加速工业深度脱碳： 中国水泥行业碳中和之路

加速工业深度脱碳： 中国水泥行业碳中和之路 执行摘要 2022.09 关于落基山研究所(RMI) 落基山研究所(RMI)是一家于1982年创立的专业、独立、以市场为导向的智库。我们与企业、政策制定者、科研机构及创业者协作，识别并规模化推广能源系统转型解决方案，推动全球能源系统转型，践行1.5°C温控气候目标，创造清洁、繁荣的零碳共享未来。落基山研究所在北京、美国科罗拉多州巴索尔特和博尔德、纽约市、加州奥克兰及华盛顿特区设有办事处。 关于中国水泥协会 中国水泥协会（CCA）于1987年在北京成立，是具有独立法人资格的社会团体。中国水泥协会是由全国水泥及相关产品的生产企业、科研工程设计企业、投资咨询企业等单位自愿组成的行业性组织，具有广泛的代表性，是企业与政府联系的桥梁纽带，为企业和政府、社会做好技术与政策咨询服务。我们与企业、政府、科研设计机构及建设者共同协作，促进水泥行业绿色低碳永续发展。 作者与鸣谢 作者 落基山研究所(RMI)中国水泥协会 李婷王郁涛 李抒苡范永斌 李威张翼 闫榕夏凌风 张梦露赵峙杰 刘淑娟 其他作者 高旭东中国水泥协会郭珍妮中存大数据邱林中存大数据叶寒韵中存大数据贺梦蛟中存大数据孙盈盈中存大数据 李晋清华大学环境学院 联系方式 李威wli@rmi.org 引用建议 落基山研究所,中国水泥协会,加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路,2022 鸣谢 特别感谢AngelaWrightBennettFoundation、BloombergPhilanthropies、ClimateWorksFoundation、QuadratureClimateFoundation和TheWilliamandFloraHewlettFoundation对本报告的支持。 我们也向为本研究提供意见和建议的来自水泥企业和研究机构的专家们表示诚挚的感谢。 前言 水泥行业是中国实现碳中和的关键行业之一。中国的水泥生产与消费占据全球市场的一半以上，碳排放占全国总排放量的13%，仅次于电力与钢铁行业。水泥行业减排的难点一是减少生产过程的排放，这需要能够大规模替换现有原料的工艺技术；二是改变以煤炭为主体的燃料结构。此外，中国水泥企业的资产运行年限较短，快速转型带来的搁浅资产风险较高，同时，较低的行业集中度也对新技术的大规模应用带来一定挑战。 在双碳目标下，中国正在着力构建碳达峰碳中和“1+N”政策体系，包括制订以水泥为代表的建材等重点行业的碳达峰实施方案。随着以建筑业为代表的下游产业向低碳转型，产业政策如错峰生产和减量置换等常态化，以及碳市场等市场措施的启动，水泥行业向低碳乃至碳中和转型有望不断取得进展。 本报告《加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路》由RMI与中国水泥协会共同合作，针对水泥行业在碳中和目标下的转型路线图进行深入探讨。我们的分析表明，水泥行业实现碳中和需要在减量、燃料、品种、能效和末端处理各环节共同发力。在城镇化与基建需求放缓、淘汰落后产能以及建筑业提升材料效率等多重因素影响下，中国的水泥需求与产量将呈现明显下降趋势。在此基础上，燃料替代技术将发挥重要减排作用。与此同时，调整水泥品种可以起到降低过程排放的作用，其路径包括调整水泥的熟料系数、生产新型低碳水泥，以及替代原料技术。碳捕集、封存与利用（CCUS）是水泥行业实现碳中和的重点技术之一，能够为水泥工艺中的部分碳排放进行末端处理，对未来水泥产业的布局也将产生影响。 值得指出的是，水泥行业碳中和需要依靠价格机制传递正确的市场信号，以提升低碳水泥的成本优势。同时，水泥低碳转型与上下游产业关系密切，宜打破行业边界、布局综合规划。考虑到供需关系、技术发展速度、成本构成等因素的不确定性，本研究聚焦于在假设时间框架下中国水泥行业的碳中和转型趋势、短中长期安排和技术经济路线图，以期为政策制定和行业规划提供参考。 执行摘要 中国是全球最大的水泥生产国和消费国。2021年，中国共生产水泥23.6吨，水泥生产占世界的57%；共消费水泥 23.8亿吨，也占全球一半以上。从碳排放的角度看，2020年，中国水泥行业CO2排放量约为13.7亿吨，占全国总碳排放的比例在13%，仅次于电力和钢铁行业。水泥行业脱碳对实现全国的碳中和目标至关重要。 中国水泥行业脱碳面临着诸多挑战与机遇。水泥生产高度依赖化石燃料，目前水泥行业中较有潜力的替代燃料尚处于早期验证阶段，相关产业体系尚未建立。即使燃料完全使用零碳来源，水泥生产的过程排放仍不可避免，需要降低过程排放或固存CO2的技术。此外，水泥资产运行年限较短，快速转型将带来较大的搁浅资产风险。水泥行业集中度仍不高，一定程度上不利于新技术的大规模推广和市场联动。 同时，在双碳目标下，供给侧改革和需求侧变化联合发力将为水泥行业低碳转型和碳中和提供推动力、形成新机遇。中国水泥行业应用技术和设备较为先进，拥有广泛的市场基础和创新试验条件，生产能效已经处于国际领先水平，拥有创新的经验和能力。随着中国经济从高速增长阶段转向高质量发展阶段，以建筑业为代表的下游行业不断深化绿色变革、提升低碳标准，将对以水泥为代表的建材行业低碳转型带来利好，并有助培育壮大低碳建材的市场需求。 碳中和图景下水泥行业供需展望 未来，城镇化与基建放缓将主导水泥需求的趋势变化。水泥的主要需求来自以建筑与基础设施为主的建筑业。由于城镇化和住房需求饱和，长期新建房屋开发规模将呈下降趋势；基础设施方面，虽然在较长时期内基建补短板仍是我国的重点任务，但基础设施建设业已经呈现逐步放缓的趋势。在以建筑、公路、铁路等为主体的建设行业发展放缓背景下，水泥需求下降的趋势不可避免。 到2050年，水泥熟料需求相比现有水平或下降三分之二。随着中国经济发展模式的调整，投资构成中建筑工程投资比重将逐渐降低，节能环保、技术改造及科技等方面的投入不断加大，单位GDP和投资额拉动水泥消费的能力不断降低。熟料需求将从2021年的15.5亿吨减少到2050年的5.6亿吨。水泥需求将从2021年的23.8亿吨减少到2050年的 7.5亿吨。需求减少成为水泥行业总体碳排放呈下降趋势的重要因素。 图表A中国水泥、熟料消费历史和未来趋势预测 30 ≪⌛⎾䍯䠅 ⟕ᯏ⎾䍯䠅 25 ӵਫ਼ 20 15 10 5 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035 2036 2037 2038 2039 2040 2041 2042 2043 2044 2045 2046 2047 2048 2049 2050 2051 2052 2053 2054 2055 2056 2057 2058 2059 2060 0 来源：本研究课题组 水泥行业脱碳的技术路径 水泥行业要实现完全脱碳，必须采用变革式方法，包括从需求端降低水泥消耗、创新低碳水泥品种、加大低碳能源在燃料及电力中的替代率，以及推广碳捕集与封存利用技术以抵消难以消除的过程排放。现阶段，我国水泥的低碳生产主要通过改善原材料易烧性和易磨性、改进生产工艺及装备和降低能耗等手段，这些措施虽然近期内仍能发挥减排作用，但长期来看，仅依赖现有技术路径较难实现水泥行业完全脱碳的净零排放愿景。 减排抓手 行动 部署情况 图表B水泥碳中和之路关键技术部署路线 20202030204020502060 降低建筑水泥需求（减碳%）延长建筑使用寿命（减碳%） 水泥/混凝土的回收与重复利用（回收比例） 固体废弃物燃料（热值替代率）生物质燃料（热值替代率） 氢能和电窑炉（热值替代率） 熟料烧成节能减排技术（应用率）粉磨系统节能减排技术（应用率）水泥生产数字化技术（应用率） 降低熟料系数 原料替代（替代率） 低碳水泥熟料（市场占有率） 碳捕集（捕集量占比）二氧化碳矿化养护混凝土二氧化碳耦合利用 40% 10% 5% 70% 5% 15% 28% 10% 45% 8% 25% 30% 60% 40% 70% 60% 100% 80% 70% 90% 80% у儎ӄ⧦ᴿളḽ 15% 10% 5% 10% ୼ѐौ 30% 90% ୼ѐौ 1减量化 2燃料替代 3能效提升 4低碳水泥配方 5碳捕集、封存与利用 来源：本研究课题组 •水泥减量生产是推动水泥行业碳减排的最重要抓手：到2050年，水泥熟料产量将下降至每年5.6亿吨，减少约67%的碳排放。短期内，淘汰落后和过剩产能是降低水泥行业碳排放的主要手段，也能推动水泥行业尽早实现碳达峰。长期来看，城市化进程减缓和建设量减少是水泥需求下降的主要因素。在此过程中，应从避免建材浪费、创新建筑结构、开发新型胶凝材料等方面进一步降低水泥需求。 •燃料替代发展尚处初级阶段，但提升空间巨大：从燃料替代技术路径看，近期可使用固体废物燃料、生物质燃料，远期可考虑其他新型燃料，如氢能、电力等。固体废弃物燃料是较适合水泥行业的燃料替代方案，未来可替代量约为0.2~0.6亿tce。但我国水泥工业的替代燃料发展较晚，现有技术主要是水泥窑协同处置，属于固体废物利用的初级阶段，废弃物定位、燃料产业欠发展等问题急需解决。总体看，我国水泥生产的热替代率不到2%，相比其他国家水泥行业50%以上的比率，有较大提升空间。 图表C碳中和情景下中国水泥熟料的燃料替代路线 100 90 ✣ٲᴵԙ⦽(%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 20202030204020502060 来源：本研究课题组 •能效水平已优于世界平均水平，但还有进一步提升空间：目前常用的水泥节能技术有熟料烧成节能减排技术、粉磨系统节能减排技术、水泥生产数字化技术三种。基于这些技术应用，我国目前水泥熟料单位产品综合能耗在98~136kgce/t（2.9~4.0GJ/t）之间，与欧美水平持平或更优。然而，仍有部分能耗较高的企业达不到国家标准的限定值，急需技术改造。如果全国水泥生产线能从目前的熟料综合能耗3级标准提升为1级，相当于能减少约14%的能耗与排放。 •调整水泥品种结构可进一步创造减碳价值：在此方面主要有3条策略。熟料替代，即控制水泥中的熟料用量，降低单位水泥碳强度；原料替代，即替换原料中的部分石灰石，降低过程排放；新品种低碳水泥，即生产不基于硅酸钙的新型熟料体系。适当控制水泥的熟料系数可以起到降碳作用，可出台更具体的标准来适配市场需求，针对应用场景细化水泥产品的标准，在确保水泥质量与适用性的同时保留部分低熟料系数的水泥标号。原料替代技术是指利用工业废渣替代一部分石灰石原料，适合作为降低熟料碳强度的短期措施。新型低碳熟料体系不基于硅酸钙熟料，具有所需CaO含量低、烧成温度低、碳排放低的特点，未来有望占更高的市场份额。 •碳捕集、封存与利用是水泥碳中和的必要技术：碳捕集技术中的液体化学吸收技术、钙循环技术、第二代富氧燃烧和LEILAC技术在水泥行业中有较好的推广价值。但目前大规模采用CCUS还存在不少挑战。一方面水泥厂地理分布较分散，不利于集中建设CCUS设施，且增加了CO2运输成本；另一方面，水泥窑烟气中的CO2浓度通常低于30%，捕集能耗与成本较高。未来，随着技术成熟与规模化效应展现，CCUS有可能成为水泥行业实现碳中和的核心技术之一。CO2还可以与下游混凝土结合生产建筑材料，并在地质封存、化工合成等场景中得以应用。 目前阶段，由于替代燃料及CCUS技术成本高昂，生产零碳水泥i将可能导致约90%-480%的溢价。随着替代燃料与CCUS规模化发展和成本下降，以及CO2就地利用的可能性，零碳水泥的溢价有望不断下降。初步预测，在未来30年，吨CO2捕集封存成本将下降40%左右，绿氢成本下降约65%，绿色电力成本下降约60%，这使