我國鋁行業(yè)碳達(dá)峰碳中和路徑研究

杜 心 謝文俊 王世興

(中鋁環(huán)保節(jié)能集團(tuán)有限公司， 北京 100038)

0 前言

2020年9月22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論會(huì)首次提出了我國的二氧化碳排放在2030年前達(dá)峰及2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。至2021年7月6日中國共產(chǎn)黨與世界政黨領(lǐng)導(dǎo)人峰會(huì)，習(xí)近平主席至少在10余次國際會(huì)議、4次國內(nèi)會(huì)議講話中先后闡述了碳達(dá)峰與碳中和的目標(biāo)、意義、政策、措施及行動(dòng)等內(nèi)容，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。近期，國家發(fā)改委、國資委委托相關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)、研究院所針對碳達(dá)峰、碳中和約束下電力、建材、有色等重點(diǎn)行業(yè)的發(fā)展路徑開展研究。有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)也開展了有色金屬行業(yè)碳達(dá)峰實(shí)施方案的研究。

1 鋁行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)

1.1 碳達(dá)峰、碳中和的定義

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)的定義，碳達(dá)峰是指某個(gè)地區(qū)或行業(yè)年度二氧化碳排放量達(dá)到歷史最高值，然后進(jìn)入持續(xù)下降的過程，是二氧化碳排放量由增轉(zhuǎn)降的歷史拐點(diǎn)。碳達(dá)峰涉及達(dá)峰年份和峰值。碳中和是指人類活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳排放量，與二氧化碳去除技術(shù)(如植樹造林)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的吸收量達(dá)到平衡。

1.2 鋁行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)

2019年10月，國際鋁業(yè)協(xié)會(huì)理事會(huì)第96次會(huì)議決定成立溫室氣體減排途徑工作組，并初步擬定了鋁行業(yè)溫室氣體排放覆蓋范圍及2050年溫室氣體零凈排放目標(biāo)和途徑。

2021年3月，國際鋁業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布了《2050年鋁業(yè)溫室氣體排放路徑》，提出全球鋁行業(yè)溫室氣體減排目標(biāo)：到2050年，在全球鋁產(chǎn)量17 000萬t(其中原鋁產(chǎn)量9 000萬t)條件下，全球鋁行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈(鋁土礦開采、氧化鋁及電解鋁生產(chǎn)、鋁加工制造，以及廢料回收、再生)的排放總量為2.5億t二氧化碳當(dāng)量；其中，所有與原鋁生產(chǎn)相關(guān)的工藝流程(特別是冶煉過程)耗電產(chǎn)生的排放量將近于零，直接排放為2億t二氧化碳當(dāng)量，回收和制造過程中的燃料燃燒和電力消耗排放0.5億t二氧化碳當(dāng)量。

參照國際鋁業(yè)溫室氣體減排目標(biāo)，結(jié)合我國當(dāng)前鋁行業(yè)二氧化碳排放現(xiàn)狀，以及中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)提出的有色行業(yè)力爭2025年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2040年減排40%目標(biāo)，預(yù)計(jì)我國鋁行業(yè)有望于2025年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰[1]，峰值約為5.6億t二氧化碳當(dāng)量。

2 鋁行業(yè)排放現(xiàn)狀

2018 年，全球鋁產(chǎn)量為9 500萬t，其中，原鋁產(chǎn)量6 400萬t，再生鋁產(chǎn)量3 100萬t。全球鋁行業(yè)二氧化碳排放量11.3億t當(dāng)量[2]。同期，我國鋁產(chǎn)量為4 275萬t，其中，原鋁產(chǎn)量3 580萬t，再生鋁產(chǎn)量695萬t，我國鋁行業(yè)二氧化碳排放量5.2億t當(dāng)量。2018年全球與中國鋁行業(yè)二氧化碳排放量對比如圖1所示。

圖1 2018年全球與中國鋁行業(yè)二氧化碳排放量

鋁行業(yè)包括原鋁生產(chǎn)(鋁土礦開采、氧化鋁生產(chǎn)、陽極生產(chǎn)、電解鋁生產(chǎn))、再生鋁及鋁加工及產(chǎn)品制造等產(chǎn)業(yè)鏈，其中原鋁生產(chǎn)二氧化碳排放量約占鋁行業(yè)二氧化碳排放量的94.85%，如圖2所示。

圖2 鋁行業(yè)中各產(chǎn)業(yè)二氧化碳排放占比

原鋁生產(chǎn)中，能源消耗排放的二氧化碳占比較大，達(dá)到77.5%(其中，電能消耗排放的二氧化碳量約占64.4%，熱能消耗排放的二氧化碳量占比13.1%)。原鋁生產(chǎn)中各排放源所占的比例如圖3所示。

圖3 原鋁生產(chǎn)中各排放源占比

3 我國鋁行業(yè)碳排放存在問題

3.1 電解鋁生產(chǎn)中煤電占比大

與歐美電解鋁企業(yè)相比，我國電解鋁行業(yè)在電解環(huán)節(jié)上的排碳量較高，主要原因是國內(nèi)原鋁電力能源嚴(yán)重依賴火電。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年底，我國電解鋁運(yùn)行產(chǎn)能消耗的自備電占比65.2%，網(wǎng)電占比34.8%。其中，自備電全部為火電，網(wǎng)電按照各區(qū)域電網(wǎng)的發(fā)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。經(jīng)測算，在電解鋁的能源結(jié)構(gòu)中，火電占比88.1%，非化石能源占比11.9%。2020年國內(nèi)外鋁企業(yè)能源結(jié)構(gòu)對比[3]見表1。

表1 2020年國外主流鋁企業(yè)能源結(jié)構(gòu)對比

3.2 電解鋁、氧化鋁能耗指標(biāo)大幅下降的空間有限

目前，原鋁生產(chǎn)最典型的生產(chǎn)工藝仍為冰晶石-氧化鋁融鹽電解法(霍爾-埃魯特熔鹽電解法)。經(jīng)過100多年來的工藝持續(xù)優(yōu)化，氧化鋁、電解鋁生產(chǎn)工藝指標(biāo)潛力挖掘已接近極限，在生產(chǎn)工藝沒有發(fā)生顛覆性改變的條件下，鋁冶煉各項(xiàng)指標(biāo)下降空間有限。

3.3 關(guān)鍵降碳技術(shù)仍存在瓶頸

鋁冶煉生產(chǎn)中，低溫余熱回收、無廢冶金、惰性陽極、高效超低能耗鋁電解、二氧化碳捕集利用等零碳、負(fù)碳核心技術(shù)的儲(chǔ)備不足。

3.4 再生鋁占比較低

測算表明，再生鋁的二氧化碳排放量僅為原鋁二氧化碳排放量的4%左右。2020年，全球鋁產(chǎn)量為9 910萬t，其中再生鋁產(chǎn)量3 380萬t，占全球鋁鋁產(chǎn)量的34.1%。同年，我國鋁產(chǎn)量為4 448萬t，其中再生鋁產(chǎn)量740萬t，占國內(nèi)鋁產(chǎn)量的16.6%。我國再生鋁產(chǎn)量與國際平均水平存在較大差距。

4 鋁行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的路徑

結(jié)合我國鋁行業(yè)碳排放特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的路徑主要包括提高能源利用效率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、零碳(負(fù)碳)技術(shù)開發(fā)等，詳見表2。

表2 鋁行業(yè)碳減排技術(shù)路徑

4.1 節(jié)能提效 降低碳排放強(qiáng)度

2005年，《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃的建議》首次把節(jié)約資源上升為我國的“基本國策”。自2006年至今的3個(gè)“五年規(guī)劃”中，降低單位GDP能耗的節(jié)能指標(biāo)始終被列為“五年規(guī)劃”的重要約束性指標(biāo)之一。2006—2019年，我國單位GDP能耗下降了42.5%，單位GDP二氧化碳排放量下降了47.9%，電解鋁交流電電耗從14 575 kW·h/t降到13 555 kW·h/t，下降了約7.0%。

多方測算表明，節(jié)能和提高能源利用效率對我國實(shí)現(xiàn)2030年前碳排放達(dá)峰目標(biāo)的貢獻(xiàn)在70%以上，可再生能源和核電的貢獻(xiàn)接近30%。二氧化碳捕獲和封存技術(shù)對我國2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)很難做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)[4]。

因此，要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，應(yīng)加大節(jié)能技術(shù)及設(shè)備的推廣應(yīng)用，創(chuàng)新合同能源管理等第三方節(jié)能服務(wù)模式，推進(jìn)節(jié)能技術(shù)、節(jié)能設(shè)備、能源梯級(jí)利用和余熱利用，促進(jìn)提高能源利用效率的項(xiàng)目落地；加強(qiáng)全流程、全鏈條、全要素對標(biāo)管理，進(jìn)行節(jié)能診斷，發(fā)現(xiàn)差距，開展精益管理，以持續(xù)改進(jìn)為載體，挖掘節(jié)能降耗潛力，優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

4.2 優(yōu)化鋁產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu) 提高再生鋁產(chǎn)量

1) 鞏固和化解電解鋁過剩產(chǎn)能，嚴(yán)控電解鋁4 500萬t天花板產(chǎn)能；2)加大“城市礦山”開發(fā)力度，大力發(fā)展短流程冶煉工藝，大幅度提高再生鋁生產(chǎn)能力和再生鋁比例；3)選擇沿海和水電豐富的綠色能源地區(qū)進(jìn)行鋁產(chǎn)業(yè)布局，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展，打造鋁集群化產(chǎn)業(yè)基地，降低物流運(yùn)輸和金屬重熔過程中的碳排放。

4.3 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)鋁產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展

優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，收縮電解鋁火電產(chǎn)能，增加清潔能源使用比例，是實(shí)現(xiàn)鋁行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和最直接和最有效的途徑。主要措施包括：1)淘汰燃煤自備電廠，或者通過自備機(jī)組發(fā)電權(quán)置換，利用清潔能源置換火電；2)對自備電廠進(jìn)行清潔化改造，用低碳或零碳能源替換燃煤；3)利用企業(yè)廠房及周邊環(huán)境，建設(shè)風(fēng)、光電站，配合儲(chǔ)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)清潔能源直供；4)依托水電、核電資源，置換電解鋁產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)清潔能源直接利用；5)推行低碳運(yùn)輸，逐步引進(jìn)電動(dòng)、氫能運(yùn)輸車輛。

4.4 推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新 實(shí)現(xiàn)顛覆性降碳技術(shù)突破

整合國內(nèi)科研院所，組建中國有色金屬行業(yè)低碳綠色發(fā)展創(chuàng)新平臺(tái)，圍繞節(jié)能降碳、清潔生產(chǎn)、清潔能源等領(lǐng)域布局前瞻性、戰(zhàn)略性、顛覆性項(xiàng)目，實(shí)施綠色技術(shù)攻關(guān)行動(dòng)，力爭在鋁行業(yè)中實(shí)現(xiàn)無廢冶金、高效超低能耗鋁電解槽、惰性陽極以及二氧化碳捕集、利用和封存技術(shù)等方面取得突破，為綠色發(fā)展提供技術(shù)支撐。

5 結(jié)束語

2021年7月30日，中共中央政治局召開會(huì)議，提出要統(tǒng)籌有序做好碳達(dá)峰、碳中和工作，盡快出臺(tái)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案，堅(jiān)持全國一盤棋，糾正運(yùn)動(dòng)式“減碳”，先立后破，堅(jiān)決遏制“兩高”項(xiàng)目盲目發(fā)展。鋁行業(yè)作為碳排放大戶，要以碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)為契機(jī)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，通過不斷提升能效、大力調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、增加清潔能源使用、推動(dòng)科技創(chuàng)新，促進(jìn)產(chǎn)品應(yīng)用，搶占國際低碳發(fā)展制高點(diǎn)。