煤炭与新能源协同发展的路径研究

  为实现碳达峰、碳中和目标, 我国能源体系结构从煤炭作为主体能源向新能源为主的转型 已是大势所趋。推动煤炭和新能源优化组合, 既是煤炭产业绿色低碳转型的重要路径, 也是促进新 能源规模化发展的关键手段。系统分析了支撑煤炭与新能源协同发展的基础条件, 对废弃矿井的资源再利用、新能源开发和电力调蓄、矿区生态修复等提供了新思路, 进一步提出了矿区生态修复与 大型地面光伏协同、矿区光伏与第一产业融合、地下资源立体开发再利用、新能源与煤炭清洁转化 深度耦合、多元能源协同清洁能源基地等重点路径, 以期推动煤炭行业高水平质量的发展, 助力我国 “双 碳” 目标实现。

  我国太阳能总辐射资源丰富, 总体呈“高原大于平原、 西部干燥区大于东部湿润区”的分布特 点。新疆、青海、内蒙古、甘肃、宁夏、陕西等省份大部分都拥有很丰富的太阳辐照量, 而内蒙古、陕西、新疆、甘肃等西部地区也是我国煤炭资源集中地和煤炭开发的主产区, 煤炭资源富集区与太阳能资源富集区具有很大的重叠性。我国的东北西部和东北部、内蒙古中东部、新疆北部和东部的部分地区、甘肃西部、青藏高原等地的风能相对丰富, 与煤炭资源分布地区具有一定的重合度。地热资源可分为浅层地热能、 水热型地热 (地下热水) 和干热岩等。其中, 浅层地热能资源主要分布 在我国中东部京津冀、山东、江苏、安徽、河南、陕西和东北部分地区, 水热型地热资源主要分布于东南沿海、胶东、辽东半岛、藏南、滇西、川西、华北平原、江淮平原、 松辽盆地等地区, 我国地热资源与煤炭资源赋存高度重合。我国的现代煤化工产业也大多分布在在能源“金三角” 煤炭主产区 (内蒙古鄂尔多斯-陕西榆林-宁夏宁东) 以及新疆伊犁、准东、哈密等煤炭接续区, 是新能源富集和开发的重点区域, 为新能源与煤炭清洁转化的深度耦合提供了基础支撑条件

  在严格保护农用地和集约节约利用未利用地的背景下, 新能源大规模开发的用地需求面临严峻的 挑战。中东部地区用于新能源规模化开发的土地资源相对稀少; 西部地区的新能源开发空间大, 但电网和储能等基础设施配套不全, 阻碍了新能源的规模化开发。煤矿区具有发展新能源的先天优势, 除了丰富的煤炭资源外, 还有大量的土地、风、光等其他资源以及已建成的道路、输电线路等基础设施。经过多年高强度开采, 我国采煤沉陷区面 积逐步扩大。有关数据显示, 我国有 23 个省市区、151个县市区分布采煤沉陷区, 面积达 20000km2,主要分布在我国东部、东北等采煤历史悠远长久的老矿区。其中, 山西、内蒙古等地区采煤沉陷区面积均在3000km2左右, 陕西、山东、安徽等地区采煤沉陷区面积均在 1000km2左右。现有煤矿及关闭退出煤矿的采煤沉陷区、采空区、排土场等可为新 能源规模化开发提供大量的土地资源, 实现矿区的 绿色低碳转型。

  我国待开发利用的废弃矿井达1万余处, 预计到 2030年, 我国关闭废弃矿井将达到1.5万处。据调查, 目前我国已关闭废弃矿井中赋存煤炭资源量高达420亿t非常规天然气近 5000亿m3、地下空间资源约为156亿m3, 有着非常丰富的矿井水资源、地热资源、旅游资源等。煤矿采空区空间大, 井下基础设施完善, 具有发展储能的优势条件。煤矿井巷落差大, 可用于储水、蓄能发电、矿井循环利用等, 为新能源发电调峰; 井下温度比较高 且稳定, 可发展地热开发利用技术, 将矿井水与热 泵结合, 从废弃矿井水中回收能量; 井下残余煤炭二氧化碳吸附能力强, 有 利于井下碳吸附、碳储存。

  随着新能源加速发展和用电结构调整, 电力系统对调峰容量的需求将逐步的提升。而水电、气电、储能调峰电源等受站址资源条件、经济效益等影响, 调峰能力有限; 煤电作为调峰电源, 具有技术和经济上的优势, 可为新能源平抑波动提供调峰、调频、电压调节等服务, 规避新能源发电的不稳定 性。依托矿区坑口清洁煤电机组建设风光火储一体化能源基地, 还可充分的利用矿区现有的供电线路、配电网、变电站等基础设施, 降低风光火储项目建 设成本, 提升综合效益。

  枯竭后, 场地内建设的办公楼、厂房等地面设施基本丧失了使用价值, 退出煤矿工业场地受采动影响沉降量比较小, 场地内的建筑物稳定性相对较好, 可将地面厂房及办公室改造为加工工厂或者办公园区再利用。对于煤矿开采后形成的采煤沉陷 区, 应该推进绿色转型, 补齐生态短板。大力开展 生态修复再造, 持续推进塌陷地治理工程。按照“宜农则农、宜林则林、宜工则工”的原则, 实施村庄异地搬迁、 基本农田整理、采煤塌陷地复垦、生态环境修复等工程。

  碳达峰、碳中和目标的提出将加快推进风电、太阳 能发电等新能源的跨越式发展, 未来新能源发电将 成为新增发电装机主体。由于光伏发电单位体积内的包含的能量 (或土地密度) 低, 土地问题将成为困扰光伏发展最大障碍, 特别是土地资源紧张的中东部地区。退出煤矿有着非常丰富的废弃土地, 发展新能源的潜力巨大。通过盘活利用矿区排土场、 采煤沉陷区等退出 煤矿废弃土地, 建设集综合治理、 光伏发电等为一体的光伏产业基地, 实现太阳能资源利用和闲置土地资源利用的有机结合, 实现矿区生态修复和光伏发电的优化组合。

  根据新能源赋存特点和矿区(沉陷区、采空 区、排土场) 的地理环境特性, 开展农光、林光、 渔光、牧光等多种模式的应用。可以在土地资源条件较好的矿区建设光伏+农业等, 例如 “废弃矿井沉陷区等土地光伏+农业种植”“废弃矿井沉陷区等土地光伏+温室大棚” 等开发利用模式。国能 神东煤炭集团建设了布尔台采煤沉陷区生态+光伏 示范基地, 将光伏发电与矿区生态综合治理有机结合, 发展 “林光互补”和“ 农光互补”的模式。针对沉降严重、地势低洼的废弃矿井, 可优先考虑先 储水, 再采用漂浮式安装方法建设水上光伏电站, 实施“废弃矿井沉陷区等土地光伏+水产养殖”模式, 既节约了陆地光伏电站的占地面积, 又不影响 水域中的渔业养殖, 实现能源与渔业的综合开发。山西乡宁、辽宁抚顺等地区将废弃矿山的沉陷土地 资源用来种植作物或者养殖水产, 发展生态农业; 山东枣庄、安徽淮南采用渔光互补模式, 建设水面 漂浮式光伏电站, 均取得了预期效果。

  地下资源立体开发再利用可分为能源化利用 (煤炭、煤层气、地热等)、资源化利用 (水、伴 生资源等)、功能化利用 (地下、地上空间) 三大 方向, 最重要的包含地热资源再利用、分布式抽水蓄 能、压缩空气储能、建设地下空间国家级科研平 台等。

  矿井废弃后, 仍赋存着丰富的资源, 尤其是大 量可再生地热资源。目前, 我国中东部地区的矿井开采深度基本上已达到1000m左右, 部分矿井甚至达到了1500m。当深度超过千米时, 矿井原始围岩温度能达到50℃左右, 有些矿井温度甚至能达到60℃以上, 地热资源开采潜力巨大。针对废弃矿井有着非常丰富的水资源, 以及巷道、深层岩石提供的充分换热面积和有利换热条件, 开发充分的利用地热资源的废弃矿井巷道蓄热模式。例如, 根据煤炭矿井工作面埋深不同, 系统设计成浅层蓄冷水库和深层蓄热水库, 通过换热器或热泵从矿井水中回收能量, 冬季用在建筑供暖, 夏季用在建筑制冷。

  矿区的工业场地、沉陷区以及周边山势可以铺设太阳能聚光器、太阳能光伏板和风力发电机组, 实现赋煤区域太阳能和风能的有效开发。但是新能源具有不稳定性和间歇性的缺点, 与客户的真实需求无法实时匹配, 严重限制其利用效率。废旧煤矿的井下巨大采空区具有发展储能的得天独厚优势, 可将风 力或光伏发电转化为压缩空气储能、 抽水蓄能或电 化学储能, 通过削峰填谷来解决新能源的间歇性、波动性问题。这更有助于拓宽储能选点范围, 使储 能电站更接近负荷中心、 新能源基地和特高压线路交集处。利用废旧矿井的空间大、深度不一、不同高差、水源充足的特点建设抽水蓄能电站, 可减少筑坝工程量和征地费用, 缓解水源蒸发等问题。在不具备建设抽水蓄能电站的矿区, 最大限度地考虑地层的厚度、渗透率、孔隙度、不均质性、结构强度等条件, 利用矿井的开拓巷道、准备巷道或 者采场老空区发展压缩空气储能。例如, 利用晋能控股煤业集团云冈矿北大巷废弃巷道, 正在建设全球首个基于废弃煤矿巷道零排放压缩空气储能项目。为满足新能源发展和高效消纳的需要以及保障未来大电网安全稳定运行, 建立配套新能源发电站的大容量吉瓦 (GW) 级电化学储能电站也是必不可少的。将具备条件的废弃矿井地下空间作为电化学储能电站建设场地, 实行地上大面积光伏发电、地下大容量电化学储能一体化模式, 增强电力系统调节能力。

  在电力需求持续增长和绿色低碳转型步伐加快的双重背景下, 化石能源仍是支撑电网安全稳定运行、保证能源安全供应的压舱石。首先要强化煤电一体化优势, 在矿区全力发展坑口清洁低碳煤电, 提高煤电发电效率, 实现煤电的近零排放, 减少原煤长距离运输和污染排放。其次要依托煤矿现有设施和条件, 利用矿井及周边大量闲置的土地或利用已经建成的基础设施, 如道路和输电线路等, 全力发展光伏、风电、光热、地热以及瓦斯发电等, 提 高矿区及周边可再次生产的能源消费比, 实现煤电灵活性 调峰作用, 减少弃风、弃光等, 促进可再次生产的能源发 电更多实现就地就近消纳转化, 打造 “风光火储一 体化”“源网荷储一体化” 开发模式。

  煤炭利用方式从燃料为主向原料、材料与燃料并重战略转变是煤炭绿色低碳转型的必然选择, 这 也决定了煤化工将成为煤炭绿色低碳发展和消费转 型升级的重要方向。煤化工大部分以气化为源头, 碳排放也大多分布在在煤气化工艺的合成气经水煤气 变换单元。例如, 在甲醇合成反应中, 要求 原料气中氢碳比应在 2.1~2.15。但煤气化制备粗 原料气中, 氢碳比为 0.4~0.6, 需要额外增加1个水煤气变换单元来补充氢气; 但补充氢源的同时,大量CO被转化为 CO2。随着我们国家光伏发电和风力发电成本的不断下降, 将具备提供“ 工业绿氢”的经济性, 以绿氢作为原料与煤炭清洁转化过程深 度耦合, 部分或全部省去水煤气变换反应, 提高碳原子经济利用性, 降低CO2排放。另外, 也可用绿氢制合成氨而生产“绿氨”;优化煤化工厂动 力系统, 采用“绿电”代替燃煤自备电厂, 由自 备电向网电转化。新能源制氢等可与煤化工捕获的CO2反应制备能源产品或载能产品, 整合煤化工、盐化工、煤制氢、瓦斯利用和新能源制氢等周边项 目产品, 开展CO2制烯烃、CO2 加氢制甲醇、CO2重整甲烷制备合成气等应用示范, 拓展 CO2资源化利用途径。

  煤矿区本身就是一个多能源系统, 煤炭企业应当适应煤炭与新能源优化组合的新形势, 发挥煤炭与新能源各自优势, 建立以煤为基础的多能源协同开放的清洁能源系统。结合新能源产业特点, 统筹规划矿区风、光、火、氢等产业高质量发展, 按照基地化、规模化、一体化的发展要求, 延长煤炭开发产 业链, 转变产品形态, 上下游一体化, 煤与新能源 发展一体化, 实践风光火储一体化、煤化工+绿氢、绿电等新模式, 煤炭在煤矿区就近转化为电力、热力、新材料、化工品, 形成集光、风、 电、 热多元协同的清洁能源基地。通过自主建设、 合并整合等 模式, 建立资源适配的清洁能源发电基地、 化工基 地、 建材加工基地等, 构建高度融合的煤—电—化 工—建材等一体化产业链, 形成产业集群优势。同时, 可将基地的燃煤发电、 煤化工项目产生的CO2加以捕捉、利用和封存, 探索可再次生产的能源发电制氢与CO2反应制可再生甲醇、利用煤矸石中钙基矿物矿化 CO2、采空区超临界CO2封存等技术, 打造煤矿及周边区域的零碳示范, 实现区域碳中和。

  我国传统能源禀赋的特点是 “缺气、 少油、 富煤”, 煤炭作为主体能源的地位在相当长一段时间内无法改变, 仍将长期担负国家能源安全、经济持续健康发展的重任。当前, 供给侧结构性改革要求、能源结构调整优化以及碳达峰碳中和目标的提出等宏观外因对煤炭行业的发展产生了深远影响。推动煤炭和新能源优化组合, 既是煤炭产业绿色低碳转型的重要路径, 也是促进新能源规模化发展的关键手段。为了更好更快地实现煤炭与新能源协同发展, 需要采取更为有力的措施: 一是加快做好关闭退出煤矿生态修复工作, 制定高标准生态修复方案, 确保退出矿井生态全面修复到位, 为退出煤矿转型新能源产业阵地打好基础; 二是充分挖掘关闭退出矿井转型发展新能源的潜力, 摸排、测算退出矿井地面、井下资源情况, 依托煤炭与新能源耦合发展、储能、 井下空间再利用各项技术, 探索构建矿区转型发展新能源产业多种路径; 三是利用生产矿区周边已有的煤电、煤化工产业, 结合新能源产业特点, 统筹规划风、光、火、氢各类资源和需求, 实践风光火储一体化、煤化工+绿氢、绿氧 等多种能源资源有机协作新模式; 四是加大支持矿区转型发展新能源产业的政策创新, 引导煤炭企业、 新能源企业各种类型的市场主体主动作为, 精准高效 利用矿井资源, 科学合理地布局各类能源资源协同发 展, 实现煤炭产业高质量发展。

  石油和化学工业规划院、西北电力设计院、新疆宣东能源、天津得威建环保联合主协办支持的“2023煤炭深加工与新能源产业耦合发展大会”延期至9月下旬召开！继续接受报名中......