开拓进取：零碳汽车的材料脱碳之路

-1-2021年7月5日第21期总第494期开拓进取：零碳汽车的材料脱碳之路【译者按】2020年12月，世界经济论坛开始发布循环汽车倡议框架系列报告，今年1月发布的《开拓进取：零碳汽车的材料脱碳之路》是三份框架系列报告中的最后一份。报告指出，电池电动汽车并不能解决汽车行业脱碳的所有问题，材料脱碳将是重点方向。为此，世界经济论坛发起了循环汽车倡议，本报告作为该倡议的框架报告，通过建模分析提出了材料脱碳的多种实施路径，明确了落实路径所需的整体行业战略、细分合作领域、联合体组织、可行试点项目等。赛迪智库安全产业所和世界工业研究所对该报告进行了合作编译，期望对我国汽车行业脱碳有所帮助。【关键词】循环汽车碳减排材料脱碳 -2-一、循环汽车倡议1“循环汽车”是指一种能使材料使用效率最大化的概念汽车。这种概念车应当在其制造、使用和报废阶段均实现零排放和零污染。目前，循环汽车倡议已组建了一支由汽车生态系统众多参与者组成的同盟军，有志于通过新技术、新材料和新商业模型来促进全球交通业在生态领域的可持续发展。图1：汽车脱碳预测图2数据来源：埃森哲战略分析循环汽车倡议由三个工作流程组成。材料工作流程：该流程由麦肯锡公司负责，主要关注材料脱碳领域的紧迫任务，具体包括推动闭环回收、加强可循环材料利1循环汽车倡议由遍布汽车价值链的40多家企业、研发机构、国际组织、政府部门和智库共同组成，其主要目的是通过新技术、材料创新、汽车使用效率提升和全生命周期管理等手段来对汽车未来的零排放之路进行规划。2本图中，第一阶段采用内燃机掀背汽车模型，含维修配件总重量为1.7吨，其中钢0.90吨，铝0.15吨，塑料0.29吨，设计报废公里数为20万公里，平均载客量为1.5人；第二阶段采用电池电动汽车模型，含维修配件总重量为1.90吨，其中钢0.70吨，铝0.19吨，塑料0.32吨，电池0.32吨，设计报废公里数为25万公里，平均载客量为1.5人；第三阶段根据电池电动车消费规定增加可再生能源供给，以降低电网中含碳能源的比例；第四阶段中，循环经济创新将四级可循环电池电动车（完全可循环式）纳入了考虑范围。 -3-用（从降级流转到其它行业的可回收材料中提取价值）等（见图2）。商业模型工作流程：该流程由埃森哲公司战略部负责，主要内容是制定有助于可循环发展的战略。埃森哲战略部和世界经济论坛合作开发了一套分类系统，目标是最大程度地提升每单位资源消耗量和每单位排放量的车辆运行里程（见图3）。该分类法兼顾了车辆使用情况、车辆生命周期、材料与能源等一系列与循环商业模型密切相关的问题。政策工作流程：该流程正在实施中，主要功能是链接生态系统的各个节点，并推出全球各国政府适用的政策工具。图2：循环汽车倡议：组织架构与2020年目标二、汽车材料：生产零碳汽车道路上的拦路虎要实现汽车脱碳和巴黎气候协定规定的2030年温室气体排 -4-放减半、2050年碳中和的目标，就必须对整个汽车行业进行完整调查，摸清车辆生命周期各阶段的排放情况。当前，内燃机汽车终生排放总量中有65－80%的排放是燃油产生的，有18－22%是材料产生的（详见图3）。由于车辆在使用阶段产生的排放最多，汽车行业目前的减排重点是动力总成的电气化。麦肯锡报告指出，要在2050年实现净零排放的目标，电池电动车的市场占有率必须在2040年达到100%。为此，许多国家宣布要在2040年前停止内燃机汽车的销售。要实现汽车行业的完全脱碳，除动力总成电气化外，还要关注汽车材料的脱碳。电池电动车在使用阶段的排放已大大降低（若使用再生能源充电，电动车使用阶段的排放还会进一步下降），但生产阶段的材料排放（尤其是电池生产排放）仍然很大，这对行业脱碳提出了新挑战（详见图4）。图3：汽车厂商延伸价值链的排放与未完全控制的排放 -5-来源：NGVA，专家访谈，汽车材料脱碳团队分析图4：对电池电动车和内燃机汽车生命周期与材料排放的调查来源：世界经济论坛，全球电池联盟，麦肯锡分析电池电动车材料排放高的事实说明大规模推广电池电动车并不能解决汽车行业脱碳的所有问题。随着电池电动车的大规模市场化，预计到2040年汽车终生排放总量中有超过60%的排放是 -6-材料排放（详见图5），说明汽车行业的脱碳重点应当逐渐转到材料减排。图5：2040年汽车材料排放将占汽车终生排放总量的60%来源：2020循环汽车倡议对大力发展电动车情形下电动车数量增长的推算三、具有成本效益的材料脱碳之路要真正实现材料脱碳，必须制定数十年的长期战略。战略的最终范围和成本取决于关键技术和经济方面的重点决策。要解决材料排放问题，首先要在脱碳材料和成本方面找到最透明、高效的解决方案。鉴于汽车制造及其供应链的复杂性，减排要求整个行业投入大量时间和精力进行结构调整。为更好了解不同材料脱碳方案的成本和效果，麦肯锡开发了“减排成本曲线”，详细展示了内燃机汽车和电池电动车的各种材料在不同成本区间的减排效果。脱碳有多种途径，但有些情况1.设定每台车每年跑15000公里，报废周期10年，不包括报废车处理阶段的排放。2.2018年平均值~120克CO2/公里,当前目标值95克CO2/公里;未来假设:2030年75克CO2/公里;2040年50克CO2/公里;纯电动汽车能耗0.10-0.16千瓦时/公里3.材料排放平均值（每台车所需材料所产生的二氧化碳排放量）：内燃机车3,000公斤,纯电动车7,400公斤,插电式混合动力车5,000公斤，油电混合电动车4,000公斤(不考虑车型差异，重点关注脱碳)4.各种电动车当前的市场占有率约为4–8%;2030年各类电动车市场占有率:电池电动车33%,插电式混合动力车12%,油电混合电动车7%;到2040年:电池电动车60%,插电式混合动力车27%,油电混合电动车13%零碳汽车：一辆把碳使用效率发挥到极限的汽车，既在材料方面实现零浪费，又在尾气排放方面做到零污染。要求整个汽车产业链都实现零排放不太可能，但零排放汽车仍是整个汽车生态系统的终极奋斗目标，为此要鼓励全行业的积极参与。 -7-下是互斥的。（一）减排成本曲线图：材料脱碳的综合视角汽车材料脱碳逻辑复杂，需要的周期也长。车辆开发从初始构思到最终上市一般需要4－6年时间。此外，碳减排和碳中和所需的材料生产技术（如电弧炉生产）从工厂建设、质量保障、扩大产能一直到监管审批等都需要时间（有时长达几年）。为此有必要采取综合视角，既对单个的公司目标提供支持，又向整个汽车行业提供支撑，这样做有助于脱碳行动的协调和资源分配。麦肯锡推出了材料减排成本模型，从“碳减排潜力”和“2050年前各时间跨度汽车材料成本变化”两个维度对各种技术方案进行概括（图6和图7分别描述了2030年的减排成本和减排潜力）。减排成本曲线模型：减排成本曲线的横轴代表各技术解决方案的减排潜力，单位是“吨二氧化碳”。竖轴代表采用各技术解决方案每吨二氧化碳的减排成本（如果数值是负值，则代表减排收益）。减排成本曲线图所列各减排技术方案分别用不同颜色标示，其包括的汽车材料占一辆车重量和排放量的90%以上。本分析所采用的汽车类型是优质C级车，车重1.95吨，其中钢1.04吨，铝0.29吨，橡胶0.1吨，PP材料0.07吨，PE材料0.03吨，玻璃0.05吨；金属包括钢、高强度钢、铝、氧化铝、PP/PE/聚酰胺纤维等塑料、橡胶、玻璃等其它材料。 -8-模型的关键假设技术解决方案的假设：模型只对具体的技术解决方案进行建模，对现有生产技术效率提升等一般假设并未建模。技术基准：模型分析的基准是行业在当前技术和生产流程状态下的平均能耗和资源消耗。各地区和各公司可在当前模型的基础上根据自身情况进行调整。计算方法：为确保各减排方案具有可比性，模型只考虑新的资本性支出和运营成本。边际减排成本既包括利用现有技术建新厂的边际减排成本，也包括利用新技术建新厂的边际减排成本，模型对两者进行了对比分析，分析时把新厂预期寿命等参数也纳入了考虑范围。数据的输入：商品价格和排放因素等关键数据主要源于《麦肯锡全球能源展望》，该文件预测了2050年之前的全球的能源消耗和价格。对具体模型要素进行建模时，我们还参考了其它数据源（如麦肯锡氢气生产成本模型、麦肯锡电池成本模型、麦肯锡塑料回收模型等）。各具体减排方案的数据主要源于麦肯锡脱碳方案优化资产报告、内部和外部专家访谈、科学研究报告等。碳成本：碳排放的监管成本（如欧洲跟踪服务ETS等成本）按照惯例在计算过程中并未纳入碳减排成本。碳减排的三大领域：减少需求、循环回收、材料脱碳模型所列减排方案大体上可分为三类：减少需求、循环回收、 -9-材料脱碳。-减少需求：这类方案重点关注车辆整体材料消耗量的降低。如减少车辆整体材料用量、用低碳材料替代高碳材料、减少废料损耗、采用新制造流程等。-循环回收：该类方案重点关注可回收材料在车辆上的使用率以及回收材料的使用寿命，如配件再加工、提高开环回收和闭环回收效率、产能再循环等。-材料脱碳：该类方案重点关注汽车材料的排放密度，如提高现有生产流程的能耗比（电气化）、采用排放低的替代能源或原料、结构性创新、减排技术改进等。上述减排方案应按下列顺序依次实施：首先应优先考虑如何降低汽车材料消耗量，第二考虑如何提高可回收材料的循环使用率，第三考虑采用哪种技术和哪类能源最有利于材料减排。模型的敏感性分析减排模型的运算结果及各种材料与减排方案的输出值对设定的某些假设前提比较敏感。主要敏感点包括：碳税、技术适应期和成熟期、商品价格。钢材的敏感性分析结果如下：-碳税：假设2030年按每吨二氧化碳100欧元的标准征收碳税的话，那传统制钢法受碳税的影响最大，届时生产成本会上升53%，达到每吨钢材479美元；相比之下，氢气生产法的钢材成本只略微上升1%，这主要得益于氢气生产法的低排放。低碳钢 -10-材生产之所以不受碳税影响，主要得益于负排放和碳捕捉和碳存储技术。换句话说，对每吨二氧化碳征收至少100欧元的碳税会导致传统制钢法无利可图，使其自然地失去存在价值。-技术适应期：推广氢气技术有个适应期问题，适应期会导致2030年氢气价格上涨。氢气技术需要5年才能进入成熟期，假如延迟会使2030年氢气价格上升20%的话，那么用氢气生产钢材的成本（450－480美元每吨）每吨会增加5－10美元。即便如此，用氢气生产钢材的成本仍低于传统制钢法的生产成本。-商品价格：所有减排方案均受主要商品价格波动的影响，具体如下：废钢：废钢价格上涨20%对氢气产钢法的影响最大，每吨钢成本会增加8%，达到每吨钢490美元。主要原因是我们假设50%的生产原料都是废钢。低碳制钢法和传统制钢法也会受废钢价格波动影响，成本分别上涨3%和2美元（分别达到540美元/吨和320美元/吨）。废钢价格只有发生剧烈变动时，才会对上述各减排方案的经济效益产生相对影响。铁矿石：铁矿石价格上涨20%对传统制钢法的影响最大，导致价格上涨6%，达到每吨钢333美元。氢气法和低碳法的成本也会分别上涨2%和3美元，达到460美元和540美元。和废钢的情况类似，铁矿石价格波动对三种方案都有影响，但对经济效益的实际影响并不大。 -11-电价：电价上涨并不影响对三种方案的选择。在三种方案中，电价即使上涨20美元，对钢价的影响也仅仅是增加1－2美元而已，但这里的前提是氢气价格保持不变。图6：2030年内燃机汽车全材料减排成本曲线（包括所有解决方案）出处：麦肯锡分析报告（麦肯锡脱碳路径优化小组） -12-图7：2030年电池电动车全材料减排成本曲线（包括所有解决方案）出处：麦肯锡分析报告（麦肯锡脱碳路径优化小组）我们通过2030年碳减排模型对内燃机汽车和电池电动车样本进行分析后发现：2030年电动车材料排放可在不增加材料成本的情况下降低97%，而汽车行业可采取多项措施来协调脱碳行动，具体包括：长期节约成本：减排曲线显示有几个解决方案不仅能降低碳排放，而且同时降低材料成本。例如，对不同类型的塑料实行机械回收，每辆车可减少0.6－0.8吨的二氧化碳排放；利用惰性阳极电解法生产铝，在形成规模后可降低排放；用绿色能源给生产流程供电，既能减