化学工业的净零排放之路

前言化学工业实现净零排放之路：欧盟绿色协议的成本与机遇明确方向后，我们现在需要将“是什么”转化为“怎么做”。更深入地理解我们未来需要做什么，是制定解决方案和路径的基础，使欧洲的化工生产成为气候中立、数字化和循环的，并满足到2050年实现可持续发展化学战略目标。我们的欧洲化工行业是率先支持欧洲绿色协议以及欧洲到 2050 年实现碳中和雄心的部门之一。影响评估一直是制定良好政策的关键前提。在气候和能源领域，大多数影响评估都是基于宏观经济建模。 因此，我们非常感谢Accenture和NexantECA所进行的工作。如此深入的研究有助于构建所需投资和融资缺口图景，以及未来如何将基础化学品扩展到碳中和和可再生能源应用，以及欧洲产业在全球范围内的成本竞争力。在我们行业为历史上最大的转型做准备时，这些都是至关重要的考虑因素。但是，欧盟气候法案的协议现在强调了更加关注个别部门以及区域和场地特定解决方案的重要性，因为将不会有单一的万能药或一刀切的方案。有必要开始部门特定的气候对话，以更好地理解向气候中性经济转型所需的投资。 Marco MensinkCefic总经理我们希望我们的欧洲化学行业通过为全球挑战提供欧洲解决方案，在全球引领转型。并且我们确信我们可以共同努力，建设通往气候中性的具体道路！ 化学工业实现净零排放之路：欧盟绿色协议的成本与机遇2019年欧洲委员会宣布，欧盟绿色协议是一系列政策倡议，旨在实现一个极具雄心的目标——在未来的三十年内创造一个气候中性的欧洲。 欧盟绿色协议将对化工行业产生尤其强大的影响。确实，它将要求一个历经数百年发展的行业进行重塑。但化学工业处于一个独特的地位，能够从欧盟（EU）实现净零排放的进程中受益。作为“工业中的工业”，它将能够提供新的产品和服务，帮助其客户——欧洲和其他世界各地的品牌所有者和制造商——实现其净零排放承诺，并满足终端消费者对环保产品日益增长的需求。随着客户越来越寻求化学工业的净零排放创新，需求将会增长。 化学工业实现净零排放之路：欧盟绿色协议的成本与机遇绿色协议将对化工行业产生特别强大的影响。实际上，它将要求重塑一个历经数百年发展，如今涵盖超过400家工厂的行业。2和超过300万名员工3生产超过10万种产品。4具体来说，绿色协议要求到2030年减少温室气体（GHG）55%（与1990年相比），最终在2050年实现“净零”温室气体排放——这些目标适用于每个行业甚至每家工厂。1虽然目标足够明确，但它们将要求各行业进行广泛而复杂的变革。对于化工行业而言，实现2050年净零排放目标将面临尤其重大的挑战。埃森哲和NexantECA的一项分析显示，这将需要大约1万亿欧元的投资，并扰乱运营，同时改变工厂网络、就业和社区。而且，这还需要新技术和新工艺——其中一些尚未开发。 4简而言之，到2050年实现净零排放将带来一些真正的挑战。但它所需的转型很可能会值得，因为它将为化工公司创造增长机会和竞争优势。它还将使它们能够在欧洲乃至全球应对温室气体排放和气候变化中发挥关键作用。 温室气体减排缺口化学工业实现净零排放之路：欧盟绿色协议的成本与机遇该行业的温室气体排放主要来自两个来源。一个是断裂和重构化学键所需的巨额能源；大约60%的行业排放来自燃烧燃料来生产该过程中使用的蒸汽、热和压力。另一个来源是二氧化碳（CO2)，氮氧化物（NOx）以及化学反应本身产生的其他温室气体，约占工业温室气体排放的40%。5 本质上，这些温室气体减排的成就得益于利用“唾手可得的果实”的机会。未来几年的目标是更难实现。在过去的三十多年里，欧洲化工行业在减少其年度温室气体排放方面取得了显著进展，排放量减少了1.71亿吨（图1）。这部分是通过改进技术和工艺，以及关闭最高成本和污染最严重的资产来实现的。但减排也得益于该行业生产足迹的变化，出现了产能削减和工厂关闭，导致排放量减少。同期，欧洲的氨产量下降了12%，而全球产能增长了159%。6总体而言，欧盟在全球化学总产量中的份额从1993年的31.6%下降到2020年的14.4%。7 6为达到欧盟的2050年净零排放目标，化工行业需从2019年的水平减少约1640万吨温室气体排放（图1），据欧洲环境署（EEA）数据。然而，EEA报告仅包含受监管工厂的温室气体排放。仔细观察显示，该行业75%的排放是由八种产品的生产造成的——氨、乙烯、丙烯、硝酸、炭黑、己内酰胺、纯碱和氟化学品。这些产品在欧盟的236家工厂生产，其中包括一些非受监管工厂（图2）。考虑到工厂总数，到2050年需要解决的总体温室气体减排量增至1860万吨。仔细查看可知，75%的行业排放是由八种产品的生产造成的——氨、乙烯、丙烯、硝酸、炭黑、己内酰胺、纯碱和氟化学品。 化学工业实现净零排放之路：欧盟绿色协议的成本与机遇汇总成本为了确定欧盟“绿色协议”的净零目标成本，安永和NexantECA研究了欧洲化工厂中这八种化学品的八种生产技术工艺路线。利用NexantECA数据库，这项研究确定，要实现这些化学品在2050年的生产目标，需要为核心设备以及设施的设计、建设和改造投入4000亿欧元至6000亿欧元。 进行转型将需要另外200亿至300亿欧元的中断成本——本质上，由于工厂在改造、改进或重建过程中生产停滞所导致的利润损失。此外，研究估计，将其他化合物的生产转向这八种之外，将使成本额外增加250亿至350亿欧元，使总体“账单”超过1万亿欧元。欧盟化工行业2019年在资本项目中投资了215亿欧元。8通常，大约25%的这部分总额用于合规管理，以及维持安全可靠的运行，以便一般性地“保持资产运行”。因此，大约75%可用于大型新项目，例如为减少温室气体排放所需的项目。将这部分资本项目资金转移到转型现有资产能力以实现净零排放，将使化工厂能够应对在实现“绿色协议”净零目标方面所面临的挑战。这将减少为满足全球需求增长所需额外产能的投资金额。 化学工业实现净零排放之路：欧盟绿色协议的成本与机遇这些数据表明，该行业在未来三十年内面临约3650亿欧元的资金缺口，以支持净零排放倡议，需要每年增加超过120亿欧元的资本投资（图3）。更重要的是，减少温室气体排放的投资需要激励和支持，以产生与化工生产者传统投资相似的回报。在这些宏观数字之下是这样一个现实：减少温室气体排放将在单个工厂层面发生，而各工厂在实现净零排放的需求和路径上会有所不同。为了了解这些成本将如何发生，研究化学行业中两个最具能源密集性和最大的温室气体产生活动——氨生产和蒸汽裂解工艺用于生产乙烯。 氨生产化学工业实现净零排放之路：欧盟绿色协议的成本与机遇在欧盟，有40座氨厂，这些氨厂的平均年龄超过30年，平均产能约为一个新世界级装置的约三分之一。氨是通过氢气和氮气的合成产生的，其生产是欧盟化工行业最大的温室气体排放源之一。通常，氢气是通过一个称为蒸汽重整在其中，高压蒸汽与天然气或燃油反应。该过程非常耗能，需要高达25巴的压力和高达1000°C的温度。此外，重整炉还会排放一氧化碳(CO)、CO2和反应及燃料燃烧产生的NOx。氨是一种重要的化工产品——它是化肥工业的关键原料，对于全球粮食安全至关重要，也是一系列化学品（从药物到制冷剂）的基本构建模块。此外，氨的多样性可以扩展到可再生能源交通领域，并且可以用作储能介质，这两者都是实现全球可持续发展与碳中和目标的关键因素（图4）。 使用可再生能源进行电蒸汽重整，每吨氨需要2.7兆瓦时的电力。这将转化为每年欧洲大约需要额外55太瓦时的电力。这条路线只有在CO2而且，由重整装置产生的CO被削减或消耗——例如，在一个氨合成装置下游的集成尿素装置中。埃森哲和NexantECA的分析考虑了欧洲各工厂层面的不同生产工艺路线，以了解可用于减少温室气体排放的减排选项。目前基于化石燃料的氨生产每吨氨需要大约0.1兆瓦时的电力和920万英热单位（BTU）的燃料气来产生驱动蒸汽重整器反应所需的温度和压力。一种潜在的替代方案是用可再生能源产生的电力来替代燃烧燃料气产生的热量。 要生产净零氨（“绿色氨”），在不进行碳减排或不进行下游工厂集成的情况下，需要将重整器完全替换为电解槽。当考虑基于可再生能源的氢气时，整体可再生能源需求增加到大约 200 TWh。9这等于欧盟今天可再生能源发电的18%，也等于欧盟总用电量的7.2%。10许多在氨生产中减少温室气体排放所需的技术已成功展示用于商业用途。然而，改造现有工厂的核心单元将需要高达900亿欧元资本支出。 化学工业实现净零排放之路：欧盟绿色协议的成本与机遇然而，改造现有的氨厂意味着要改造其核心单元，这将需要高达90亿欧元（基于2020年价格）的资本支出。这使“净零GHG排放氨”的资本强度比目前传统的氨生产路线大约高4倍。工厂的改造需要12到18个月，将导致全行业大约10亿欧元的停产成本。此外，未来的技术将更昂贵，这意味着转向净零排放氨将显著增加运营成本。幸运的是，许多在氨生产中显著减少温室气体排放所需的技术已经成熟，并已成功示范用于商业用途。这些技术包括通过水电解而非天然气或燃料油的蒸汽重整来生产无碳氢，以及基于可再生能源而非化石燃料来产生热和压力。 11 蒸汽裂解工艺化学工业实现净零排放之路：欧盟绿色协议的成本与机遇进行实际裂解的焦炉占化工行业温室气体排放的大部分，该过程本身也是化学反应的化学计量的一部分产生温室气体。修改蒸汽裂解炉的核心部件——焦炉，是一项巨大的工程，涉及用电炉替代基于化石燃料的焦炉，仅一个裂解炉就可能需要12到18个月。在整个欧盟范围内这样做将需要估计2000亿欧元，并在利润损失中产生1000亿欧元的停顿成本。蒸汽裂解用于将石脑油或天然气转化为乙烯、丙烯和芳香烃等化学工业基础原料，这些原料随后被用作合成各种化学品的基础。欧盟的44家蒸汽裂解装置平均年龄为40年，其中90%使用石脑油作为原料。 由于蒸汽裂解需要超过850°C的温度，这些电蒸汽裂解炉的能源需求将增加200太瓦时，正如之前所述，这相当于欧盟当前可再生能源发电量的18%，相当于欧盟总用电量的7.2%。11今天，大多数欧盟蒸汽裂解装置与阿拉伯湾地区和美国的装置相比，由于欧盟装置规模较小、年龄更大、原料成本更高（图5），运营成本已更高。对欧盟蒸汽裂解装置进行改造以减少温室气体排放，将加剧这一劣势，通常在每吨乙烯400至500欧元范围内，使欧盟的蒸汽裂解装置成为全球成本竞争力最差的装置。这不仅会影响乙烯、丙烯或芳烃等直接蒸汽裂解装置产品，还会影响所有基于蒸汽裂解原料的化工产品。 处理植物网络化学工业实现净零排放之路：欧盟绿色协议的成本与机遇现代欧盟化学工业历经一个多世纪的发展，工厂多靠近客户、沿河以及内陆地区建设。与其他地区的工厂相比，资产往往更老旧、规模更小，且物料流动通常实现整合，这得益于工厂的物理邻近性。利用现有基础设施实现净零目标，需要一系列针对产品、工艺和特定资产减排干预措施。虽然历史形成的产业集聚体因其相关方间紧密联动而高度复杂，但也为共同应对排放全范围，包括范围3（企业价值链中的间接排放）提供了机会。 为制定温室气体减排的途径，企业需要从多个角度评估每个工厂未来的竞争力。投资能否带来差异化的产品供给，例如净零排放或低碳温室气体排放产品？消费者是否愿意支付净零商品的额外成本？未来的生产成本和由此产生的利润率是否符合全球竞争和要求的投资回报率？工厂需要与其他工厂整合到什么程度？这些问题有助于确定工厂是否应该关闭、搬迁或改造。欧洲的许多老工厂已完全折旧，而且通常运营的成本结构接近其现金成本。它们也往往在规模和自动化水平上落后于新的非欧盟工厂。当谈到温室气体减排时，这些资产引发了一系列问题：投资于非常成熟的资产以减少排放是否有意义？关闭工厂并用新的工厂替换它是否更具吸引力？在建设新工厂时，是否应该在欧洲或其他地方——特别是如果它生产的产品大部分出口的话？ 化学工业实现净零排放之路：欧盟绿色协议的成本与机遇超越核心成本虽然2050还很遥远，但实际上，对于该行业的传统投资周期而言，这是一个相当短的时间段。设计新流程、采购