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麦肯锡-“中国加速迈向碳中和”水泥篇:水泥行业碳减排路径| 观点与方案

佚名 来自: 麦肯锡 2021-04-06

麦肯锡-“中国加速迈向碳中和”水泥篇:水泥行业碳减排路径

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三篇,本文将以水泥行业为样本继续展开碳中和转型研究。未来我们还将陆续发布一系列文章,内容涵盖煤化工、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,以及碳捕集利用与封存(CCUS)、氢能等新兴碳减排趋势等。在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。

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中国水泥行业碳中和转型的必要性

水泥行业是我国国民经济的重要基础产业,也构成了现代城市建筑的躯干。放眼全球,水泥行业贡献了碳排放总量的7%。如果将全球水泥行业看作一个国家,那么它将是仅次于中国和美国的第三大碳排放国。我国生产全球近六成水泥,水泥行业碳排放量也逾全球水泥产业碳排放总量的一半。

水泥生产过程中的二氧化碳排放主要源于熟料生产过程(见图一),其中石灰石煅烧产生生石灰的过程所排放的二氧化碳,约占全生产过程碳排放总量的55-70%;高温煅烧过程需要燃烧燃料,因此产生的二氧化碳,约占全生产过程碳排放总量的25-40%。

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目前,中国水泥行业碳排放量占全国碳排放总量的约9%,是制造业中主要的二氧化碳排放源。中国是全球水泥制造第一大国,2019年全球水泥产能为37亿吨,中国约占其中60%。根据麦肯锡测算,要实现全球升温不超过1.5℃的情境,到2050年中国水泥行业碳减排需达70%以上。

中国水泥行业碳减排路径

综合考量碳减排成本、技术可行性、资源可用性,我们认为需求下降、能效提升、替代燃料、碳捕捉技术的加速推动是中国水泥行业碳减排的重要抓手。据此,我们绘制了中国水泥行业从2020年到2030和2050年的碳减排路径图(见图二)。

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综合能源转型委员会(ETC)、国际能源署(IEA)、麦肯锡全球水泥需求预测模型以及中国水泥行业专家的意见,我们预计常规情形下的需求下降到2050年将贡献中国水泥行业约27%的碳减排,其主要动因是城市化和建筑业的增速放缓。随着我国城市化率趋于稳定,GDP驱动的水泥需求预计会进一步下降,现有建筑的维修和更新将逐渐主导未来的水泥需求。此外,混凝土的替代建材(例如钢、预制材料、交错层积木材等)也将进一步降低水泥需求。然而,需求预测的准确性受城市化和建筑业发展实际情况的影响,若需求下降不及预期,则需要依靠其他抓手推动碳减排,特别是碳捕集与封存(CCS)。

能效提升是技术成熟的无悔之举,到2050年可为水泥板块贡献约5%的碳减排。水泥行业的能效变革包括两大方面:一是节电的减排贡献(包括原料研磨、预分解炉、水泥车间用电等),为避免双重计算,我们将这部分潜力放在电力行业碳减排分析中另行展开;二是节省燃料的减排贡献,预计到2030年燃料消耗可节省5%,到2050年可节省14%。

替代燃料是更优先、更具成本效益的手段,到2050年可推动行业约10%的碳减排。如果我们逐个分析可为水泥生产供热的主要燃料,会发现可再生废弃物是最可行的煤炭替代燃料:

  • 煤炭:目前为逾95%的水泥生产供热,是现阶段石灰石煅烧使用的主要燃料源。由于煤炭价格低廉,煤炭燃料不太可能被完全取代,但会在燃料结构改善过程中不断降低份额,预计在2050年煤炭在水泥生产所使用燃料中占比20-30%。

  • 生物质:目前为不足1%的水泥生产供热,被认为是无排放的清洁资源,并且搭配碳捕获技术可能产生净负排放。但中国生物质资源整体紧张,且多个行业均出现需求显著增长的可能,目前行业内仍没有公司用生物质为水泥车间供热。考虑到生物质供给端的不确定性,预计在2050年生物质构成水泥生产所使用燃料的5-10%。

  • 废弃物:目前废弃物为不到5%的水泥生产供热,我们认为废弃物是更好的潜在碳减排资源。一方面有机废弃物可作为燃料,另一方面固体废弃物可代替熟料,减少石灰石的使用,从而进一步减少生产过程中的碳排放。同时,废弃物利用在我国有着政策利好、供应量相对持续、垃圾分类状况不断改善三方面支撑。预计在2050年废弃物构成水泥生产所使用燃料的55-75%。

  • 电力加热:对于水泥生产来说,采用电加热无论从技术要求(需要较高温度和功率)、设备改造还是运营经济性上看均不具备很高的可行性,未来可能不会成为重要的减排手段。

  • 天然气:天然气虽不能帮助水泥行业实现燃料的零碳排放,但可以显著降低燃料的碳排放强度,因此可能在未来的碳减排中扮演重要的过渡技术角色;同时,天然气作为替代燃料也面临成本上升、设备技改等挑战。本文暂未对天然气在未来水泥行业碳减排路线图中的作用进行定量分析。

在需求下降、能效提升、替代燃料三大抓手均发挥作用的情况下,预计可产生的碳减排成效与1.5℃情景下的碳减排目标之间仍有较大缺口,还需要新兴技术的支持。鉴于水泥生产中熟料工艺排放的特点,在没有新兴技术大规模代替熟料的情况下,碳捕集与封存(CCS)将成为水泥行业实现碳中和的唯一选择,预计到2050年需要贡献行业约50%的碳减排。CCS需要相匹配的地质条件,如靠近衰退期油田、盐水层等;且由于水泥厂规模较小、地点分散,单个企业难以承担大规模CCS基础设施建设,因此可考虑参与“CCS工业园区”模式,与其他需要依赖CCS技术减排的行业(如钢铁、煤电等)组团开展试点,例如可以从行业集中度较高的河北或山东开始试验。

国内某水泥生产头部企业在2018年下半年推出了中国首个水泥CCS示范项目(如图三),目前也是国内唯一的水泥企业CCS项目。该CCS项目投资逾5000万元人民币,每年捕获二氧化碳约5万吨,捕集率约为1/30,是一个小规模的试点项目。未来水泥行业CCS试点的重点将聚焦于捕集技术的创新突破、捕集规模的大幅提升,以及CCS产业链的逐步搭建。

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此外,水泥行业也一直在推动二氧化碳养护混凝土等新兴水泥替代技术的发展(如图四)。碳养护混凝土技术是通过二氧化碳与混凝土中钙、镁组分之间的矿化反应,同时实现温室气体的封存以及混凝土强度和耐久性的提升,从而降低水泥使用量。然而该技术仍处在试点阶段,有待进一步规模化推广。另外,基于非碳酸钙的替代熟料技术也是行业未来技术创新的关注重点。

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目前我国水泥熟料比为0.67,低于全球平均值0.74。一个值得注意的政策趋势是,根据2019年10月1日起开始实施的GB175-2007《硅酸盐通用水泥》国家标准第3号修改单,复合硅酸盐水泥32.5强度等级(PC32.5R)将取消,修改后将保留42.5、42.5R、52.5、52.5R四个强度等级。此举旨在提高水泥行业产能利用率和产品质量,但也会提升水泥行业的熟料使用比例,进而增加单位二氧化碳排放强度。要应对这一挑战,需要在满足建筑施工技术要求的前提下,综合考量碳排放强度和熟料总用量之间的平衡关系,通过技术创新和突破来解决。

我们深知水泥行业是高减排难度(hard-to-abate)的主要工业行业之一,这不仅是因为水泥有固定的工艺过程排放,更是由于水泥行业整体体量大但单体规模小,且因绝对价格较低而难以承受很高的减排成本,这些都为水泥行业CCS规模化和新兴水泥替代技术的大幅突破增加了难度。但同时,由于当前供给侧改革成效显著,水泥企业整体利润水平良好,行业整合度提升,正处于健康发展期,有能力未雨绸缪、大刀阔斧地推动技术创新,把握低碳转型机遇期。

对水泥企业的启示

  1. 捕捉低碳大势带来的商业模式变革机会,主动适应下游趋势:水泥企业应重新思考产品结构、合作关系和自身在整个建筑行业的价值位,评估建筑开发商等主要下游客户在低碳环境下的需求变化,对新增长机会尽早布局。例如,水泥企业可考虑推进替代建材领域的技术研发与企业收购,针对下游建筑商方面可能出现的新型建筑材料、建筑信息模型,以及预制化、模块化建筑解决方案进行提前布局,将生产与建筑信息模型结合,向下游拓展更多商业可能性。针对未来可持续燃料资源的获取(例如生物质能),水泥企业应当根据地区特征尽早布局,因为其他行业也将参与这场碳中和竞赛,也希望通过可持续燃料实现碳减排目标。

  2. 在“十四五”高质量发展的主题下,大力推动“低碳+数字化”的运营转型,将效率提升做到极致: 深入理解“十四五”期间国家碳减排目标对水泥产业链的影响,主动开展端到端的碳足迹评估和减排成本曲线评估;将数字化运营与低碳转型相结合,利用人工智能和机器学习等手段在生产过程中减少波动、提高能效,在持续改善经营效率的同时降低企业的能耗和碳排放。例如,一家欧洲水泥生产商通过创建窑炉热曲线的自学习模型优化窑炉火焰的形状和强度,节省了6%的燃料。未来的领先水泥企业可通过“低碳+数字化”的运营超越竞争对手。

  3. 关注低碳大势对水泥产业生态的中长期影响,探索可能的绿色增长新机遇: 对新材料、新工艺和新减排技术等领域保持追踪,在有条件的前提下进行试点,获取行业发展的先行者优势。对于产业链上新兴绿色产品可能出现的“绿色溢价”,通过开发相应的“低碳、零碳产品线”,在具有环保意识的客户那里赢得口碑。未来水泥行业的生态可能会被碳中和大势重塑,提前布局创新技术才是转危为机之道。

对政策制定者的建言

鉴于水泥行业碳减排技术选项少,且成熟技术(如替代燃料)和新兴技术(如CCS)之间过渡难度大,因此该行业的碳减排路径亟需强有力的政策支持。总体而言,首先是要有明确的方向和目标;其次是要尽快推出并落实将水泥纳入碳价格体系的政策;第三是加强对于新兴技术的定向研发和财务激励。如此一来,便可吸引更多资本的关注和支持,推动形成绿色水泥产业联盟,帮助水泥这一传统行业焕发新活力,支持中国碳中和旅程行稳致远。

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”。我们希望通过近期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,我们还将就重点产业碳减排(包括煤化工、油气产业等)、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。

作者介绍

华强森(Jonathan Woetzel)为麦肯锡资深全球董事合伙人及麦肯锡全球研究院联席院长,常驻上海分公司;

许浩为麦肯锡全球董事合伙人,常驻北京分公司;

汪小帆为麦肯锡全球董事合伙人,常驻上海分公司;

廖绪昌为麦肯锡资深项目经理,常驻香港分公司。

本文作者感谢冯梓君、高雅、黄逸楠、李星泽、李雅婷、廖建凯、林天惠、卢奕丞、谢瑢、杨旭晨、姚宇涵、叶婧文、于冰清、袁子葳、张明亮、赵佳茵对本文的贡献。(排名按照姓氏顺序)

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自2021年起,麦肯锡中国区以每年投入相当于全体员工1%工时的公益服务为目标,聚焦联合国可持续发展目标“优质教育”“气候行动”与“性别平等”,提供跨行业连接、战略赋能和洞见分享平台,鼓励员工与各界伙伴的深度参与。


 

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