2024年“双碳”目标下加快工业领域终端电气化专题报告——钢铁行业

专题报告 “双碳”目标下加快工业领域终端电气化 ——钢铁行业 电力圆桌项目课题组 2024年11月 电力圆桌项目 电力圆桌（全称电力可持续发展高级圆桌会议）项目于2015年9月启动，旨在紧扣应对气候变化、调整能源结构的国家战略，邀请业内专家和各利益方参与，共同探讨中国电力部门低碳转型的路径和策略。通过建立一个广泛听取各方意见的平台机制，电力圆桌将各方关心的、有争议的、目前决策困难的关键问题提交到平台讨论，选出核心问题委托智库开展高质量研究，并将研究成果和政策建议提交到平台征求意见，从而支持相关政策的制定和落地，推动中国电力行业的改革和可持续发展，提高电力行业节能减排、应对气候变化的能力。 项目课题组 中能世通（北京）投资咨询服务中心 中能世通（北京）投资咨询服务中心（简称“中心”）成立于2008年，是一家非盈利性研究机构。中心以国家能源战略思想和战略方针为主线，积极开展政策咨询、课题研究、行业分析、项目评估、技术推广、案例开发、项目对接等综合性服务，为新能源与节能减排行业的投资发展搭建一流的综合性服务平台。主要研究方向包括应对全球气候变化、减少温室气体排放、提高能源使用效率、推广节能减碳领域的技术与商业模式、提高财政资金使用效率、推动绿色投资与绿色金融等领域。 CoverImage@Freepik 所使用的方正字体由方正电子免费公益授权 “双碳”目标下加快工业领域终端电气化 ——钢铁行业 PromoteTerminalElectrificationinIndustrialSectorunderDualCarbonGoals:SteelIndustry 2024年11月 目录 执行摘要1 1.“双碳”目标下工业领域终端电气化发展分析4 1.1工业领域能源需求与减碳效益分析4 1.2不同行业电气化发展潜力分析6 1.3推动工业电气化发展的措施8 2.钢铁行业电气化发展现状及路径分析10 2.1钢铁行业现状：生产消费、能源消耗与低碳发展分析10 2.2国内外钢铁行业低碳发展技术路径分析15 2.3我国钢铁行业电气化发展技术路径分析17 3.钢铁行业电气化潜力分析20 3.1钢铁行业电气化发展测算方法20 3.2钢铁行业电气化发展关键参数设定及不确定性分析23 3.3钢铁行业电气化发展综合效益29 3.4钢铁行业电气化发展战略目标及实施策略36 4.钢铁行业电气化发展建议39 参考文献42 作者与鸣谢43 执行摘要 实现“双碳”目标是一场从能源革命到产业革命的深刻变革。“双碳”目标下加快建设新型能源体系，能源结构将发生根本性变化，电力将逐渐成为主要的能源消费品种。作为工业发展的基础，能源结构的变革势必深刻影响工业生产体系。我国工业领域经过数十年的发展，已经形成了以化石能源为主、相对固定的生产工艺体系，而未来要更好地适应新型能源体系，工业终端必须转向以绿电为核心的新型工艺体系。 “十四五”时期，我国生态文明建设进入了以降碳为重点战略方向的关键时期，提出从“能耗双控”逐步转向“碳排放双控”，打破了“能耗双控”对可再生能源利用的约束，也倒逼企业加快电气化发展。工业领域贯彻“节能优先”战略，加快终端电气化发展，既可以充分挖掘需求侧灵活性资源，促进新能源的消纳，也有利于实现“能-碳-电”协同优化，推动工业领域高质量发展。 钢铁行业作为传统行业的典型代表，在我国的现代化进程中承担着重要使命，但目前电气化率较工业平均水平低10个百分点以上。以长流程生产工艺为主导的生产体系也使钢铁行业成为我国碳排放量最高的制造业行业，正面临着“能-碳-电”协同优化变革的挑战。钢铁行业涉及面广、产业关联度高、消费拉动大，生产过程具有多工序、众参数等特性，先行先试促进钢铁行业电气化发展，不仅有利于钢铁行业实现可持续的高质量发展，也有利于探索构建“钢-化-建-能”一体化新型智慧生产体系，推动钢铁行业与电力、建材、石化化工、有色金属等传统行业的耦合发展，是工业电气化发展的重中之重。 为此，本研究以国家战略为引领，在剖析工业领域电气化发展现状和趋势的基础上，聚焦钢铁行业，基于钢铁生产全流程的主要用能形式和工艺，系统分析钢铁行业电气化发展可行技术，测算钢铁行业电气化发展潜力，提出不同目标、不同阶段下钢铁行业电气化发展战略和技术路径。课题组预计，通过能源替代、原料替代和综合技术应用，电炉钢、氢冶金和基于二氧化碳资源化利用的炼钢技术（简称“CO2炼钢”）等先进工艺推广，废钢资源和铁矿石高效利用，数字化管理水平提升，电力供应清洁低碳化等措施，钢铁行业有望实现以下目标：2030年，电气化率提升至14%，碳排放量较2022年将减少15%；2050年，电气化率提升至46%，碳排放量较2022年将减少85%；2060年，电气化率提升至57%，碳排放量较2022年将减少95%。 年 年 年 年 总体发展 产量产品 废钢资源量 铁矿石进口 能源消费量碳排放量 （基于年） 亿吨以初级产品为主 亿吨 对外依存度约 亿吨 亿吨 亿吨 高端产品供给能力增强品种和质量提档升级 亿吨对外依存度 亿吨 降低 亿吨 高端产品供给能力持续提升 亿吨铁矿石对外依存度亿吨 降低 亿吨以高端产品为主亿吨铁矿石基本实现自给亿吨降低 电气化发展 电力消费量电气化率 需求侧响应能力 亿 ＜ 亿 亿 亿 关键技术 电炉炼钢氢冶金 炼钢 智能制造及智能化解决方案 ＜＜＜ 关键工序数控化率生产设备数字化率 关键工序数控化率达到生产设备数字化率达到岗位机器换人率达到 关键工序数控化率生产设备数字化率达到 岗位机器换人率达到 智能制造系统解决方案得到推广应用 电力供应 余热发电可再生能源电网接入 ＜ 图1“双碳”目标下钢铁行业电气化发展战略及技术路线图 钢铁行业电气化发展是一项复杂的系统工程，需要解决可再生能源利用不足、电能替代和能源替代技术推广力度不够、废钢管理体系不完善等问题。为打破政策引领、技术工艺、资源保障、能源保障、市场机制等方面的约束，需要政府、企业、科研机构、金融机构等多方面的协同合作。为此，课题组提出以下建议： （1）完善钢铁行业电气化发展顶层设计及配套政策。将电气化发展纳入钢铁行业碳达峰碳中和整体规划，明确以降碳为导向的钢铁行业电气化发展短期和中长期目标及路径，制定钢铁行业电气化发展的“两图一表”，科学设定时间表、路线图、施工图，指导企业开展电气化发展行动。同时，结合不同阶段钢铁行业电气化发展重点，完善配套政策，强化对钢铁行业电气化发展的支持。 （2）加快钢铁行业电气化发展核心技术的创新研发和推广应用。对成熟的电气化技术，将其纳入转型金融支持目录，鼓励以企业为主体加快开展试点示范、产业化应用和迭代升级，创新中长期甚至超长期的金融工具支持项目落地实施。对处于研发和示范阶段的电气化技术，鼓励企业与高校、科研院所共建研发机构，加大研发投入，提高金融支持力度，加强成果转化。在具备条件的企业和园区开展试点示范，探索“钢-化-建-能”一体化新型智慧生产体系集成示范，形成可复制经验以点带面促进全行业电气化发展。 （3）推动钢铁行业优化能源和资源结构强化保障。完善废钢回收利用体系，加强废钢资源的规范化管理，降低废钢成本，提升电炉炼钢经济性。鼓励企业将新能源开发利用及绿电应用纳入企业低碳发展总体规划并合理推进实施。鼓励企业建立以“绿电+储能”为核心的智慧能源管控系统，实现智慧能源管控及源网荷储多向互动，挖掘源侧增量潜力及荷侧可调节响应能力，提升电力供应的安全性、稳定性、可靠性。为使用绿电的钢铁企业提供更多政策支持和经济激励，引导钢铁企业主动参与电力市场交易购买绿电。 1 “双碳”目标下工业领域终端电气化发展分析 为应对全球气候变化，各国相继提出碳中和行动，碳定价机制逐渐完善，绿色低碳发展正成为大国博弈的新赛道，将加快科技创新，推动产业发展，重塑全球产业链。工业是我国推进现代化进程的重要基础和关键动力，也是能源资源消费和碳排放的重点领域，节能降碳潜力巨大，是实现“双碳”目标的主战场。 “双碳”目标下加快构建新型能源体系，电力将成为主要的能源消费品种。遵循“节约优先”原则，统筹发展与安全，以终端电气化为抓手，加快推进新型工业化，从传统以化石能源为核心的工业体系向以“绿电”为核心的新型工业体系转型，不仅能解决当前工业发展面临的“能-碳-电”协同优化问题，即降低能源消费、减少碳排放以及新型能源体系下促进电力消纳，同时也有利于推动工业领域各个行业实现高质量发展，夯实中国式现代化的物质基础和产业基础。 1.1工业领域能源需求与减碳效益分析 我国积极探索既符合国情又适应国际潮流的绿色低碳转型发展道路，在大力发展可再生能源的同时，贯彻“节能优先”战略，以绿色化、智能化、高端化为方向，加快推动终端用能的绿色低碳替代和电气化发展，促进“能-碳-电”协同优化，形成新质生产力构 建现代化产业体系，既有利于推动我国“由大转强”，深度融入全球供应链，积极应对碳贸易壁垒，也为实现社会经济高质量发展、全面推进美丽中国建设贡献积极力量。 在“双碳”目标引领下，我国积极发展非化石能源，已经建成了全球规模最大的电力供应系统和清洁发电体系，2023年可再生能源装机容量和发电量占全国的52%和32%[1]，并提出“非化石能源消费比重到2030年达到25%左右、到2060年达到80%以上”的发展目标，终端能源消费将由化石能源转向以“电”为核心的低碳能源，推动工业生产体系从热碳驱动向电力驱动转变。新型电力系统以高比例可再生能源接入及高比例电力电子设备应用为特征，系统复杂性增强，调节和支撑能力减弱，将带来供给侧和需求侧“双波动”，需要构建新的供需平衡，需求侧灵活性将成为高价值调节资源，也对工业电气化提出新的挑战。 我国工业领域能源消费量大、碳排放高，2022年工业领域终端能源消费量达到27.4亿吨标准煤，占终端能源消费总量的68%。其中，电力消费量达到5.7万亿千瓦时，占全社会用电量（8.8万亿千瓦时）的65%，电气化率达到26%[2]。工业过程碳排放量约为42亿吨，仅次于能源领域的51亿吨，占全国碳排放总量（约109.5亿吨）的38%[3]。工业用电设备多、负荷基数大、调节能力强，钢铁、建材、石化化工、有色金属、纺织等部分行业蕴藏着20%，甚至30%以上的负荷调节能力[4]，加之单体用电量大、沟通成本低、应用潜力大、电价敏感性高，是新能源电力消纳的重点领域，也是需求侧资源开发的重要来源和优先选择，是终端电气化发展的重中之重。 加快工业领域电气化发展，提升工业电气化水平，主要包括两个方向，一是“减小分母”，即减少终端能源消费，以节能和能效提升为前提，减轻工业领域对化石能源的依赖，降低碳排放；二是“增大分母”，即增加终端电力消费。应当指出的是，要促进行业“能-碳-电”协同优化，电气化发展需建立在清洁低碳电力的基础上，与新型电力系统的演进相适应，不能盲目推进，否则反而会导致更多的能源消费和碳排放。 我国经济发展仍处于中高速增长阶段，在发展过程中需要处理好经济发展、能源消费需求增长与低碳排放的关系。目前，我国传统耗能行业的能源消费逐渐趋于饱和，新兴产业用能持续增长，工业领域能源消费需求增长逐渐放缓，预计工业终端能源需求将在2030年前后达峰，到2060年降至约10~15亿吨标准煤。加快工业领域电气化发展，电 力在工业终端能源消费中的比重将从2022年的26%提升至2060年60%左右，氢能的 消费比重将从2022年的6%提升至2060年的20%以上。工业生产过程的碳排放将大 终端能源消费量（亿吨标准煤） 幅下降，预计到2060年将减少60%以上[5]（如图1-1所示）。 煤炭石油天然气电力热力氢能其他 图1-1工业领域终端能源需求展望 资料来源：根据中国能源统计年鉴、中国宏观经济研究院、DNV、IEA等相关资料整理。 1.2不同行业电气化发展潜力分析 电力的广泛应用促进工业生产效率和社会生产力不断提高，工业发展又推动电力在终端能源消费中的占比提升。电力在工业终端能源消费中的比重（也