IMED研究 | 负排放技术：中国水泥行业脱碳的关键

题目

Negative emission technology is key to decarbonizing China’s cement industry

作者

Ming Ren, Teng Ma, Chen Fang, Xiaorui Liu, Chaoyi Guo, Silu Zhang, Ziqiao Zhou, Yanlei Zhu, Hancheng Dai, Chen Huang*

期刊

Applied Energy

时间

2023年1月

一作

单位

College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China.

链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261922015112

研究概要

研究概要

水泥行业，贡献了全球8%的二氧化碳排放和大量的空气污染物，其在全球实现碳中和进程中扮演着关键角色。水泥行业是全社会脱碳的核心部门，具有显著的产业链关联特征，在上游拉动采矿、化石能源、电力等行业，在下游支撑建筑、交通等部门，其未来技术选择路径将对自身水泥产量、上下游行业减排潜力产生深刻影响，可谓牵一发而动全身。然而，目前学界针对水泥行业如何实现净零排放以及产生多大经济环境影响的研究略显不足。

北京大学LEEEP团队任明与黄晨博士后基于自上而下的可计算一般均衡模型（IMED|CGE）、自下而上的技术优化模型（IMED|TEC）和生命周期评估，构建了探索水泥行业的碳中和路径和相应环境影响的综合评估框架，开展如下分析：

1. 预测全社会碳中和背景下未来中国水泥需求

2. 识别水泥行业碳中和的技术路径与关键技术

3. 评估不同碳中和情景下产生的环境经济影响

    本研究将为我国重点行业深度脱碳路径及其伴生影响提供学术支撑。

研究背景

实现1.5°C的气候变化目标需要到本世纪中叶全球净二氧化碳排放量达到净零。水泥行业占全球二氧化碳排放量的8%，对于实现雄心勃勃的巴黎气候目标至关重要。中国是世界上最大的二氧化碳排放国，承诺到2030年二氧化碳排放量达到峰值，到 2060 年实现碳中和。中国是全球最大的水泥生产国，水泥行业约占中国全国工业二氧化碳排放量的三分之一。

实现水泥行业二氧化碳净零排放将是中国2060年碳中和承诺的基石，也为将全球平均气温升幅控制在2°C以下提供了坚实的基础。作为中国大气污染物排放大户，水泥行业正在努力满足超低排放标准。水泥生产中的CO2排放来自化石燃料的直接燃烧（约占CO₂总排放量的30-40%）、化学反应产生的过程相关排放（50-60%）以及上游电力生产排放（5-12%)。石灰石化学反应产生的大量过程排放使水泥行业成为实现净零排放最具挑战性的行业之一。因此，探索中国水泥行业的低碳转型路径并评估其环境经济影响具有重要意义。

尽管现有研究探索了水泥行业的减排路径，但是针对实现净零排放的路径与手段研究较少。其次，现有研究多聚焦于供给侧减排措施，欠缺对需求侧减排措施（如下游水泥材料利用效率提升）的分析。另外，除了需要关注水泥下游需求侧减排影响，还需注重水泥行业与上游产业（如电力行业）的关联作用。最后，水泥行业采取脱碳措施也会对当地的资源和环境产生影响，然而，这在现有研究中尚未完全量化。

因此，为弥补以上研究不足，作者选取中国水泥行业作为研究案例，预测全社会碳中和背景下未来中国水泥需求，识别水泥行业碳中和的技术路径与关键技术，评估不同碳中和情景下产生的环境经济影响。

研究方法

本研究综合运用了自上而下的IMED|CGE模型、自下而上的IMED|TEC模型和LCA模型。

首先，使用IMED|CGE模型，识别碳中和目标对中国水泥需求的影响，分析碳中和背景下中国国民经济的动态演变和行业间的相互作用。

其次，运用IMED|TEC模型优化未来的技术路径，以在满足水泥需求和二氧化碳净零排放目标约束下最大限度地降低总成本。

此外，本研究还使用了LCA方法，从生命周期的角度考虑一次能源（煤炭、天然气、生物质和核燃料）供应活动对环境的影响。一方面，可评估水泥生产过程和电力生产的直接环境影响，另一方面，可涵盖与初级能源生产活动相关的环境影响。

图1 本研究综合模型框架

图2 水泥行业IMED|TEC模型简化框架

表1 模型情景设置

研究结果

未来水泥需求预测

图3 BAU与碳中和情景下中国水泥需求预测（2020-2060）

在BAU情景，水泥需求预计将从2020年的23.94亿吨减少到2060年的13.13亿吨。建筑行业是最大的水泥消费行业，其次是运输、工业和农业行业。预计2060年建筑行业的水泥需求为5.04亿吨，交通行业为2.99亿吨。

在碳中和情景，2060年水泥需求量为11.1亿吨，比BAU情景下低15%。到2060年，建筑用水泥需求预计为4.82亿吨，比BAU情景下的需求低4%（2.2亿吨），仍是水泥最大消费者。此外，交通部门受到影响最大，其次是工业部门。在碳中和情景下，2060年交通和工业的水泥需求将分别为2.10亿吨和1.56亿吨，分别比BAU情景降低30%和24%。农业是受影响最小的行业，其在碳中和情景下对水泥的需求与BAU情景下几乎相同。

水泥行业碳中和技术路径

图4 典型碳中和情景（DemL_Conv_Pollu0）下低碳技术普及率预测

图4展示了典型碳中和（DemL_Conv_Pollu0）情景下的最优技术发展路径。不同碳中和情景下，实现能耗和碳排放降低的节能技术表现了相似的发展趋势，表明碳中和目标下节能技术的演进路径结果是稳健的，并且对电力生产和未来水泥需求路径不敏感。此外，到2030年所有选定的节能技术将迅速达到最大普及率。

然而，由于热力学限制和大量过程排放，推广节能技术远不足以实现水泥行业净零排放。长远来看，实施其他突破性技术对于净零排放至关重要。其中，CCS是最有前途的创新技术之一，预计到2030年将完全商业化。CCS预计将在2030年后逐步引入水泥行业，期间伴随着燃料转换过程（用生物质替代30%的煤炭，BECCS）。到2060年，CCS在水泥行业的渗透率预计为68-75%。到2060年，包括水电、风能、太阳能和核能在内的可再生/清洁能源在总电力供应中所占的份额将逐渐增加到65%。联合发电CCS技术（90%是生物质能，10%是煤炭）将在2032年出现，2060年其份额增加到32%。燃料转换CCS技术（BECCS）预计在2043年出现，其在水泥行业的渗透率将增加到69%。

能耗强度与能源消费

图5 不同情景下的能源强度

在BAU情景下，由于节能技术的推广，能源强度从2020年的106 kgce下降到2060年的92 kgce。在碳中和情景下，能源强度首先会随着能效技术的快速推广而下降，然后随着CCS的引入而增加。以DemL_Conv_Pollu0情景为例，到2033年能源强度先下降到68 kgce，到2060年增加到104 kgce，比DemH_Base_Pollu0情景下高出13%。这是因为部署CCS会消耗额外的电力。到2060年，碳中和情景下水泥电耗强度预计将比BAU情景增加41-60%。因此，未来CCS用电量应引起足够的重视。

如图6所示，在BAU情景，由于水泥需求减少和节能技术的推广，一次能源消费总量将从2020年的253 Mtce减少到2060年的 121 Mtce。在碳中和情景，消费总量先是快速下降，然后在130 Mtce左右小幅波动。此外，煤炭正逐渐被可再生能源，尤其是生物能源所取代。生物能源主要是用于电力生产，到2060年占生物能源总消费的67%（图7）。用电量趋势未来呈U型，2043年后电力消耗的增长趋势是由CCS推动的，预计到2060年将达到23 Mtce。

图6 不同情景下水泥行业未来一次能源消费

图7 未来水泥行业生物质与电力消耗

碳排放与经济成本

在水泥行业实现碳中和的技术路径中，BECCS是核心技术，BECCS产生的CO2负排放对于中和难以减排的CO2排放，尤其是对降低过程排放至关重要，能够产生5亿吨负排放，其中75%来自水泥生产，25%来自电力生产。实施需求侧减排，将使所需负排放量降低 15%（约8000万吨），在碳中和情景下，2060年系统成本可能提升至约5800亿元。但实施需求侧减排令其降至4500亿元（约21%）。综上，相比单一行业碳中和政策，考虑产业链耦合的碳中和政策有助降低转型负担。

图8 不同情景水泥行业与上游电力行业（部分）碳排放路径

图9 不同情景水泥行业总成本与边际减排成本

环境影响

水泥行业的碳中和政策也会带来一定的环境影响，BECCS将使水资源和土地资源消耗将大幅提升。与基准情景比，碳中和情景水耗将提升近3倍，土地使用将增加2.6至4.3百万公顷，约占我国陆地总面积的0.27%至0.44%。而在污染物控制方面，燃料转换和能效提升将显著减少二氧化硫和氮氧化物排放（64%和54%），但对降低PM2.5排放作用有限（11%），PM2.5部分源于过程排放，需要推广末端治理技术来进行治理，这将提高水泥生产的成本（年均300至440亿元）。

图10 不同情景下水泥行业转型的多维环境影响

研究结论

本研究通过构建综合评估框架评估了未来水泥行业碳中和转型的可行路径、关键技术与相应环境经济影响。可从中得出如下几点政策启示：

（1）在近期要加快能效技术普及；远期要依赖BECCS技术与需求侧控制手段；

（2）碳中和将带来额外经济成本，考虑产业链耦合的政策优于单一行业政策，将降低转型经济负担；

（3）碳中和可能会深度加剧碳-水，碳-土地权衡，要降低生物质和捕集技术水耗、提升单位土地生物质产出，推动碳中和与负面环境影响解耦。

编辑&排版：黄晨

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