化工行业脱碳：来自PVC案例研究的政策见解

itif.org化工行业脱碳：来自PVC案例研究的政策见解大卫·m·哈特|2022年10月最近对美国聚氯乙烯生产价值链的首次研究为化工生产脱碳所需的政策类型和顺序提供了宝贵的见解。关键的外卖聚氯乙烯（PVC）是美国生产的第三大塑料材料。它主要用于耐用应用，特别是建筑，但也用于汽车、医疗产品和其他领域。▪ “途径”研究得出的结论是，PVC价值链可能能够减少80%至90%的CO。2到2050年，美国使用当今接近成熟的技术以适度的增量成本排放。▪ 联邦政府可以利用这一机会的最重要的直接方法是支持示范项目，以评估脱碳技术在现实世界条件下的商业规模的潜力。▪ 第二个近期政策机会是为二氧化碳和氢气管道等基础设施的初步建设提供联邦支持，这对于化学工业的脱碳至关重要。▪ 从中期来看，联邦政策制定者可能需要为早期技术采用提供税收或其他财政激励措施，并且还应考虑联邦资助项目的“清洁PVC”采购要求。▪ 从长远来看，需要碳定价或空气污染法规来实现脱碳技术的广泛采用，以及为国内生产商提供公平竞争环境的贸易政策。 信息技术与创新基金会 | 2022 年 10 月页面的页面2内容线索1介绍2“PVC价值链脱碳途径”简介 4研究、开发和示范4基础设施6网格脱碳7早期激励技术采用8“清洁”采购9碳定价9空气污染法规10国际贸易政策11结论12尾注13介绍化工行业是全球和美国三大排放最高的工业部门之一。就产品和工艺而言，它在产品和工艺方面远比钢铁和水泥这两个领导者更加多样化，因此其减排解决方案也可能更加多样化。乔治梅森大学能源科学与政策中心最近发布了首个自下而上的模型，用于研究主要化学工业价值链脱碳的成本和排放影响，“2050年PVC价值链脱碳途径”。1 该研究的价值链方法对在不久的将来该行业脱碳的一些最重要的机会以及一些主要挑战进行了精细分析。聚氯乙烯（PVC）是美国生产的第三大塑料材料。它主要用于耐用应用，特别是建筑，但也用于汽车、医疗产品和其他领域。美国PVC价值链直接负责约15，000个工作岗位，支付高于平均水平的工资，在出口方面领先世界。“途径”研究估计，2020 年参与制造 PVC 的生产设施排放了约 1800 万吨 （MT） 二氧化碳 （CO2）。因此，PVC价值链本身就很重要。对它的“途径”研究对于深入了解更广泛的化学工业的脱碳途径也很重要。PVC价值链中的一些主要排放源，如乙烯裂解装置（制造化学乙烯的工厂，是PVC的关键投入）和也生产工业用高温蒸汽的发电厂（称为热电联产厂或CHP）也存在于其他价值链中。另一方面，PVC价值链在某些方面是独一无二的。特别是，由于PVC的耐用性，这种材料中所含的碳更有可能 信息技术与创新基金会 | 2022 年 10 月页面的页面3与其他塑料材料相比，即使在产品被丢弃后，也能在产品中保持体现。相比之下，一次性塑料，例如用于包装的塑料，更有可能燃烧或降解，从而在其生命周期结束时将碳释放到环境中。因此，尽管该研究为联邦政策制定者提供了催化化学工业脱碳的机会，但它并没有产生具体的建议。PVC是一种重要的产品，但它的重要性不足以保证自己的政策。事实上，由于PVC价值链与其他价值链相互联系，如果不重新配置行业，即使人们愿意，也不可能单独实现PVC生产脱碳。这项初步研究必须得到验证，并扩展到其他价值链，然后任何建议才能有足够的充分理由来保证采取行动。此外，该研究对少数技术选择采取了深入的方法。更广泛的方法将包括化学工业脱碳的选择，其中包括尚未成熟的技术以及能源和材料效率，产品替代和回收。在简要总结了“途径”研究之后，本报告在三个松散定义的时间尺度上提出了政策见解。近期的见解▪研究、开发和示范联邦行动最重要的直接机会是鼓励和支持示范项目，这些项目将评估商业规模脱碳技术在现实世界条件下的潜力。▪基础设施第二个近期机会是为二氧化碳和氢气管道等基础设施的初步建设提供联邦支持，这对于化学工业的脱碳至关重要。▪网格脱碳：虽然电网不是PVC价值链碳排放的主要贡献者，但拜登政府设定的目标加速电网脱碳将有所帮助。中期的见解▪早期技术采用激励一旦脱碳基础设施开始扩大，联邦政府应鼓励尽早采用化学生产脱碳技术，并提供税收抵免或差异合同等激励措施。▪“干净”的采购联邦政策制定者还可以通过制定低碳PVC标准并将其应用于联邦资助的项目来鼓励尽早采用，尽管由于行业价值链的复杂性，此类政策将面临重大的实施挑战。长期的见解▪ 碳定价确保碳价格可预测、不断上涨是化工行业脱碳的一种有吸引力的方法，因为它将涵盖价值链的所有阶段，并允许合规成本与排放量成比例分配。 信息技术与创新基金会 | 2022 年 10 月页面的页面4▪空气污染法规代替碳定价，传统的点源空气法规可以应用于裂解炉和热电联产工厂等设施，这些设施是PVC价值链中最大的点源排放。▪国际贸易政策联邦政策在全球范围内创造公平的竞争环境，如边境调整和出口激励措施，对于避免生产向国外转移和提高美国生产在国际市场上的竞争力可能是必要的。“PVC价值链脱碳途径”的简要总结“途径”研究得出的结论是，PVC价值链可能能够减少80%至90%的CO。2到2050年，美国使用今天接近成熟的技术，以适度的增量成本排放。在该研究的脱碳情景中，2050年美国生产的低碳PVC树脂的行业平均增量成本（“绿色溢价”）约为2020年该产品价格的5%至15%。该研究的估计基于一个模型，该模型代表了当今为美国PVC生产做出贡献的每一家工厂。这些植物非常异质。该模型假设PVC市场持续增长，并在使用寿命结束时更换或升级工厂。“途径”研究筛选了许多技术选择，并详细探讨了两种主要的脱碳途径：碳捕获和封存（CCS）和氢燃料。对于每种途径，该研究都审查了不同严格程度的代表性政策以及改变游戏规则的技术创新。模型中的技术采用选择是在工厂级别根据工厂特定的经济和工业条件以及每个方案中内置的策略和技术假设做出的。CCS是一种资本密集型技术，运营成本相对较低，规模经济有利于大型工厂的应用。如果支持基础设施到位，那么降低CCS资本成本的非常严格的政策或突破将在2030年之前推动研究模型的大幅减排，到2040年采用更现实的假设。使用氢燃料脱碳的资本密集度低于CCS，氢气的成本对天然气成本和生产规模敏感。如果支持基础设施到位，到2040年，非常严格的政策或非常低的成本氢将在研究模型中推动大幅减排，到2050年，采用更现实的假设。许多不确定性可能会影响研究的结果，其模型不包括上游和下游排放。此外，需要政策干预来实现该研究探索的任何脱碳途径。研究、开发和示范支撑研究中主要途径的技术的基本特征，CCS和氢燃料，是众所周知的。两者都已经研究了几十年。两者都在化学工业之外具有不同的应用，因此不仅对全球与该行业相关的高能力，研发密集型公司，学术机构和政府实验室感兴趣，而且对许多其他行业感兴趣。虽然永远不能排除意想不到的突破，但关键的技术经济挑战可能是 信息技术与创新基金会 | 2022 年 10 月页面的页面5在追求这些途径时遇到的问题在于使基本技术适应特定的化学工业应用。这些挑战最好通过示范项目来解决。国际能源署（IEA）将技术演示定义为“原型的操作......以商业规模或接近商业规模，目的是提供技术、经济和环境信息。2 成功的演示向开发人员、用户和投资者灌输了信心，即从技术和经济角度来看，一项技术的表现都是可预测的。示范项目是必需的，因为很难从较小原型的经验中推断商业规模系统的成本和性能，特别是对于化工厂等复杂技术和系统3。研究中工厂采用的关键技术，如带有CCS的热电联产，以及以氢气为燃料的裂解炉和热电联产，尚未在商业规模上得到证明，而且成本高昂。此类项目带来的风险，特别是在利润率适中的大宗商品行业，可能令人生畏。格雷戈里·内梅特（Gregory Nemet）及其同事对过去半个世纪八个部门的示范项目进行了全面审查，发现其中大多数都获得了公共资金。这种成本和风险分担对于克服所谓的示范“死亡之谷”至关重要。4《基础设施投资和就业法案》（IIJA）于2021年在两党的支持下通过国会，其中包括可能支持推动化学工业脱碳的示范项目的资金。到2026年，近35亿美元将用于碳捕获示范和试点项目，另外5亿美元将用于工业排放示范项目。此外，80亿美元将支持区域氢能中心的发展，同时提供资金支持氢能制造技术。随着 2022 年 8 月《降低通货膨胀法案》（IRA） 的通过，工业示范资金再次得到大幅推动，该法案在五年内为此拨款 58 亿美元。能源部（DOE）负责实施这些计划。最初的计划文件确认美国能源部将化学工业纳入其范围。项目开发商已开始针对这一机会提出建议。例如，新生的休斯顿和科珀斯克里斯蒂氢能中心都可能强调化学生产是重要的预期最终用途5。虽然示范项目的公共资金将填补研发政策领域最重要的空白，但加强对私人研发支出的税收激励措施也可能有所帮助。开发CCS和氢技术的公司将需要投资于产品开发、解决问题和适应。这些投资可能会溢出到其他公司，税收优惠可以补偿研发投资者的损失。美国长期以来一直有这样的激励措施，但2017年的《减税和创造就业法案》大大削弱了这种激励措施。信息技术与创新基金会（ITIF）的罗伯特·阿特金森（Robert Atkinson）提议将税法主要条款的价值翻倍，以及其他将恢复激励措施有效性的改变.6此外，进行能源相关研发的公司可以利用很少使用的20%税收抵免与学术机构和联邦实验室合作进行的工作.7 信息技术与创新基金会 | 2022 年 10 月页面的页面6基础设施CCS和氢气解决方案不是独立的。它们需要基础设施才能运行。二氧化碳必须从捕获地点带走，要么用于经济的其他地方，要么永久封存在地下地质构造中。氢气必须产生，在许多情况下，必须输送到工厂现场进行燃烧。一些制氢方法也涉及CCS。目前，氢气是通过在高温高压下“重整”天然气来生产的。这个过程会产生二氧化碳作为副产品，通常会释放出来。因此，传统的氢气生产非常碳密集，在全球范围内的排放量相当于英国和印度尼西亚国家的总和（相当于每年约8.3亿公吨二氧化碳（MMT CO2-e））8。“Pathways”研究的模型假设氢气将以与今天类似的方式生产，但需要改进的重整技术和安装CCS系统。因此，模型中的氢气价格随天然气价格波动。电力也可用于通过将水分解成其组成元素来生产氢气。如果用于此目的的电力在没有排放的情况下产生，那么该过程也没有排放，因为只需要很少的热量，氧气是主要的副产品9。美国每年生产约10 MMT氢气，约占世界总量的15%.10行业路线图表明，到2050年，即使生产得到清理，这一数字也可能增长几倍.11为了实现这些雄心壮志，必须以合理的成本制造氢气并将其转移到使用点。管道可能是主要的运输方式，因为它们是陆地运输氢气最便宜的方式。氢气管道是一项成熟的技术。大约1600英里已经在美国运营，主要是在墨西哥湾沿岸地区，为石油和天然气行业提供服务。它们与天然气管道不同，后者的范围要广泛得多。氢气比天然气更难压缩，更容易泄漏，而且腐蚀性更强。因此，氢气管道的建造成本更高12。二氧化碳管道在美国也很成熟，甚至比氢气管道更常见，运行里程略多于5000英里。它们服务于各种行业，包括化工、石油和天然气。例如，CO2 通过管道输送到油田并注入以提高产量13。氢和CCS管道系统可能需要大幅扩展，如果美国经济将接近净零排放。例如，普林斯顿大学《美国净零排放报告》中的高电气化情景估计，出于各种目的，将需要超过 55，000 英里的 CO2 管道.14 虽然新的和扩展的管道可能会盈利，但气体使用和二氧化碳封存的不确定性造成了一个经典的“鸡和蛋”问题。与其他形式的基础设施一样，公共资金可以克服这些类型的管道的这个问题。这种资金可以通过各种方式提供。成本分摊基础上的直接资金可能通过区域氢能中心和类似的联邦计划流动。向管道开发商提供的低成本贷款或贷款担保，例如美国能源部贷款计划办公室提供的贷款或贷款担保，是 信息技术与创新基金会 | 2022 年 10 月页面的页面7补贴他们的另一种方式。税收优惠可以间接降低管道建设和运营成本，尽管目前尚不清