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碳中和系列研究(一):碳中和背景下我国实体经济的变革
发表日期:2021-05-12

       2020年9月,国家主席习近平在第75届联合国大会期间对国际社会做出有力承诺——中国力争在2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。

       当下,中国是全球碳排放量最大的国家,2019年碳排放量为98亿吨,远超同时期的第二、三位(美国48亿吨,印度23亿吨)。相较于美、欧、日韩等发达国家,虽然中国宣布碳中和实现时点要晚10年,但中国从碳排放达到峰值到承诺的碳中和时点间隔(30年)要普遍比其它发达国家(多在40-60年)的短。同时相比其它发达国家目前1%-2%平均经济增速,中国5%以上的经济增速预计还会维持很长时间,所以中国碳中和任务面临的挑战更大,也更为紧迫。

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      图1:主要国家碳排放达峰时间和承诺实现碳中和时间

 

       中国在用电结构上,工业用电占比达到67%,远高于居民用电和商业用电。相较而言,oecd国家居民用电、商业用电和工业用电近乎1:1:1的比例。

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图2:中国全社会用电量结构

 

 

       着眼未来,中国或将有以下四个方面实体经济的变革:

       一、

       实现碳中和的关键,是在于使占85%碳排放的化石能源实现向清洁能源的转变。

       电力领域,碳排放占全国碳排放总量30%以上,基于中国多煤、贫油、少气的能源禀赋,电力供给目前的发电结构以火电燃烧煤炭为主,发电量占比高达72%。预计火电在2020到2030年达峰阶段以前仍有一定规模的增长,但在达峰之后,将逐年退出电力市场,直至 2060 年碳中和时存量火电装机清零。由于水电和核电发展空间有限,未来光伏与风电将成为未来最重要的发电方式。

       水电方面,目前中国主要的水电资源开发过半,主要流域中仅雅鲁藏布江流域仍有较多的待开发资源,但由于受环保限制、资源开发难度影响,水电未来发展空间有限;核电是除水电之外的清洁、稳定的电源,但核电又面临各式各样严峻的安全问题及技术瓶颈,难以成为碳中和背景下中国电力系统的主力能源;长期来看,风电和光伏发电量的占比目前很低,但未来有较大的发展空间。虽然风电和光伏存在资源供需失衡错配的问题(中国电力需求集中在东南地区,而光能、风能多集中在西北地区),但随着特高压等传输技术、设施的完善,相应问题可以得到解决。光伏和风电单位投资成本将保持下降趋势,预计2021-2060年间新增的累计投资规模预计在60万亿元左右。同时因为光伏、风电发电不稳定带来储能调峰需求,中性预计未来10年国内锂电或为主要技术手段。

       氢能源作为与电能同样重要的二次能源在供给侧脱碳环节也扮演着重要作用。与电能相比,氢气有易于存储的特点。随着未来相关成本的下降,电解水制氢气将成为主流方式,与风电相结合的海上风电制氢也是未来发展的重要方向。除了储能领域的发展,电网的转型升级和智能化也是解决风电、光伏等可再生能源的季节性和时段性的重要途径。电网稳定性需求和大数据等新技术可促进智能电网的快速发展。进行需求侧管理是智能电网主要特点,一方面,通过负荷调整管理用电需求,即搜集用发电信息进行实时响应、削峰填谷;另一方面,充分利用分布式电源、储能等装备反向供电,做到源-网-储-荷协调配合。因此储能技术发展和电网改造升级两大领域在未来还需要大量投资。

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       两高一低的产业将面临成本压缩、产业升级的战略转型要求。钢铁、水泥、玻璃、有色金属等行业预计将面临供给侧限产能、技术提升、设备改造、能耗降低、工艺转型的要求。

       以钢铁和水泥行业为例。钢铁行业脱碳的首要步骤是推动生产工艺转型,由高炉冶炼向电弧炉冶炼路线进行转变。目前中国钢铁工业由于各种因素,2019年电弧炉生产路线的粗钢产量占比仅有 10.4%,远低于全球平均水平 27.7%。此外,更彻底的低碳炼钢方式(如氢气炼钢)仍待技术突破实现规模化应用,而进一步的脱碳则需要氢能冶金技术的突破;水泥行业的脱碳路径更为艰难。水泥生产带来的碳排放来自石灰石原料本身的锻造过程,一条可行的脱碳路径是从底层实现原材料的颠覆,用非石化基材料替代石灰石原材料,与此相对应的燃料也需要实现零碳替代。由于对应的工业流程需要改变,涉及产业链的各个环节。总体而言,工业生产过程上下游之间高度相关联,改变现有生产流程势必带来整体产业链的变革。与此同时,大量生产设备有着较长的生命周期,一旦重建和改造,成本较高,甚至导致资产搁浅和银行坏账。

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图4:不同工业过程的co2 排放组成

 

       三、

       交通运输方面,中国道路、民航、铁路和水运温室气体排放分别占交通部门总排放量的76%~80%、10%~13%、2%~3%和6%~11%(王海林,2017,mccollum &yang,2009)。新能源车的推广是道路交通实现碳中和的重要路径,预计电动乘用车销量在2040年见顶,电动车的渗透率在2045年达到100%,累计新增投资将达到130万亿人民币。与此同时电动车配套的充电桩、换电站的建设也同样会提升,预计相关新增投资累计约18.15万亿元左右,其核心动力的氢能燃料电池累计新增投资为29万亿元。重型货车碳排放目前占中国道路交通二氧化碳排放的 40%~55%,仍缺乏商业化量产的电动化技术。纯电技术的电池能量密度有限,限制了货车的续航里程,且常规动力电池难以提供货车所需的强大动力;氢燃料电池虽然从原理上在重型货车领域适应性更强,但目前以“灰氢”为主的制氢过程仍然有较高的碳排放,并且受到基础设施的制约,燃料的储运仍面临技术障碍。虽然部分国内车企已开始量产氢能汽车,但市场规模很小且仅处于示范阶段。除此之外,民航领域的深度脱碳同样是现阶段的技术难题,生物质燃料和氢能或许是关键措施,但成本过高是现阶段推广的最大障碍。长途船运氨燃料是一个选择,氨气作为氮氢化合物,在燃烧时不会排放二氧化碳,具有供应稳定、便于运输等特点,但氨气的清洁制备、储运的环境要求以及经济性仍待解决。总而言之,交通运输领域的脱碳仍需要关键技术的突破及如加氢站等相关基础设施建设推进。

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图5:交通部门电气化率

 

      

       二氧化碳捕集、利用与封存(ccus)、直接空气碳捕集(direct air capture)等负碳技术为真正实现零排放成为可能。ccus(carbon capture, utilization and sequestration)是把二氧化碳收集起来进行利用或者进行封存(如地下、海底等),该技术主要应用在相关化学气体制氢、化石燃料燃烧、化工原料相关的排放和生产电力短期峰值的火力发电。直接空气碳捕集(direct air capture)技术是从空气中捕集二氧化碳并转化为产品封存起来。目前收集到的二氧化碳可以转化为合成燃料、注入水泥中或岩石中,或用作化学和塑料生产的原料等。制约负碳技术广泛使用的原因主要还是成本过高,前者成本从15到120美元每吨,后者更是高达400-600美元每吨。

       总体来看,实现2030年碳达峰及2060年碳中和,意味着我国必然要实现实体经济的变革:第一,借助光伏、风电装机增长,电力系统将实现完全脱碳;第二,氢能源将实现全面商业化,特别是在航空等领域;第三,钢铁、建材、交通等能源消费部门,将进行大规模的电动化和氢能化改造;第四,碳捕捉等负碳技术是实现雄伟目标的关键拼图。

 

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