碳中和攻略大集合:碳密集行业的碳减排路线图!

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来源:建筑节能合作联盟
    实施绿色制造是中国实现碳中和的关键一步。根据中国排放账户和数据集(CEADs),钢铁、水泥、石油和天然气、化工和有色金属等能源密集型行业占 2017 年中国碳排放总量的 36% 左右。本章分析变化在钢铁、水泥、有色金属、一般制造业以及石油、天然气和化工等不同发展阶段的绿色溢价中,探讨制造业如何实现碳中和。通过分析各行业的碳排放总量和绿色溢价,我们得出结论,内部生产过程的碳排放比例越高,绿色溢价越高,减少碳排放的难度就越大。由于火电可能会逐渐被可再生能源取代,我们认为电力消耗的排放量可能会大幅下降。如果一个行业的排放主要来自内部生产过程而不是电力消耗,则该行业需要升级技术路线或采用碳捕获技术来减少排放,这意味着更高的绿色溢价。我们认为 2021-2030 年可能是制造业减排最艰难的时期。虽然发电减排相对容易,但电力消耗并不是大多数能源密集型行业碳排放的主要原因。因此,这些行业在减排方面可能面临财务和技术问题,尤其是在 2030 年之前的早期阶段。根据内部生产过程的直接排放(不考虑电力消耗的排放),我们估计钢铁的绿色溢价比率(即实现净零排放的成本增加幅度)为 21%,水泥为 151% ,2019年铝业下降4%,化工企业下降61%,石油和天然气行业下降8%。如果考虑到绿色溢价,一般制造业的收益可能下降3%左右。我们认为,这些行业在这一时期将需要支持性的公共政策来帮助他们解决问题,完成技术升级,找到一条可行的减排路径。在碳峰到碳中和的这段时间里,我们认为,能源密集型行业的减排压力可能会小得多,因为这些行业最终可以制定出可行且负担得起的减排路线图。随着低碳转型和部分高耗能行业的总供需下降,我们认为绿色溢价率(基于内部生产过程的排放)可能会下降到钢铁的 6.7%、水泥的 67.5%、铝的 2.0% ,到 2060 年,化工行业为-0.8%,石油和天然气行业为-3.3%,远低于当前水平。

零排放成本:从绿色溢价角度分析制造业碳中和路线图

      首先,在目前的技术条件下,主要制造业实现零排放的额外成本非常高。因此,制造业很难在一夜之间实现碳中和。必须以行业本身和下游部门能够承受的成本逐步减少碳排放。目前高耗能制造业的碳排放主要分为电力排放和非电力排放两大类。电力品类可以通过将火电转化为风电、光伏发电等低碳电力实现零排放,从而降低附加成本。但是,非电类在没有碳捕集技术的帮助下很难实现零排放,实现零排放的成本很高。总体来看,除一般制造业外,当前重点制造业的绿色溢价水平普遍较高。我们测算,为了通过直接和间接减排方式实现零排放,钢铁、水泥、电解铝、基础化工、石油化工等行业的绿色溢价率分别为22%、156%、34%、66%和8%,分别。一般制造业的利润将比2019年下降3%左右。如果仅考虑非电排放,2019年钢铁、水泥、电解铝、基础化工、石化的绿色溢价为21%,分别为 151%、4%、61% 和 8%。如果不将上升的成本转嫁到下游,大多数行业将无法承担内部化的碳中和成本。绿色溢价最高的水泥行业,此时甚至需要支付3年左右的净利润才能实现零排放。因此,目前制造业很难实现碳中和。需要循序渐进,运用公共政策工具引导企业进行技术创新,促进技术创新。各行业需要结合自身行业和下游行业的实际情况,制定切实可行的减排路径(见图1)。现在制造业很难实现碳中和。需要循序渐进,运用公共政策工具引导企业进行技术创新,促进技术创新。各行业需要结合自身行业和下游行业的实际情况,制定切实可行的减排路径(见图1)。现在制造业很难实现碳中和。需要循序渐进,运用公共政策工具引导企业进行技术创新,促进技术创新。各行业需要结合自身行业和下游行业的实际情况,制定切实可行的减排路径(见图1)
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     其次,我们讨论了各个行业是否可以利用现有的技术创新和可用的公共政策工具来探索最优的减排路径。制造业在碳峰初期仍需使用限产等政策工具,而碳峰到达后,成熟的碳减排技术和行业产销的自然下降将成为减排的重要驱动力。首先,由于铝业和一般制造业的碳排放主要来自电力,因此减排难度最小。碳峰值和碳排放的减少可以通过适当的限产以及初期产能上限的限制来实现。随着火电占比逐步降至零,我们预计到2060年电力相关的碳排放量将接近于零。二是钢铁行业可以将高排放高炉产能转化为低排放电弧炉(该技术成熟,但面临原材料供应的限制。我们预计到 2060 年,使用电弧炉的钢铁生产比例将达到 60%)。采用高炉低碳改造可能是另一种解决方案,但尚未成熟。在碳峰的早期阶段,仍需对产能和产量进行一定的限制。中后期,公共政策工具,如碳税、碳交易机制、试点补贴机制可用于鼓励企业减排,实现产业升级。第三,在当前条件下,水泥和化工行业缺乏成熟的显着减少碳排放的技术,对碳捕集技术的依赖度很高。早期的碳峰主要依赖于产能和产量的限制。还要出台政策鼓励企业进行技术改造以减少排放。早期的碳峰主要依赖于产能和产量的限制。还要出台政策鼓励企业进行技术改造以减少排放。早期的碳峰主要依赖于产能和产量的限制。还要出台政策鼓励企业进行技术改造以减少排放。
     为了量化减排的有效性,我们还预测了2020年至2060年各行业在未来情况下合理扣除的碳排放量。这表明大多数行业有望在 2060 年提前达到碳排放峰值,并借助碳捕获实现碳中和。除了促进技术升级和限制生产之外,强制淘汰落后的生产方式也可能是一个重要工具。对这些行业的影响类似于供给侧改革。根据我们的估计,鉴于上述政策,大多数行业可能会在 2030 年左右实现碳峰值。2030-2060年,部分行业产销增速可能放缓甚至下降。新技术达到成熟阶段后,更大规模地推进企业技术改造,降低吨产品碳排放量。到 2060 年,在不使用碳捕集技术的情况下,钢铁、水泥、铝和化工行业的碳排放量预计将分别比 2019 年减少 79%、78%、90% 和 63%。随着碳捕获成本的急剧下降,该技术将用于实现碳中和,并使这些行业能够负担得起。因此,这些行业有望实现碳中和。我们预计到 2060 年,一般制造业将在不使用碳捕获技术的情况下完全实现碳中和。到 2060 年,在不使用碳捕集技术的情况下,钢铁、水泥、铝和化工行业的碳排放量预计将分别比 2019 年减少 79%、78%、90% 和 63%。随着碳捕获成本的急剧下降,该技术将用于实现碳中和,并使这些行业能够负担得起。因此,这些行业有望实现碳中和。我们预计到 2060 年,一般制造业将在不使用碳捕获技术的情况下完全实现碳中和。到 2060 年,在不使用碳捕集技术的情况下,钢铁、水泥、铝和化工行业的碳排放量预计将分别比 2019 年减少 79%、78%、90% 和 63%。随着碳捕获成本的急剧下降,该技术将用于实现碳中和,并使这些行业能够负担得起。因此,这些行业有望实现碳中和。我们预计到 2060 年,一般制造业将在不使用碳捕获技术的情况下完全实现碳中和。
       最后,我们在合理的情况下计算了各行业在碳峰值(2030)和碳中和(2060)期间的绿色溢价,观察企业实现碳中和的负担是否会随着时间的推移而显着降低并得出积极的结论。对于碳排放主要来源于电力的铝业和一般制造业,以及有成熟路径显着降低碳排放的钢铁业,其绿色溢价应该会大幅下降,并达到可承受水平,甚至接近零。对于水泥、化工等尚未建立成熟减排路径的行业,绿色溢价也将大幅下降。企业可以通过适当的提价来承受成本压力。
      综上所述,未来10年,制造业可能面临最大的减排挑战,之后压力可能会明显减轻。这10年,行业既面临技术难题,也面临成本困境。在当前条件下实现碳中和,除一般制造业外,所有高耗能制造业都将面临成本大幅增加和潜在的重大损失。因此,在减少碳排放的初期,要循序渐进,政府应大力支持企业利用碳交易机制、试点补贴、限产等公共政策帮助克服困难。2030年后,各行业的绿色溢价可能会大幅下降。2060年,钢铁、水泥、铝、化工、石化的绿色溢价率分别为6.7%、67.5%、2.0%、-0.8%、-3.3%,均较2019年有显着下降。因此,在技术创新和政策支持下,制造业最终会找到合理、实惠的减排方式。

1.钢铁行业:成熟的减排路径,电弧炉优势逐步显现

1.1行业绿色溢价:现阶段钢铁行业实现碳中和的成本

     钢铁行业是中国工业部门中碳排放量最大的行业,是经济社会发展的支柱产业。因此,钢铁行业的碳中和对中国的碳中和至关重要。我们预计 2019 年中国钢铁行业的碳排放量可能达到 15.4 亿吨,占工业部门碳排放量的 47%,占中国总碳排放量的 18%。钢铁行业是所有工业部门中最大的碳排放者。
      高碳排放导致钢铁行业的绿色溢价水平较高。我们估计,使用高炉工艺生产一吨钢会排放 1.68 吨二氧化碳,其中 1.42 吨来自内部生产过程,0.26 吨来自电力消耗。使用电炉工艺生产的每吨钢会排放约 0.4 吨二氧化碳。高炉工艺的主要原料是铁矿石和焦炭,电炉工艺的主要原料是废钢。考虑到用电量,我们估计每生产一吨粗钢的绿色溢价为 695 元人民币,相当于碳中和前成本增加 22%。这也意味着整个行业的绿色溢价为 6,900 亿元人民币。
     钢铁行业无法将实现碳中和的成本完全内部化。我们估计,如果钢铁行业实现碳中和,并且相关成本在 2019 年全部内部化,钢铁行业的成本将达到 6900 亿元人民币,粗钢相应增加 695 元/吨。再加上供过于求和产品同质化问题,我们认为钢铁行业将无法将全部成本完全内部化以实现碳中和。没有政府的引导和支持,钢铁行业很难靠一己之力实现碳中和。

1.2钢铁行业碳减排技术路线图

   用电弧炉代替传统高炉是最有效、最经济的技术路线图。电弧炉可以显着减少碳排放,单位成本更低,生产周期更短。此外,中国目前对进口铁矿石的依赖度高达90%,高炉转电弧炉成为帮助中国逐步减少对进口焦煤和铁矿石依赖的重要举措。它还将帮助中国确保重要工业部门的原材料供应。以碳中和为目标,由于废钢供应增加,我们预计到 2030 年中国对炼焦煤和铁矿石的需求将下降 60%,到 2060 年下降 70%,接近美国和欧洲目前的水平。
     中国目前正在探索新技术以发展更加环保的冶金工业。一种途径是氢冶金,另一种途径是非氢直接还原铁。氢冶金可以大大减少高炉的碳排放,但对于大规模应用来说还为时过早。非氢直接还原铁技术是一项成熟的技术,可以显着减少高炉的碳排放。但其在中国的应用受到气源和设备的制约。我们认为,中国钢铁行业需要不断探索减少碳排放的新技术。我们看到了三种主要的潜在方法(1)绿色能源;(2) 高炉二氧化碳的分离和回收;(3)回收高炉煤气中的一氧化碳。
     我们建议钢铁行业采用碳排放交易机制,在当前的减排策略下帮助减少碳排放。钢铁行业减少碳排放需要数十年的持续努力,所有针对目标的措施都应逐步落实。在早期,需要对产能和产量施加一定的限制,才能达到碳峰值。后期,我们建议利用公共政策工具,鼓励企业自主减排。一方面,领先的钢铁制造商可能更愿意改用电弧炉,因为可以降低电力成本以增强其成本优势。另一方面,排放交易机制可以产生额外的收入。

1.3降低绿色溢价:钢铁行业能否如期实现碳峰值和碳中和?

    由于电弧炉技术的不断发展和政策约束,钢铁行业有望在2030年前实现碳峰值。但由于废钢资源有限,电弧炉并不能完全替代高炉。只有在碳捕获的支持下才能实现碳中和。我们认为碳减排将受到两个因素的推动:(1)中国城市化率逐步接近 75% 后,建筑钢材需求急剧下降,这将推动 2030 年钢材产量降至 8.8 亿吨和 6.5 亿吨2060 年(图 7.2); (2) 2030 年和 2060 年电弧炉比例分别上升到 30% 和 60%。我们预计 2030 年二氧化碳排放量可能达到 9.6 亿吨,提前达到碳峰值,我们预计二氧化碳排放量将进一步下降到 2060 年达到 3.2 亿吨,比 2019 年的水平低约 79%。当碳捕获技术的成本变得负担得起时,钢铁行业有望实现碳中和。
    到2060年,钢铁行业有望全面实现碳中和成本内部化,实现零碳排放。考虑到用电量,我们估计 2019 年、2030 年和 2060 年钢铁行业的绿色溢价(主要是碳捕集成本)分别为 695 元、270 元和 115 元/吨钢(图 7.3)。随着全行业碳排放量降至 3.2 亿吨,钢铁行业的整体绿色溢价可能降至 744 亿元人民币。随着绿色溢价在钢铁制造成本中的占比不断下降,我们预计到2060年,碳中和成本可内部化,行业可实现零碳排放。
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钢铁行业的碳排放、中国钢铁生产以及高炉和电炉的碳排放
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领先钢铁制造商在 2030 年和 2060 年通过碳捕获实现碳中和的绿色溢价

2.水泥行业:实现碳中和困难重重。碳捕集的需求和成本是关键

2.1行业绿色溢价:水泥行业现阶段实现碳中和的成本

    水泥行业是碳排放量最高的行业之一。我们估计,2019 年中国水泥行业的二氧化碳排放量为 13.7 亿吨,占中国碳排放总量的 14%。生产一吨水泥排放 0.6 吨二氧化碳,其中石灰石生产排放 0.36 吨,燃煤排放 0.18 吨,电力消耗排放 0.05 吨。
    水泥行业目前除了碳捕集外,还没有成熟的减排方法。然而,通过碳捕获实现零排放的成本很高。目前,水泥行业99%的生产线为干法熟料生产线,技术体系成熟。在水泥制造过程中,电力产生的二氧化碳可以通过外购非火电来消除,非电力过程产生的二氧化碳需要通过碳捕集来吸收。我们估计 2019 年每吨水泥的碳捕集成本约为 500 元人民币。假设 2019 年水泥行业实现净零排放,我们估计绿色溢价为 278 元/吨,这意味着全行业的绿色溢价为 647 元人民币。80亿,是2019年利润的三倍。
     水泥行业无法承担实现碳中和的全部成本。我们估计,如果水泥行业实现碳中和,并且在 2019 年将所有相关成本内部化,则行业总成本将增加 6500 亿元人民币。2019年水泥行业利润创历史新高约1,867亿元,意味着每吨水泥净利润约80元。2015 年至 2016 年利润总额仅为 30 至 500 亿元人民币,意味着每吨净利润为 15 至 25 元人民币。因此,水泥行业即使在高收益时期也无法承受这种成本压力,除非它能够将成本转嫁给下游参与者。如果水泥制造商设法提高价格,房地产、基础设施和农村建设部门的成本可能会高得多。

2.2水泥行业碳减排技术路线图

     水泥行业减少单位碳排放的方法非常有限。根据我们与行业协会和水泥企业的讨论,水泥行业单位碳排放量难以大幅降低。在边际水平上减少碳排放的方法只有几种,主要包括:
    一是通过技术升级和可再生能源减少煤炭和电力消耗。水泥行业通过余热发电和替代燃料的使用,可将水泥电耗降低三分之一,煤耗降低10%以上。
    二是推进电力脱碳。水泥行业目前主要使用火电。然而,随着火电逐渐被非碳能源或采用碳捕获技术的燃煤电厂取代,我们预计水泥行业用电将逐渐脱碳。
第三,使用低碳原材料。使用脱硫石膏、电弧炉渣等低碳替代原料,可略微减少石灰石分解产生的碳排放。
     水泥行业主要依靠碳捕获和储存来实现碳中和。我们预计这三种技术途径将帮助行业逐步降低单位能耗。如果技术升级能够达到理论上的最高水平,到 2060 年,每吨水泥的电力、煤炭和原材料消耗可以分别下降 22%、15% 和 30%。也就是说,每吨水泥的碳排放量到 2060 年,吨水泥可能会保持在 0.4 吨的水平。因此,未来水泥行业实现碳中和的两个主要途径仍是技术改造以减少单位碳排放和碳捕集。目前碳捕集的成本很高,即使技术升级,未来也可能相对昂贵。
     在政策引导方面,短期可以限制碳配额,长期可以采取碳税或碳交易。由于水泥行业减排技术难度大,碳捕集成本高,目前碳成本难以负担。因此,水泥行业主要依靠水泥企业的产能和产量限制。从长远来看,行业还需要通过碳交易、碳税等政策,鼓励企业通过技术改造实现减排。碳税和碳交易都是引导水泥行业积极减排的合适政策。然而,与碳税相比,碳交易采取灵活的市场机制,兼顾不同地区、不同时期盈利能力的巨大差异。它还使那些大幅减排的公司能够获得一些收入作为奖励。
    此外,中国可能会推出一项试点计划,补贴和鼓励水泥制造商利用固体废物和余热发电并使用其他原材料替代石灰石。在碳交易机制和绿色补贴政策的推动下,积极探索减排方案、注重节能减排的企业,可以通过销售碳指标、试点补贴等方式获得额外收益,最终提升市场份额。同时,减排困难的企业将逐步退出市场,行业将进一步优化。

2.3降低绿色溢价:水泥行业实现碳峰值和碳中和的可行路径

    水泥行业尚未找到成熟的方法来实现不进行碳捕获的碳中和。但随着碳捕集技术的进步,绿色溢价将逐渐下降。我们预计 2030 年和 2060 年水泥行业主要是碳捕集成本的绿色溢价将分别为 156 元和 106 元/吨水泥,制造成本将分别上涨 91% 和 64%(见图) . 随着技术的进步,绿色溢价将随着碳捕获费用的下降而下降。
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预测 2030 年和 2060 年水泥行业的绿色溢价
     水泥需求下降是水泥行业减排的关键。我们预计水泥行业将在 2030 年之前实现碳峰值,并在 2060 年在可负担的碳捕集的支持下实现碳中和。我们还预计随着城市化率的逐步提高,水泥需求将显着下降。预计 2030 年国内水泥产量将在 1.9 至 20 亿吨之间(见图 7.5)。到 2060 年,以全球人均水泥消费量计算,国内水泥需求量将在 7.60 至 7.7 亿吨之间。2030年全行业碳排放量将降至10.7亿吨,低于目前的碳排放水平,水泥行业有望提前实现碳排放峰值。2060年,碳排放量将进一步减少至3.1亿吨,比2019年减少77%。但如果没有碳捕集,行业仍无法实现碳中和。我们估计,由于 2060 年水泥总产量的下降,如果水泥行业通过碳捕集实现碳中和,则行业整体绿色溢价将达到 806 亿元人民币。
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水泥行业碳排放量、中国水泥产量、每吨水泥碳排放量

3.铝工业:电力脱碳是碳中和的关键

3.1行业绿色溢价:现阶段铝行业实现碳中和的成本

     铝是有色金属行业碳排放的主要来源。根据我们的测算,2019年中国有色金属行业的碳排放量达到4.21亿吨,其中铝产量3.63亿吨,铜约1100万吨,铅1600万吨,锌3100万吨。由于铝生产占排放量的86%,是有色金属行业最大的碳排放源,我们将主要讨论铝行业的碳减排战略。根据我们的估计,铝生产过程中的电力消耗会产生 2.79 亿吨碳排放。在铝行业,电力消耗占碳排放的 80%,其余 20% 来自内部生产过程。
    由于此时脱碳发电成本仍然很高,铝行业的绿色溢价很高,无法内化。零排放可以通过清洁能源替代火电,利用碳捕获处理剩余的非电力碳排放来实现。但是,现阶段使用清洁能源和碳捕集技术的成本相对较高。与目前的水平相比,每吨电解铝的电力成本可能会增加 50-60%,并转向清洁能源。我们估计 2019 年实现零排放的绿色溢价为每吨铝 3,436 元人民币,这可能会使成本增加 26.9%。绿地溢价总额为1220亿元人民币,相当于行业2-3年的高水平净利润,或6-7年的平均净利润。

3.2铝行业碳减排技术路线图

    电力脱碳是铝行业减排的关键。电力脱碳可以减少80%的行业碳排放,剩余的非电力碳排放需要等待碳捕集成本更低。铝的生产过程是“铝土矿→氧化铝→电解铝”。“铝土矿→氧化铝”工艺主要产生非电碳排放,占碳排放的20%。鉴于目前 90% 的生产都采用了低碳工艺(拜耳法脚注1 )、工艺优化只能略微降低单位碳排放量。因此,它需要碳捕集来实现零排放。我们预计 2019 年每吨氧化铝的碳捕集成本为 501 元人民币,到 2060 年将降至 262 元人民币。“氧化铝→电解铝”过程使用电力产生碳排放,占排放量的 80%。以绿色电力替代火电可实现零排放。我们预计,从长远来看,绿色电力的成本将低于火电,这一过程将在 2060 年实现碳中和。
    碳减排初期,绿色溢价高,企业难以承担成本。为了实现碳峰值目标,政策需要对供给侧施加一定的限制。现行政策对行业碳排放总量实施了限制,其影响可能类似于2016-2017年的供给侧改革。有利于平衡行业供需,减少行业利润的周期性波动,促进龙头企业的发展。
     从长远来看,随着绿色能源和碳捕获成本的降低,通过技术进步实现碳中和将成为可能。重要的是要通过政策鼓励企业降低用电量、升级为绿色能源、采用碳捕集技术。更重要的是,政府可能会利用碳交易或碳税机制来加强使用较少火电的公司的成本优势。拥有水电或其他清洁发电设施的企业将具有显着的成本优势,而减排表现不佳的小企业可能会被淘汰出局。考虑到铝行业利润大幅波动(电解铝行业近5年利润不足200元/吨,但最高也可能超过 2000 元人民币)和地区差异,我们认为相比碳税,碳交易可能更适合企业调整生产,因为碳税涉及统一的碳价格。除了碳交易,我们还建议通过补贴鼓励有条件的企业发展再生铝,建立自己的绿色电厂,或者增加绿色能源的使用。

3.3降低绿色溢价:铝行业碳峰值和碳中和的可行路径

     根据以往的技术路线图和公共政策,我们预计铝行业将在 2030 年前实现碳中和。2021年初,国内氧化铝和电解铝的产能和产量力争在“十四五”期间达到峰值。它还估计铝行业的产能上限约为 4500 万吨。鉴于供需增长预计将显着放缓,我们预计铝行业在新能源的帮助下将在 2030 年前实现碳峰值。到 2030 年,我们预计铝行业的碳排放总量约为 2.58 亿吨,比 2019 年下降 28.9%。
     我们预计,在负担得起的碳捕获技术的支持下,铝行业将在 2060 年实现碳中和。在生产过程中使用绿色电力,与当前水平相比,每吨铝的碳排放量可能会减少 80%。同时,碳捕集技术的发展有望将每吨铝的绿色溢价从 554 元人民币降至 262 元人民币。我们预计 2060 年电解铝行业碳排放量约为 3800 万吨,绿色溢价仅为 48.9 亿元。绿色溢价可以被行业内部化,因此届时可能实现碳中和。
    随着绿色能源和碳捕集成本的下降,铝行业的绿色溢价预计将大幅下降。即使考虑转向绿色能源的成本,2030 年和 2060 年每吨电解铝的绿色溢价分别为 1079 元和 262 元(见图),主要来自碳捕集和绿色的成本。能源使用。每吨电解铝成本将分别增长8.3%和2.0%。绿色溢价的下降也主要是由于碳捕集和绿色电力能源成本的下降。到2060年,随着绿色电力的发展,总体碳排放量也将下降,剩余非电力碳排放量将降至最低水平(见图)。如果通过碳捕获实现碳中和,我们估计行业每吨绿色溢价将低至 262 元人民币,这对铝企业来说更实惠。
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铝业在 2030 年和 2060 年通过碳捕获实现碳中和的绿色溢价
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2020-2060 年氧化铝和铝行业的碳排放趋势

4.化工:当负碳成为可能

4.1行业碳排放:现阶段化工行业实现碳中和的成本

     化学工业可分为两个主要领域:石油化工和基础化学品。在化工领域,石脑油和煤炭的替代面临着化学合成过程中高能耗的巨大压力。从化工消费结构看,化工合成中石脑油和煤炭消费占总消费的比重最大。煤炭不仅是主要的合成原料之一,也是主要的能源之一。一般化工制造的碳排放主要来自两个过程:(1)能源消耗,包括设备运行所需的电力和生产环境所需的蒸汽;(二)化工产品生产过程中的化学反应。以生产合成氨的化学反应为例:2 O理论上应该产生一单位的CO和一单位的H 2。但在现实中,转换不可能是 100% 有效的。如果在生产化学品的过程中直接使用天然气、煤炭和石油作为燃料或能源,那么这些能源可能会被绿色能源所取代。但是,如果将这种能量用作化学反应的原料,就很难被替代。随着经济社会的发展,化学品的需求量将继续增长。
合成氨和甲醇的生产在化学工业排放中占很大比例。根据中国标准,我们测算甲醇、合成氨、乙烯、丙烯等重要产品的碳排放总量占碳排放总量的61%。
    尽管不同领域之间存在明显差异,但化工行业的整体绿色溢价很高。我们认为,在当前条件下,绿色能源与碳捕集与封存相结合的碳排放路径是最适合行业的。由于各反应能耗和碳排放的差异,以及不同CO 2浓度水平导致的碳捕集成本(100-420元/吨)的差异,绿色溢价存在较大差异适用于化工行业的不同子行业。碳源与储存地点之间的距离以及该地点的可用资源也会导致运输和储存成本的差异。
     同时,化工行业各子行业的绿色溢价难以准确测算。由于甲醇、合成氨、乙烯在产能和碳排放量中占比较大,同时也是不可缺少的基础化工产品,我们以此为例来了解这个行业的排放量。我们发现,在三个子行业中,当前技术与碳捕集与封存技术相结合的路径在经济上更为可取。我们的分析表明,2021年化学品和石化产品的绿色溢价率分别为56.9%和7.9%。如果不考虑用电产生的碳排放,这两个数字分别为53.2%和7.4%。
    化工行业可以在内部吸收绿色溢价,但随着当前实现零碳的成本,盈利能力可能会大幅下降。鉴于本分析中不同细分市场之间的明显差异,我们使用整体方法来估算全行业的绿色溢价。如果化工行业在 2019 年实现碳中和,总成本将增加 2507.4 亿元人民币,导致全行业利润下降 36.7%(按“碳捕集成本乘以排放量”计入电排放计算)。国家统计局数据显示,2019年化工行业利润总额约为6837.56亿元,实现碳中和后行业利润将下降36.7%。即使在 2017 年的利润水平很高,碳中和后的行业利润仍将下降 24.4%。如果要采用新技术,碳中和的成本就无法内部化,因为新技术不成熟且成本高昂。因此,我们认为化工行业可以通过充分利用碳捕获和储存来承担碳中和的成本,但会导致利润严重下降。此外,下行传导将导致终端基础设施、消费等行业成本大幅上涨。同时需要关注大规模存储带来的风险因素,需要通过降低成本来提高新技术的可行性。碳中和的成本无法内部化,因为新技术不成熟且价格昂贵。因此,我们认为化工行业可以通过充分利用碳捕获和储存来承担碳中和的成本,但会导致利润严重下降。此外,下行传导将导致终端基础设施、消费等行业成本大幅上涨。同时需要关注大规模存储带来的风险因素,需要通过降低成本来提高新技术的可行性。碳中和的成本无法内部化,因为新技术不成熟且价格昂贵。因此,我们认为化工行业可以通过充分利用碳捕获和储存来承担碳中和的成本,但会导致利润严重下降。此外,下行传导将导致终端基础设施、消费等行业成本大幅上涨。同时需要关注大规模存储带来的风险因素,需要通过降低成本来提高新技术的可行性。但会导致利润严重下降。

7.5.2化工行业碳减排技术路线图

多种技术被用于帮助化工行业实现净零碳排放或负碳排放。鉴于子行业众多,化工行业需要不同的路线图来实现碳中和。(1)可通过外包零碳电力来消除因电力和能源消费需求而产生的碳排放;(2)目前PVC生产中广泛使用电石。随着乙烯法成为主流,电石产品的需求将急剧下降甚至降至零,从而实现碳中和;(3) 碳捕集与封存技术在帮助行业减排方面发挥着重要作用。煤化工行业的碳排放,目前的技术只能通过碳捕集来处理;(4)生物质是可以帮助实现碳中和的优质原料;(5)二氧化碳和氢气直接合成转化可生产甲醇、烯烃等产品。该过程净负排放,整个过程净零排放;(6)提高热效率或反应效率有助于实现节能减排。在本节中,我们将讨论最后四个技术路线图。
     碳捕集与封存技术以其灵活性和可持续性在中国构建弹性能源体系中发挥着关键作用,在中国以煤炭为主的能源体系中尤为重要。
      使用生物质作为原料具有很大的潜力。生物质原料大多是可再生的,来源多样。中国的生物质总储量相当于 4.6 亿吨标准煤(这个数字根据不同的研究有很大差异)。
      二氧化碳和氢气的化学工程合成可以替代现有技术,实现零碳排放。该方法使用氢气和二氧化碳来合成甲醇和气体。例如,电解水和二氧化碳产生的氢气可直接用于合成烯烃。该过程消耗大量二氧化碳,导致全过程负排放。
      节能减排在许多子行业也很重要。通过技术升级,减少反应原料用量。技术进步也有助于减少能源消耗和碳排放。流行的方法有:(1)提高反应催化剂的活性,降低对反应环境的要求;(二)引进节能生产设备等新设备;(三)提高余热能量再生效率。

4.3减排政策引导和制度建设对化工行业至关重要

     鉴于众多子行业、不同的产品市场和复杂的技术路线图,我们认为政策引导适合化工行业。
      碳税和碳交易机制自然可以引导企业升级生产方式,降低能源消耗。在政府的一些限制条件下,单位碳排放量低的龙头企业和生产方式先进的企业将具有比较优势。
    政策引导还可以通过补贴零碳生物质和二氧化碳转化利用技术等新技术来鼓励创新。加大对先进电解氢技术等先进技术和锂电池材料等新材料创新项目的投资,可以降低研发成本。
     出台扶持政策,补贴PET等化工产品的回收利用,也会降低相关产品的产量,最终减少碳排放。

4.4降低绿色溢价:化工行业实现碳峰值和碳中和的可行路径

     有多种技术方法可以在化学工业中实现碳中和。我们根据两个路线图计算合成氨、甲醇和乙烯行业的绿色溢价:(1)传统方法加碳捕获和储存;(2)以绿色氢能和二氧化碳为原料的C1化学工程(包括AEC、PEM、SOEC)。这两个路线图都可以帮助该行业实现碳中和。
     第二种方法更显着地降低了绿色溢价。虽然这两种方法都会导致负绿色溢价,但到 2050 年,第二种方法的成本将高于第一种方法,这表明届时新技术可能会取代传统方法。我们还认为,没有碳捕获的碳中和技术是更好的方法,值得相应的成本,因此第二种方法可以在 2050 年之前逐步实施。
使用之前的计算,我们估算了化学工业的碳排放量。首先,我们估计化工行业的产量增长。2030年前增速在1%左右,2030年后趋于平稳。同时,传统技术创新的进步将使碳排放系数每年降低0.5%。“绿色氢+二氧化碳”技术的使用渗透率将在2030年达到5%,2060年达到70%。生物质等替代性原材料的渗透率在2051年和10年达到1% %,2056 年。利用碳捕集与封存技术,化工行业可在 2030 年达到碳排放峰值,到 2060 年达到-142 亿吨的排放量。
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未来 40 年石油、天然气和化工行业的碳排放估算(考虑用电产生的碳排放)。注假设甲醇的碳消耗系数为 1.375。碳消耗系数是指一吨产品所能吸收的二氧化碳量

5.通用制造业:实现碳峰值;利用清洁能源实现碳中和

5.1行业绿色溢价:现阶段一般制造业实现碳中和的成本

     一般制造业仅占中国碳排放总量的2%左右。但是,一般制造业涉及的下游行业广泛,一些生产工艺和生产设备的通用性很强。因此,一般制造业的研发可以在帮助许多行业实现碳中和方面发挥重要作用。
      一般制造业每年的碳排放量为 2.05 亿吨,其中电力排放量占中国碳排放总量的 2.2%,占制造业排放量的 5.7%。电力消耗占该行业总碳排放量的 70%,内部生产过程占 30%。从年度贡献看,排放量较大的行业有:原煤(1.28亿吨)、焦炭(2300万吨)、天然气(2200万吨)、柴油(800万吨)、汽油(600万吨)、其他洗煤(400万吨) )、其他气体(400 万吨)和焦炉煤气(100 万吨)。排名前五位的行业合计占碳排放量的 95% 以上。其中,煤炭排放主要对应电力,焦炭排放主要对应冶金。所以,
      一般制造业可以通过清洁能源替代实现碳中和。一般制造业的电力消耗约占碳排放量的70%,因此通过清洁能源替代实现碳中和既简单又经济。生产绿色电力比目前的混合电力生产贵 11%。电力和氢能的使用是能源消耗和冶金的两条主要途径。我们假设实现碳中和的成本。总体而言,一般制造业的绿色溢价为 1106 亿元人民币。
     一般制造业可以负担实现碳中和的成本。在一般制造业中,能源在总成本中的占比较低。根据此前测算,如果以绿色能源替代化石能源,一般制造业实现碳中和的成本为1106亿元人民币,仅相当于2019年行业利润的3%左右。

5.2一般制造业碳减排技术路线图

     一般制造业的碳排放主要来自电力消耗和冶金。在电力消耗方面,减少碳排放最合适的方式是通过提高生产效率来减少能源使用。在冶金方面,减少碳排放的主要途径是提高电气化比例和改进原有的生产方式。
      数字化转型可以提高生产效率。提高生产设备的数字化水平和工业软件的渗透率,有助于提高制造商的生产效率和能源利用率。
    电机系统消耗约75%的工业用电,高效电机和变频设备可以显着降低能源使用量。高效电机平均可减少约 20% 的能源使用,变频技术可帮助减少 30% 的用电量。
   金属铸造碳排放的主要来源是冶炼 copula,其生产占碳排放的 53%。通过铸件生产工艺的改进,我们认为单位成品能耗可降低63.6%。
     通过产品的轻量化和模块化设计,可以减少原材料和能源消耗。设备翻新还有助于减少原材料浪费、能源使用和碳排放。
     在政策上,补贴可以促进新技术的使用,但需要标准和监督。复杂的补贴申请程序、宽松的市场监管和设计不当的评估标准可能会产生相反的效果。
     大多数中国通用制造企业都是盈利能力较低的小企业。此外,不同行业之间也存在显着差异。不同的行业和不同的利润水平需要不同的补贴和监管。

5.3降低绿色溢价:通用制造业实现碳中和的可行途径

      一般制造业在 2010 年已经达到碳排放峰值,应该在 2060 年之前实现碳中和。根据 CAEDs 的数据,一般制造业的碳排放在 2010 年达到了 3.92 亿吨的峰值。此后,这个数字逐年下降, 2017 年的碳排放量比 2010 年的水平低 40%。综合考虑绿电占比、汽车电气化率、冶金电炉占比、氢能利用率、中国经济增长、节能技术进步等因素,我们预计一般制造业将在2060年前实现碳中和。
     我们测算,一般制造业的绿色溢价分别为 1106 亿元、241 亿元。和 2019 年、2030 年和 2060 年分别为 0 元。这种下降的主要原因是车辆电气化以及可再生能源和氢的成本下降。


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