西北地区煤矿与新能源融合发展实施路径研究

2023-02-01张少锋李佳瑞曹语涵汤效平王兹尧

煤炭工程 2023年12期

张少锋，李佳瑞，曹语涵，汤效平，王兹尧

(1.华电煤业集团有限公司，北京 100044；2.华电电力科学研究院有限公司，浙江杭州 310030)

根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》规划，中国致力于优化能源结构，加大清洁能源的开发利用，这使得西北地区的煤矿与新能源融合发展成为时代发展的必然选择[1]。该地区不仅拥有丰富的煤炭资源，而且具有得天独厚的新能源发展条件。通过煤矿与新能源的有效融合，不仅能促进地区能源结构的转型升级，还能加快实现碳排放减少的目标，对于实现煤炭开采行业低碳转型高质量发展，创建“零碳”矿山，助力国家实现“双碳”目标具有重要意义。

国内外学者针对煤矿与新能源融合发展模式开展了研究工作：Ampah提出可以用可再生能源和化石燃料组成的独立系统，并通过使用电力可再生能源混合优化模型，对拟建项目的技术经济、环境和社会可行性进行了模拟[2]。王双明等人建立了富煤地区能源生产和供应单元的异构能量流耦合模型，提出了富煤地区MCIES的能源管理和优化逻辑方法及运行模式，论证了产煤地区大规模开发新能源的可行性[3]。

目前，国家正在推进以先进产能煤矿、清洁高效煤电为支撑的稳定可靠新能源供给消纳体系建设[4-6]，但大多数研究侧重于理论层面或特定地区的案例分析，而针对中国西北地区特殊环境和经济背景的煤炭与新能源融合发展的研究仍然不足。西北地区煤矿与新能源融合的发展，不仅涉及技术层面的创新，还涉及政策制定、经济效益分析、环境影响评估等多方面的问题[7]。因此，开展这一领域的深入研究，对于指导煤炭企业发展、制定相关政策、优化能源结构具有重要意义。

1 西北地区资源开发与政策分析

1.1 煤矿资源分布

西北地区作为中国煤炭资源的重要储备区，拥有丰富的煤炭资源[8]。其中陕西省以储量丰富、煤质优良著称，尤其是榆林地区，被誉为“金三角”之一，煤炭普遍具有高热值、低硫、低灰分的特点，适用于电力、化工等行业的需求。内蒙古自治区以大型露天矿和井工矿为主，储量巨大，煤种齐全，煤炭以其适中的热值和较低的污染物排放特点受到市场青睐。新疆地区的煤炭资源分布广泛，尤其在准噶尔盆地和塔里木盆地，煤炭资源潜力巨大，其煤炭以大块煤、少灰分和低硫含量著称，适合各种工业用途[9]。

1.2 新能源资源分布

西北地区的新能源资源拥有显著的分布优势[10，11]。宁夏、青海和新疆等地的年日照时数大于3000 h，年均辐射量约为5900 MJ/m2。新疆是中国大陆最丰富的风能资源区之一，风能储量达3.9×108kW。据不完全估算，我国西北部区域煤矿可用于建设光伏发电项目面积约3840 km2，可规划建设近1.92亿千瓦装机。结合煤矿所在区域光照资源条件，利用采煤沉陷区闲置土地资源，统筹推进光伏发电与生态修复，将是煤炭与新能源耦合发展的重要途径。

1.3 煤矿用能特征

根据国家统计局的数据，2020年，我国煤炭生产能源消费总量为1.0066×108t标准煤，占全国能源消费总量49.8×108t标准煤的2.02%。我国井工煤矿原煤产量占原煤总产量的84.33%，其能耗分布电力占70%、煤炭占25%、油品占5%。此外，煤矿的加工和洗选过程也是能源密集型的，需要大量的电力来支持煤炭的破碎、分选和洗涤等工序。露天煤矿是我国煤炭工业重要组成部分，占全国煤矿总产能的17.8%。在煤炭露天开采的柴油消耗占总能耗的80%～90%，其他能耗为冬季采暖使用的煤炭和开采过程中电铲、钻机等设备的电耗。依赖于化石燃料，特别是煤炭自身和石油产品的用能方式在过去支撑了煤炭产业的快速发展，但同时也带来了诸多环境问题，如温室气体排放、空气污染等。随着全球气候变化和环境保护意识的提高，煤矿行业面临着低碳转型的压力，需要寻找更清洁、更可持续的能源解决方案[12]。

未来，新能源的支撑将成为煤矿用能的重要特点。随着新能源技术的发展和成本的降低，利用太阳能、风能等可再生能源来替代部分传统能源将成为可能。例如利用采煤沉陷区、关闭退出煤矿、工业场地、排矸场等空间资源和配套设施，积极发展有规模有效益的风能、太阳能、生物质能地热能、氢能等新能源；利用废弃矿井因地制宜发展抽水蓄能和压缩空气储能，合理配置新型储能[13]，用多种措施逐步提高绿色用能比重，优化用能结构，降低吨煤生产的二氧化碳排放量。

1.4 政策分析

煤炭矿区建设新能源项目得到了国家相关部委的积极支持与引导。2022年1月30日，国家能源局关于印发《以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地规划布局方案》的通知(发改基〔2022〕195号文)，提出到2030年在陕北、宁夏、蒙西鄂尔多斯、晋北采煤沉陷区规划建设0.37亿千瓦的新能源项目。2022年5月30日，国家发展改革委在《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》政策解读文件中指出：“在基地规划建设运营中，要推动煤炭和新能源优化组合，鼓励煤电与新能源企业开展实质性联营。”2022年11月11日国家发改委、国家能源局下发《关于进一步推进利用采煤沉陷区发展光伏等新能源有关工作的通知》(发改办振兴(2022)632号文)和《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》(国办函〔2022〕39号)，进一步推进采煤沉陷区新能源发展。2023年11月15日，自然资源部发布《关于进一步加强绿色矿山建设的通知(征求意见稿)》以推动矿业绿色低碳转型发展，全面推进绿色矿山建设。

根据一系列政策措施，可以看出政府高度重视西北地区煤矿与新能源相互协作实现资源的互补和共赢发展。同时，政府还提出了加快推进大型风电光伏发电基地建设的要求为西北地区提供了发展新能源的重要契机。在基地规划建设运营方面也提出推动煤炭和新能源优化组合，鼓励煤电与新能源企业开展实质性联营，以实现更高效、更可持续的能源供应。

2 技术路径分析

现阶段煤炭生产重心进一步向沙漠、荒漠、戈壁地貌较广的西部地区集中，煤矿布局与大型风电光伏基地布局趋于一致，煤炭、煤电、新能源协同互补优势更为明显，一体化实施的条件也更为齐备。现阶段依托煤炭矿区发展新能源的主流技术路径包含以供应绿电为代表的分布式光伏、集中式光伏、集中式风电和以供热为代表的太阳能供热及风能制热。

2.1 分布式光伏

目前分布式光伏系统技术日益成熟，通常采用单晶硅光伏组件和组串式逆变器，然后并入内部380 V低压电网，或者通过变压器升压后并入内部10.5 kV或其他电压等级中压电网[14，15]。电能消纳方式可以采用“全部自发自用”、“余电上网”等模式。如华电蒙泰不连沟煤业有限责任公司产能1800万t，2021年启动分布式光伏项目建设，利用工业广场办公楼、餐厅、公寓楼、洗煤车间、物流园屋顶面积约68997 m2，建设6 MW的分布式光伏项目，共安装540 Wp单晶硅光伏组件11210块。项目采用“全部自发自用”模式。据测算，按照25 a运行期测算，年均发电量为830.47万kW·h，年均利用小时数1384 h，25 a总发电量约为20761.8万kW·h，开启了煤矿绿电供应的序幕。

为提升矿区分布式光伏建设质量与运维水平，需在如下技术方向持续提升：一是研究分布式光伏矿区供电技术方案与标准规范，实现分布式光伏的全矿负荷供电；二是积极开展轻质组件示范，提高工业广场装机容量；三是推进光伏建筑一体化技术路线；四是根据煤矿区域多尘少水特点，开发光伏板节水自动清洗装置；五是根据矿区特点开发光伏系统智能管控与无人值守技术[16]。

2.2 集中式光伏

我国集中式光伏的开发和运营技术，总体上处于国际先进水平。但受区域自然环境、地质条件、开采方式和土地性质等多重因素影响，煤矿沉陷区建设生态光伏需综合考虑采空区塌陷特性、光伏建设方式、生态修复方式等多种因素叠加的相互作用。

早在2015年我国就开始了以光伏治理采煤沉陷区的相关探索。如山西大同采煤沉陷区100万kW光伏示范基地2016年建成并网发电。近年来又涌现出一批生态光伏项目，如鄂尔多斯市伊金霍洛旗采煤沉陷区50万kW生态治理光伏发电项目，包含光伏+生态治理+草畜一体化。项目将采煤沉陷区约4万亩土地进行高标准生态修复，在生态修复完成后实施“光伏+”项目，以农牧光互补，实现“一草两用”，增加牧草产量的同时可防风固沙、改善水源涵养，推动优质牧场建设，使生态效益、经济效益、社会效益最大化。经初步测算，如西北矿区集中式光伏实施率达到100%覆盖，采煤沉陷区预计可建光伏装机将达到1.92亿kW装机容量，按光伏发电1200 h、火电机组碳排放0.828 kg/kW·h核算，将实现碳减排1.91亿t二氧化碳，占煤矿生产碳排放的32.2%。

借鉴已实施矿区生态光伏建设经验，根据矿区特点，矿区生态光伏实施需在如下三方面持续提升[17]。一是优化光伏支架结构，提高至1.2 m以上以利植被种植，选择可回收材料以减少环境污染，并考虑复杂地形适用的大跨度支架。二是开展生态环境与安全监测。可结合场址区实际情况应用变形监测、植被监测、水沙监测及治理效果等监测技术，建立监测体系以支持生态保护和防患措施。三是构建光伏+生态修复系统，保护现有植被并在光伏列阵间种植本地灌木，实现生态与经济双重效益。

2.3 集中式风电

与光伏相似，我国风电开发和运营技术也处于国际先进水平。截止2022年底，风电装机容量约3.654亿kW，已连续13年稳居全球第一；2020年全球前十大风机商中，中国公司占据七席，陆上风电6.7 MW风机已并网发电，13 MW抗台风型海上风电机组已成功制造，为实施矿区集中式风电项目建设奠定了良好的基础。

与在采煤沉陷区建设光伏相比，建设风电项目对地质稳定性、压覆矿及土地属性和风资源要求更高[18，19]。例如，经过对华电甘肃万胜矿业有限公司矿区范围内资源的分析，可选择无煤区建设总容量为50 MW的风电。随着风电技术成熟度的提升，建造成本的快速下降，及年利用小时数优势(通常高于2000 h)，风电近期受到更多的关注，但在开展沉陷区风电项目的同时，需特别关注风电选址复杂性和环保的问题。

2.4 太阳能供热

由于煤矿总供热负荷与生活热水负荷差异较大，其中需要全年供热的生活热水只占全部供热负荷不到20%，其余为冬季采暖和井筒保温用供热负荷。如煤矿全部采用太阳能集热，其中受到季节性用热不平衡因素的影响，高比例太阳能供热系统的将造成非采暖期的太阳能系统闲置问题。为了降低季节性用能差异对太阳能供热系统保证率的影响，近年来，基于长周期储热的及区域综合能源系统构建的太阳能长期储热供热技术得到了广泛的关注与发展，以有效推进太阳能的夏热冬用以及四季利用，提升太阳能供热系统的技术经济性。太阳能跨季节储热供热系统一般由太阳能集热器、跨季节储热系统、辅燃锅炉、缓冲水箱、板式换热器、水泵、阀门等组成。太阳能集热器负责捕获太阳辐射能并转换为热能，然后通过有效的热交换系统将热量转移到储热系统中。跨季节储热系统能够在高温条件下长时间存储热能，减少热能在非采暖季节的损失。辅燃锅炉在供热需求较低的季节用来保持系统的最低运行温度，确保供热系统的稳定性和效率。缓冲水箱起到调节和稳定热能供应的作用，以应对供热需求的波动。总的来说，太阳能跨季节储热供热系统的发展，不仅解决了传统太阳能供热系统面临的季节性限制，也为能源效率的提升和可持续能源利用提供了新的可能性，有助于推动能源结构的绿色转型和碳减排目标的实现。

2.5 风能制热

近年来，随着风电行业高速发展，风力发电技术的应用逐渐广泛。由于我国北方冬季供暖需求和风速呈正季节相关性，将风电技术和热泵系统联合供暖可降低弃电和碳排放，受到了广泛的关注和发展。风能供热技术分为间接制热技术与直接制热技术。间接制热技术是先将风能转变为电能，然后经过某种方式转变为热能，具有便利性的优势，但由于转变路径长，能源利用率低，投资大，且易对接入电网造成冲击。通过风力机传动链直接驱动压缩机的风能直接制热技术可解决上述风能间接制热技术的问题。风能直接制热技术通过风机叶片捕获风能，将风能转变为机械能，经过增速齿轮箱将转速提高到压缩机适合运行转速下，拖动热泵系统的压缩机做功。目前中国科学院工程热物理研究所已在河北省涿鹿县黄帝城小镇建立了100 kW风热机组供热供冷示范，打造了国内第一台成熟风力机拖动的风热机组，通过测试获得了风热机组的运行特性规律，明确了风速、风轮、热泵之间的能量转换规律，及风能与制热量之间的关系。

2.6 矿用智能微网系统

随着新能源占比不断提升，新型电力系统的构建和矿区范围内新能源建设的推进，为保障煤矿供电安全、高效、低碳和经济运行，需构建以国家电网、煤矿新能源、应急备用电源、煤矿用电负荷及智能管控系统等为主体的矿用智能微网系统，积极助力新能源占比不断提升的新型电力系统构建。开展煤矿智能用电研究，在保障一类负荷安全供电前提下，根据矿用智能微网在不同季节、天气、时间段的系统运行特性和煤矿地区不同时段的峰谷平电价结构，通过人工智能和大数据赋能，实施动态监测与智能调控，减少新能源弃光/弃风率，优化用电功率曲线；提高积极推进煤矿用电侧需求管理，开展煤矿机电设备响应灵活性研究和工序生产的调变性；调整煤矿生产作业组织顺序，将用电量最大的生产班次安排在电力充裕、电价较低的时间段；通过生产端用电与分布式发电的柔性调整，实现安全经济低碳供电。

3 煤矿与新能源融合创建“零碳矿山”

所谓“零碳矿山”，是指在评价边界内，直接或间接产生的二氧化碳排放总量，在一定周期内，优化产业结构、利用可再生能源、提高终端能源消费电气化率、开展数智化能源管理等方式实现能源供应清洁化和能源利用高效化，尽最大可能减少生产、服务过程中产生的温室气体排放量，对于无法避免的排放量应采用碳抵消的方式实现碳元素“零排放”。在此以小纪汗煤矿为例介绍煤炭企业通过融合新能源实现“零碳矿山”创建的案例。

3.1 “零碳矿山”建设条件

小纪汗煤矿地处陕西省榆林市城西12 km，属温带大陆性半干旱季风气候。本地区太阳总辐射量为5935.2 MJ/m2，逐月太阳总辐射量数值在287.7～703.9MJ/m2之间，属于B类太阳能资源“很丰富区”，具备较好的新能源开发前景。区境呈不规则平行四方形，最北端为小壕兔乡公合补兔村，最西端为红石桥乡沙漩湾村，最东端为大河塔镇芦家铺村，最南端为镇川镇八塌湾村。南北最长距离124 km，东西最宽距离128 km，总面积7053 km2，部分区域具备较好的光伏建设条件。

根据小纪汗煤矿碳排放数据核算，全年碳排放量约为20.9万t(CO2当量)，其中净购入电力对应的CO2排放占比63.6%，井工开采CH4逃逸排放占比15.7%，燃料燃烧CO2排放13.07%。目前小纪汗正在实施低碳供热改造，项目建成后预计可可减少CO2排放2.4万t。剩余18.5万t CO2需要新能源产生绿电中和，按照小纪汗区域光伏建设条件和光资源，预计需要142 MWp光伏装机容量。

3.2 矿区新能源建设分析

小纪汗煤矿2022年率先启动屋顶分布式光伏项目，目前矿区6 MWp正在建设，项目建成投产后全年可实现绿电供应895.6万kW·h，与相同发电量的火电相比，减少排放温室效应气体CO2约7451.4 t。

目前正在策划采煤沉陷区集中式生态光伏建设，含200 MWp生态光伏、1200亩樟子松防护林和40 MW/40 MW·h磷酸铁锂储能系统。工程建成后年均发电量约为31442.57万kW·h，年减排CO2约为26.14万t。目前项目已完成可行性研究报告，正在推进建设工作。

200 MWp采煤沉陷区集中式生态光伏建成时，小纪汗煤矿不仅可实现“零碳矿区”建设，每年还可以减排约8.38万t的温室气体排放，实现“负碳”园区。

4 煤炭与新能源融合发展对策建议

近年来，国家相继出台了一系列政策措施，为推进煤炭与新能源融合发展指明了方向，行业层面、企业层面也正在积极推动落实，并取得了积极成效；技术也在日趋成熟。但从煤炭企业看，由于思想认识不完全一致、政策配套还有待加强、标准体系还处于起步等多方面因素，还需要进一步多向发力、多措并举，实现各项工作更加向纵深推进。

4.1 研究系统性的指导意见

目前，针对煤炭与新能源融合发展，各方主要关注煤炭的利用方面，如煤炭发电、煤电与新能源耦合发电、煤制氢等，对煤炭企业生产环节与新能源统筹协同的研究较少；同时，由于煤炭企业生产的产品属于高碳能源，一般认为与新能源距离较远，对于新能源融合发展重视程度参差不齐，工作推进上存在浅尝辄止、不求深入的现象。煤矿作为生产能源的工业企业，同时也是能源消耗企业，在双碳目标背景下，与新能源的深入结合方面不应缺席，也不能缺席。建议有关方面从加强行业指导着手，强化顶层设计和统筹谋划，研究涵盖煤矿生产、伴生资源利用、塌陷区新能源发展、土地复垦绿化等各环节的煤炭新能源融合发展思路，指引煤炭企业进一步统一思想、提高认识，调动各煤矿积极性和主动性，充分利用各自条件、发挥各自优势，推进煤炭企业更加绿色低碳高质量发展。

4.2 细化针对性的支持措施

《“十四五”现代能源体系规划》提出，创新矿区循环经济发展模式，探索利用采煤沉陷区、露天矿排土场、废弃露天矿坑、关停高污染矿区发展风电、光伏发电、生态碳汇等产业。《关于促进新时代新能源高质量发展实施方案》强调，支持在采煤沉陷区等矿区开展具有生态保护和修复效益的新能源项目。煤矿企业在治理生产造成的土地塌陷中，需要给予当地居民补偿，并对塌陷区进行平整和生态修复，具备同步规划建设光伏项目的有利条件。但由于在新能源指标获取方面尚无差异化的支持政策，目前生态修复和新能源发展有机结合的程度还有待进一步提高。建议针对煤矿企业采煤沉陷区新能源发展，研究更为具体的措施，支持煤矿企业新能源项目取得建设用地、配置新能源指标、纳入项目建设库、列入年度开发方案等，为煤矿企业发展新能源创造条件。

4.3 开展引领性的技术创新

煤炭企业利用新能源和伴生能源总体水平偏低，相关领域技术发展有的还处于起步阶段。适用于煤矿工业广场和采煤沉陷区的新能源技术，特别是适用于煤矿的智能微电网技术还在探索研发阶段。建议结合煤矿生产特点，针对性的研究煤炭与新能源融合发展技术，通过研发计划、揭榜挂帅、产学研融合等多种方式，重点突破煤矿新能源发电关键技术、新能源发电与煤矿供电系统智能微网等技术，不断为煤炭绿色低碳专项发展提供支撑。

4.4 健全约束性的标准体系

煤炭与新能源融合发展属新课题，现有与之接近或相关的规范标准有能耗等级与限额、能效评价等，主要包括设计规范、相关监测和计算方法，覆盖面和深度不能完全支撑新形势下的新要求。下一步，要结合技术创新和示范应用进展，不断健全与煤矿企业发展新能源相适应的标准体系，通过建立认证机制、发布先进技术装备目录以及强制约束等，引导支持企业采用先进技术和工艺，开展新能源、伴生能源高效利用和用能用电系统智能化改造，持续加强标准约束和引导。

4.5 创建导向性的示范项目

煤炭企业探索新能源融合发展，主要是贯彻新发展理念、助力实现“双碳”目标。结合煤炭企业特点，重点要在生产环节实施与新能源融合，引导开展清洁能源替代，降低单位产品碳排放，对于无法避免的排放可采用碳汇、碳交易等方式实现抵消，逐步通过建设低碳、零碳矿山示范项目，引领形成新的能源消费模式。具体可根据煤矿各方面条件，优先选取适宜的大型现代化煤矿开展工程示范，以点带面、循序渐进，倡导和培育区域或行业层面的煤炭、新能源融合发展新业态，推进行业高质量发展。