央国企碳中和行动：绿色电力助力工业脱碳进程

2022.09央国企碳中和行动：绿色电力助力工业脱碳进程 rmi.org / 2㜆 ㎁ ⚀ 澠 ╈ 示 车 ⲁ 簪 荈 榾 ⱱ Ⲃ ⱱ 䄄 ┯ 聰 澠 鲽 爊关于落基山研究所（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。我们与政府部门、企业、科研机构及创业者协作，推动全球能源变革，以创造清洁、安全、繁荣的低碳未来。落基山研究所致力于借助经济可行的市场化手段，加速能效提升，推动可再生能源取代化石燃料的能源结构转变。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。 rmi.org / 3㜆 ㎁ ⚀ 澠 ╈ 示 车 ⲁ 簪 荈 榾 ⱱ Ⲃ ⱱ 䄄 ┯ 聰 澠 鲽 爊作者与鸣谢作者郝 一 涵 、路 舒 童 、江 漪 、李 伟 婷除非另有说明，所有作者均来自落基山研究所。联系方式路舒童，llu@rmi.org版权与引用郝一涵，路舒童，江漪，李伟婷，央国企碳中和行动：绿色电力助力工业脱碳进程，落基山研究所，2022鸣谢RMI感谢ClimateWorks Foundation等机构对本报告的支持。 rmi.org / 4㜆 ㎁ ⚀ 澠 ╈ 示 车 ⲁ 簪 荈 榾 ⱱ Ⲃ ⱱ 䄄 ┯ 聰 澠 鲽 爊引言..............................................................................................51..电气化的普及和绿电的应用将重塑工业部门能源消费结构..............62..绿电在工业部门的应用场景.........................................................8 2.1 绿电在绿氢生产中的应用潜力 .........................................................................................8 2.2 绿电在电解铝行业的应用 .................................................................................................9 2.3 绿电在钢铁行业的应用 ...................................................................................................103..绿电在工业部门的规模化应用的挑战与发展趋势 .....................124..央国企将作为推动工业部门大规模使用绿电的关键领导者 .........155..央国企碳中和行动建议 ...................................................18参考文献 .......................................................................20目录 rmi.org / 5㜆 ㎁ ⚀ 澠 ╈ 示 车 ⲁ 簪 荈 榾 ⱱ Ⲃ ⱱ 䄄 ┯ 聰 澠 鲽 爊引言作为制造大国，我国的第二大碳排放源来自工业部门，其碳排放量占全国总排放量的28%，占全球工业部门排放量的44%。1因此，中国工业部门顺利实现低碳转型，不仅有助于国家双碳目标的推进，更将对在全球范围内实现《巴黎协定》的气候目标作出重大贡献。在过去的二十年里，中国工业部门通过节能及能效提升等手段，在脱碳方面取得积极进展。自2005年到2019年，中国工业部门已实现碳排放强度下降57.8%。2根据国际能源署预测，在承诺目标情景下，到2050年，中国工业部门二氧化碳排放量预计会比2020年减少近75%。3但目前，随着见效快的节能及能效提升项目在工业部门的普及率进一步提升，工业脱碳进程已进入深水区。想要突破这一脱碳瓶颈期，加快实现2050的减排目标，工业部门需积极探索新的脱碳路径。使用绿电是降低碳足迹、实现碳中和最直接且重要的途径之一，工业部门中的各类企业也逐渐开始结合自身的生产运营情况布局绿电。部分工业部门央国企在绿色电力的使用上进行了初步探索，直面工业企业用电量大、对生产成本敏感度高等阻碍绿电使用和推广的挑战，为推动实现国家碳中和战略、探索工业部门脱碳路径起到了引领和表率作用。央国企的行动必将进一步推动绿电交易机制的完善，为规模化使用绿电创造更优条件，加速推动工业部门的脱碳进程。本报告立足于重工业部门央国企，以绿氢、电解铝、钢铁产业为例，对绿色电力在重工业部门脱碳减排过程中的重要应用场景进行阐释，总结了绿电在未来重工业部门应用的三大挑战和三大趋势，并对央国企未来的绿电采购行动提出了建议。 rmi.org / 6㜆 ㎁ ⚀ 澠 ╈ 示 车 ⲁ 簪 荈 榾 ⱱ Ⲃ ⱱ 䄄 ┯ 聰 澠 鲽 爊1. . 电气化的普及和绿电的应用将重塑. 工业部门能源消费结构绿电在工业部门的规模化应用离不开匹配的应用场景作为基础，电气化的普及将加快重塑工业部门能源消费的方式，降低工业生产对化石能源的依赖，为绿电的使用提供更多场景。目前，在中国工业部门能源消费中，煤炭比例持续缩低，电气化水平显著提升。据统计，2020年工业部门电气化率已经达到了26.5%。4未来，中国将更快迈入更高电气化水平的阶段，工业部门电气化率有望在2050年进一步上升至51%。5随着工业电气化率的不断提高，绿色电力在工业领域规模化应用的基石也随之愈发稳固，对加速工业脱碳起到了至关重要的作用。工业电气化可分为直接电气化和间接电气化。直接电气化是指在工业生产过程中以电力替代煤炭、石油等化石能源的消费，该方法适用于中低温度要求的工业领域。间接电气化，指的是当难以直接运用电能代替工业生产中使用的化石能源时，譬如在由化石燃料支撑的高温度要求的工业生产过程中，间接电气化得以在电能的基础上制造出更为清洁的工业燃料或原料，再将其应用在工业生产中。电气化使得电能在工业能源总消费中的占比显著提高，叠加电力系统脱碳和清洁燃料或原料的使用，将大幅减少工业部门对化石燃料的依赖，加速减排脱碳。如图表1所示，在直接电气化中，绿电可以通过两种方式来替代化石燃料驱动生产过程。首先，工业生产流程及化学反应所需要的温度可以通过绿电加热来提供，这包括在钢铁短流程工艺中所使用的电炉技术，及化工行业中所使用的电加热蒸汽裂解炉。其次，在工业领域运用电解技术生产时可通过绿电来驱动电解槽，常见的电解槽还原氧化铝的制铝工艺就是其中一种做法。而在间接电气化中，绿电可作为最基础的生产资料用于驱动电解槽生产零排放的绿氢，再将绿氢用于工业生产中，由此来替代化石能源。目前，绿氢已经可以作为替代运用于包括钢铁、化工、水泥等多个生产场景中，这其中包括在水泥生产中以绿氢为燃料的氢能窑炉。未来，随着绿氢产业链的完善以及工业技术的进步，绿氢在工业领域将迎来更大的发挥空间。随着电气化率进一步提高，工业部门对绿色电力的需求也将迎来显著提升。根据落基山研究所的预测，在2050年的零碳情境下，终端电力消费将达15万亿度，其中工业直接电气化和制氢和合成氨用电占比将达70%，6若想实现零碳，则这部分用电需依靠绿电，届时对绿电的需求将达到10.5万亿度。 rmi.org / 7㜆 ㎁ ⚀ 澠 ╈ 示 车 ⲁ 簪 荈 榾 ⱱ Ⲃ ⱱ 䄄 ┯ 聰 澠 鲽 爊图表 1 工业电气化场景及绿电应用潜力重工业绿电应用用绿电替代化石燃料驱动生产直接电气化间接电气化直接电气化电能加热电解槽通电用绿电制绿氢替代化石能源电炉短流程电加热蒸汽裂解炉电解槽还原高炉富氢冶炼，氢直接还原铁，氢熔融还原铁煤化工耦合绿氢，绿氢PtX氢能窑炉钢铁电解铝化工水泥 rmi.org / 8㜆 ㎁ ⚀ 澠 ╈ 示 车 ⲁ 簪 荈 榾 ⱱ Ⲃ ⱱ 䄄 ┯ 聰 澠 鲽 爊在电气化的基础性加持下，绿电在各个重工业行业的应用场景中都有能力扮演起重要角色。本报告将聚焦绿氢、电解铝、以及钢铁这三个行业，详细说明绿电在其中的应用潜力、挑战及政策引导方向。氢能在工业领域应用广泛，而绿氢的生产离不开绿电，因此工业部门未来对于绿氢的需求增长将会带动大量绿电消费。而电解铝作为有色行业中的重要一环，其生产中的碳排放主要来自于电力使用，因此它在通过绿电脱碳方面展现出最大的潜力。与此同时，考虑到钢铁行业碳排放量在工业中占比最大，且终端消费侧对于绿色钢铁的需求已实现快速增长，因此，绿电在钢铁行业中的应用对于整个工业部门脱碳和钢铁行业的未来发展都具有极高的价值。2.1..绿电在绿氢生产中的应用潜力以绿电为原料制作的绿氢是新兴的低碳工业原料。氢是重工业部门的重要生产资料之一，由于它具备强还原性，因此在钢铁和化工行业中都拥有广泛的应用潜力。当前，中国氢气绝大部分由化石燃料制取，并根据制氢装置是否配备碳捕获与储存技术（CCS）将其区分为灰氢或蓝氢。由于灰氢和蓝氢都取自化石燃料，它们的生产过程中都将产生不同程度的碳排放。而相较于灰氢和蓝氢，绿氢是由绿电供能电解槽制得（见图表2），因此可以实现零碳排放。但在2021年，电解水制氢仅占中国氢气产量的1.42%，7其中通过绿电供能电解槽生产的绿氢占比更是微乎其微。随着重工业部门脱碳压力逐步提升，绿氢的使用逐渐被重视。根据国际能源署的预测，到2050年，全球实现二氧化碳净零排放将需要大约5.2亿吨的低碳氢，其中60%将来自电解制氢。8根据落基山研究所预测，2060年中国绿氢将占氢能需求的75%-80%，即达到0.75-1亿吨/年。9由此可见，我国绿氢的市场潜力还有待进一步解锁。图表 2 绿电制氢流程2.. 绿电在工业部门的应用场景绿电替代火电绿氢碱性水电解常见电解水制氢方法质子交换膜水电解固体氧化物水电解阴离子交换膜水电解电 rmi.org / 9㜆 ㎁ ⚀ 澠 ╈ 示 车 ⲁ 簪 荈 榾 ⱱ Ⲃ ⱱ 䄄 ┯ 聰 澠 鲽 爊虽然在政策支持下，绿电制氢发展迅速，但高昂的生产成本是阻碍绿氢在重工业行业实现规模化应用的主要挑战之一。相比起成本在30元/千克以上的绿氢，灰氢和蓝氢的成本区间在11~20元/千克之间，更具有经济性优势。10由于工业企业普遍对成本十分敏感，目前大多数企业还是偏向于选择低成本的灰氢。由于在绿氢的成本结构中，电力部分占到了生产成本的60%~70%，11未来绿色电力价格的发展趋势是决定绿氢使用成本且推动绿氢发展的重要条件。根据落基山研究所的分析，当氢能的终端使用成本低于12.5元/千克时，才能与以化石燃料为基础的冶炼路线成本持平。12但目前中国绿氢成本约为16.0元/千克，高昂的使用成本对工业低碳转型造成了一定 经 济上的 阻 力。13在政策引导作用下，已经有多个央国企在绿氢的发展方面进行布局，并成为推动绿电制氢在工业化生产运用的主要领导者。发展绿氢已成为国家能源转型中的重要战略之一，并在政策层面获得了大力支持。为加快绿色低碳氢能的发展，国家制定了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，明确了可再生能源制氢的战略地位，推动可再生能源制氢技术的发展和广泛应用，并设立了到2030年形成较为完备的清洁能源制氢及供应体系的目标。为保证大量的绿电供应，多个“绿电+绿氢”一体化基地已完成落地。以正在建设的中国石化首个万吨级绿氢示范项目为例，预计在2023年建成投产后，其光伏电站年均发电量可达6.18亿千瓦时，生产的绿氢将部分替代现有的天然气制氢，每年预估可减少二氧化碳排放48.5万吨。142.2..绿电在电解铝行业的应用电力消费的碳排放占到了电解铝生产的60%以上。15中国在全球铝行业中占有重要地位，2020年中国原铝产量占全球产量57%。16但极高的产量也推高了我国电解铝行业的碳排放——全球铝业生产的碳排放大约70%都来自中国。17这一现象与中国电解铝行业使用的电力主要源自于火电息息相关。首先