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“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四篇,本文將以煤化工行業為樣本繼續展開碳中和轉型研究。隨后我們還將陸續發布一系列文章,內容涵蓋油氣、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、碳捕集利用與封存(CCUS)、氫能等新型碳減排技術的最新趨勢等。在持續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。

國煤化工行業碳減排的必要性

煤化工行業一直是煤炭產業鏈上的碳排放大戶,在2015年約貢獻了中國碳排放總量的10%。由于資源稟賦,相比其他國家,中國的化工行業更多使用高碳排放的煤炭作為原料。以合成氨和甲醇為例,天然氣是大多數國家合成氨和甲醇的主要原料,而在中國約80%的合成氨和甲醇是由煤炭制成(圖一),這就導致中國煤化工行業的碳強度高于其他國家。煤制氫1公斤(合成氨和甲醇原料氣)會排放約11公斤的二氧化碳,如果是天然氣制氫,碳排放將減少一半。根據麥肯錫內部分析,為達到1.5攝氏度溫控目標,化工行業需要在2050年之前將碳排放量降低90%以上。

近年來,傳統煤炭企業向煤化工轉型,中國煤化工產業規模穩步增長。因為中國特色的能源結構以及經濟考量,煤炭在化工領域短期內很難被完全取代,所以煤炭清潔高效利用就成了重中之重。煤化工行業要實現高碳能源的低碳化利用,優化并減少下游產品需求,降低能耗煤耗,提高能源電氣化水平,發展潔凈能源技術,搶占低碳技術戰略制高點,以科技進步推動工業結構全面轉型升級。

中國煤化工行業碳減排路徑

在煤化工行業,我們重點分析了煤耗最多的兩個產品——合成氨和甲醇,這兩個產品占到2019年煤化工行業煤耗的一半以上。合成氨和甲醇的碳排放來自于煤氣制氫過程中的副產二氧化碳和燃煤燃燒,根據我們的計算,1噸合成氨在全生命周期排放約4.9噸二氧化碳(見圖二),1噸甲醇約產生4.4噸二氧化碳。

針對合成氨碳減排,終端需求下降是最大抓手,預計最高可貢獻40%的二氧化碳減排;在供給側減排抓手中,生產能效提高(包括通過工藝和運營優化減少碳排放)貢獻約15%,燃煤電氣化貢獻約30%,剩下5%-10%的碳減排缺口則需要通過碳捕集利用與封存(CCUS)以及綠氫等新興技術來解決(見圖三)。

甲醇的碳減排抓手與合成氨相似,能效提高和燃煤電氣化可分別將碳排放量降低15%和20%。但因為在建筑、化工上的廣泛使用,甲醇終端需求在未來30年預計會持續增長,所以更大的碳減排缺口仍需要新興技術解決。我們預計在2050年,80%以上的甲醇生產需要使用CCUS或綠氫,才能實現1.5攝氏度溫控路徑下甲醇行業全面碳減排的要求(見圖四)。

例:合成氨碳減排路徑

因為生產流程相似、減排抓手重合,我們在本篇文章將以合成氨為例來進一步闡明每個碳減排抓手。

  1. 需求側管理:合成氨主要下游用途為氮肥生產,約90%的合成氨會被加工為氮肥。預計到2050年,中國的氮肥用量有潛力下降40%,這是由耕地減少和化肥使用效率提高共同驅動的。

a.耕地減少:我國總體耕地面積預計未來將延續下降趨勢,從20億畝降低到接近18億畝,預估下降10%。長期過度耕種導致耕地土質下降,當前我國20億畝耕地中已有4%污染耕地、17.8%低等耕地和8000多萬畝不穩定耕地,休養生息、退耕還林還草、輪作休耕勢在必行。同時,伴隨著城鎮化進程,未來農村人口預計將進一步遷出,導致部分耕地荒置。

b.化肥使用效率提高:在不影響產量的前提下,我們預計中國的每公頃每年氮肥用量有潛力在2050年下降30%(見圖五)。中國農場的人均耕地面積遠低于西方國家,小農戶缺乏科學使用化肥的知識,導致中國存在化肥過量使用、盲目使用的問題,中國的農作物公頃均氮肥用量為306公斤,遠高于世界平均水平,是美國的兩倍以上。近年來這個問題有所改善,在“十三五”時期,政府通過農民教育和地方監管,積極控制化肥施用量。未來,隨著土地所有權整合,大農場預計會逐漸代替個體農戶成為主流農場模式。大農場主的每公頃氮肥施用量遠遠低于小農場主;同時,大農場主也更愿意采用優化的耕種技巧,例如使用有機化肥、緩釋化肥等新式化肥,進一步提高化肥使用效率。

圖五5

2.現有減碳技術:新興氣化爐和燃料電氣化技術已經成熟,如果在行業廣泛應用,可以有效降低超過50%的碳排放,但是會產生額外的資本支出和運營成本。由于煤化工行業整體利潤水平較低,因此需要外部推力來將碳排放的外部成本內部化,才能提高這兩項技術在行業的應用空間。

a.新興氣化爐:我國現有氣化爐仍以老舊固定床為主,其單爐生產能力低、污染處理困難,已普遍為國外現代煤化工行業所淘汰。隨著碳排放要求提高,煤化工企業需要積極置換產能,淘汰升級高煤耗的老舊固定床氣化技術,使用新興高效率的粉煤氣化等技術。預計在2030年,通過升級煤氣設備,行業單位煤耗有潛力減少30%,從而將碳排放量降低約15%。

b.燃料電氣化:燃煤電氣化可以消除燃煤碳排放(占總體的50%),這項技術已經成熟,但是在高溫流程中會顯著提高運營成本,預計減排1噸二氧化碳的成本超過100美元。

3.新興碳減排技術:CCUS和電解氫這兩個新興技術,是解決合成氨行業碳減排最后一里路的抓手,這兩項技術都可以將合成氨生產過程中的碳排放降低超過80%,但目前仍處于技術探索階段。

a.碳捕集利用與封存(CCUS)CCUS同煤化工的發展具有很好的耦合性,因為二氧化碳濃度高,捕集成本遠低于其他行業。據我們估計,合成氨行業每噸二氧化碳捕獲成本約80元人民幣,而其他行業(如水泥、電力)則超過200元人民幣。該技術可以優先在華北、東北、內蒙古等靠近油田的地方利用起來,通過二氧化碳進行驅油降低碳排放成本。未來30年,如果CCUS發展程度提高,建設運輸管道及儲存設施,與其他高碳產業形成產業協同,則有望進一步擴大行業內應用。

b.電解氫:使用電解氫生產合成氨代替煤制氫,這個技術已經成熟,但由于當前成本較高,還未能在合成氨行業應用。根據我們的測算,假設以工業電價6元每度計算,電解氫制合成氨的成本是煤制氫的3倍以上。隨著電解氫轉化效率進一步提高以及新能源電價下降,在部分可再生能源余裕的區域,電解氫未來成本可以會低于煤制氫。如果成本優勢明顯,合成氨產業廠集群有可能逐漸向該區域轉移,下游生產尿素所需的二氧化碳可以從周邊高碳企業捕集的二氧化碳中獲取。

對煤化工企業的啟示

  1. 轉危為機,提前鎖定下游需求,尋找未來商機:評估主要下游客戶在低碳環境下的需求變化,找到低碳增長點。面對新增長機會,分析潛在收益來確定重點發展方向,并制定進入方案。例如,合成氨行業的農業需求會大幅下降,可以通過進入下游化肥行業或醇氨聯產等方式來降低碳減排對未來盈利的影響。
  2. 當機立斷,對于生產流程主動出擊,尋找碳減排機會:深入理解“十四五”期間國家碳減排目標對煤化工產業鏈的影響,根據企業目前碳排放情況制定碳減排目標,并在資產層面制定具體減排措施,計算其減排潛力和投資回報情況,即經濟效益、投資成本、運營成本和對應風險的預估,從中找出最可行、最經濟的碳減排路徑。煤化工企業可主動排查并關閉低附加值產品生產線,通過數字化建立精細化工生產管控能力,也可升級為更成熟的新興氣化爐和燃料電氣化技術,從而降低煤耗水平。
  3. 先人一著,關注零碳轉型對煤化工全產業鏈的影響,提前布局: 對CCUS、可再生能源代替煤制氫等新興技術進行定期追蹤,在有條件的前提下加速小規模試點。同時研判建立多個未來情景,預測行業在零碳環境下的產業鏈最終形態,為未來的產品和服務升級以及業務轉型做好準備。

對政策制定者的建言

政策制定者應充分響應中央號召,主動制定地方碳中和轉型目標,因地制宜采取最適合本地的碳中和轉型路徑。地方政府要堅決貫徹落實國家相關產業政策及煤控相關規定,加強有效監督。應當根據本地環境承載力,逐步制定并推進“煤電一體化”發展,形成以現代煤化工為核心的“油氣化電”多聯產新模式,探索化工與煤炭、冶金、電力、紡織等產業融合發展,進而提高產業競爭力與整體效益。逐步淘汰低附加值的落后煤化工制品,大力發展精細化工產業,在提高地方產業競爭力的同時降低整體碳排放。

與此同時,應突出地方責任、強化績效考核,完善政策措施、探索試點經驗,引導企業和社會對碳減排技術和零碳行業加大資金投入。對于經濟效益低的碳減排抓手投資主動給予有針對性的補貼支持,例如對企業采用新興氣化爐和燃煤電氣化舉措進行補貼,對于有條件開展CCUS和電解制氫試點的企業給予優惠貸款、發放綠色債券或直接補貼。引導資本在宏觀產業層面對于核心碳減排技術進行布局,成立綠色產業聯盟,擴大規模效應,降低企業使用碳減排技術的邊際成本。鼓勵企業對于核心碳減排技術主動投入研發,在合適時機可以走出國門、走向世界,打造綠色“中國創造”名片。

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”。我們希望通過即將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,我們將就重點產業碳減排(包括油氣產業)、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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華強森(Jonathan Woetzel)為麥肯錫資深全球董事合伙人兼麥肯錫全球研究院聯席院長,常駐上海分公司;
洪晟為麥肯錫全球資深董事合伙人,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)

自2021年起,麥肯錫中國區以每年投入相當于全體員工1%工時的公益服務為目標,聚焦聯合國可持續發展目標“優質教育”“氣候行動”與“性別平等”,提供跨行業連接、戰略賦能和洞見分享平臺,鼓勵員工與各界伙伴的深度參與。