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魏瑜:水泥行业碳排放现状与碳中和实施路径分析

作者:匿名

碳达峰是指在2030年前,二氧化碳的排放不再增长,达到峰值之后逐步降低,碳中和是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量,通过植物造树造林、节能减排等形式,抵消自身产生的二氧化碳排放量,实现二氧化碳“零排放”。

  一、为何要碳达峰碳中和?

  1、碳减排议题由来已久 中国最新承诺引爆市场

  1988年是有史以来最热的一年,美国科学家詹姆斯·汉森就全球变暖发出警告。1992年《联合国气候变化框架公约》制定,目标将大气中温室气体浓度稳定在不对气候系统造成危害的水平,中国是缔约国之一。

  1997年于日本京都召开的联合国气候化纲要公约第三次缔约国大会中所通过的《京都议定书 》明确针对六种温室气体进行削减,包括:二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物 (PFCs)及六氟化硫(SF6),2005年正式生效。2007年6月我国发改委出台《中国应对气候变化国家方案》,12月印发《节能减排综合性工作方案》。2009年哥本哈根大会召开,主要发达国家提出减排目标。2014年,中美元首发表气候变化联合声明。同年11月,国家发改委公布了《国家应对气候变化规划(2014-2020年)》,主要目标2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%,非化石能源占一次能源消费的比重到15%左右,森林面积和蓄积量分别比2005年增加4000万公顷和13亿立方米。以上目标均已提前完成。

  2015年12月12日,《巴黎协定》在第21届联合国气候变化大会(巴黎气候大会)上通过,随后2016年4月22日175个国家和地区签署,并决定在3年内完成工作方案。《巴黎协定》的主要目标之一,是把全球平均气温升幅控制在工业化前水平的2℃内,并努力将气温升幅限制在工业化前水平1.5℃之内。《巴黎协定》后,有关气候变化的谈判一直在进展,关乎全人类的命运,各方在协作上面临很多挑战。巴黎大会上,中国在“国家自主贡献”中提出将于2030年左右使二氧化碳排放达到峰值并争取尽早实现,2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%,非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右,森林蓄积量比2005年增加45亿立方米左右。

  2020年9月,国家主席习近平在联合国大会上提出中国将提高国家自主贡献力度,宣布中国力争于2030年前碳排放达峰,并于2060年前实现碳中和,另外非化石能源占一次能源消费比重、森林蓄积量等目标也较2015年承诺目标有所提高。同年12月12日,在由联合国、英国和法国共同主办的“气候雄心峰会”上,中国国家主席习近平通过视频讲话宣布了中国最新的2030年气候目标,这是三个月内中国第二次提升气候行动承诺,在国际上引起广泛影响,并得到法国等欧洲国家的赞许。

  碳达峰是指在2030年前,二氧化碳的排放不再增长,达到峰值之后逐步降低,碳中和是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量,通过植物造树造林、节能减排等形式,抵消自身产生的二氧化碳排放量,实现二氧化碳“零排放”。

表1:中国承诺的碳达峰目标

资料来源:公开信息

  其后,随着各项政策出台,碳达峰、碳中和话题在全社会不断发酵。“十四五规划”中,提出制定2030年前碳排放达峰行动方案,这是碳达峰、碳中和目标首次被写入五年发展规划。2020年12月,中央经济工作会议将“做好碳达峰、碳中和工作”作为2021年八大重点任务之一。2021年1月,生态环境部表示要加快推进全国碳交易市场建设,编制《国家适应气候变化战略2035》。

  2、中国碳市场建设进程

  为了在2060年前实现碳中和目标,中国面临的挑战颇多,其中碳市场的建立至关重要。2011年,北京、天津、上海、广东、武汉等省市被列为碳排放试点地区,我国碳交易正式启动。2017年12月,宣布启动全国碳排放权交易市场(全国碳市场)的建设,初期的交易主体为发电行业重点排放单位(年度排放达到2.6万吨二氧化碳当量及以上,相当于综合能源消费量约1万吨标准煤及以上)。

  碳交易立法及有关配套制度文件的出台是碳市场有序运行的必要条件。正式承诺减排目标后,2020年11月,政府密集颁布了三项关于全国碳市场建设的部门规章草案。11月5日,生态环境部发布了《全国碳排放权交易管理办法(试行)》(征求意见稿)和《全国碳排放权登记交易结算管理办法(试行)》(征求意见稿),首次在制度层面明确了全国碳排放权登记、交易、结算等关键环节的负责机构、管理细则和监管框架,为保障全国碳市场顺畅、规范和稳定运行提供了重要的技术支撑。排放配额分配初期以免费分配为主,适时引入有偿分配,并逐步提高有偿分配的比例。2021年6月全国碳排放权交易系统验收通过,预计月底将正式启动线上交易。《2019-2020年全国碳排放权交易配额总量设定与分配方案(发电行业)》(征求意见稿),首次明确公布了2267家纳入配额管理的重点排放单位名单,相比2017年底提出的1700多家增加了约500家,实现了对发电行业重点排放单位的全覆盖,其排放量约占中国碳排放总量的三分之一。

  目前,我国处于全国碳市场建设的初级阶段,初期可能主要工作集中在碳排放数据报送系统的建设、碳交易配额管理制度的建设、碳排放数据的监测和核查等方面。等到电力行业的碳交易发展成熟,再考虑纳入下一个行业,水泥作为碳排放大户大概率会在“十四五”期间纳入碳交易市场。

  3、碳市场运行机制

  碳排放交易制度建立后,每个水泥将有一定配额的碳排放权,如果企业实际排放水平低于配额水平,富余的碳配额可用于市场出售。这是一个总体的运行机制,但在实际运行中的不同阶段或许会有不同的方式。我们参考欧洲碳排放交易体系(EU-ETS),目前是世界上最大的碳交易市场,2005年开始启动,经历了四个发展阶段,2005-2012年为起步阶段,以免费配额为主(90%以上),分配排放总量也较为宽裕。2013-2030年为调整和成熟阶段,以配额的拍卖为主。前两个阶段碳配额无法跨期转存,从第三个阶段开始,可跨期存储。

图1:欧洲碳排放交易体系逐渐发展成熟

  二、水泥行业碳排放现状及3060目标

  1、水泥行业碳排放量占全国排放总量10%左右

  根据中国建筑材料联合会的《建筑材料工业二氧化碳排放 <https://daqi.bjx.com.cn/zt.asp?topic=%cc%bc%c5%c5%b7%c5>核算方法》,二氧化碳排放分为燃料燃烧过程排放和工业生产过程(工业生产过程中碳酸盐原料分解)排放两部分。水泥生产过程中的碳排放主要集中在熟料生产程序中,主要是来自石灰石的分解和化石燃料的燃烧。根据行业经验,一吨熟料的碳排放量估测在840-860kg左右。笔者测算,生产一吨水泥的碳排放量约在634kg左右,2020年我国水泥产量23.77亿吨,排放CO2约15亿吨,占全国碳排放总量的10%左右。根据测算,来自燃料燃烧和熟料生产过程中的碳排放占比可以达到90%以上。

表2:吨水泥碳排放量测算

数据来源:水泥大数据研究院

  2、2023年左右达峰 2050-2060年中和

  《巴黎协定》要求水泥行业的单位排放量要降至520-540kg之间,和这一目标相比,我国水泥行业的碳排放量还偏高,单位排放量仍需降低10-13%才能达到国际要求水平。

  欧洲水泥协会的目标是到2050年实现中和,需要一个中期目标。欧洲水泥协会希望与《巴黎协定》的设想相一致,即在2030年前将二氧化碳总排放量减少30%,并在产业链减少40%,以实现到2030年比1990年二氧化碳吨排放量从783kg下降至472kg的目标。

图1、2:欧洲水泥协会碳减排目标

  中国来看,今年1月中国建材联合会发布的《推进建筑材料行业碳达峰、碳中和行动倡议书》中提出我国建筑材料行业要在2025年前全面实现碳达峰,水泥等行业要在2023年前率先实现碳达峰。今年5月,国家市场监管总局、工信部、发改委、生态环境部等七部委联合发布《关于提升水泥产品质量规范水泥市场秩序的意见》中提到确保2030年前水泥行业碳排放实现达峰,为实现碳中和奠定基础,这是水泥行业政策中首次提出碳达峰目标。但国家层面对于水泥行业具体的碳达峰、碳中和路线尚未出台。

  三、水泥行业如何应对?

  水泥行业是最重要的建筑原材料之一,也是典型的资源密集型行业。作为世界最大的水泥生产和消费国,提前实现碳达峰、达成碳中和是现在行业不可推卸的历史使命。90%以上碳排放来自化石燃料燃烧和生产过程的水泥行业来说,无论是碳达峰还是碳中和,都是艰巨的任务。对水泥企业来说,面对碳达峰、碳中和的挑战,要从技术和管理两个层面着手来应对。

  1、技术性碳减排工作

  (1)产需下降,天然降低排放总量

  碳排放总量=产量*单位排放量,要降低碳排放量有两条路径,一降低产量,二降低单位排放量,其中单位排放量的降低涉及到生产工艺、设备改造、替代燃料等技术层面因素,存在一定的极限,产量的控制则更为迅速。

  (2)新能源技术的应用

  利用厂区空地布局光伏发电、储能等业务,实现电力自给。海螺水泥多个生产基地开展建设光伏项目,如分宜海螺、英德海螺等等,截至2020年装机量130MW,累计发电量2.79亿度。塔牌水泥拟投资13亿元建设分布式光伏发电储能一体化项目,装机规模220MWp(兆瓦),建成后每年可减少约14.28万吨CO2排放。

  (3)燃料--提高替代燃料的比例

  欧洲水泥协会:2030年替代燃料比例达到60%,其中30%为生物质,2050年替代燃料比例达到90%,其中50%为生物质垃圾。目前中国水泥行业燃料替代率还很低,据业内人士介绍不到5%,还有很大的发展空间。

  (4)寻求技术突破--使用低碳原材料、低钙水泥的研发,已有研究机构表明以高贝利特硫铝酸盐水泥为基础的低钙水泥,具有和硅酸盐水泥相近的性能,同时二氧化碳排放量降低25%左右,适宜进行商业化推广。技术突破

  (5)碳捕获、利用与封存技术CCUS--兜底技术

  CCUS分为碳捕集技术、碳利用和封存技术,碳捕集的方法主要有燃烧前捕集、富氧燃烧和燃烧后补集三种。燃烧前捕集和富氧燃烧要求条件相对苛刻,目前的技术研究开发和示范项目较少。燃烧后补集技术是当前较为成熟和广泛的应用。

图3:不同方法碳捕集技术路线图

资料来源:《全球CCUS技术和应用现状分析》

  目前碳利用和封存最主流的方向是地下封存、驱油和食品级利用。也有一些新兴的方向,如荷兰、日本将工业CO2送至园林,作为温室气体来强化植物生长。碳封存目前最主要的技术有高压液化注入海底和地质封存两种。二氧化碳驱油技术最早应用于低渗透油藏开发,由于在驱油增产的同时可实现CO2埋藏与封存,成为目前经济技术条件下一种有效的温室气体减排路径。二氧化碳驱油与封存技术已在北美实现商业化、规模化应用,我国部分石油企业也已建成示范工程并逐步开展推广应用。

图4:碳利用和封存技术图

资料来源:《全球CCUS技术和应用现状分析》

  截至今年6月,欧美已经启动了55个项目超前研究CCUS,其中有三个与水泥行业相关,除此之外更多的项目涉及到能源、化工、炼钢、发电等行业,参与的企业中也以能源、电力企业居多。碳中和是一场深刻的能源革命,水泥行业若想实现碳中和,应不拘一格关注和应用各行各业的技术动向,尤其是交差技术的发展和应用,探索出一条适合水泥工业的低碳之路。

表3:欧美碳减排关键技术(水泥行业相关)

数据来源:水泥大数据研究院

  2、碳资产管理

  参考欧洲碳市场的发展情况,在前期的阶段,主要是以免费配额为主,配额总量在每一个阶段都有所下降,即便是进入成熟阶段,仍然对碳泄露风险高的行业和企业实行免费分配。从前期到成熟经历了十几年的发展时间。考虑到我国在全国性的市场建立之前,已经在多个地区进行了多年的区域试点,我国的全国性碳交易市场的发展成熟时间可能会缩短至5-10年的水平。对于高碳排放企业而言,将碳资产管理提升日程迫在眉睫。建议水泥企业要设立专门的碳资产管理部门,不仅要协助生产部门探索切实可行的碳减排方案,将碳排放减排目标完成情况纳入水泥工厂业绩考核,核算自身的碳排放情况,做好碳排放审计工作和数据储备,同时要持续了解碳市场的最新进展,开展碳资产管理培训工作,为将来进行碳资产交易等工作打好坚实的基础。碳资产管理工作难度系数很高,涉及到公司的内部管理、生产经营、技术研发、碳资产交易等方方面面的内容,需要在公司不同部门之间协同。

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