編者按

在“中國加速邁向碳中和”系列的開篇文章中,我們暢想了2050年由電動汽車、氫氣煉鋼、光伏發電、綠色儲能等新能源元素主導的碳中和世界,這一愿景的實現也意味著全球需要在2030年將人為造成的二氧化碳凈排放量較2010年減少約45%,到2050年達到“凈零排放”。面對目標與時間的雙重挑戰,碳中和轉型的道路亟待開啟。在各國競相開展具體的研究與落地工作之時,中國也在第七十五屆聯合國大會一般性辯論中率先提出了“碳達峰、碳中和”目標。聯合國可持續發展目標13“氣候行動”也是麥肯錫中國區社會責任重點之一,在此關鍵節點上,麥肯錫在中國區正式啟動中國大規模碳中和轉型研究公益項目,借助麥肯錫全球可持續發展研究的豐富經驗,結合對中國社會、行業和企業的全面理解和深刻洞見,動員全球百余人知識力量,開展橫跨各大主要工業板塊的碳中和轉型趨勢、對策和技術研究,希望能為中國早日達成碳中和目標略盡綿力。

作為該系列文章的第三篇,本文將以水泥行業為樣本繼續展開碳中和轉型研究。未來我們還將陸續發布一系列文章,內容涵蓋煤化工、油氣、電力等高碳排放行業,涉及碳減排路徑剖析、新興技術研討、投資成本預測、國際實踐分享等眾多主題,也會探究傳統碳減排工藝革新,以及碳捕集利用與封存(CCUS)、氫能等新興碳減排趨勢等。在推進此項研究的過程中,我們非常歡迎各界專家同仁不吝賜教,您可在留言區提出寶貴意見,也可直接與團隊取得聯系。我們期待與社會各界共同推進綠色中國碳中和轉型之路。

 

中國水泥行業碳中和轉型的必要性

水泥行業是我國國民經濟的重要基礎產業,也構成了現代城市建筑的軀干。放眼全球,水泥行業貢獻了碳排放總量的7%。如果將全球水泥行業看作一個國家,那么它將是僅次于中國和美國的第三大碳排放國。我國生產全球近六成水泥,水泥行業碳排放量也逾全球水泥產業碳排放總量的一半。

水泥生產過程中的二氧化碳排放主要源于熟料生產過程(見圖一),其中石灰石煅燒產生生石灰的過程所排放的二氧化碳,約占全生產過程碳排放總量的55-70%;高溫煅燒過程需要燃燒燃料,因此產生的二氧化碳,約占全生產過程碳排放總量的25-40%。

目前,中國水泥行業碳排放量占全國碳排放總量的約9%,是制造業中主要的二氧化碳排放源。中國是全球水泥制造第一大國,2019年全球水泥產能為37億噸,中國約占其中60%。根據麥肯錫測算,要實現全球升溫不超過1.5℃的情境,到2050年中國水泥行業碳減排需達70%以上。

 

中國水泥行業碳減排路徑

綜合考量碳減排成本、技術可行性、資源可用性,我們認為需求下降、能效提升、替代燃料、碳捕捉技術的加速推動是中國水泥行業碳減排的重要抓手。據此,我們繪制了中國水泥行業從2020年到2030和2050年的碳減排路徑圖(見圖二)。

 

 

綜合能源轉型委員會(ETC)、國際能源署(IEA)、麥肯錫全球水泥需求預測模型以及中國水泥行業專家的意見,我們預計常規情形下的需求下降到2050年將貢獻中國水泥行業約27%的碳減排,其主要動因是城市化和建筑業的增速放緩。隨著我國城市化率趨于穩定,GDP驅動的水泥需求預計會進一步下降,現有建筑的維修和更新將逐漸主導未來的水泥需求。此外,混凝土的替代建材(例如鋼、預制材料、交錯層積木材等)也將進一步降低水泥需求。然而,需求預測的準確性受城市化和建筑業發展實際情況的影響,若需求下降不及預期,則需要依靠其他抓手推動碳減排,特別是碳捕集與封存(CCS)。

能效提升是技術成熟的無悔之舉,到2050年可為水泥板塊貢獻約5%的碳減排。水泥行業的能效變革包括兩大方面:一是節電的減排貢獻(包括原料研磨、預分解爐、水泥車間用電等),為避免雙重計算,我們將這部分潛力放在電力行業碳減排分析中另行展開;二是節省燃料的減排貢獻,預計到2030年燃料消耗可節省5%,到2050年可節省14%。

替代燃料是更優先、更具成本效益的手段,到2050年可推動行業約10%的碳減排。如果我們逐個分析可為水泥生產供熱的主要燃料,會發現可再生廢棄物是最可行的煤炭替代燃料:

  • 煤炭:目前為逾95%的水泥生產供熱,是現階段石灰石煅燒使用的主要燃料源。由于煤炭價格低廉,煤炭燃料不太可能被完全取代,但會在燃料結構改善過程中不斷降低份額,預計在2050年煤炭在水泥生產所使用燃料中占比20-30%。
  • 生物質:目前為不足1%的水泥生產供熱,被認為是無排放的清潔資源,并且搭配碳捕獲技術可能產生凈負排放。但中國生物質資源整體緊張,且多個行業均出現需求顯著增長的可能,目前行業內仍沒有公司用生物質為水泥車間供熱。考慮到生物質供給端的不確定性,預計在2050年生物質構成水泥生產所使用燃料的5-10%。
  • 廢棄物:目前廢棄物為不到5%的水泥生產供熱,我們認為廢棄物是更好的潛在碳減排資源。一方面有機廢棄物可作為燃料,另一方面固體廢棄物可代替熟料,減少石灰石的使用,從而進一步減少生產過程中的碳排放。同時,廢棄物利用在我國有著政策利好、供應量相對持續、垃圾分類狀況不斷改善三方面支撐。預計在2050年廢棄物構成水泥生產所使用燃料的55-75%。
  • 電力加熱:對于水泥生產來說,采用電加熱無論從技術要求(需要較高溫度和功率)、設備改造還是運營經濟性上看均不具備很高的可行性,未來可能不會成為重要的減排手段。
  • 天然氣:天然氣雖不能幫助水泥行業實現燃料的零碳排放,但可以顯著降低燃料的碳排放強度,因此可能在未來的碳減排中扮演重要的過渡技術角色;同時,天然氣作為替代燃料也面臨成本上升、設備技改等挑戰。本文暫未對天然氣在未來水泥行業碳減排路線圖中的作用進行定量分析。

在需求下降、能效提升、替代燃料三大抓手均發揮作用的情況下,預計可產生的碳減排成效與1.5℃情景下的碳減排目標之間仍有較大缺口,還需要新興技術的支持。鑒于水泥生產中熟料工藝排放的特點,在沒有新興技術大規模代替熟料的情況下,碳捕集與封存(CCS)將成為水泥行業實現碳中和的唯一選擇,預計到2050年需要貢獻行業約50%的碳減排。CCS需要相匹配的地質條件,如靠近衰退期油田、鹽水層等;且由于水泥廠規模較小、地點分散,單個企業難以承擔大規模CCS基礎設施建設,因此可考慮參與“CCS工業園區”模式,與其他需要依賴CCS技術減排的行業(如鋼鐵、煤電等)組團開展試點,例如可以從行業集中度較高的河北或山東開始試驗。

國內某水泥生產頭部企業在2018年下半年推出了中國首個水泥CCS示范項目(如圖三),目前也是國內唯一的水泥企業CCS項目。該CCS項目投資逾5000萬元人民幣,每年捕獲二氧化碳約5萬噸,捕集率約為1/30,是一個小規模的試點項目。未來水泥行業CCS試點的重點將聚焦于捕集技術的創新突破、捕集規模的大幅提升,以及CCS產業鏈的逐步搭建。

 

此外,水泥行業也一直在推動二氧化碳養護混凝土等新興水泥替代技術的發展(如圖四)。碳養護混凝土技術是通過二氧化碳與混凝土中鈣、鎂組分之間的礦化反應,同時實現溫室氣體的封存以及混凝土強度和耐久性的提升,從而降低水泥使用量。然而該技術仍處在試點階段,有待進一步規模化推廣。另外,基于非碳酸鈣的替代熟料技術也是行業未來技術創新的關注重點。

 

目前我國水泥熟料比為0.67,低于全球平均值0.74。一個值得注意的政策趨勢是,根據2019年10月1日起開始實施的GB175-2007《硅酸鹽通用水泥》國家標準第3號修改單,復合硅酸鹽水泥32.5強度等級(PC32.5R)將取消,修改后將保留42.5、42.5R、52.5、52.5R四個強度等級。此舉旨在提高水泥行業產能利用率和產品質量,但也會提升水泥行業的熟料使用比例,進而增加單位二氧化碳排放強度。要應對這一挑戰,需要在滿足建筑施工技術要求的前提下,綜合考量碳排放強度和熟料總用量之間的平衡關系,通過技術創新和突破來解決。

我們深知水泥行業是高減排難度(hard-to-abate)的主要工業行業之一,這不僅是因為水泥有固定的工藝過程排放,更是由于水泥行業整體體量大但單體規模小,且因絕對價格較低而難以承受很高的減排成本,這些都為水泥行業CCS規模化和新興水泥替代技術的大幅突破增加了難度。但同時,由于當前供給側改革成效顯著,水泥企業整體利潤水平良好,行業整合度提升,正處于健康發展期,有能力未雨綢繆、大刀闊斧地推動技術創新,把握低碳轉型機遇期。

對水泥企業的啟示

  1. 捕捉低碳大勢帶來的商業模式變革機會,主動適應下游趨勢:水泥企業應重新思考產品結構、合作關系和自身在整個建筑行業的價值位,評估建筑開發商等主要下游客戶在低碳環境下的需求變化,對新增長機會盡早布局。例如,水泥企業可考慮推進替代建材領域的技術研發與企業收購,針對下游建筑商方面可能出現的新型建筑材料、建筑信息模型,以及預制化、模塊化建筑解決方案進行提前布局,將生產與建筑信息模型結合,向下游拓展更多商業可能性。針對未來可持續燃料資源的獲取(例如生物質能),水泥企業應當根據地區特征盡早布局,因為其他行業也將參與這場碳中和競賽,也希望通過可持續燃料實現碳減排目標。
  2. 在“十四五”高質量發展的主題下,大力推動“低碳+數字化”的運營轉型,將效率提升做到極致: 深入理解“十四五”期間國家碳減排目標對水泥產業鏈的影響,主動開展端到端的碳足跡評估和減排成本曲線評估;將數字化運營與低碳轉型相結合,利用人工智能和機器學習等手段在生產過程中減少波動、提高能效,在持續改善經營效率的同時降低企業的能耗和碳排放。例如,一家歐洲水泥生產商通過創建窯爐熱曲線的自學習模型優化窯爐火焰的形狀和強度,節省了6%的燃料。未來的領先水泥企業可通過“低碳+數字化”的運營超越競爭對手。
  3. 關注低碳大勢對水泥產業生態的中長期影響,探索可能的綠色增長新機遇: 對新材料、新工藝和新減排技術等領域保持追蹤,在有條件的前提下進行試點,獲取行業發展的先行者優勢。對于產業鏈上新興綠色產品可能出現的“綠色溢價”,通過開發相應的“低碳、零碳產品線”,在具有環保意識的客戶那里贏得口碑。未來水泥行業的生態可能會被碳中和大勢重塑,提前布局創新技術才是轉危為機之道。

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對政策制定者的建言

鑒于水泥行業碳減排技術選項少,且成熟技術(如替代燃料)和新興技術(如CCS)之間過渡難度大,因此該行業的碳減排路徑亟需強有力的政策支持。總體而言,首先是要有明確的方向和目標;其次是要盡快推出并落實將水泥納入碳價格體系的政策;第三是加強對于新興技術的定向研發和財務激勵。如此一來,便可吸引更多資本的關注和支持,推動形成綠色水泥產業聯盟,幫助水泥這一傳統行業煥發新活力,支持中國碳中和旅程行穩致遠。

 

結束語

實現“零碳中國 ”,需要未來十年持之以恒的關鍵舉措與實際行動。我們認為,碳中和轉型早已不是“可選項”,而是如箭在弦的“必選項”。我們希望通過近期推出的一系列文章為盡快落實碳中和轉型提供思路和洞見,觸發更多思維激蕩和觀點碰撞,與社會各界協力構建零碳社區,推動各方共同努力實現深度變革。

在近期的一系列微信推文中,我們還將就重點產業碳減排(包括煤化工、油氣產業等)、電力行業碳減排及新型碳減排技術(碳捕集利用與封存、氫能等)展開深度論述。歡迎行業同仁在留言區與我們交流觀點,或直接與團隊取得聯系。

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作者介紹

華強森(Jonathan Woetzel)為麥肯錫資深全球董事合伙人及麥肯錫全球研究院聯席院長,常駐上海分公司;

許浩為麥肯錫全球董事合伙人,常駐北京分公司;

汪小帆為麥肯錫全球董事合伙人,常駐上海分公司;

廖緒昌為麥肯錫資深項目經理,常駐香港分公司。

本文作者感謝馮梓君、高雅、黃逸楠、李星澤、李雅婷、廖建凱、林天惠、盧奕丞、謝瑢、楊旭晨、姚宇涵、葉婧文、于冰清、袁子葳、張明亮、趙佳茵對本文的貢獻。(排名按照姓氏順序)

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