“中國加速邁向碳中和”煤化工篇：煤化工行業(yè)碳減排路徑

編者按：在“中國加速邁向碳中和”系列的開(kāi)篇文章中，我們暢想了2050年由電動(dòng)汽車(chē)、氫氣煉鋼、光伏發(fā)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(shí)現也意味著(zhù)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(shí)間的雙重挑戰，碳中和轉型的道路亟待開(kāi)啟。在各國競相開(kāi)展具體的研究與落地工作之時(shí)，中國也在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì )一般性辯論中率先提出了“碳達峰、碳中和”目標。聯(lián)合國可持續發(fā)展目標13“氣候行動(dòng)”也是麥肯錫中國區社會(huì )責任重點(diǎn)之一，在此關(guān)鍵節點(diǎn)上，麥肯錫在中國區正式啟動(dòng)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(fā)展研究的豐富經(jīng)驗，結合對中國社會(huì )、行業(yè)和企業(yè)的全面理解和深刻洞見(jiàn)，動(dòng)員全球百余人知識力量，開(kāi)展橫跨各大主要工業(yè)板塊的碳中和轉型趨勢、對策和技術(shù)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(yè)為樣本繼續展開(kāi)碳中和轉型研究。隨后我們還將陸續發(fā)布一系列文章，內容涵蓋油氣、電力等高碳排放行業(yè)，涉及碳減排路徑剖析、新興技術(shù)研討、投資成本預測、國際實(shí)踐分享等眾多主題，也會(huì )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(shù)的最新趨勢等。在持續推進(jìn)此項研究的過(guò)程中，我們非常歡迎各界專(zhuān)家同仁不吝賜教，您可在留言區提出寶貴意見(jiàn)，也可直接與團隊取得聯(lián)系。我們期待與社會(huì )各界共同推進(jìn)綠色中國碳中和轉型之路。

中國煤化工行業(yè)碳減排的必要性

煤化工行業(yè)一直是煤炭產(chǎn)業(yè)鏈上的碳排放大戶(hù)，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(yè)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1)，這就導致中國煤化工行業(yè)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(huì )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(yè)需要在2050年之前將碳排放量降低90%以上。

近年來(lái)，傳統煤炭企業(yè)向煤化工轉型，中國煤化工產(chǎn)業(yè)規模穩步增長(cháng)。因為中國特色的能源結構以及經(jīng)濟考量，煤炭在化工領(lǐng)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(yè)要實(shí)現高碳能源的低碳化利用，優(yōu)化并減少下游產(chǎn)品需求，降低能耗煤耗，提高能源電氣化水平，發(fā)展潔凈能源技術(shù)，搶占低碳技術(shù)戰略制高點(diǎn)，以科技進(jìn)步推動(dòng)工業(yè)結構全面轉型升級。

中國煤化工行業(yè)碳減排路徑

在煤化工行業(yè)，我們重點(diǎn)分析了煤耗最多的兩個(gè)產(chǎn)品——合成氨和甲醇，這兩個(gè)產(chǎn)品占到2019年煤化工行業(yè)煤耗的一半以上。合成氨和甲醇的碳排放來(lái)自于煤氣制氫過(guò)程中的副產(chǎn)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(jiàn)圖2），1噸甲醇約產(chǎn)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(chǎn)能效提高（包括通過(guò)工藝和運營(yíng)優(yōu)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(guò)碳捕集利用與封存（CCUS）以及綠氫等新興技術(shù)來(lái)解決(見(jiàn)圖3)。

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(lái)30年預計會(huì )持續增長(cháng)，所以更大的碳減排缺口仍需要新興技術(shù)解決。我們預計在2050年，80%以上的甲醇生產(chǎn)需要使用CCUS或綠氫，才能實(shí)現1.5攝氏度溫控路徑下甲醇行業(yè)全面碳減排的要求（見(jiàn)圖4）。

舉例：合成氨碳減排路徑

因為生產(chǎn)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(lái)進(jìn)一步闡明每個(gè)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(chǎn)，約90%的合成氨會(huì )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(dòng)的。

a耕地減少

我國總體耕地面積預計未來(lái)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(cháng)期過(guò)度耕種導致耕地土質(zhì)下降，當前我國20億畝耕地中已有19.4%污染耕地、17.8%低等耕地和8000多萬(wàn)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(shí)，伴隨著(zhù)城鎮化進(jìn)程，未來(lái)農村人口預計將進(jìn)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(chǎn)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(jiàn)圖5）。中國農場(chǎng)的人均耕地面積遠低于西方國家，小農戶(hù)缺乏科學(xué)使用化肥的知識，導致中國存在化肥過(guò)量使用、盲目使用的問(wèn)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(lái)這個(gè)問(wèn)題有所改善，在“十三五”時(shí)期，政府通過(guò)農民教育和地方監管，積極控制化肥施用量。未來(lái)，隨著(zhù)土地所有權整合，大農場(chǎng)預計會(huì )逐漸代替個(gè)體農戶(hù)成為主流農場(chǎng)模式。大農場(chǎng)主的每公頃氮肥施用量遠遠低于小農場(chǎng)主；同時(shí)，大農場(chǎng)主也更愿意采用優(yōu)化的耕種技巧，例如使用有機化肥、緩釋化肥等新式化肥，進(jìn)一步提高化肥使用效率。

2現有減碳技術(shù)

新興氣化爐和燃料電氣化技術(shù)已經(jīng)成熟，如果在行業(yè)廣泛應用，可以有效降低超過(guò)50%的碳排放，但是會(huì )產(chǎn)生額外的資本支出和運營(yíng)成本。由于煤化工行業(yè)整體利潤水平較低，因此需要外部推力來(lái)將碳排放的外部成本內部化，才能提高這兩項技術(shù)在行業(yè)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(chǎn)能力低、污染處理困難，已普遍為國外現代煤化工行業(yè)所淘汰。隨著(zhù)碳排放要求提高，煤化工企業(yè)需要積極置換產(chǎn)能，淘汰升級高煤耗的老舊固定床氣化技術(shù)，使用新興高效率的粉煤氣化等技術(shù)。預計在2030年，通過(guò)升級煤氣設備，行業(yè)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(shù)已經(jīng)成熟，但是在高溫流程中會(huì )顯著(zhù)提高運營(yíng)成本，預計減排1噸二氧化碳的成本超過(guò)100美元。

3新興碳減排技術(shù)

CCUS和電解氫這兩個(gè)新興技術(shù)，是解決合成氨行業(yè)碳減排最后一里路的抓手，這兩項技術(shù)都可以將合成氨生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放降低超過(guò)80%，但目前仍處于技術(shù)探索階段。

a碳捕集利用與封存(CCUS)

CCUS同煤化工的發(fā)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(yè)。據我們估計，合成氨行業(yè)每噸二氧化碳捕獲成本約80元人民幣，而其他行業(yè)（如水泥、電力）則超過(guò)200元人民幣。該技術(shù)可以?xún)?yōu)先在華北、東北、內蒙古等靠近油田的地方利用起來(lái)，通過(guò)二氧化碳進(jìn)行驅油降低碳排放成本。未來(lái)30年，如果CCUS發(fā)展程度提高，建設運輸管道及儲存設施，與其他高碳產(chǎn)業(yè)形成產(chǎn)業(yè)協(xié)同，則有望進(jìn)一步擴大行業(yè)內應用。

b電解氫

使用電解氫生產(chǎn)合成氨代替煤制氫，這個(gè)技術(shù)已經(jīng)成熟，但由于當前成本較高，還未能在合成氨行業(yè)應用。根據我們的測算，假設以工業(yè)電價(jià)0.6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(zhù)電解氫轉化效率進(jìn)一步提高以及新能源電價(jià)下降，在部分可再生能源余裕的區域，電解氫未來(lái)成本可以會(huì )低于煤制氫。如果成本優(yōu)勢明顯，合成氨產(chǎn)業(yè)廠(chǎng)集群有可能逐漸向該區域轉移，下游生產(chǎn)尿素所需的二氧化碳可以從周邊高碳企業(yè)捕集的二氧化碳中獲取。

對煤化工企業(yè)的啟示

1轉危為機，提前鎖定下游需求，尋找未來(lái)商機

評估主要下游客戶(hù)在低碳環(huán)境下的需求變化，找到低碳增長(cháng)點(diǎn)。面對新增長(cháng)機會(huì )，分析潛在收益來(lái)確定重點(diǎn)發(fā)展方向，并制定進(jìn)入方案。例如，合成氨行業(yè)的農業(yè)需求會(huì )大幅下降，可以通過(guò)進(jìn)入下游化肥行業(yè)或醇氨聯(lián)產(chǎn)等方式來(lái)降低碳減排對未來(lái)盈利的影響。

2當機立斷，對于生產(chǎn)流程主動(dòng)出擊，尋找碳減排機會(huì )

深入理解“十四五”期間國家碳減排目標對煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的影響，根據企業(yè)目前碳排放情況制定碳減排目標，并在資產(chǎn)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(jīng)濟效益、投資成本、運營(yíng)成本和對應風(fēng)險的預估，從中找出最可行、最經(jīng)濟的碳減排路徑。煤化工企業(yè)可主動(dòng)排查并關(guān)閉低附加值產(chǎn)品生產(chǎn)線(xiàn)，通過(guò)數字化建立精細化工生產(chǎn)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(shù)，從而降低煤耗水平。

3先人一著(zhù)，關(guān)注零碳轉型對煤化工全產(chǎn)業(yè)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(shù)進(jìn)行定期追蹤，在有條件的前提下加速小規模試點(diǎn)。同時(shí)研判建立多個(gè)未來(lái)情景，預測行業(yè)在零碳環(huán)境下的產(chǎn)業(yè)鏈最終形態(tài)，為未來(lái)的產(chǎn)品和服務(wù)升級以及業(yè)務(wù)轉型做好準備。

我們看到碳中和轉型目標，企業(yè)、行業(yè)和地方都需要因地制宜采取最適合本地的碳中和轉型路徑。從相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策、煤控規定、監督方法方式、以及本地環(huán)境承載力，逐步制定并推進(jìn)“煤電一體化”發(fā)展，可以借鑒現代煤化工為核心的“油氣化電”多聯(lián)產(chǎn)新模式，探索化工與煤炭、冶金、電力、紡織等產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，進(jìn)而提高產(chǎn)業(yè)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(fā)展精細化工產(chǎn)業(yè)，在提高地方產(chǎn)業(yè)競爭力的同時(shí)降低整體碳排放。同時(shí)，探尋責任、績(jì)效考核，政策措施、試點(diǎn)經(jīng)驗等方面對于綠色低碳轉型的促進(jìn)作用，引導企業(yè)和社會(huì )對碳減排技術(shù)和零碳行業(yè)加大資金投入。對于經(jīng)濟效益低的碳減排抓手投資主動(dòng)給予有針對性的補貼支持，例如新技術(shù)的研制和試點(diǎn)落地、綠色債券和補貼等。引導資本對核心碳減排技術(shù)進(jìn)行布局，成立綠色產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，擴大規模效應，降低企業(yè)使用碳減排技術(shù)的邊際成本。鼓勵企業(yè)對于核心碳減排技術(shù)主動(dòng)投入研發(fā)，在合適時(shí)機可以走出國門(mén)、走向世界，打造綠色“中國創(chuàng )造”名片。

結束語(yǔ)

實(shí)現“零碳中國”，需要未來(lái)十年持之以恒的關(guān)鍵舉措與實(shí)際行動(dòng)。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(guò)即將推出的一系列文章為盡快落實(shí)碳中和轉型提供思路和洞見(jiàn)，觸發(fā)更多思維激蕩和觀(guān)點(diǎn)碰撞，與社會(huì )各界協(xié)力構建零碳社區，推動(dòng)各方共同努力實(shí)現深度變革。

來(lái)源:麥肯錫作者:華強森等 

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