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“中国加速迈向碳中和”煤化工篇:煤化工行业碳减排路径

日期:2021-04-29    来源:麦肯锡  作者:华强森(Jonathan Woetzel)、洪晟、许浩、汪小帆和廖绪昌

能源资讯中心

2021
04/29
10:40
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关键词: 电动汽车 碳中和 碳达峰 碳减排

编者按

在“中国加速迈向碳中和”系列的开篇文章中,我们畅想了2050年由电动汽车、氢气炼钢、光伏发电、绿色储能等新能源元素主导的碳中和世界,这一愿景的实现也意味着全球需要在2030年将人为造成的二氧化碳净排放量较2010年减少约45%,到2050年达到“净零排放”。面对目标与时间的双重挑战,碳中和转型的道路亟待开启。在各国竞相开展具体的研究与落地工作之时,中国也在第七十五届联合国大会一般性辩论中率先提出了“碳达峰、碳中和”目标。联合国可持续发展目标13“气候行动”也是麦肯锡中国区社会责任重点之一,在此关键节点上,麦肯锡在中国区正式启动中国大规模碳中和转型研究公益项目,借助麦肯锡全球可持续发展研究的丰富经验,结合对中国社会、行业和企业的全面理解和深刻洞见,动员全球百余人知识力量,开展横跨各大主要工业板块的碳中和转型趋势、对策和技术研究,希望能为中国早日达成碳中和目标略尽绵力。

作为该系列文章的第四篇,本文将以煤化工行业为样本继续展开碳中和转型研究。随后我们还将陆续发布一系列文章,内容涵盖油气、电力等高碳排放行业,涉及碳减排路径剖析、新兴技术研讨、投资成本预测、国际实践分享等众多主题,也会探究传统碳减排工艺革新、碳捕集利用与封存(CCUS)、氢能等新型碳减排技术的最新趋势等。在持续推进此项研究的过程中,我们非常欢迎各界专家同仁不吝赐教,您可在留言区提出宝贵意见,也可直接与团队取得联系。我们期待与社会各界共同推进绿色中国碳中和转型之路。

中国煤化工行业碳减排的必要性

煤化工行业一直是煤炭产业链上的碳排放大户,在2015年约贡献了中国碳排放总量的10%。由于资源禀赋,相比其他国家,中国的化工行业更多使用高碳排放的煤炭作为原料。以合成氨和甲醇为例,天然气是大多数国家合成氨和甲醇的主要原料,而在中国约80%的合成氨和甲醇是由煤炭制成(图1),这就导致中国煤化工行业的碳强度高于其他国家。煤制氢1公斤(合成氨和甲醇原料气)会排放约11公斤的二氧化碳,如果是天然气制氢,碳排放将减少一半。根据麦肯锡内部分析,为达到1.5摄氏度温控目标,化工行业需要在2050年之前将碳排放量降低90%以上。

近年来,传统煤炭企业向煤化工转型,中国煤化工产业规模稳步增长。因为中国特色的能源结构以及经济考量,煤炭在化工领域短期内很难被完全取代,所以煤炭清洁高效利用就成了重中之重。煤化工行业要实现高碳能源的低碳化利用,优化并减少下游产品需求,降低能耗煤耗,提高能源电气化水平,发展洁净能源技术,抢占低碳技术战略制高点,以科技进步推动工业结构全面转型升级。

中国煤化工行业碳减排路径

在煤化工行业,我们重点分析了煤耗最多的两个产品——合成氨和甲醇,这两个产品占到2019年煤化工行业煤耗的一半以上。合成氨和甲醇的碳排放来自于煤气制氢过程中的副产二氧化碳和燃煤燃烧,根据我们的计算,1吨合成氨在全生命周期排放约4.9吨二氧化碳(见图2),1吨甲醇约产生4.4吨二氧化碳。

针对合成氨碳减排,终端需求下降是最大抓手,预计最高可贡献40%的二氧化碳减排;在供给侧减排抓手中,生产能效提高(包括通过工艺和运营优化减少碳排放)贡献约15%,燃煤电气化贡献约30%,剩下5%-10%的碳减排缺口则需要通过碳捕集利用与封存(CCUS)以及绿氢等新兴技术来解决(见图3)。

甲醇的碳减排抓手与合成氨相似,能效提高和燃煤电气化可分别将碳排放量降低15%和20%。但因为在建筑、化工上的广泛使用,甲醇终端需求在未来30年预计会持续增长,所以更大的碳减排缺口仍需要新兴技术解决。我们预计在2050年,80%以上的甲醇生产需要使用CCUS或绿氢,才能实现1.5摄氏度温控路径下甲醇行业全面碳减排的要求(见图4)。

举例:合成氨碳减排路径

因为生产流程相似、减排抓手重合,我们在本篇文章将以合成氨为例来进一步阐明每个碳减排抓手。

1、需求侧管理

合成氨主要下游用途为氮肥生产,约90%的合成氨会被加工为氮肥。预计到2050年,中国的氮肥用量有潜力下降40%,这是由耕地减少和化肥使用效率提高共同驱动的。

a、耕地减少

我国总体耕地面积预计未来将延续下降趋势,从20亿亩降低到接近18亿亩,预估下降10%。长期过度耕种导致耕地土质下降,当前我国20亿亩耕地中已有19.4%污染耕地、17.8%低等耕地和8000多万亩不稳定耕地,休养生息、退耕还林还草、轮作休耕势在必行。同时,伴随着城镇化进程,未来农村人口预计将进一步迁出,导致部分耕地荒置。

b、化肥使用效率提高

在不影响产量的前提下,我们预计中国的每公顷每年氮肥用量有潜力在2050年下降30%(见图5)。中国农场的人均耕地面积远低于西方国家,小农户缺乏科学使用化肥的知识,导致中国存在化肥过量使用、盲目使用的问题,中国的农作物公顷均氮肥用量为306公斤,远高于世界平均水平,是美国的两倍以上。近年来这个问题有所改善,在“十三五”时期,政府通过农民教育和地方监管,积极控制化肥施用量。未来,随着土地所有权整合,大农场预计会逐渐代替个体农户成为主流农场模式。大农场主的每公顷氮肥施用量远远低于小农场主;同时,大农场主也更愿意采用优化的耕种技巧,例如使用有机化肥、缓释化肥等新式化肥,进一步提高化肥使用效率。

2、现有减碳技术

新兴气化炉和燃料电气化技术已经成熟,如果在行业广泛应用,可以有效降低超过50%的碳排放,但是会产生额外的资本支出和运营成本。由于煤化工行业整体利润水平较低,因此需要外部推力来将碳排放的外部成本内部化,才能提高这两项技术在行业的应用空间。

a、新兴气化炉

我国现有气化炉仍以老旧固定床为主,其单炉生产能力低、污染处理困难,已普遍为国外现代煤化工行业所淘汰。随着碳排放要求提高,煤化工企业需要积极置换产能,淘汰升级高煤耗的老旧固定床气化技术,使用新兴高效率的粉煤气化等技术。预计在2030年,通过升级煤气设备,行业单位煤耗有潜力减少30%,从而将碳排放量降低约15%。

b、燃料电气化

燃煤电气化可以消除燃煤碳排放(占总体的50%),这项技术已经成熟,但是在高温流程中会显著提高运营成本,预计减排1吨二氧化碳的成本超过100美元。

3、新兴碳减排技术

CCUS和电解氢这两个新兴技术,是解决合成氨行业碳减排最后一里路的抓手,这两项技术都可以将合成氨生产过程中的碳排放降低超过80%,但目前仍处于技术探索阶段。

a、碳捕集利用与封存(CCUS)

CCUS同煤化工的发展具有很好的耦合性,因为二氧化碳浓度高,捕集成本远低于其他行业。据我们估计,合成氨行业每吨二氧化碳捕获成本约80元人民币,而其他行业(如水泥、电力)则超过200元人民币。该技术可以优先在华北、东北、内蒙古等靠近油田的地方利用起来,通过二氧化碳进行驱油降低碳排放成本。未来30年,如果CCUS发展程度提高,建设运输管道及储存设施,与其他高碳产业形成产业协同,则有望进一步扩大行业内应用。

b、电解氢

使用电解氢生产合成氨代替煤制氢,这个技术已经成熟,但由于当前成本较高,还未能在合成氨行业应用。根据我们的测算,假设以工业电价0.6元每度计算,电解氢制合成氨的成本是煤制氢的3倍以上。随着电解氢转化效率进一步提高以及新能源电价下降,在部分可再生能源余裕的区域,电解氢未来成本可以会低于煤制氢。如果成本优势明显,合成氨产业厂集群有可能逐渐向该区域转移,下游生产尿素所需的二氧化碳可以从周边高碳企业捕集的二氧化碳中获取。

对煤化工企业的启示

转危为机,提前锁定下游需求,寻找未来商机

评估主要下游客户在低碳环境下的需求变化,找到低碳增长点。面对新增长机会,分析潜在收益来确定重点发展方向,并制定进入方案。例如,合成氨行业的农业需求会大幅下降,可以通过进入下游化肥行业或醇氨联产等方式来降低碳减排对未来盈利的影响。

当机立断,对于生产流程主动出击,寻找碳减排机会

深入理解“十四五”期间国家碳减排目标对煤化工产业链的影响,根据企业目前碳排放情况制定碳减排目标,并在资产层面制定具体减排措施,计算其减排潜力和投资回报情况,即经济效益、投资成本、运营成本和对应风险的预估,从中找出最可行、最经济的碳减排路径。煤化工企业可主动排查并关闭低附加值产品生产线,通过数字化建立精细化工生产管控能力,也可升级为更成熟的新兴气化炉和燃料电气化技术,从而降低煤耗水平。

先人一着,关注零碳转型对煤化工全产业链的影响,提前布局

对CCUS、可再生能源代替煤制氢等新兴技术进行定期追踪,在有条件的前提下加速小规模试点。同时研判建立多个未来情景,预测行业在零碳环境下的产业链最终形态,为未来的产品和服务升级以及业务转型做好准备。

我们看到碳中和转型目标,企业、行业和地方都需要因地制宜采取最适合本地的碳中和转型路径。从相关产业政策、煤控规定、监督方法方式、以及本地环境承载力,逐步制定并推进“煤电一体化”发展,可以借鉴现代煤化工为核心的“油气化电”多联产新模式,探索化工与煤炭、冶金、电力、纺织等产业融合发展,进而提高产业竞争力与整体效益。逐步淘汰低附加值的落后煤化工制品,大力发展精细化工产业,在提高地方产业竞争力的同时降低整体碳排放。同时,探寻责任、绩效考核,政策措施、试点经验等方面对于绿色低碳转型的促进作用,引导企业和社会对碳减排技术和零碳行业加大资金投入。对于经济效益低的碳减排抓手投资主动给予有针对性的补贴支持,例如新技术的研制和试点落地、绿色债券和补贴等。引导资本对核心碳减排技术进行布局,成立绿色产业联盟,扩大规模效应,降低企业使用碳减排技术的边际成本。鼓励企业对于核心碳减排技术主动投入研发,在合适时机可以走出国门、走向世界,打造绿色“中国创造”名片。

结束语

实现“零碳中国”,需要未来十年持之以恒的关键举措与实际行动。我们认为,碳中和转型早已不是“可选项”,而是如箭在弦的“必选项”。我们希望通过即将推出的一系列文章为尽快落实碳中和转型提供思路和洞见,触发更多思维激荡和观点碰撞,与社会各界协力构建零碳社区,推动各方共同努力实现深度变革。

在近期的一系列微信推文中,我们将就重点产业碳减排(包括油气产业)、电力行业碳减排及新型碳减排技术(碳捕集利用与封存、氢能等)展开深度论述。欢迎行业同仁在留言区与我们交流观点,或直接与团队取得联系。

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