长0.4%；天然气消费1.36 × 107 t，占比为6.1%，较上年增加0.3%；可再生能源消费2.39 × 107 t，占比为10.7%，较上年增长1.3%。

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图1 河南省能源消费结构及增长情况（数据来源：河南省统计局）

Fig. 1 Structure and growth of energy consumption in Henan Province (data from Henan Province bureau of statistics)

1.2 能源生产情况


河南省能源生产情况如图2所示。总体上，河南煤炭资源丰富，是中国重要的产煤省份，煤炭生产量高达全省能源生产总量的86%，而石油和天然气生产量仅分别占全省能源生产总量的3.8%和0.4%。尽管煤炭资源丰富，近年来随着能源清洁、低碳转型导向，省内煤炭需求量总体减少，产量也呈逐年递减的趋势（图2（a））。河南省产煤量从2010年的2.24 × 108 t逐渐降至2019年的1.09 × 108 t，“十三五”以来年均下降5.3%。未来河南省计划对国有骨干煤矿和小煤矿进行整合并改造生产系统，预计年生产能力可新增1.32 × 107 t，但大部分整合矿井服务年限在5～10年，全省煤炭产量在短暂稳定后仍将逐步递减。

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图2 河南省能源生产情况（数据来源于文献[13]）

Fig. 2 Energy production in Henan Province (data from reference [13])

受煤炭主导的能源资源禀赋的影响，河南省电力生产也以燃煤发电为主，水电和新能源发电为辅（图2（b））。2019年全省发电量为2.82 × 1011 kW·h，同比下降5.3%，其中：火力发电量为2.48 × 1011 kW·h，同比下降7.7%，火电占全省中发电量的88.1%，这也是该占比首次降至90%以内；水电发电量为1.45 × 1010 kW·h，与上一年基本持平，但水电占比提升至5.2%；风电和光伏发电量分别为8.80 × 109 kW·h和1.02 × 1010 kW·h，占全省总发电量的3.1%和3.6%，同比增长54.7%和21.5%。整体上，河南省新能源发电占比近几年逐步提高，2019年非化石能源发电量合计占比达到13.3%，“十三五”以来年均增长1.9%，表明河南省发电侧能源结构开始得到逐步优化。从各类型发电机组的运行时间（图2（c））来看，河南省火电、水电、风电和光伏发电机组利用小时数均落后于全国平均水平，尤其是火电和风电机组差距较大，2019年较全国平均水平分别低719 h和602 h。2020年受新冠疫情的影响，除新能源平均利用小时数持续增长（2020年1 432 h，同比增加245 h）外，火电机组利用小时数（2020年3 308 h）同比减少211 h。这进一步凸显出新能源的加快开发利用对于河南省能源结构优化的重要性。

此外，随着河南省快速的城镇化尊龙凯时及经济扩张，近年来能源消费需求和对外依存度也不断增长，如图2（d）所示。2019年，河南省能源对外依存度整体高达53.8%，其中：石油和天然气表现为极度对外依存，分别达到90.1%和97.7%，且仍有上升趋势；煤炭和电力对外依存度分别为51.8%和16.3%，近3年保持相对稳定。

1.3 碳中和目标下能源发展面临的主要挑战


从河南省能源消费及能源生产现状不难看出，尽管近几年天然气、一次电力和新能源等在能源消费和生产结构中的比例有小幅提升，但长久以来煤炭主导的能源结构和高耗能行业占比过大的产业结构导致河南省当前碳排放基数大、绿色经济产业发展相对滞后、生态环境治理严峻等问题。在“双碳”目标导向下的能源转型升级过程中，河南省仍面临不小的挑战，主要包括：

1）能源结构相对单一，碳排放基数和脱碳难度大。河南省能源消费约占全国能源消费总量的4.9%，居全国第五，二氧化碳排放量则居全国第四。尽管近年来消费增长不断减缓，消费结构持续改善，但2020年省内当前煤炭消费占比仍然高达67%。由于河南省石油和天然气资源相对贫乏，基础储量仅分别占全国的1.3%和0.14%，且已进入生产枯竭期，因此短期内能源供给和消费仍将很大程度依赖煤炭。此外，当前河南省的产业结构矛盾也日益突出，高耗能行业占比过大，第二产业比重高达43.5%。这些因素均使得河南省脱碳难度大，是全国碳减排洼地和重要攻关地区。

2）高碳能源结构造成严重环境和气候问题。河南省当前大气污染治理形势依然严峻，2019年全省PM2.5年均值高达59 μg/m3，是大气环境污染最严重的省份，全国20个污染最严重的城市中河南省占据了6个。此外，大范围高强度的煤炭开采也造成了地下水资源浪费、水污染、地面沉降等严重生态破坏问题。

3）能源对外依存度不断增长，亟需摆脱化石能源供给模式。自2005年起河南省由能源净调出省份转为能源净调入省份，且对外依存度不断增长，2019年能源对外依存度已达到53.8%。由于省内煤炭后续资源的严重不足，对外依存度在短期内仍可能继续升高，这也极大地威胁能源安全。因此，非化石能源的扩大补充供能及终端用能电气化水平的提升将是中短期内河南省能源体系尊龙凯时和经济发展的重要支撑。

4）可再生能源开发程度低，亟待政策和创新制度支持。河南省可再生能源资源丰富，但当前的开发程度较低，包括风、光、地热和生物质能均亟待开发利用。以风电为例，据国家气候中心测算，河南省风电站100 m高度的技术可开发风能资源总量为7.03 × 107 kW，而当前全省风电并网累计装机为7.94 × 106 kW，仅占可开发资源量的12%。此外，随着新能源开发技术和市场规模的逐渐提升，新能源系统的融入和政策机制保障等方面也面临诸多的挑战，需要建立一套完善的创新制度，例如，目标引导、考核与交易机制、能源供给体制改革等，以推动可再生能源持续、健康发展。

2 河南省碳排放现状


2.1 二氧化碳排放总量与排放源


河南省二氧化碳排放情况如图3所示。

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图3 河南省二氧化碳排放情况（数据来源于文献[14]）

Fig. 3 Carbon dioxide emissions in Henan Province (data from reference [14])

根据《中国碳核算数据库》公开发布的碳排放数据，自“十二五”以来，河南省二氧化碳排放量基本稳定在5 × 108～6 × 108 t之间，如图3（a）所示。其中，2011年全省二氧化碳排放量达到峰值，约6.54 × 108 t，从2014年起排放量具有逐年小幅下降的趋势，可能与河南省能源结构的逐步优化有关。另外，河南省人均二氧化碳排放量约5.7 t，为全国人均二氧化碳排放量7.8 t的73.1%。从排放源（行业）来看，能源活动，尤其是煤炭相关产业是最主要的碳排放源，占比超过排放总量的80%；石油天然气行业和水泥产业的二氧化碳排放量分别约占排放总量的8%和9%。

2.2 重点排放领域


受河南省高耗能产业占比大的产业结构影响，电力及供热相关行业是二氧化碳排放的主要贡献者，其排放占比接近全省总排放的50%。以2017年为例，电力/蒸汽/热水的生产与供应相关行业的二氧化碳排放达到2.49 × 108 t，占总排放量的50.3%；黑色金属冶金产业和非金属矿物制品业二氧化碳排放量也相对较大，均超过5 × 107 t，分别占总排放量的13.3%和11.3%。总体来看，河南省二氧化碳排放量超过1 × 107 t的有七大领域，由图3（b）所示，分别为电力/蒸汽/热水的生产与供应、黑色金属冶金业、非金属矿物制品业、煤炭开采与选矿、运输/仓储/邮电服务、有色金属冶金业以及城镇排放，推动这些产业的技术升级和新能源的扩大使用将是实现碳中和目标的关键。

2.3 森林碳汇潜力


作为陆地生态系统中的最大碳库，森林碳汇是实现碳中和目标的重要一环，其主要利用植物的光合作用，吸收大气中的二氧化碳并将其转化为碳水化合物，以有机碳的形式固定在植被或土壤中[15]。2020年底，《Nature》杂志发表的多国科学家最新研究成果显示，2010—2016年中国陆地生态系统年均吸收碳约1.11 × 109 t，约占同期人为排放的45%[16]；该成果表明此前中国陆地生态系统碳汇能力（吸收碳约3.50 × 108 t）被严重低估。尽管河南省节能减排形势严峻，但较好的林业碳汇潜力为碳中和的实现提供了可能。第九次全国森林资源清查结果，河南省森林面积为4.17 × 106 hm2，森林覆盖率为24.9%，活力木蓄积量为2.66 × 108 m3，另外湿地面积为6.28 × 105 hm2。据河南省林科院发布的数据可知，2010年河南省森林和湿地吸收二氧化碳8.45 × 107 t，相当于全省工业用燃煤二氧化碳排放的27.3%，以此为计算参照基数。同时，依据相关研究，林木每生长1 m3，平均吸收二氧化碳1.83 t，放出氧气1.62 t[17]。2010—2018年，全省年均新增森林面积9.98 × 104 hm2，年均新增活力木蓄积量约1.06 × 107 m3。据此简要估算河南省2018年林业碳汇约吸收二氧化碳9.23 × 107 t。

通过实施一系列重点生态工程和民生项目，河南省林业生态状况近20年来持续改善，森林资源持续增长，如森林覆盖率、森林面积、活力木总蓄积量等重要指标均保持稳定增长的趋势（图4）；另外，已有11个省辖市创建了国家森林城市。尽管如此，与全国平均水平相比，河南省的森林资源还有差距。当前河南省森林面积在全国仅列第22位，森林覆盖率在全国排名第20位，人均森林面积更是仅为全国平均水平的五分之一，尚有待开发林地面积1.14 × 106 hm2。而且，省内林地以纯林为主，混交林比例偏低，结构简单，中幼林和低效林面积过大，每公顷乔木蓄积量只有46 m3，是全国平均水平的60%[18]。此外，森林资源分布也较为不均，60%以上林业用地、森林面积、森林蓄积量均位于伏牛山区，林分质量和森林生态功能指数属中等偏下水平。不难看出，河南省林业资源仍具较大的提升空间和发展潜力，在扩大森林资源面积的同时，还要加强集约经营，提高森林单位面积蓄积量，以加强林业碳汇功能。

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注：括号中的数字为森林覆盖率。

图4 河南省森林资源现况（数据来源：河南省统计局）

Fig. 4 Forest resources of Henan Province (data from Henan Province bureau of statistics)

3 河南省碳中和实施路径


3.1 碳中和目标与技术路线


中国的碳中和承诺及决策部署不仅体现了中国积极应对气候变化、构建人类命运共同体的责任担当，也是加速中国能源系统革命、促进产业结构升级、提升国际贸易竞争力的时代机遇和实现经济高质量增长的新活力[19]。近一年来，全国各省、市、自治区相继发布了2021年政府工作报告，对“十四五”时期碳达峰、碳中和任务均有明确表述。其中，河南省强调了要构建低碳高效的能源支撑体系，实施电力“网源储”优化、煤炭稳产增储、油气保障能力提升、新能源提质工程，增强多元外引能力，优化省内能源结构；持续降低碳排放强度，使煤炭占能源消费总量比重降低5%左右。总体上，尽管大多省份都已提出各自的中短期工作方向和主要政策，但针对中长期碳达峰、碳中和与绿色发展的战略规划和实施路径尚不十分明确。对此，作者在与诸多专家学者讨论后，提出了针对中国“双碳”目标与绿色发展的战略、技术路线和行动方案的22条建议，分别为：政策落实本地化、循环经济绿色化、排放碳汇中和化、消费行为革命化、提效节能大众化、能源供给再生化、能源利用电气化、减碳增氢产业化、产储运用耦合化、地下空间能源化、能源利用数智化、政产学研互动化、科技创新人本化、减排增汇定量化、总量排放市场化、电力交易期货化、研发双创基金化、政府基金滚动化、示范推广园区化、技术推广标准化、欧洲合作引领化、南亚东盟重点化。

另外，由于中国各省、市、自治区在能源、产业结构和资源禀赋等基本情况上差异显著，在总体战略和技术路线的框架下，还需针对不同省区各自现状、因地制宜制定碳达峰、碳中和实施路径。特别是河南省能源结构受资源禀赋、区域经济发展和产业布局的综合影响，相较于可再生资源（风、光、水电等）和天然气资源丰富的云南、四川等省份，河南省面临碳排放基数大、煤炭消费比重过大、产业结构转型难度大等更多挑战。因此，在实现碳中和进程中，河南省需要同时从能源转型和经济结构深化调整两个方面着力：一方面，全面推进煤炭减量替代和清洁化利用，大力发展风、光等新能源，提高用能终端电气化水平；另一方面，依托中原经济区加快引入电气机械、计算机电子设备等高附加值装备制造业，主动迁出部分金属冶炼、非金属矿物制品等传统高耗能高排放行业，推动省内经济动能转换。

3.2 河南省碳中和行动方案


3.2.1 推进煤炭低碳化利用和碳功能转化

煤炭是河南省最重要的能源类型和工业原料，用于燃煤发电和供热的煤炭消耗约占全省煤炭消耗的86%，这也是造成二氧化碳高排放的主要原因。推进煤炭高效清洁化利用和碳功能转化对于稳定能源保障能力和控制二氧化碳排放均十分重要。考虑到燃煤发电在未来一段时间内仍将是电力供应主体，煤炭清洁高效利用的关键主要在于改造燃煤发电和加强现代煤化工两个方面。根据河南省煤矿尊龙凯时规划，国有骨干煤矿将逐步整合小煤矿并进行生产系统改造，这有助于煤炭利用向规模化、集约化发展[20]。同时，还需大力推进电力装备技术升级，发展超高参数燃煤机组、高灵活智能燃煤发电、新型动力循环系统以及热电联产等[10,21]，以提高能源效率。由于中国燃煤电厂服役年限一般为30年左右，因此可将2030年作为河南省煤电投产的最晚年限。此外现代煤化工则以煤制油、煤制天然气、煤制烯烃或其他精细化学品为代表。尤其值得指出的是，煤炭的地下气化开采技术在近年来愈加受到重视，有望从根本上改变中深层（1 000～3 000 m）煤炭开采利用模式，最大限度降低煤炭开采过程造成的环境负面影响[22-23]。总的来说，由单一燃料属性向燃料、化工原料方向转变是实现煤炭高效清洁化利用的关键。同时，加强技术创新，稳步推进煤化工产品高值化和产业链延伸也是保障国家能源安全尤其是油气安全的重要途径之一。

3.2.2 推动可再生能源发展，转变能源生产方式

2019年，河南省全社会用电量为3.36 × 1011 kW·h，“十三五”以来全省用电量年均增长约4.0%。《河南能源发展报告（2019）》[13]指出：河南正处于全面建成小康社会的决胜阶段，城镇化率大幅提升，将于2025年步入工业化发展阶段后期，工业稳步发展、生活水平提高、电能替代推进等因素将促使全省用电量有较大程度的增长，到2025年全社会用电量预测为5.10 × 1011 kW·h。之后，随着产业结构调整、新兴服务业的高速发展，节能降耗技术进步，中长期电力增长趋势将放缓，到2035年全省用电量为6.90 × 1011 kW·h，本文预测到2060年全省用电量将达到约8.50 × 1011 kW·h。该报告同时指出，河南省能源资源禀赋“多煤、少油、少气，可再生能源一般”[13]，尽管如此，适度推动可再生能源发展，包括风能、太阳能、地热能和生物质能等，仍是碳中和进程中的必要途径之一。这些资源的高效开发利用给煤电逐步减少背景下的中长期省内电力需求保障提供了重要补充。推动单一的燃煤发电向可再生能源发电转变也将有助于分布式能源模式的推广，促进能源生产多样化及终端用能清洁化。

根据国家气候中心和郑州大学环境科学研究院测算，尽管河南省截至2019年风电并网累计装机达到7.94 × 106 kW，但这仅占全省风电站100 m高度技术可开发风能资源总量7.03 × 107 kW的12%；而风电站140 m高度技术可开发总量则达到约8.00 × 107 kW，结合2019年全国风电机组年平均利用2 082 h数，简要计算风电资源开发完成后可年均发电量为1.67 × 1011 kW·h，满足2060年电量需求的19.5%。河南省太阳能资源属于Ⅲ类地区，年均光伏等效满负荷利用小时数约966 h。截至2019年，全省太阳能累计装机容量为1.05 × 107 kW，但仍有巨大的开发潜力，需大力推动光伏尊龙凯时一体化尊龙凯时以提高光伏利用率。据江亿等[24]估算，中国农村房屋和设施屋顶可安装2 × 109 kW光电。根据全国人口比例粗略估算河南省农村屋顶光伏可安装1.43 × 108 kW光电，加上农村房屋墙壁和城镇光伏资源，预计全省可开发的光伏资源装机容量潜力约为4 × 108 kW，光伏发电量约为3.86 × 1011 kW·h。另外，河南省有鱼塘和水库面积约2.87 × 105 hm2，可尊龙凯时“渔光互补”水上漂浮式光伏电站。根据华能德州丁庄水库一期200 MW项目占水面面积约1.47 × 102 hm2进行等比推算，河南省水上漂浮式电站装机容量最大潜力约为3.9 × 108 kW，完全开发后发电量将达到3.78 × 1011 kW·h。此外，河南省还有较丰富的地热能、生物质能和水电资源，可作为持续的供电资源类型。据郑州大学环境科学研究院估算，河南省4 km以内浅沉积盆地型可开采地热资源量约为1.10 × 1010 GJ，相当于年均发电量7.64 × 1010 kW·h；2019年全省生物质能装机和发电量分别为8.0 × 105 kW和3.92 × 109 kW·h，2019年全省水电装机和发电量分别为4.08 × 106 kW和1.45 × 1010 kW·h。总体来看，河南省风能和光伏产业发展潜力和规模较大，加上水电、地热和生物质能等，假设到2060年时光伏资源50%开发，可再生能源占未来电能需求比例便可超过85%；假设2060年时光伏资源得到完全开发，可再生能源的总发电量甚至可以超过河南省全社会用电量，超出部分（约2.633 × 1011 kW·h）可进一步通过电解水制绿氢进行储存或用于工业。河南省不同类型电力需求（发电量）预测如图5所示。

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图5 河南省不同类型电力需求（发电量）预测

Fig. 5 Forecast of different types of electricity demand (generation capacity) of Henan Province

此外还需注意到可再生能源具有随机性、间歇性和波动性的特点，相关一次电力大量直接并网会造成电网调峰困难、运行控制难度大等问题。因此，如何大规模储存可再生能源便成为了碳中和研究需解决的关键技术之一，其决定了未来电网运行的稳定性、可控性和新能源消纳能力。

3.2.3 重视储能技术发展，推进地下空间能源化

储能是使风、光等可再生能源成为高质量稳定电源的重要环节，也是实现能源结构调整和能源互联网的核心载体。以氢能利用和燃料电池技术研究最具未来潜力，已受到世界各国的普遍关注和高度重视。当前，燃料电池的先进性和实用性已经得到公认，尽管在实现大规模商业化应用之前还存在一些问题，如电极材料、制造成本、催化剂等问题[25]，但可以预期随着相关技术的全面发展和价格成本逐渐降低，燃料电池因其高效率、无污染、适用广、模块化等特性在未来将广泛用于交通运输、能源发电、移动通信等领域。除此之外，因地制宜充分利用地下空间进行能源储存也是实现风光水火储一体化、构建基于负荷需求的储能产业链的重要途径。具体来说，河南省地下空间能源化主要包含地下储气库、矿山抽水蓄能和氢能盐穴储存3个方面。“十二五”以来，河南省先后提出了“气化河南”“气化乡村”的战略部署，采取了一系列“煤改气”和加快清洁能源取代利用的政策措施，特别是河南率先在全国成立了第一个省级储气平台“河南省天然气储运有限公司”。据规划，该公司将负责完成“1+2+6”储气模式的尊龙凯时：参建江苏滨海LNG储罐1座（尊龙凯时中）；租赁省内平顶山盐穴储气库（计划中）和濮阳文23储气库（2019年7月一期工程投产注气，库容8.4 × 109 m3）两个大型地下储气库；尊龙凯时省内6个区域储气中心，共计尊龙凯时1 × 109 m3储气能力，每年可替代散煤1.7 × 106 t。河南省为矿业大省，矿业产值连续多年位居全国前五。自2016年河南省开展矿山整治专项行动以来，“十三五”累计关闭煤矿242座，退出产能6.82 × 107 t。截至2020年底，河南省现存煤矿174座、非煤地下矿山293座，共计矿山467座。参考其他省份研究（云南省矿山抽水蓄能可利用空区1.2 × 108 m3），根据两省煤炭产量（2019年河南省产煤1.09 × 108 t，云南省产煤4.8 × 107 t）进行粗略的对比换算，河南省可利用采空区约2.73 × 108 m3，按平均水头600 m计算，可创造矿山抽水蓄能年发电潜力6.70 × 1010 kW·h。此外，位于河南省平顶山市的平顶山盐矿还具有盐矿面积大（含盐面积400 km2）、盐层厚度大（300～470 m）、埋深合适（1 000～1 400 m）、选址范围广、封闭性好等特点[26-28]，可建成超过1.4 × 1010 m3工作气量的地下储气库[26]，同时具备建造经济价值更高的储氢和储（天然）气库的可能性。

3.2.4 加快优化产业结构，提升工业和居民生活用能清洁化水平

第二产业比重过高（43.5%）而引起的产业结构矛盾是河南省能源转型和碳中和进程中的主要挑战，因此需要加快工业的绿色低碳化发展，尤其是针对高耗煤产业需要着重实施减煤控煤行动。近年来，全省高耗能、高碳排放的主要领域包含钢铁、水泥、玻璃、氧化铝和电解铝、焦化、煤化工。这些产业需要尽可能地推动低碳技术研发和应用、淘汰落后产能，同时，探索发展新兴产业，加快新旧动能转换。以钢铁工业为例，“十三五”以来中国的各项产业调整升级规划均对环保提出了日渐严格的要求，钢铁企业的减排压力也越来越大。在此背景下，氢能的发展为钢铁工业的转型升级提供了可能。在传统工艺流程中，生产1 t生铁需要在高炉中消耗约300 kg的焦炭和200 kg的煤粉作为还原剂，而氢能炼钢旨在将氢气代替煤炭作为高炉的还原剂，以减少乃至完全避免钢铁生产中的二氧化碳排放。此外，生产过程中高炉本身的耗能也可由燃煤转为氢能供能，可进一步降低二氧化碳排放。目前，氢能炼钢技术在欧洲国家，尤其是德国、奥地利、瑞典等国有长足的发展，其中奥地利H2FUTURE氢能炼钢项目已于2019年初步投产。

除了工业减排，河南省作为人口大省，城镇化水平不断升高，这给居民生活和交通领域减排也提出了更高的要求。在居民生活用能方面，需持续推进“煤改气”“煤改电”措施，因地制宜尊龙凯时分布式能源（如屋顶光伏），农村地区发展和推广使用生物质能（如沼气）等。在交通领域，需大力实施燃油替代，鼓励发展新能源汽车。不难看出，居民生活和交通领域减排的途径在于提高电力在终端用能中的比重，由化石燃料直接利用逐渐转变为以电为中心的能源消费格局。

3.2.5 研发和推动绿氢制–储–运–用一体化和产业化

氢能因其来源丰富、绿色环保、能量密度大、转化效率高和适用范围广的特点被广泛认为是人类社会发展的终极能源，其将是继化石燃料之后最具竞争力的能量载体。制氢技术目前以4种方式为主：化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质制氢。其中，煤制氢和天然气制氢（灰氢）成本相对更低，电解水制氢（绿氢）最具发展潜力。在中国，天然气制氢是当前最主要的制氢来源，占总制氢量的48%；醇类重整制氢及煤制氢也占有相当大的比重；来自电解水的制氢量最低，仅为4%。不过，随着风能、光伏资源潜力的不断挖掘和逐步高效利用，预测在未来通过可再生能源电解水制氢将成为最重要的氢能来源。利用可再生能源电解制氢一方面可以作为还原剂逐步替代在炼钢炼铁、有色冶金和化工领域广泛使用的焦炭，最终实现上述领域的深度脱碳；另一方面，也可以通过发展燃料电池和地下储氢库（如平顶山盐矿）实现氢能的高效储存。除燃料电池和氢还原剂直接利用外，氢还可合成氨、甲醇、二甲醚或者汽油等化工和能源产品，甚至可以基于现有的天然气管网开展天然气掺氢（20%）的低成本高效利用。与此同时，还需要开展氢能制备、储存、运输、加注、移动式加氢站和上述直接、间接利用等相关设备的研发、示范、推广、国际合作和标准化生产，带动绿氢替代焦炭还原剂和氢燃料电池的发展，打造集生产、储存、运输和利用为一体的绿氢产业链。

3.2.6 推动二氧化碳封存和碳转化研究与应用

考虑到河南省以煤炭为主的资源禀赋特征及未来中国难以彻底摆脱煤炭能源的状况，二氧化碳埋藏封存及转化利用将成为推动化石能源清洁化利用的重要配套技术。其中，二氧化碳埋藏封存主要利用枯竭油气田、难开采煤矿、深部咸水层等天然地质环境[3]，以达到长期有效封存。同时，基于地层环境中超临界二氧化碳低黏度、高扩散系数和高密度的特性，二氧化碳埋藏封存往往与油气藏开发相结合，推动了二氧化碳驱油、驱气技术的发展，有效提高了油气采收率[29]。就河南省而言，尽管可供实施大规模二氧化碳咸水层封存的地质环境较少，但应大力支持充分利用省内广泛的矿区资源，应开展深部废弃煤矿和难开采煤矿地下空间封存二氧化碳、二氧化碳驱替煤层气的前期研究和工程示范[30]。除直接封存外，将二氧化碳通过人工转化为化工产品或各类低碳燃料也是实现二氧化碳资源化利用、发展碳循环经济的有效途径之一。已有研究[31-33]表明，将局部地区的过剩可再生能源（风、光等）通过电解水制氢，并与捕获的二氧化碳反应，在不同催化技术下可得到多种产品，如甲醇[31]、甲烷[32]、二甲醚[33]等。以二氧化碳催化制甲烷为例，一方面，可以通过地面设备和金属催化剂（镍、钴等）条件实现等温催化甲烷化和绝热固定床甲烷化[34]，然而较高的催化剂成本及严格的进气净化程序都极大提高了二氧化碳地面甲烷化的技术经济成本，限制了大规模商业化应用[35]。另一方面，利用适宜的天然枯竭油气藏环境开展二氧化碳地下微生物催化（产甲烷古菌）甲烷化的技术研究则逐渐受到了重视[36-37]。大容量、长周期、低成本、低风险、底物来源广泛性等优势使得该技术在未来更具发展前景[38]。自2011年开始，德国和法国的研究人员便合作开展地层环境中微生物诱导的二氧化碳甲烷化技术研究工作，目前已完成实验室模拟工作，进入到实地试验阶段[32]。

3.2.7 持续加强生态尊龙凯时，提升林业碳汇功能

河南省是一个森林资源相对贫乏的省份，人均森林面积仅为全国平均水平的五分之一[39]，具有较大提升潜力。自“十一五”以来，河南省林业尊龙凯时进入了快速发展期，随着一系列省级林业生态工程的落地实施，如天然林保护、退耕还林、生态廊道网络尊龙凯时和环城防护林等，全省林业生态状况持续改善，森林植被在改善区域生态环境、调节区域碳平衡等方面发挥了重要作用。在“双碳”目标的背景下，也有必要对河南省当前林业生态现状及未来发展趋势进行预测分析，为“双碳”目标的达成提供参考依据。林地资源调查结果显示，河南省林业用地面积共4.56 × 106 hm2，占土地面积的27.3%，其中待开发林地面积（包括未成林造林地面积和无林地面积）约1.14 × 106 hm2，预计在2030年完成开发，如图6（a）所示，届时森林覆盖率将达到约30.5%。此外，考虑到河南省当前林业资源的林分质量和森林生态功能指数均处于全国中等偏下水平，林木类型结构和分龄组结构不合理，单位面积活力木蓄积量仅为全国平均水平的60%，尤其是中、幼龄林面积过大（分别占27.3%和63.3%）并且急待抚育改造[18]，因此加强集约经营并提高单位面积活力木蓄积量将是河南省林业资源改造的重中之重，也是提升碳汇能力的关键。具体来说，2020—2030年河南省主要以大规模植树造林、快速增大森林面积为碳汇增长驱动力；2030—2060年则以提高造林密度、改善林分质量和单位面积蓄积量为主要手段。按单位面积蓄积量提升50%计算，预计到2030年和2060年全省年均森林碳汇（包含湿地）能力吸收二氧化碳将分别达到9.576 × 107 t和1.095 × 108 t（图6（b））。

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图6 河南省森林资源及碳汇能力预测

Fig. 6 Forecast of forest resources and carbon sink capacity in Henan Province

基于上述分析不难看出，河南省碳中和的实现需要多种行动方案并行实施、相互配合和支撑。其中，推进煤炭低碳化利用和产业结构优化升级是控制和降低碳排放的根本和必要条件；储能技术、可再生能源和氢能的快速发展是实现碳中和的关键推动力量；加强二氧化碳封存和转化利用，提升林业碳汇功能则是有利的辅助力量。

4 碳中和目标导向下能源发展与碳排放预测


4.1 能源发展多情景构想


鉴于超过85%的二氧化碳排放量源自能源活动，能源结构的调整及向绿色低碳能源转变的步伐对于中长期减排效率至关重要。在2060年碳中和目标的要求下，不同的政策规划和实施程度也会对未来能源发展产生诸多不确定的影响。因此，基于河南省当前能源结构、政策规划和本文的研究假设，采用量化预估的方式，尤其是针对2060年煤炭在能源生产和消费结构中的比重，设置不同的能源发展情景：1）既定政策情景（保守情景）。能源消费中煤炭占比30%，无二氧化碳封存和转化利用。2）能源转型情景（参考情景）。能源消费中煤炭占比10%，二氧化碳封存和转化利用量为15%。3）激进取代情景（极端情景）。能源结构中煤炭被新能源完全取代，二氧化碳封存和转化利用量为40%。

4.2 重点行业碳减排预测


针对不同的能源发展情景，本文采用重点高排放行业（前七大领域超过总排放量90%）分别预测、其他行业打包预测的方式对2060年碳中和导向下的河南省二氧化碳排放开展量化预测，其中重点行业二氧化碳排放量预测如图7所示。

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图7 河南省七大重点排放行业在能源发展多情景构想下的二氧化碳排放量预测

Fig. 7 Carbon dioxide emission forecast of seven major industries under multi-scenario conceptions for energy development in Henan Province

1）电力/蒸汽/供热领域的二氧化碳排放主要来自于燃煤，接近全省总排放量的50%。根据《河南省能源中长期发展规划（2012—2030年）》[40]，河南省将继续尊龙凯时大型火电基地，重点发展6 × 105 kW及以上超临界机组。因此短期内河南省仍然依赖火力发电。由于河南省将于2030年前后完成工业化并进入后工业化阶段，预计该领域碳排放在2025—2030年达峰。之后随着光伏发电、风力发电进一步新增，在能源供给侧逐渐取代燃煤，河南省对火电的需求会有所降低。在既定政策、能源转型和激进取代情景下，到2060年电力/蒸汽/供热领域的二氧化碳排放预测分别约8.504 × 107 t、2.835 × 107 t和0。

2）黑色金属冶金产业近年来二氧化碳排放量超过年均6 × 107 t，约占全省总排放量的15%，加强氢能炼钢（Zn、Fe、Sn、Pb等）技术的研究和应用碳减排将会有显著效果。随着可再生能源电解水制氢产业的发展，氢气可逐步取代煤炭作为还原剂和供能使用，二氧化碳排放将得到有效控制。参照奥地利（处于氢炼钢铁研究和探索的前沿）的钢铁工业氢能利用规划，即2030年河南省的氢能替代率和碳减排达到30%，到2050年实现钢铁工业近零碳排放。

3）非金属矿物制品业最主要的二氧化碳排放来自于水泥产业。自2014年起，河南省非金属制品业碳排放量总体呈下降趋势，这得益于河南省对水泥行业的限改措施。2020年，河南省继续加大力度，出台《水泥行业超低排放改造方案的实施》和《钢铁、水泥企业试行超低排放差别化电价、水价》组合政策，继续推进水泥行业低碳排放改造。差别化电价、水价即未达到超低排放要求增加电价、水价。依照该政策的实施，河南省非金属矿物制品业二氧化碳排放量有望持续逐年下降。

4）煤炭开采与选矿领域导致的二氧化碳排放量目前呈逐渐下降趋势，这与近年来河南原煤产煤量下降有关，从2010年的2.24 × 108 t降低至2019年的1.09 × 108 t。未来河南省国有骨干煤矿通过整合小煤矿并进行生产系统改造后，年生产能力可新增1.32 × 107 t，但大部分整合矿井服务年限为5～10年，故河南省煤炭产量在短暂稳定后仍将逐步降低。

5）运输/仓储/邮电领域的二氧化碳排放量近年来呈缓慢增加趋势，考虑到交通运输行业的不断扩增，新能源在短期内无法成为该行业的主导能源，因此，碳排放量短期内仍会有所增加，预计到2025年达到排放峰值。之后随着新能源在交通领域的推广和普及，交通运输领域碳排放可得到显著控制。假设到2060年中国公路和铁路运输业完成100%电气化率，航空运输业（能源消费比重约10%）单位能耗下降35%～60%，据此估算整体碳减排至多可达约95%。

6）有色金属冶金业近年来二氧化碳排放量约为1.3×107～1.6×107 t，占全省总排放的3%，其中原煤来源的二氧化碳排放量约为0.7×107～1.0×107 t，占行业排放的55%。随着光伏、氢能等清洁能源的大力发展和使用，原煤来源的碳排放将得到有效控制。假设到2060年由原煤供能被氢能完全取代，据此估算行业整体碳减排约55%。

7）城镇二氧化碳排放量自2010年来呈稳定上升趋势，这与近年来河南省城镇人口大幅度增加有关，随着城镇化水平的提升，预计2025年达到碳排放峰值。另外，在城镇人口增加的同时，河南省大力发展绿色尊龙凯时以降低城镇碳排放。“十三五”期间河南省新增绿色尊龙凯时5 × 107 m2，占新尊龙凯时比例的50%，预计到2022年，绿色尊龙凯时将占新增尊龙凯时的70%。2025年以后，随着绿色尊龙凯时的逐渐普及和居民生活终端用能电气化水平的提升，城镇二氧化碳排放量将逐年下降。

4.3 多情景构想下的碳中和实现


基于上述各行业的二氧化碳排放情况，对多情景构想下的河南省碳中和实现开展预测。总体上，河南省可在2025年左右实现碳达峰，二氧化碳总排放量和净排放量分别约为6.50 × 108 t和5.60 × 108 t。随后，二氧化碳排放量将逐渐降低，但不同能源发展情景下的减排路径显著不同，具体情况见图8。既定政策情景（保守情景）下，2030、2060年全省二氧化碳总排放量分别约为6.36 × 108 t和2.23 × 108 t，远超河南省林业碳汇能力（2060年达到最大，年均吸收二氧化碳1.10 × 108 t），因此该情景下无法实现2060年碳中和目标。能源转型情景（参考情景）下，2030、2060年全省二氧化碳总排放量分别约为6.17 × 108 t和0.79 × 108 t，预计可在2056年左右实现碳中和。激进取代情景（极端情景）下，2030、2060年全省二氧化碳总排放量分别约为5.83 × 108 t和0.23 × 108 t，预计可在2050年左右实现碳中和。

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图8 河南省能源发展多情景构想下的碳中和实现预测

Fig. 8 Forecast of carbon neutrality under multi-scenario conceptions for energy development in Henan Province

5 结　语


河南省是华中地区重要的人口、农业、工业及能源消费大省。碳中和战略的尽快落地实施对于推动省内经济绿色低碳高质量发展、污染防治乃至全国2060年前碳中和愿景的实现具有重要意义。长久以来，高耗能及第二产业占比过大的结构矛盾及煤炭主导的能源结构导致河南省在碳中和进程中面临能源结构单一、碳排放基数大、生态治理形势严峻、能源对外依存度持续增长、可再生能源开发程度低等关键问题。河南省当前年均二氧化碳排放量约5.5 × 108 t，从排放源来看，煤炭来源的排放超过总排放量的80%；从排放领域来看，电力/蒸汽/供热、黑色金属冶金、非金属矿物制品等七大行业排放量超过总排放量的90%；另外，林业碳汇吸收量约占二氧化碳排放总量的18.2%。

碳中和战略的实施需综合省内资源禀赋、区域经济发展和当前产业布局等因素，同时从能源转型和经济结构深化调整两个方面着力。一方面，侧重关注煤炭减量替代和清洁化利用，发展风、光等新能源，提高用能终端电气化水平；另一方面，加快引入电气机械、计算机电子设备等高附加值制造业，适当迁出部分金属冶炼、非金属矿物制品等传统高耗能、高排放行业，推动省内经济动能转换。基于此，归纳出河南省碳中和实施的七大行动方案。这些方案对中国中西部其他省份，尤其是高产、高耗煤和高污染地区也具有重要参考价值。能源发展多情景构想下的重点领域碳排放和碳中和实现预测表明：既定政策情景（保守情景）下，河南省难以在2060年实现碳中和；能源转型情景（参考情景）和激进取代情景（极端情景）下可分别在2056、2050年左右实现碳中和。

在后疫情时代全球经济复苏的关键时期，碳中和目标是中国实现可持续发展、推动生态文明尊龙凯时的战略指引，也意味着中国能源和经济产业结构将迎来深刻变革。碳中和战略的实施也将催生出一条完整的新能源产–储–运–用产业链，有助于扩大就业，并成为中长期发展的重要经济增长点。同时，考虑到当前有关林业碳汇功能的研究还略显薄弱，不同学者不同方法得出的结果相差较大，尚缺乏统一的评估和测算标准。因此，还有必要尽快针对全国及各省范围开展林业碳汇潜力估算和梳理工作，构建起统一的测算和动态监测体系，为碳中和实现提供数据支持。可以说，碳中和就是第四次能源和工业革命，其转型实现速度将决定能否在未来竞争中占据主动，甚至完全改变全球地缘政治。加快实现碳中和是中国从发展中国家到发达国家、从大国到强国、从“被卡脖子”到“卡脖子”的必由之路。在此背景下，碳中和愿景的全面实现应鼓励重点地区、行业先行开展改革试点和探索工作，突出地方优势，破解制约产业升级和能源转型的瓶颈问题，形成各具特色的地方低碳发展模式。然而，也必须认识到，当前的能源技术水平还不足以支撑中国达成这一极具挑战性的任务，因此碳中和目标导向下的低碳技术体系加速研究、创新和规模化应用将是中国实现碳中和愿景的关键支撑。

作者：
侯正猛1,2, 熊鹰1, 刘建华2, 曹成3, 方琰藜1, 张瑞芹2, 侯维岩2, 汤建伟2     
1. 克劳斯塔尔工业大学 地下能源系统研究所，克劳斯塔尔–采勒费尔德 38678;
2. 郑州大学 中德碳中和与绿色发展研究院，河南 郑州 450000;
3. 西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500

版权所有：《工程科学与技术》（原《四川大学学报（工程科学版）》）

转自：碳达峰碳中和研究中心

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