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國(guó)際能源署發(fā)布《煤炭工業(yè)向凈零轉(zhuǎn)型過(guò)程中的韌性》報(bào)告

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心 時(shí)間：2023-06-20 10:35

　　近期，國(guó)際能源署可持續(xù)碳管理中心發(fā)布《煤炭工業(yè)向凈零轉(zhuǎn)型過(guò)程中的韌性》報(bào)告指出，盡管許多國(guó)家已經(jīng)逐步淘汰煤炭以實(shí)現(xiàn)凈零轉(zhuǎn)型目標(biāo)，但包括煤炭在內(nèi)的化石燃料通過(guò)配備碳捕集、利用和封存（CCUS），將繼續(xù)在工業(yè)脫碳過(guò)程中發(fā)揮作用。預(yù)計(jì)到2050年煤炭消費(fèi)量仍將有6-14億噸/年，主要用于重工業(yè)。報(bào)告要點(diǎn)如下：

　　1、到2050年，重工業(yè)仍將使用煤炭

　　目前，全球約有130個(gè)國(guó)家公布了凈零排放目標(biāo)，按國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）計(jì)算，占全球經(jīng)濟(jì)的90%以上。然而，不斷增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)依賴于重工業(yè)，而重工業(yè)是溫室氣體排放的主要來(lái)源。工業(yè)部門每年產(chǎn)生的CO2直接排放量約為80億噸，其中70%來(lái)自于水泥、鋼鐵和化工行業(yè)；如果加上間接排放，工業(yè)部門碳排放占到全球近40%。工業(yè)相關(guān)排放中，有20億噸/年的排放是生產(chǎn)過(guò)程固有的，使用當(dāng)前的生產(chǎn)技術(shù)無(wú)法減少這些排放。為了實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)，煤炭消費(fèi)量將不可避免地下降，從目前的50億噸/年減少80%，到2050年約為6-14億噸/年，主要用于工業(yè)，其中大部分煤炭消費(fèi)位于中國(guó)。中國(guó)水泥、鋼鐵和鋁產(chǎn)量約占全球50%-60%，而其中70%-83%使用煤炭原料。因此，煤炭對(duì)這些重工業(yè)至關(guān)重要。

　　2、重工業(yè)能夠在2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放

　　到2050年，重工業(yè)將實(shí)現(xiàn)凈零排放。綜合從成本、能源和供應(yīng)鏈安全方面考慮，實(shí)現(xiàn)重工業(yè)凈零排放的關(guān)鍵技術(shù)在當(dāng)前仍未成熟。從中短期來(lái)看，已經(jīng)成熟或處于早期應(yīng)用階段的技術(shù)將非常重要。其中包括提高材料利用率、轉(zhuǎn)向生物能源以及中低溫?zé)峁に囘^(guò)程電氣化。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，重工業(yè)脫碳需要發(fā)生根本性的技術(shù)轉(zhuǎn)變，包括CCUS和氫氣在內(nèi)的創(chuàng)新技術(shù)將是關(guān)鍵。現(xiàn)在需要開發(fā)這些技術(shù)，以確保以最低成本部署。

　　3、CCUS是重工業(yè)脫碳的關(guān)鍵

　　CCUS是一種已經(jīng)被驗(yàn)證和廣泛了解的技術(shù)，其發(fā)展現(xiàn)狀如下：①技術(shù)開發(fā)方面，CCUS技術(shù)鏈的基本元素已就位，可進(jìn)行商業(yè)部署或商業(yè)規(guī)模技術(shù)示范，但仍需要更多投資?？纱蠓档统杀静⑻岣咝实男乱淮夹g(shù)正在研發(fā)中，未來(lái)可能面向市場(chǎng)。②項(xiàng)目部署方面，CCUS項(xiàng)目正在全球范圍內(nèi)推廣，項(xiàng)目的多樣性正在持續(xù)增加。全球有30個(gè)正在運(yùn)營(yíng)的大型CCUS設(shè)施，這些設(shè)施有潛力每年封存近4300萬(wàn)噸CO2。新項(xiàng)目的數(shù)量已從2019年的28個(gè)增加到2021年的102個(gè)，在歐洲、中東、北美和中國(guó)，發(fā)電、液化天然氣、水泥、鋼鐵、垃圾發(fā)電、直接空氣碳捕集與封存以及氫能等領(lǐng)域都有設(shè)施在建設(shè)中。亞洲尤其是中國(guó)，應(yīng)該成為CCUS商業(yè)化的重點(diǎn)。③成本方面，CCUS的成本已顯著降低至約65美元/噸。通過(guò)邊做邊學(xué)，預(yù)計(jì)成本將進(jìn)一步降低50%-75%。考慮到規(guī)模經(jīng)濟(jì)以及降低碳封存和跨技術(shù)鏈的整體風(fēng)險(xiǎn)，CCUS中心或集群可以提高其經(jīng)濟(jì)性。已經(jīng)有4個(gè)中心在巴西、加拿大、挪威和阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)投入運(yùn)營(yíng)。

　　目前的碳碳捕集率約為90%-95%，未來(lái)還需不斷提高至接近100%；或者考慮其他技術(shù)選擇，如煤與生物燃料摻混燃燒，使工廠未來(lái)實(shí)現(xiàn)凈零排放時(shí)仍可繼續(xù)運(yùn)營(yíng)。全球CO2封存潛力約為14萬(wàn)億噸，理想的碳封存場(chǎng)地通常位于排放密集區(qū)附近，中國(guó)、東南亞、美國(guó)、印度和歐洲等重工業(yè)重點(diǎn)地區(qū)都有潛在的地理封存場(chǎng)地。

　　4、鋼鐵行業(yè)是實(shí)現(xiàn)低碳未來(lái)的關(guān)鍵，需要2000億美元投資以實(shí)現(xiàn)凈零排放

　　鋼鐵是消費(fèi)量?jī)H次于水泥和木材的大宗材料。作為風(fēng)力渦輪機(jī)、輸配電基礎(chǔ)設(shè)施、水電、核能和CCUS系統(tǒng)的組成部分，其在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量占全球53%（2021年為10.33億噸），其次是印度和日本。到2050年，全球鋼鐵產(chǎn)量可能增長(zhǎng)12%-60%。目前鋼鐵行業(yè)CO2排放量約為26億噸/年，直接排放量（占工業(yè)CO2排放量的1/4）和間接排放量幾乎占能源系統(tǒng)總排放量的9%。

　　約70%的鋼鐵通過(guò)高爐-堿性氧氣爐（BF-BOF）工藝生產(chǎn)，該工藝依賴于煤炭；其余約30%的鋼鐵主要通過(guò)電弧爐（EAF）生產(chǎn)再生鋼，該方法受到的約束包括廢鋼可用性和無(wú)法生產(chǎn)高碳鋼。未來(lái)鋼鐵生產(chǎn)中，煤炭占其能源消費(fèi)量將有所減少，但仍將保持在一個(gè)較高的水平，到2050年其占比將達(dá)到50%（相當(dāng)于14艾焦或4.8億噸標(biāo)煤）。

　　通過(guò)將新興和突破性技術(shù)商業(yè)化、提供可負(fù)擔(dān)和可靠的可再生能源、氫冶金、提高優(yōu)質(zhì)原材料的可用性、充分回收可循環(huán)材料和出臺(tái)合適的政府政策，可實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的減排。提高鋼鐵廠的效率，包括運(yùn)營(yíng)效率、增強(qiáng)過(guò)程控制和預(yù)測(cè)性維護(hù)策略，并且使用最佳的可用技術(shù)，以上措施可以貢獻(xiàn)約20%的減排量。

　　較新的高爐煉鋼工廠更有可能采用節(jié)能和低碳技術(shù)進(jìn)行改造，如CCUS。一些高爐即將達(dá)到使用年限，因此需要在2030年前進(jìn)行調(diào)整。新興“綠色鋼鐵”技術(shù)很有前景，但在2030年前尚未準(zhǔn)備好大規(guī)模部署。在開發(fā)長(zhǎng)期突破性低排放技術(shù)的同時(shí)，鋼鐵制造商可能需要使用其它減排措施。煤炭在鋼鐵行業(yè)所起到的持續(xù)且關(guān)鍵的作用意味著，2030年后實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)所需的大部分減排將來(lái)自創(chuàng)新技術(shù)，包括氫基直接還原煉鐵、鐵礦石電解以及CCUS。將CCUS用于冶煉鋼鐵將是一項(xiàng)貢獻(xiàn)最大的技術(shù)，到2050年45%-53%的初級(jí)鋼鐵生產(chǎn)將配備CCUS，這將減排約5.3–6.7億噸CO2/年。

　　全球鋼鐵行業(yè)需要年均310億美元的投資，才能滿足到2050年日益增長(zhǎng)的需求。將全球鋼鐵資產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閮袅慵夹g(shù)每年需要額外投資60億美元，相當(dāng)于到2050年投資總額達(dá)到2000億美元，其中CCUS是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。企業(yè)應(yīng)在未來(lái)5-10年為其氣候相關(guān)技術(shù)計(jì)劃分配投資資金，需要采取的行動(dòng)應(yīng)包括優(yōu)化當(dāng)前運(yùn)營(yíng)資產(chǎn)，為CCUS等新興和突破性技術(shù)做好準(zhǔn)備，并建設(shè)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。

　　5、混凝土是一種基本的建筑材料，實(shí)現(xiàn)凈零排放也需要大量投資

　　混凝土是僅次于水的全球使用最廣泛的材料，其對(duì)支持清潔能源發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施和低碳電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，也將在提高建筑能效方面發(fā)揮重要作用。約80%的水泥被用作混凝土粘合劑。2021年全球水泥產(chǎn)量為44億噸/年，在過(guò)去10年中增長(zhǎng)了20%以上。到2050年，水泥需求可能增長(zhǎng)12%-23%。大部分水泥產(chǎn)自亞洲，全球58%的水泥產(chǎn)自中國(guó)（2021年產(chǎn)量為25億噸），其次是印度和越南。中國(guó)的水泥需求可能會(huì)有所減少，但在非洲、印度、東南亞、土耳其和拉丁美洲等工業(yè)化和城市化地區(qū)，需求將會(huì)增加。

　　目前，煤炭滿足了混凝土行業(yè)60%以上的能源需求。這一份額將有所減少，但到2050年仍將保持在高達(dá)50%的水平，即3.5艾焦（1.2億噸標(biāo)煤）。一定程度上是因?yàn)榛剂先允歉邷剡^(guò)程所需熱量的主要來(lái)源，尤其是亞洲地區(qū)。水泥生產(chǎn)導(dǎo)致約30億噸/年的CO2排放，占全球CO2排放總量的7%，其中包括：石灰石煅燒形成熟料過(guò)程中產(chǎn)生的直接工藝排放（包括大量工業(yè)排放），以及使用化石燃料提供形成熟料過(guò)程中所需熱量（1400–1500℃）的相關(guān)排放和電力相關(guān)排放。

　　水泥行業(yè)的目標(biāo)是到2030年，通過(guò)減少化石燃料使用和增加其它替代燃料，提高混凝土生產(chǎn)和項(xiàng)目設(shè)計(jì)效率，在施工和回收過(guò)程中更高效地使用混凝土，從而實(shí)現(xiàn)至少20%的減排量。水泥廠效率的提高可能包括運(yùn)營(yíng)效率、增強(qiáng)過(guò)程控制和預(yù)測(cè)性維護(hù)策略，以及廣泛使用最佳可用技術(shù)。從2040年起，需要大量投資、合作并且聚焦于創(chuàng)新，來(lái)加快替代熟料，并推出新的脫碳技術(shù)，如利用清潔氫能和窯爐電氣化。

　　水泥行業(yè)脫碳的主要途徑是減少需求、改變?nèi)剂?、降低熟料與水泥的比例、用替代膠凝材料替代熟料等。鑒于煤炭起到的持續(xù)作用，到2030年需要建立水泥行業(yè)的CCUS能力和相關(guān)商業(yè)案例，并且開始建設(shè)CCUS基礎(chǔ)設(shè)施。從2030年起，需要大規(guī)模部署CCUS，以確保水泥行業(yè)能夠在2050年前實(shí)現(xiàn)凈零排放?？紤]到可固碳的生物質(zhì)和水泥產(chǎn)品，未來(lái)將可能交付負(fù)碳混凝土。

　　6、實(shí)現(xiàn)原鋁行業(yè)向低碳轉(zhuǎn)型將耗資1萬(wàn)億美元

　　鋁是全球用量?jī)H次于鋼的第二大金屬，主要用于建筑、交通和輸電行業(yè)。其具備一系列獨(dú)特的性能，包括亮度、強(qiáng)度、耐久性、成型性、可回收性和導(dǎo)電性/導(dǎo)熱性等，成為低碳未來(lái)的重要推動(dòng)者。2021年全球原鋁產(chǎn)量為6800萬(wàn)噸，加上基于再生鋁的二次生產(chǎn)，鋁總產(chǎn)量約為1億噸/年。鋁是可回收性最高的材料之一，約80%的廢鋁可在不損失質(zhì)量的情況下被重復(fù)利用。再生鋁約占鋁需求總量的33%，其生產(chǎn)所需的能源約為原鋁生產(chǎn)的5%。鋁行業(yè)的排放量為11億噸CO2當(dāng)量/年，占全球溫室氣體排放量的2%，主要是氧化鋁精煉所需過(guò)程熱相關(guān)排放和電解鋁所需電力相關(guān)排放。在全球范圍內(nèi)，煤炭提供了57%的鋁冶煉所需電力和52%的氧化鋁精煉燃料消耗。中國(guó)氧化鋁和原鋁產(chǎn)量分別占全球54%和57%，在行業(yè)內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。中國(guó)氧化鋁/鋁的總體能源需求約75%由煤炭提供。

　　鋁行業(yè)需要減少排放，但許多技術(shù)解決方案目前正在開發(fā)中，尚沒(méi)有其它解決方案。鋁行業(yè)相關(guān)碳排放需從11億噸/年減少至2050年的2.5億噸/年，同時(shí)將產(chǎn)量提高80%，需要價(jià)值鏈中所有參與者共同采取行動(dòng)。向低碳原鋁行業(yè)轉(zhuǎn)型大約需要投入1萬(wàn)億美元，大部分投資將用于電力行業(yè)，以獲得低碳電力。需要增加對(duì)電解工藝、低排放氫、惰性陽(yáng)極和CCUS的研發(fā)和部署投資。氧化鋁行業(yè)和下游鋁產(chǎn)品用戶的脫碳將需要額外的資金。

　　到2050年，實(shí)現(xiàn)鋁行業(yè)95%的電力相關(guān)減排和50%的直接（過(guò)程和供熱）減排的主要方法是：①向低碳電力轉(zhuǎn)型，每年減排約6.5億噸CO2；回收更多的鋁以最大限度地增加二次生產(chǎn)，每年可能減排4.56億噸CO2；③最大限度地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，每年可能減排3.21億噸CO2；④部署新技術(shù)，通過(guò)使精煉廠所需熱量脫碳，如進(jìn)行熱回收和燃料轉(zhuǎn)換，以及在冶煉廠部署低碳陽(yáng)極和CCUS，來(lái)使精煉廠和冶煉設(shè)施實(shí)現(xiàn)凈零排放，每年減排約2.32億噸CO2。以上措施將減少煤炭使用量，但到2050年煤炭在用能結(jié)構(gòu)中占比可能維持在當(dāng)前水平的50%，對(duì)現(xiàn)有煤電廠進(jìn)行CCUS改造可能是生產(chǎn)低碳電力的首選解決方案。

　　7、能源安全問(wèn)題推動(dòng)煤化工行業(yè)發(fā)展

　　化石燃料基化學(xué)品用于生產(chǎn)各種終端產(chǎn)品，包括塑料、化肥、包裝、服裝、數(shù)碼設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、洗滌劑、輪胎和炸藥?；な腔剂系淖畲笙M(fèi)行業(yè)，其CO2直接排放排名第3，僅次于水泥和鋼鐵行業(yè)。這是因?yàn)榛ば袠I(yè)消耗的化石燃料有一半用作原料。化工行業(yè)需要生產(chǎn)3類主要化學(xué)物質(zhì)，這3類物質(zhì)是其余化學(xué)產(chǎn)品的前體，分別是低碳烯烴/烯烴和芳香族化合物（被稱為“高值化學(xué)品”）、氨、甲醇?；ば袠I(yè)每年排放11億噸CO2，其中超過(guò)30%與工藝有關(guān)，意味著這部分排放很難減少；其余的直接排放來(lái)源于燃料燃燒。

　　化學(xué)品生產(chǎn)在全球范圍內(nèi)的地理分布比其它行業(yè)更加均勻，尤其是高值化學(xué)品。亞洲尤其中國(guó)是氨和甲醇的主要生產(chǎn)國(guó)，占全球氨市場(chǎng)的30%以上。中國(guó)是煤化工的最大應(yīng)用國(guó)，煤氣化約占全球氨產(chǎn)量的26%。在中國(guó)，大約80%的氨和甲醇是由煤生產(chǎn)的?；S的平均壽命為10-16年。

　　截至2019年底，中國(guó)已對(duì)煤化工投資850億美元，且隨著印度尼西亞和印度等地的投資增長(zhǎng)，這一數(shù)字還會(huì)增加。到2050年，初級(jí)化學(xué)品需求將增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)甲醇年增長(zhǎng)率將達(dá)到7%左右，從2020年的1億噸/年增至2050年的5億噸/年。能源安全問(wèn)題正在推動(dòng)煤液化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，因?yàn)槠錅p少了對(duì)石油和天然氣的進(jìn)口需求。

　　脫碳方法因應(yīng)用而異，但增加回收利用，轉(zhuǎn)向生物燃料、廢物基燃料和氫氣，以及CCUS將成為脫碳技術(shù)組合的關(guān)鍵部分。此外，要實(shí)現(xiàn)凈零排放，還需要大幅增加塑料回收，減少一次性塑料使用，以及提高氮的使用效率。

　　2020-2050年間，實(shí)現(xiàn)凈零排放將需要每年部署約1000億美元的資本支出。在化工行業(yè)實(shí)現(xiàn)凈零排放的同時(shí)，煤炭仍將是一種重要的能源，到2050年約消費(fèi)2艾焦（合7000萬(wàn)噸標(biāo)煤）。這是因?yàn)槊禾咳詫⒂糜趤喼藓推渌胤降陌鄙a(chǎn)和甲醇生產(chǎn)。需要對(duì)CCUS基礎(chǔ)設(shè)施、碳捕集工廠和驗(yàn)證封存資源進(jìn)行投資。到2050年，CCUS產(chǎn)能將達(dá)到6.4億噸/年。CCUS為現(xiàn)有煤化工廠提供了一種改造方案，特別是在中國(guó)等具有較多新建煤化工廠的地區(qū)。投資低排放氫（包括電解、生物質(zhì)和應(yīng)用CCUS的化石燃料制氫）是化學(xué)品生產(chǎn)脫碳的另一種主要方式。

　　8、基礎(chǔ)技術(shù)需要發(fā)生變革

　　技術(shù)成熟度為11級(jí)（TRL 11）的成熟技術(shù)或處于早期應(yīng)用階段（TRL 9-10）的技術(shù)極為重要，這些技術(shù)通過(guò)改良性能、提高材料利用率、轉(zhuǎn)向生物能源以及中低溫?zé)徇^(guò)程的電氣化來(lái)減少開支。短期內(nèi)這些技術(shù)尤其重要，且將持續(xù)發(fā)揮作用直到2050年。建筑行業(yè)（包括建筑和基礎(chǔ)設(shè)施）通過(guò)提高材料利用率做出了較大貢獻(xiàn)，目前建筑行業(yè)約占鋼鐵需求的一半和水泥需求的全部。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，基礎(chǔ)技術(shù)需要發(fā)生轉(zhuǎn)變，目前處于示范階段（TRL 7-8）和原型階段（TRL 4-6）的技術(shù)將發(fā)揮不可或缺的作用。重工業(yè)行業(yè)尤其如此，結(jié)合CCUS和氫能的創(chuàng)新技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)凈零排放的關(guān)鍵，如圖1所示。

　　圖1 全球重工業(yè)實(shí)現(xiàn)凈零排放的技術(shù)路徑

　　對(duì)重工業(yè)來(lái)說(shuō)，要以具有成本效益和彈性的方式脫碳，在使用煤炭時(shí)配備CCUS是較為關(guān)鍵的技術(shù)，尤其是對(duì)于水泥行業(yè)。當(dāng)前商業(yè)碳捕集技術(shù)可實(shí)現(xiàn)95%的捕集率，進(jìn)一步達(dá)到接近100%在技術(shù)上也是可行的，特別是對(duì)于煤氣化和煤液化工藝。工業(yè)CCUS項(xiàng)目在全球商業(yè)規(guī)模CCUS項(xiàng)目中占有重要地位，但還需要更多的項(xiàng)目在以煤炭為基礎(chǔ)的重工業(yè)進(jìn)行示范，尤其是在鋼鐵和水泥行業(yè)。至關(guān)重要的是，CCUS將在重工業(yè)脫碳過(guò)程中發(fā)揮重要作用，以最低成本實(shí)現(xiàn)凈零排放。在凈零排放行業(yè)路線圖中，鑒于對(duì)化石燃料的持續(xù)需求，國(guó)際鋁、水泥、鋼鐵和化工行業(yè)都認(rèn)為CCUS是必要的。大部分重工業(yè)都在中國(guó)，中國(guó)擁有大量的煤炭資源，且希望保持燃料自主供應(yīng)，是煤氣化和高效發(fā)電的領(lǐng)導(dǎo)者?；谶@些原因，CCUS是中國(guó)工業(yè)脫碳的基礎(chǔ)。對(duì)于全球重工業(yè)脫碳，需要對(duì)CCUS和其它低排放技術(shù)進(jìn)行大量投資。（李仕鈺 岳芳）

責(zé)任編輯：于彤彤