中国碳中和目标下的工业低碳技术展望

Outlook on Industrial Low-carbon Technologiestoward China's Carbon Neutrality Goal 中国碳中和目标下的工业低碳技术展望 Outlook on Industrial Low-carbon Technologiestoward China’s Carbon Neutrality Goal 摘 要 气候变化是人类面临的最严峻全球性挑战。作为负责任的大国，中国于2020年正式提出 “双碳” 战略目标，是全球从碳达峰到碳中和时间最短、减碳规模最大、降幅度速度最快的国家。工业部门作为国民经济中最重要的物质生产部门，亦是中国能源消耗和CO2排放最集中的领域，其低碳转型对于实现 “双碳”目标具有决定性意义。碳中和目标驱动全球产业链和生产模式的重大重构，工业碳中和技术的系统研究与战略部署，不仅关系中国工业领域脱碳进程，更关乎中国产业竞争力的重塑。唯有加快布局颠覆性与引领性的低碳技术，才能在新一轮产业变革中占据战略主动。 工业部门在生产工艺与排放结构上的高度复杂性，使其碳减排技术的发展面临巨大挑战，因此全球碳中和实现路径上的难减排领域往往都在工业部门等。钢铁、水泥、石化、化工等重点高碳工业行业减排路径差异显著，短流程工艺、氢冶金、电气化、二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）等技术路线亟需系统性突破与统筹推进。推动庞大工业体系实现深度脱碳，必须在颠覆传统发展模式的同时，平衡技术演进与经济可行性，以 “技术-路径-政策” 为分析框架，建立关键技术的发展路线图，形成可落地的碳中和技术解决方案，助力中国以碳中和技术创新打造工业竞争新优势，加快培育新质生产力。 本报告聚焦中国工业碳中和的战略需求，联合钢铁、建材、有色、石化、煤化工、数字化等重点行业协会和研究机构，耦合自上而下的宏观评估模型与自下而上的技术优化模型（TIMES+MESSAGE），系统梳理工业碳中和转型关键技术清单，开展多轮次技术演化模拟与情景优化，综合分析不同技术的工艺特征、技术成本、应用场景与减排潜力，提出重点行业碳中和技术图谱，基于技术成熟度和成本学习曲线形成分技术应用的时间表与发展路线图，为工业低碳转型战略规划、重大工程部署和政策制定等提供决策依据。 本报告提出中国工业领域碳中和技术发展 “三阶段” 路径：（1）低碳流程技术大规模应用期（2025—2035 年）：需求侧结构调整和短流程技术（如废钢-电炉、再生铝）替代传统高碳路径，推动工业领域碳排放率先整体达峰，为电力、交通等部门的低碳转型和终端需求增长释放排放空间。能效提升和短流程技术发展是该阶段的核心减排手段，将贡献约55%的工业碳中和技术减排量。（2）工艺颠覆性技术爆发应用期（2036—2050 年）：该阶段是打破高碳路径依赖、推动工业体系深度重构的关键期。氢能技术、电气化耦合清洁电力替代以及CCUS等技术规模化部署，持续扩大在重点行业中的应用覆盖。（3）碳移除托底技术深度应用期（2051—2060 年）：电力、交通、建筑等部门已经基本实现净零排放，为工业领域突破关键技术瓶颈争取时间。工业部门将依托CCUS等技术对难减排环节进行兜底，稳步推进全行业深度碳中和。通过碳中和技术创新、供给需求侧调控和新型电力系统建设等，中国工业部门碳排放到2060年将减少至4.5亿吨，较2025年下降95%左右。2025—2060年中国工业领域碳中和技术累计投资额将达到42万亿元左右。 分行业脱碳技术路径呈现显著差异化特征。钢铁行业作为当前与远期减排潜力双高领域，技术路径呈现明显阶段性特征：2035年前将以高炉-转炉系统节能改造和废钢-电炉短流程发展为主；2035—2040年 间，氢基直接还原炼铁有望在成本突破后进入大规模应用阶段，成为深度脱碳的核心路径；2050年后，钢铁CCUS将成为实现碳中和的关键托底技术。水泥行业在2030—2040年进入技术结构转型期，大批旧窑系统退出，固废、生物质燃料等替代技术全面推广，绿氢、电力煅烧工艺逐步成熟；2040年以后燃料替代率持续提升，氢能与电力煅烧工艺进入加速应用阶段。铝冶炼行业在2025—2040年间将以废铝再生技术为核心减排措施，惰性阳极与氯化铝电解等技术将在2040年后加速布局进入规模化商业应用阶段。石化和煤化工行业短期内以高效换热器等能效提升技术为主，2035年后将依托绿氢、绿电和CCUS等多种技术协同应用，实现能源与工艺的系统性重构，形成复合型减排路径。 氢能替代、电气化耦合清洁电力替代、原料替代与废物回收、CCUS四类通用性技术构成工业脱碳的核心支柱，推动低碳路径从分散的单点突破迈向系统集成与协同优化。在氢能利用领域，可再生能源发电成本的持续下降与绿氢制备技术的加速突破相互强化，推动氢能成本持续下行，预计2035年后，绿氢全产业链实现突破并规模化应用，五大工业行业氢能总需求量将达到0.2亿吨，到2060年，工业氢能总需求量将达到0.58亿吨。电气化与清洁电力替代技术经历由重点工艺环节渗透向全流程覆盖的演进路径，2035年前工业部门以关键工艺的电力替代为主，2050年前后实现系统集成与广泛部署。2025—2060年，在工业需求侧产量持续走低的情况下，工业行业的用电量仍快速上升，2060年工业部门五大行业的用电量将达到3.8万亿千瓦时，相较于2025年增长近80%。原料替代与废物回收技术在2035年前将完成从政策驱动向市场驱动的商业化闭环转变，预计2035年废钢、水泥替代原料以及废铝的再利用量分别达到3.3亿吨、1.9亿吨和1640万吨，2035年后持续在工业部门的减碳过程中发挥关键作用。CCUS作为应对难减排领域的重要技术支撑，2040年后将陆续实现全流程工业化，2060年减排量占工业总减排的比重提升至24%，为实现工业碳中和提供关键托底保障。 为加速中国工业碳中和技术部署，确保在关键窗口期大规模商业化应用，有力支撑碳中和目标实施和产业高质量发展，提出如下政策建议：（1）加快规划部署工业领域碳中和关键技术一揽子重大工程。重点针对钢铁、建材、有色、石化、化工等重点工业领域减排技术成本高、示范效应不足、商业化路径不清等突出瓶颈，实施金属材料回收、工业炉窑电气化改造、原料替代及改造等一批战略性强、示范效果好、具有带动放大效应的重大工程。通过重大工程刺激技术创新，驱动成本突破临界点，助力关键技术市场化应用。（2）强化碳市场和碳金融对工业碳中和技术的激励作用。加快碳市场扩大行业覆盖范围，到2027年基本覆盖工业领域主要排放行业。在钢铁、水泥等行业率先开展碳排放总量控制，优化配额分配机制，推行并逐步提高有偿分配比例，利用有偿分配收入等建立专项基金用于支持氢能利用、电气化等关键碳中和技术发展，推动减排责任与技术创新良性互动。（3）设立科技专项加快碳中和共性技术的研发突破与示范推广。将氢能利用、电气化、CCUS、原料替代等颠覆性技术纳入国家重大科技专项或重点研发计划，前瞻性布局核心技术攻关与示范，推动关键环节率先突破成本瓶颈，实现环境效益与经济效率的同步提升。（4）构建有利于碳中和技术发展的财税政策支持体系。在国家层面，建议将短流程炼钢、绿氢炼化、原料替代等相关工程基础较好、可行性较高的重大工程，纳入 “两重” “两新” 政策支持目录，通过超长期特别国债予以支持。在地方层面，各省市结合区域产业特点、资源禀赋等，制定差异化的产业政策。综合运用财政补贴、税收减免、绿色信贷、优惠电价等政策工具，构建激活市场和社会力量的多元投入格局。 本项目由能源基金会资助支持。 关于作者 报告总召集人： 严刚生态环境部环境规划院 章节召集人： 李冰冶金工业规划研究院何捷中国建筑材料科学研究总院有限公司邵朱强中国有色金属工业技术开发交流中心有限公司李永亮中国化工节能技术协会吴立新煤炭工业规划设计研究院有限公司齐曙光中国信息通信研究院 报告作者： 员晓冶金工业规划研究院崔敬轩中国建筑材料科学研究总院有限公司聂卿中国建筑材料科学研究总院有限公司谢刚中国有色金属工业技术开发交流中心 蔡博峰生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心朱淑瑛生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心严妍生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心陈潇君生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心阮梓纹生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心雷宇生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心张泽宸生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心汪旭颖生态环境部环境规划院大气环境规划研究所贺晋瑜生态环境部环境规划院大气环境规划研究所郭静生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心马倩生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心张立生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心吴赟龙生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心董金池生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心刘洋清华大学地球系统科学系蔡慈澜清洁空气政策伙伴关系秘书处张利娜冶金工业规划研究院 有限公司李淼中国石油和化学工业联合会翁慧中国石油和化学工业联合会王紫唯中国化工节能技术协会贾奕宸中国化工节能技术协会郝成亮煤炭工业规划设计研究院有限公司赵路正煤炭工业规划设计研究院有限公司曲洋煤炭工业规划设计研究院有限公司魏涛煤炭工业规划设计研究院有限公司李尚中国信息通信研究院王梦迪中国信息通信研究院叶行方中国信息通信研究院吴亚盼中国信息通信研究院 顾问组： 王金南中国工程院院士、生态环境部环境规划院名誉院长贺克斌中国工程院院士、清华大学碳中和研究院院长邹骥能源基金会首席执行官兼中国区总裁 专家咨询组： 李阳中国工程院院士、中国石化股份公司张强清华大学地球系统科学系副主任、教授 孙丽丽中国工程院院士、中石化炼化工程集团董事长 傅莎能源基金会战略规划主任韩炜能源基金会工业项目主任何平能源基金会项目质量管理高级顾问白荣春原全国能源基础与管理标准化技术委员会顾问、国家能源专家委员会副主任戴彦德原国家发展和改革委员会能源研究所所长张称意原国家气候中心研究员张建良北京科技大学二级教授、中国金属学会炼铁分会主任委员孔祥忠中国水泥协会执行会长顾宗勤中国氮肥工业协会理事长魏然中国信息通信研究院总工程师戴瀚程北京大学研究员李文军化工行业生产力促进中心研究员王世兴中国铝业公司正高级工程师李玉昇中国移动通信集团设计院信息能源所副所长张昕国家应对气候变化战略研究和国际合作中心总经济师刘清芝中环联合认证中心副总经理、正高级工程师戴永立生态环境部环境工程评估中心研究员崔素萍北京工业大学教授杨天剑北京邮电大学教授陈文会北京化工大学副教授 免责声明 若无特别声明，报告中陈述的观点仅代表作者个人意见，不代表生态环境部环境规划院和能源基金会的观点。生态环境部环境规划院和能源基金会不保证本报告中信息及数据的准确性，不对任何人使用本报告引起的后果承担责任。 凡提及某些公司、产品及服务时，并不意味着它们已为生态环境部环境规划院和能源基金会所认可或推荐，或优于未提及的其他类似公司、产品及服务。 CONTENTS目录 第 1 章研究背景 1.1“双碳”目标对工业低碳转型要求___________________________________________________________41.2工业碳中和技术的重要意义__________________________________________________________________51.3中国工业碳中和面临的技术挑战______________________________________________________________7 第 2 章钢铁行业碳中和技术展望 2.1行业现状与趋势____________________________________________________________________________10 2.2.1高炉转炉节能和能效提升技术_______________________________________________