原创 郭媛媛 于宝源 环境保护 2022-08-01 15:10 发表于北京
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彭苏萍，2007年当选为中国工程院院士，我国矿山工程地质与工程物探专家，能源环境专家。于1988年在中国矿业大学北京研究生部博士研究生毕业，获煤田地质与勘探专业博士学位。现任中国矿业大学(北京)教授、煤炭资源与安全开采国家重点实验室主任。彭苏萍院士研究发现煤层砂岩顶板变薄尖灭带是顶板灾害易发区，建立了煤层顶板稳定性地质预测技术与方法。率先开展了煤矿三维三分量地震勘探技术研究，建立了以野外采集评价技术、三维地震可视化解释与反演技术、纵横波联合解释技术为基础的煤矿高分辨三维地震勘探技术体系，并将物探技术与水资源保护利用相结合，促进生态修复在煤炭企业广泛推广应用并形成不同的修复模式。研发了固体氧化物燃料电池储能调峰技术方法，对于煤炭绿色转型和生态修复协同碳中和，具有较好的推广应用潜力。先后荣获了国家科技奖5项，省部级科技进步特等奖1项、一等奖4项、二等奖4项（均排名第一），军队科技进步二等奖1项（排名第二）；取得了国家软件版权6项、发明专利27项，出版专著11本。
2021年9月22日印发的《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》指出，要以经济社会发展全面绿色转型为引领，加快构建清洁低碳安全高效能源体系，严格控制化石能源消费，加快煤炭减量步伐，“十四五”时期严控煤炭消费增长。2021年11月2日印发的《中共中央 国务院关于深入打好污染防治攻坚战的意见》指出，要以减污降碳协同增效为总抓手，切实维护生态环境安全，持续提升生态系统质量，科学推进历史遗留矿山生态修复，开展大规模国土绿化行动。未来，我国传统能源与新能源之间会是怎样的一种关系？煤炭绿色低碳转型的路径是什么？煤矿塌陷区实施生态修复的意义和重要性体现在哪些方面？会产生怎样的生态效益、社会效益和经济效益？近日，《环境保护》杂志记者对中国工程院院士、煤炭资源与安全开采国家重点实验室主任、中国矿业大学（北京）矿山生态修复研究院院长彭苏萍进行了专访，请他谈一谈对上述问题的思考与实践。碳达峰、碳中和目标的实现离不开煤炭绿色转型的积极贡献《环境保护》：我国实现碳达峰、碳中和目标（以下简称“‘双碳’目标”），煤炭扮演着怎样的角色？ 彭苏萍：我国拥有全球最大的能源系统，也是最大的煤炭生产国和消费国。2020年，我国煤炭相关产业二氧化碳排放量约76亿t，占我国二氧化碳总排放量的77%左右。大规模开发利用的煤炭是我国最为突出的温室气体排放源。能源行业是我国实现“双碳”目标的关键。从我国能源消费结构看，化石能源占84%的比重，其中，煤炭占57%，天然气和石油占比为27%；新能源与可再生能源只占到16%的比重，其中，水电占7%，核电占3%，其他6%为风电、光伏、生物质和地热能。我国一年消费石油约7亿t，但是自产石油只有2亿t，其余5亿t石油则依赖进口。在一定时期内，煤炭仍然是我国能源安全的基石，煤炭绿色转型是实现“双碳”目标的必然选择。《环境保护》：煤炭等化石能源绿色低碳转型路径是什么？化石能源与新能源将以怎样的关系并存？ 彭苏萍：世界各国能源绿色低碳转型的路径与方式各有不同，这是由各国资源禀赋与技术优势差异所决定的。从世界能源格局和资源禀赋看，我国实现“双碳”目标比欧美等发达国家和地区的难度都要大一些。这是因为欧洲主要依赖天然气，美国主要依赖石油，我国则主要依赖煤炭，而煤炭是化石能源中碳排放最高的。此外，欧洲除天然气外，还有核电做支撑。而我国受地理环境和地质构造等因素影响，有些地区建设核电站难度很大。碳约束将深刻影响和改变我国现有能源开发利用方式。我国应立足国情推进绿色转型。煤炭绿色低碳化发展是我国实现“双碳”目标的关键。推动经济增长模式的绿色低碳转型不可能一蹴而就。当前一个时期内，我国还是要实行“两条腿”走路。一是通过技术创新将高碳能源低碳化利用。化石能源在使用过程中会排放大量二氧化碳，给减排造成巨大压力。实现煤炭低碳发展，须依靠颠覆性技术创新。我国多煤少气，需要发展煤气化技术，尤其需要发展二氧化碳近零排放的煤气化燃料电池发电技术。整体煤气化燃料电池可以突破以往燃煤电厂通过汽轮机发电的模式，提高煤气化燃料电池发电效率，降低二氧化碳捕集成本，同时实现二氧化碳及污染物近零排放，是煤炭发电的根本性变革技术。以燃煤电厂为例，采用煤气化燃料电池发电技术可以直接把在发电过程中产生的二氧化碳进行富集处置，使其不排到空气中，同时将发电效率从30%提升到60%，这样可以减少一半的煤炭使用量。高碳能源低碳化利用方面的技术创新工作还需要我们不懈努力。煤炭低碳发展助力碳达峰的措施还有：大力发展煤炭开采碳排放控制技术；降低煤炭开发利用的能源消耗强度；提升用煤质量，减少煤炭利用碳排放；推动煤炭向原料、燃料并重转变；推动煤炭与其他能源实现融合发展；研发实用的碳捕集、利用与封存技术。我们对煤炭技术比较熟悉，因此，我国的煤炭低碳化利用问题不是很难解决，只要在政策上支持，在资金上引导，在科学上重视，一定会取得重大突破。二是通过技术创新提升新能源和可再生能源比例。实际上，我国一直非常重视能源转型，期待新能源和可再生能源的比例得到大幅度提升，但是这个难度相当大。我国的风电和光伏发电产业主要分布在西部，距离东部经济发达地区较远，造成了空间上的障碍，需要发展大规模储能调峰技术。这也是目前氢能与燃料电池技术快速发展的原因。氢能产业链长，涉及制氢、储运氢以及以燃料电池为代表的应用技术。目前国际上应用最为广泛的燃料电池有固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池技术。固体氧化物燃料电池发电，或通过燃料电池的逆过程电解水制氢，以及电解二氧化碳制一氧化碳，可以使风能、太阳能等高效转化成可持续能源，是未来有前景的能源转化储存和碳中和技术。与质子交换膜燃料电池90℃左右的工作温度相比，固体氧化物燃料电池工作温度可以高达700℃左右，一次发电效率可以达到60%，比较适合大规模供电与集成式发电。除了发电效率高外，固体氧化物燃料电池发电技术的余热品质也很高，温度可高达600℃，可以用于热电联供，热电联供效率可达到90%以上。可以说，基于固体燃料电池的分布式发电是十分高效、环保的燃气发电技术。质子交换膜燃料电池对氢气的质量要求高，因此其成本较高。目前，煤制氢过程中的氢气纯度还达不到质子膜燃料电池的要求，还要进一步分离提纯，因此社会上广泛提出了“绿氢”问题。实际上，问题不在氢上，主要还是燃料电池的问题。质子膜燃料电池的工作温度太低，如果采用工作温度高的固体氧化物燃料电池，就不存在这个问题。固体氧化物燃料电池不要求纯度很高的氢气，而且除氢气之外，还可以用天然气、石油气、煤的合成气等替代氢气作为燃料，其供给模式可以不打破现有能源供应链。固体氧化物燃料电池技术还有一个优势，其待机启动所需时间在半小时以内，非常适用于电力调峰。“双碳”目标的提出对我国来说是一个机遇。在今后的20～30年，我国要继续拓展应用可再生能源，必须要解决调峰问题。对于分布式固体氧化物电解池制氢，我们计划在山东建设若干个示范基地，并利用集装箱的堆叠解决氢的储运难题，节省储运成本。另外，我们也希望将固体氧化物燃料电池技术应用到居民小区里，作为小区供热或制冷的来源。固体氧化物燃料电池高效发电和固体氧化物电解池分布制氢技术的发展对于提高可再生能源的利用比例具有很重要的作用。通过固体氧化物燃料电池技术实现化石能源利用的“零碳”排放是我们的奋斗目标。可以说，未来10～20年将是我国氢能源产业发展的重要机遇期，我国需紧密联系能源发展实际，助力实现氢能源高质量发展，从战略、政策、技术、资金、国际合作等多方面积极谋划，通过改革创新破解发展难题。《环境保护》：大力推动技术创新是实现煤炭绿色低碳发展的利器，这对煤炭开采和煤炭生产企业提出了新的要求。在人们的普遍印象中，煤炭开采的负效应是带来生态环境的破坏和恶化。您认为我国煤矿区的生态环境保护和修复工程如何制定和实施将更有助于“双碳”目标的实现？彭苏萍：西北地区是我国主要的煤炭基地。我们的课题组曾经对这一地区的生态环境进行了20多年的长期监测。监测结果表明，从1990年西部煤炭规模化开采以来，西北地区的生态环境不是逐渐变差，而是逐渐变好。这彻底改变了煤炭开采只会破坏生态环境这一传统观念。大自然原本就具备自我修复的功能和潜力。人与自然和谐共生的生态文明观是我们需要遵循的。人工生态修复与自然生态修复共同促进了矿区生态环境的正向演替。其实，煤炭开采与生态环境保护并不矛盾，通过技术手段可以实现协调统一的双赢目的。比如，煤炭开采会使地面沉陷并出现裂隙。以前相关方面的专家都只关注到这是对自然生态的一种破坏，造成漏水、漏肥、拉伤根系。其实产生的裂隙也可以是一种有效的生态修复方式，就像农民在耕种前先要松土一样。通过裂缝的松土作用，提高土壤入渗能力，增加土壤透气性，辅以适量生物土壤改良技术，可促进农作物的增产、增收。可见，煤炭开采对生态环境的影响具有正负两方面效应，开采对生态环境的影响用“损伤”描述比“破坏”更为贴切，这是我们从几十年的工作成果中得到的一个结论。比如，晋陕蒙黄土高原在20世纪80年代种植了很多树木，但是直到如今树木仍只有几米高，生长缓慢；而通过生态修复后的煤矿区种植的树木就能够长到十余米高，整个矿区的生物多样性也明显增多。通过与周围生态环境的对比，发现其主要原因是煤矿区生态修复或重建时，将表土环境整个给“刨”或“翻”了一遍，打破了原有的生态环境和不利于植物生长的环境因子，促进现有生态环境的改善。我国部分地区由于无限制地获取自然资源，没有对区域资源枯竭后转型升级进行长远规划和布局，造成区域经济衰退。我们不能再走这些地区的老路。课题组对煤矿区的生态环境保护和修复工作进行了认真思考，提出了“三个区域富饶”生态战略构想，即煤矿开采奠定了区域富饶，煤炭开发实现了区域富饶，生态修复延续了区域富饶。以内蒙古鄂尔多斯和陕西榆林两个以煤、煤化工为基础的工业化城市为例，我们通过“全周期生态演变四维监测、生态安全影响程度评价及预测、地下水保护与矿井水处理、沙尘智能监测与沙尘综合防控、生态减损开采、生物种群优化配置、盐碱地微生物修复、土壤修复与植被恢复”八项核心技术，将煤矿区变成了一个景色优美、生态宜人的宜居区。《环境保护》：我国煤矿区的生态修复该如何进一步拓展思路，发挥积极作用？ 彭苏萍：我们的长期跟踪研究显示，开采之后的煤矿塌陷区通过生态修复治理可以变成固碳的新场所。修复后的土壤本身能够固碳，种植的草木也可以吸收二氧化碳。我们算了一笔账，如果把全国所有煤矿塌陷区80%的面积进行生态修复，至少能固碳11亿t，若是降雨量再加大一点，还可以增加10%的固碳量。所以煤矿开采煤炭之后，积极探索“以‘主动治理’替代‘被动修复’，以‘全过程治理’替代‘末端治理’，以‘边开采边治理’替代‘先开采后治理’，以‘开发同时保护’替代‘先开发后保护’，以‘煤矿区产业高质量发展’促进‘地区社会经济发展与生态保护’”的煤矿生态环境修复新模式极其重要。煤矿区的生态修复是我国实现碳中和不可或缺的中坚力量。通过反哺政策进行生态修复，使得挖煤后的矿区生态环境比开采前好很多。30年前进行大规模煤炭开发的内蒙古鄂尔多斯和陕西榆林地区，以前大部分地区都是沙漠地带，现在则变成了一片绿洲，就是最好的证明。
