中國加速邁向碳中和：一文讀懂水泥行業(yè)碳減排路徑

在“中國加速邁向碳中和”系列的開篇文章中，我們暢想了2050年由電動汽車、氫氣煉鋼、光伏發(fā)電、綠色儲能等新能源元素主導的碳中和世界，這一愿景的實現(xiàn)也意味著全球需要在2030年將人為造成的二氧化碳凈排放量較2010年減少約45%，到2050年達到“凈零排放”。面對目標與時間的雙重挑戰(zhàn)，碳中和轉(zhuǎn)型的道路亟待開啟。在各國競相開展具體的研究與落地工作之時，中國也在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論中率先提出了“碳達峰、碳中和”目標。

中國水泥行業(yè)碳中和轉(zhuǎn)型的必要性

水泥行業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要基礎產(chǎn)業(yè)，也構(gòu)成了現(xiàn)代城市建筑的軀干。放眼全球，水泥行業(yè)貢獻了碳排放總量的7%。如果將全球水泥行業(yè)看作一個國家，那么它將是僅次于中國和美國的第三大碳排放國。我國生產(chǎn)全球近六成水泥，水泥行業(yè)碳排放量也逾全球水泥產(chǎn)業(yè)碳排放總量的一半。

水泥生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放主要源于熟料生產(chǎn)過程（見圖一），其中石灰石煅燒產(chǎn)生生石灰的過程所排放的二氧化碳，約占全生產(chǎn)過程碳排放總量的55-70%；高溫煅燒過程需要燃燒燃料，因此產(chǎn)生的二氧化碳，約占全生產(chǎn)過程碳排放總量的25-40%。

目前，中國水泥行業(yè)碳排放量占全國碳排放總量的約9%，是制造業(yè)中主要的二氧化碳排放源。中國是全球水泥制造第一大國，2019年全球水泥產(chǎn)能為37億噸，中國約占其中60%。根據(jù)麥肯錫測算，要實現(xiàn)全球升溫不超過1.5℃的情境，到2050年中國水泥行業(yè)碳減排需達70％以上。

中國水泥行業(yè)碳減排路徑

綜合考量碳減排成本、技術(shù)可行性、資源可用性，我們認為需求下降、能效提升、替代燃料、碳捕捉技術(shù)的加速推動是中國水泥行業(yè)碳減排的重要抓手。據(jù)此，我們繪制了中國水泥行業(yè)從2020年到2030和2050年的碳減排路徑圖（見圖二）。

綜合能源轉(zhuǎn)型委員會（ETC)、國際能源署(IEA)、中國水泥行業(yè)專家的意見，預計常規(guī)情形下的需求下降到2050年將貢獻中國水泥行業(yè)約27％的碳減排，其主要動因是城市化和建筑業(yè)的增速放緩。隨著我國城市化率趨于穩(wěn)定，GDP驅(qū)動的水泥需求預計會進一步下降，現(xiàn)有建筑的維修和更新將逐漸主導未來的水泥需求。此外，混凝土的替代建材（例如鋼、預制材料、交錯層積木材等）也將進一步降低水泥需求。然而，需求預測的準確性受城市化和建筑業(yè)發(fā)展實際情況的影響，若需求下降不及預期，則需要依靠其他抓手推動碳減排，特別是碳捕集與封存（CCS）。

能效提升是技術(shù)成熟的無悔之舉，到2050年可為水泥板塊貢獻約5%的碳減排。水泥行業(yè)的能效變革包括兩大方面：一是節(jié)電的減排貢獻（包括原料研磨、預分解爐、水泥車間用電等），為避免雙重計算，我們將這部分潛力放在電力行業(yè)碳減排分析中另行展開；二是節(jié)省燃料的減排貢獻，預計到2030年燃料消耗可節(jié)省5%，到2050年可節(jié)省14%。

替代燃料是更優(yōu)先、更具成本效益的手段，到2050年可推動行業(yè)約10%的碳減排。如果我們逐個分析可為水泥生產(chǎn)供熱的主要燃料，會發(fā)現(xiàn)可再生廢棄物是最可行的煤炭替代燃料：

煤炭：目前為逾95％的水泥生產(chǎn)供熱，是現(xiàn)階段石灰石煅燒使用的主要燃料源。由于煤炭價格低廉，煤炭燃料不太可能被完全取代，但會在燃料結(jié)構(gòu)改善過程中不斷降低份額，預計在2050年煤炭在水泥生產(chǎn)所使用燃料中占比20-30%。

生物質(zhì)：目前為不足1%的水泥生產(chǎn)供熱，被認為是無排放的清潔資源，并且搭配碳捕獲技術(shù)可能產(chǎn)生凈負排放。但中國生物質(zhì)資源整體緊張，且多個行業(yè)均出現(xiàn)需求顯著增長的可能，目前行業(yè)內(nèi)仍沒有公司用生物質(zhì)為水泥車間供熱?？紤]到生物質(zhì)供給端的不確定性，預計在2050年生物質(zhì)構(gòu)成水泥生產(chǎn)所使用燃料的5-10%。

廢棄物：目前廢棄物為不到5%的水泥生產(chǎn)供熱，我們認為廢棄物是更好的潛在碳減排資源。一方面有機廢棄物可作為燃料，另一方面固體廢棄物可代替熟料，減少石灰石的使用，從而進一步減少生產(chǎn)過程中的碳排放。同時，廢棄物利用在我國有著政策利好、供應量相對持續(xù)、垃圾分類狀況不斷改善三方面支撐。預計在2050年廢棄物構(gòu)成水泥生產(chǎn)所使用燃料的55-75%。

電力加熱：對于水泥生產(chǎn)來說，采用電加熱無論從技術(shù)要求（需要較高溫度和功率）、設備改造還是運營經(jīng)濟性上看均不具備很高的可行性，未來可能不會成為重要的減排手段。

天然氣：天然氣雖不能幫助水泥行業(yè)實現(xiàn)燃料的零碳排放，但可以顯著降低燃料的碳排放強度，因此可能在未來的碳減排中扮演重要的過渡技術(shù)角色；同時，天然氣作為替代燃料也面臨成本上升、設備技改等挑戰(zhàn)。本文暫未對天然氣在未來水泥行業(yè)碳減排路線圖中的作用進行定量分析。

在需求下降、能效提升、替代燃料三大抓手均發(fā)揮作用的情況下，預計可產(chǎn)生的碳減排成效與1.5℃情景下的碳減排目標之間仍有較大缺口，還需要新興技術(shù)的支持。鑒于水泥生產(chǎn)中熟料工藝排放的特點，在沒有新興技術(shù)大規(guī)模代替熟料的情況下，碳捕集與封存（CCS）將成為水泥行業(yè)實現(xiàn)碳中和的唯一選擇，預計到2050年需要貢獻行業(yè)約50%的碳減排。CCS需要相匹配的地質(zhì)條件，如靠近衰退期油田、鹽水層等；且由于水泥廠規(guī)模較小、地點分散，單個企業(yè)難以承擔大規(guī)模CCS基礎設施建設，因此可考慮參與“CCS工業(yè)園區(qū)”模式，與其他需要依賴CCS技術(shù)減排的行業(yè)（如鋼鐵、煤電等）組團開展試點，例如可以從行業(yè)集中度較高的河北或山東開始試驗。

國內(nèi)某水泥生產(chǎn)頭部企業(yè)在2018年下半年推出了中國首個水泥CCS示范項目（如圖三），目前也是國內(nèi)唯一的水泥企業(yè)CCS項目。該CCS項目投資逾5000萬元人民幣，每年捕獲二氧化碳約5萬噸，捕集率約為1/30，是一個小規(guī)模的試點項目。未來水泥行業(yè)CCS試點的重點將聚焦于捕集技術(shù)的創(chuàng)新突破、捕集規(guī)模的大幅提升，以及CCS產(chǎn)業(yè)鏈的逐步搭建。

此外，水泥行業(yè)也一直在推動二氧化碳養(yǎng)護混凝土等新興水泥替代技術(shù)的發(fā)展（如圖四）。碳養(yǎng)護混凝土技術(shù)是通過二氧化碳與混凝土中鈣、鎂組分之間的礦化反應，同時實現(xiàn)溫室氣體的封存以及混凝土強度和耐久性的提升，從而降低水泥使用量。然而該技術(shù)仍處在試點階段，有待進一步規(guī)?；茝V。另外，基于非碳酸鈣的替代熟料技術(shù)也是行業(yè)未來技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)注重點。

目前我國水泥熟料比為0.67,低于全球平均值0.74。一個值得注意的政策趨勢是，根據(jù)2019年10月1日起開始實施的GB175-2007《硅酸鹽通用水泥》國家標準第3號修改單，復合硅酸鹽水泥32.5強度等級（PC32.5R）將取消，修改后將保留42.5、42.5R、52.5、52.5R四個強度等級。此舉旨在提高水泥行業(yè)產(chǎn)能利用率和產(chǎn)品質(zhì)量，但也會提升水泥行業(yè)的熟料使用比例，進而增加單位二氧化碳排放強度。要應對這一挑戰(zhàn)，需要在滿足建筑施工技術(shù)要求的前提下，綜合考量碳排放強度和熟料總用量之間的平衡關(guān)系，通過技術(shù)創(chuàng)新和突破來解決。

我們深知水泥行業(yè)是高減排難度（hard-to-abate）的主要工業(yè)行業(yè)之一，這不僅是因為水泥有固定的工藝過程排放，更是由于水泥行業(yè)整體體量大但單體規(guī)模小，且因絕對價格較低而難以承受很高的減排成本，這些都為水泥行業(yè)CCS規(guī)?；托屡d水泥替代技術(shù)的大幅突破增加了難度。但同時，由于當前供給側(cè)改革成效顯著，水泥企業(yè)整體利潤水平良好，行業(yè)整合度提升，正處于健康發(fā)展期，有能力未雨綢繆、大刀闊斧地推動技術(shù)創(chuàng)新，把握低碳轉(zhuǎn)型機遇期。

對水泥企業(yè)的啟示

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捕捉低碳大勢帶來的商業(yè)模式變革機會，主動適應下游趨勢

水泥企業(yè)應重新思考產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、合作關(guān)系和自身在整個建筑行業(yè)的價值位，評估建筑開發(fā)商等主要下游客戶在低碳環(huán)境下的需求變化，對新增長機會盡早布局。例如，水泥企業(yè)可考慮推進替代建材領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)與企業(yè)收購，針對下游建筑商方面可能出現(xiàn)的新型建筑材料、建筑信息模型，以及預制化、模塊化建筑解決方案進行提前布局，將生產(chǎn)與建筑信息模型結(jié)合，向下游拓展更多商業(yè)可能性。針對未來可持續(xù)燃料資源的獲取（例如生物質(zhì)能），水泥企業(yè)應當根據(jù)地區(qū)特征盡早布局，因為其他行業(yè)也將參與這場碳中和競賽，也希望通過可持續(xù)燃料實現(xiàn)碳減排目標。

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在“十四五”高質(zhì)量發(fā)展的主題下，大力推動“低碳+數(shù)字化”的運營轉(zhuǎn)型，將效率提升做到極致

深入理解“十四五”期間國家碳減排目標對水泥產(chǎn)業(yè)鏈的影響，主動開展端到端的碳足跡評估和減排成本曲線評估；將數(shù)字化運營與低碳轉(zhuǎn)型相結(jié)合，利用人工智能和機器學習等手段在生產(chǎn)過程中減少波動、提高能效，在持續(xù)改善經(jīng)營效率的同時降低企業(yè)的能耗和碳排放。例如，一家歐洲水泥生產(chǎn)商通過創(chuàng)建窯爐熱曲線的自學習模型優(yōu)化窯爐火焰的形狀和強度，節(jié)省了6％的燃料。未來的領(lǐng)先水泥企業(yè)可通過“低碳+數(shù)字化”的運營超越競爭對手。

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關(guān)注低碳大勢對水泥產(chǎn)業(yè)生態(tài)的中長期影響，探索可能的綠色增長新機遇

對新材料、新工藝和新減排技術(shù)等領(lǐng)域保持追蹤，在有條件的前提下進行試點，獲取行業(yè)發(fā)展的先行者優(yōu)勢。對于產(chǎn)業(yè)鏈上新興綠色產(chǎn)品可能出現(xiàn)的“綠色溢價”，通過開發(fā)相應的“低碳、零碳產(chǎn)品線”，在具有環(huán)保意識的客戶那里贏得口碑。未來水泥行業(yè)的生態(tài)可能會被碳中和大勢重塑，提前布局創(chuàng)新技術(shù)才是轉(zhuǎn)危為機之道。

對政策制定者的建言

鑒于水泥行業(yè)碳減排技術(shù)選項少，且成熟技術(shù)（如替代燃料）和新興技術(shù)（如CCS）之間過渡難度大，因此該行業(yè)的碳減排路徑亟需強有力的政策支持。總體而言，首先是要有明確的方向和目標；其次是要盡快推出并落實將水泥納入碳價格體系的政策；第三是加強對于新興技術(shù)的定向研發(fā)和財務激勵。如此一來，便可吸引更多資本的關(guān)注和支持，推動形成綠色水泥產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，幫助水泥這一傳統(tǒng)行業(yè)煥發(fā)新活力，支持中國碳中和旅程行穩(wěn)致遠。

結(jié)束語

實現(xiàn)“零碳中國 ”，需要未來十年持之以恒的關(guān)鍵舉措與實際行動。我們認為，碳中和轉(zhuǎn)型早已不是“可選項”，而是如箭在弦的“必選項”。我們希望通過近期推出的一系列文章為盡快落實碳中和轉(zhuǎn)型提供思路和洞見，觸發(fā)更多思維激蕩和觀點碰撞，與社會各界協(xié)力構(gòu)建零碳社區(qū)，推動各方共同努力實現(xiàn)深度變革。

碳減排作為水泥行業(yè)重要問題，一直備受企業(yè)關(guān)注。為此，2021年4月20-21日，中國水泥網(wǎng)將在杭州舉辦 以“同使命·謀創(chuàng)新·共發(fā)展”為主題的“2021中國水泥產(chǎn)業(yè)峰會暨T0P100頒獎典禮” ，碳減排是其中的重要議題，誠邀業(yè)內(nèi)人士前來共同深度探討當前水泥及相關(guān)行業(yè)發(fā)展態(tài)勢。