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碳中和时代的机遇和挑战: 聚焦重工业

北极星大气网  来源:BCG波士顿咨询    2021/8/19 15:10:26  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:碳中和 碳排放 钢铁行业

北极星大气网讯:BCG2020年的一份中国温室气体排放结构的调查显示,工业生产所产生的温室气体排放高达38亿吨二氧化碳当量/年,占中国温室气体排放总量的33%。在现有政策、技术、市场的情况下,中国工业产业在2050年可减碳近5%(基准情景)。但若要达到1.5℃的目标,则需要进一步挖掘减排空间,较基准情景再降低60%—65%,以实现80%—85%的减排目标。

在人们的刻板印象中,工业生产往往与高耸的烟囱、繁忙的流水线相关联。从十八世纪六十年代的第一次工业革命开始,每一次工业革命都是以新的能源方式得到广泛推广进而推动生产效率得到爆发增长为代表。但人口的增加、人类对生产效率提升的渴求,让我们从未摆脱过对煤炭、石油等化石能源的依赖,在工业生产中,化石燃料不止以能源形式存在,更是重要的生产原料。

在BCG 2020年的一份中国温室气体排放结构的调查中,工业生产所产生的温室气体排放高达38亿吨二氧化碳当量/年,占中国温室气体排放总量的33%。在描述碳排放的时候,我们一般以范围1—3的方式来讲排放源进行划分。

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范围1—3排放源

范围1排放指的是直接排放,也就是在生产过程中直接产生的温室气体。对于工业生产而言,范围1排放主要来自于生产过程中的化石燃料燃烧以及生产工艺所释放的温室气体。

范围2排放我们通常定义为由外部能源供应所产生的非直接排放。对于很多工业行业而言,生产制造过程还需要消耗大量的外部能源,这些消耗的能源可能以电力、热力、蒸汽为传输介质注入到生产过程中,从而产生能源消耗相关的间接排放。

除去能源产生的非直接排放,其他非直接排放则被列入范围3排放。范围3排放对于工业企业来说尤为重要,因为工业企业大多涉及到大量人员、器械的运作,也往往涉及上下游多种工业部门。范围3排放的界定在工业产业内部形成了减排的压力,例如建筑业为减少自己的碳排放总量,需要向上游的钢铁生产业施压,鼓励钢铁企业减少生产过程中的碳排放量。

减排压力

广泛意义上的工业(包含能源),仍然是中国GDP的重要组成部分,占比高达37.8%。相比而言中国单位GDP的温室气体排放高达每千美元碳排放当量约0.7吨二氧化碳,较欧美等发达国家高出3倍。在2060实现1.5°C的碳排放路径中,工业板块碳排放需减少80%—85%。作为占全社会能源消耗量48%,每年消耗20亿吨标准煤能源的能源密集型行业,更是减排路径上的重中之重。

政府其实在工业结构调整以及能源密集型行业的环保政策上早已布局,这让工业产业在现有政策、技术、市场的情况下,2050年可以减碳近5%,我们称这一情况为基准情景(BAU),但是要达到1.5°C的目标,则需要进一步挖掘减排空间,较基准情景再降低60%—65%,以实现80%—85%的减排目标。

进一步的碳减排目标达成需要三个方面的抓手:政策支持、技术革新、运营改善。

■政策支持是从宏观方面调动工业行业减少碳排放的动力源泉,通过完善工业行业的减排标准,凭借税收、补助、碳交易等政策为企业创造减排的压力与动力。

■当企业有了动力来推进减排的时候,需一并推进减排技术。此时,减排技术的经济性成了至关重要的指标。从经济学的角度来看,只有当减排技术的应用成本小于等于政策带来的碳排放成本,才有可能得到大规模的应用。与能源部门类似,推动减排的关键技术更新将来自于清洁能源,碳捕获与工艺流程的创新,但其中如碳捕获技术的应用成本仍旧偏高。

■在技术革新的同时,运营改善也是减排的重要抓手。通过数字化手段推行精益运营,减少生产过程中的能源损失,提升能源的利用效率将成为工业领域关注的重点。

这里我们以钢铁行业为例,介绍工业产业的转型实践。

钢铁行业概况

钢铁是能源密集型行业的代表,也是工业系统的支柱性产业,占整个工业资产的5.53%。作为工业生产路径上承上启下的重要一环,钢铁行业规模的增长依托并展现出了中国经济的迅猛发展。同时,作为劳动力密集型的生产行业,钢铁业在拉动地方消费,稳定就业形势方面也起到关键的作用。在中国经济的强力驱动下,中国钢铁行业更占据了世界钢铁的半壁江山。中国年粗钢产量已占到世界总产量的49%。

但在能源利用效率方面,中国钢铁行业仍比发达国家低约6%,作为中国温室气体放量最高的工业行业之一,钢铁行业的减碳任重而道远。

钢铁行业的碳足迹

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我们按照范围1—3的划分方法来看下钢铁行业的碳排放源都在哪里:

范围1排放

钢铁生产过程,我们通常分成炼铁、炼钢、轧钢及后处理三个部分。当前主流的钢铁冶炼过程一般分为两类:包含炼铁工序的长流程炼钢和不包含炼铁的工序,以废钢为原料的短流程炼钢。

范围2排放

钢铁行业是能源密集型产业,在制造过程中需要外购大量的能源,从而产生间接温室气体排放。以中国年产10亿吨钢材估算,每年会产生2.4亿吨二氧化碳当量的范围2排放。

范围3排放

钢铁行业的范围3排放主要来自两方面:供给侧和需求侧。

■供给侧的碳排放源主要是采矿业。中国钢铁行业的主要原料是铁矿砂及精矿,大多从国外进口,如澳大利亚、巴西、加拿大、印度等地,市场供应也多集中于被称为“四大矿山”的淡水河谷、力拓、必和必拓和FMG手中。

对比“四大矿山”的排放集中于运输环节,国内的铁矿面临不同的碳排放格局。虽然运输距离更短,排放更小,但国产铁矿品位低、开采难度大,导致开采与选矿过程中需要消耗更多的能量。来自卡内基梅隆大学的一份研究报告显示,国内矿山每生产一吨铁矿砂及精矿会产生34—39公斤二氧化碳当量的排放,约是“四大矿山”开采碳排放的三倍,这部分差异主要是因为国内矿埋藏更深,需要更多的能源进行开采及通风作业,并且需要开采更多原矿以精选出等量的精矿。

除大宗铁矿石的开采及运输外,钢业行业供给侧的范围3排放还包括了其他能源密集型产业,如焦炭、铁合金、石灰、石墨电极等生产原燃料的生产和运输。而供给侧的碳排放约占整个钢铁行业范围3碳排放的近一半。

■需求侧的碳排放源多来自于对钢铁产品的加工、制作及使用、回收过程中所产生的碳排放,这部分碳排放源覆盖了人们日常生活的方方面面,如建筑行业、汽车制造业。

案例分析

2020年世界钢铁协会对钢铁价值链的统计表明,全年生产的约18亿吨钢铁中约52%应用于建筑行业,12%应用于汽车制造。对于建筑行业来说,其消耗了全球约30%的能源,其中建筑物日常运营就需消耗全球约55%的电力供应。

而汽车行业则是另一个需求侧的碳排放大户。抛开汽车制造过程中所涉及的3万多个零部件的加工制作,一辆普通家用轿车在使用过程中,一年就可产生4.6吨二氧化碳排放。而当前全世界的汽车保有量已经达到10亿之巨,这些来自于需求侧的碳排放,在钢铁价值链上贡献了大比例的碳足迹。

我们在梳理价值链条上每一个“工序”的范围1、2、3排放时会发现:各个“工序”之间的排放界定相互依存。如上文中的例子,汽车制造商的范围1、范围2排放(直接生产和外购能源的碳排放),对于钢铁企业而言是下游范围3,非直接排放中的重要组成。而钢铁生产的范围1、范围2排放对于汽车制造商而言则是上游供应范围3排放中的重要组成。统计并划分端到端产业链的碳排放,对于行业而言会提高减碳动力。如在实施碳排放交易时,汽车制造商可能更倾向于购买低碳排放的钢铁企业所生产的钢材,以减少自身的范围3排放,减少碳排放带来的成本和社会压力。

钢铁是怎样炼成的

我们了解了钢铁生产过程分为长流程、短流程,这对于碳排放而言有什么样的区别?简言之,长流程炼钢制造更多的碳排放,因其需要更多的能量将含铁量约50%的物质转化为铁量大于90%的物质。而短流程炼钢仅需要小部分能量将含铁量已为90%左右的废钢熔炼,重塑成钢材。

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在长流程冶炼中,碳排放主要来自于烧结和高炉两工序。烧结工序所释放的温室气体相当于合吨钢0.4吨二氧化碳的排放量,烧结这一单一工序的碳排放量即相当于电炉炼钢直接排放的近三倍。

而长流程冶炼的另一排放大户就是高炉工序。高炉往往是一个钢厂最明显的建筑物,也是钢厂的标志。高炉是将烧结矿、铁矿、球团矿等含铁物质通过热风熔炼、并还原成铁水的熔炉,通常高达几十米。铁矿、烧结矿、焦炭、助溶剂等原料从高炉的顶部投入,在炉体内部不断地进行着氧化还原反应,产生吨铁水约0.66吨二氧化碳的排放。

除去烧结、高炉工艺产生的碳排放,长流程冶炼过程中往往需要搭配焦碳炉、转炉、回转窑等碳排放源进行生产,可产生吨钢约0.5吨二氧化碳的排放量。

对比长流程炼钢,短流程炼钢省去了繁复、高排放的炼铁环节,利用电炉熔炼废钢的方式进行生产。电炉也称电弧炉,熔炼废钢的热量来自于通过石墨电极的高压电弧。过程中的主要温室气体排放来自于钢水中的碳以及石墨电极氧化多产生的碳排放。电炉炼钢工艺的温室气体排约为吨钢150公斤二氧化碳。

既然短流程炼钢较长流程炼钢有明显的碳排放优势,为什么我们仍可以看到大量的高炉仍在运作,而短流程炼钢占比仍不足10%。这主要有两方面的原因:一是宏观层面,人类发展对钢铁增量的需求增加,二是短流程生产成本仍高于长流程生产。这就要求我们一方面从经济层面调节低碳冶炼工艺与长流程冶炼工艺的成本差距,另一方面不断探索、应用新的低碳甚至无碳排放的冶炼工艺。而政策的指引就是推动这些的动力。

政策现状

当前,无论是长流程还是短流程冶炼技术的发展,主流研究方向都是提高冶炼过程的能源效率与减少污染物排放。而驱动这一研发方向的动力则是早在政府提出2060碳中和目标之前,钢铁行业就已经实行的一系列环保与经济政策。

在“十三五”规划期间,国务院、国家发展和改革委员会、工业和信息化部、生态环境部就从供给侧改革、节能减排两个方向对钢铁行业进行了规划。

供给侧改革

2016年2月,国务院公布了《国务院关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》,提出钢铁行业供给侧改革的五年目标:“从2016年开始,用五年时间再压减粗钢产能1亿—1.5亿吨,行业兼并重组取得实质性进展,产业结构得到优化,资源利用效率明显提高,产能利用率趋于合理,产品质量和高端产品供给能力显著提升,企业经济效益好转,市场预期明显向好。”国务院的这一行业目标在相关部委的具体措施、指导文件中得到体现,同时,我们也看到了这一系列供给侧改革措施对中国的钢铁行业产生了结构性的改变:

■淘汰地条钢,中国政府在2017年上半年彻底淘汰了1.4亿吨高排放、高污染、高能耗的地条钢产能。

■控制、压缩新增产能,通过产能置换等举措从2016年至2018年压缩了1.45亿吨炼钢产能,并与环保政策相结合,将炼钢工艺设备技术进行提升,且大幅提升了低碳排放的短流程炼钢产能。

■产能利用率提高,在去产能的同时,中国钢铁的产量和吨钢利润逐年提升,这一改变很大程度来自于产能利用率的提升。国内粗钢的产能利用率从2015年的不到70%提升至2018年的超过95%。更加高效、集约化地利用产能,减少了能源的浪费及碳排放。

■行业集中度不断提升,在区域性的产能置换政策引导下,影响了钢铁行业的产能归属和产能布局。政策支持下的大型钢厂不断整合、兼并钢铁企业。中国钢铁产业集成度CR10(排名前十大的钢铁企业产量占比)从2015年的34.2提升至2020年的39.2,在2020年后,更出现了以宝武集团兼并山钢、鞍钢集团兼并本钢为代表的大宗并购案,并使宝武集团成为第一个年产量过亿吨的钢铁集团。钢铁产能的集约化,更有助于推动先进的生产工艺与管理理念在钢铁行业内得到应用,从而减少生产过程中包括能源消耗在内的浪费。

产能布局方面,新增产能的审批被进一步收紧。传统的钢铁产能集中区域,如河北和江苏,新增产能被完全禁止。这一方面进一步促进了区域内的并购行为,另一方面促使产能向华南、西北地区输送,形成了如新疆乌鲁木齐、广东湛江、广西防城港等新兴的钢铁产业基地。新兴基地的选址更贴近于需求量大的终端市场以及原料供给地,减少了钢铁料周转的成本及运输过程的碳足迹。同时新兴钢厂的工艺选型在能源利用效率、污染水平、产能利用率等方面都有显著提升。

节能减排

2016年,工业和信息化部发布了《工业绿色发展规划(2016—2020 年)》,细化了钢铁行业的节能目标。同时,基于2015年颁布的《大气污染防治法》,生态环境部在2017年出台了《工业企业污染治理设施污染物去除协同控制温室气体核算技术指南(试行)》,明确要求大气污染物和温室气体实施协同控制,并在2019年发布的《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》中限定了对新增、置换产能的环保要求。工业和信息化部与生态环境部的一系列政策,卓有成效地提升了中国炼钢的能源效率,在2019年即达到平均吨钢消耗能源554公斤标准煤的目标,较2015年吨钢能源消耗下降了3.2%。

在现有政策的驱使下,供给侧改革带来的需求缩减、节能减排带来的能效提升可大幅降低碳排放,到2030年预估可降低约36%。这中间值得关注的是,在企业部署超低排放的过程中,为了降低有害的硫化物、氮化物而使用了大量除尘、尾气处理设备,从而新增了碳排放源。如何进一步将碳排放与污染物排放协同控制,将会是政策下一步的关注重点。然而,通过超低排放政策的落地执行过程以及供给侧改革成果,我们可以看到一个更有效执行减排政策的企业运作模式已经形成,这将会快速推动碳中和目标响应政策的落地。

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