碳边境调节机制下近零碳制造体系建设研究.pdf
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1、碳边境调节机制下近零碳制造体系建设研究DOI 10.15302/J-SSCAE-2023.07.037碳边境调节机制下近零碳制造体系建设研究成润婷 1,张勇军 1*,李立浧 1,丁茂生 2,林靖淳 1,章春锋 1,韩永霞 1(1.华南理工大学电力学院,广州 510641;2.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院,银川 750002)摘要:在国家“双碳”战略目标、欧盟碳排放交易体系改革的双重驱动下,我国制造业实施节能、减污、降碳协同增效,尽快实现低碳和零碳转型,成为关注焦点和发展亟需。本文重点探讨了欧盟碳边境调节机制(CBAM)对我国制造业的影响,基于此梳理了近零碳制造体系的概念特征,从关键技术、
2、计量基础、市场驱动力等主要维度出发,详细阐述了近零碳制造体系的核心内容。分别从产品制造、电力供应两方面,提炼了近零碳制造体系的技术发展方向,建议形成“源网荷”碳计量系统以细化碳排放责任;借鉴国外碳市场发展经验并分析我国碳市场发展格局,在理论层面探讨了未来我国碳市场构建路径以促进近零碳制造体系发展。提出的近零碳制造体系实践方案,可为深化“双碳”背景下我国制造业高质量发展、开展CBAM背景下我国制造业低碳转型建设研究提供先导性和基础性参考。关键词:欧盟碳排放交易体系;碳边境调节机制;零碳转型;碳排放计量;碳市场中图分类号:TM-14 文献标识码:AConstruction of Near-Zero
3、-Carbon Manufacturing System under the Carbon Border Adjustment MechanismCheng Runting 1,Zhang Yongjun 1*,Li Licheng 1,Ding Maosheng 2,Lin Jingchun 1,Zhang Chunfeng 1,Han Yongxia 1(1.School of Electric Power Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China;2.Electric Power Res
4、earch Institute,State Grid Ningxia Electric Power Co.,Ltd.,Yinchuan 750002,China)Abstract:The carbon peaking and carbon neutralization goals as well as the carbon trading system reforms of the European Union(EU)necessitate the synergy of energy conservation,pollution control,and carbon reduction in
5、China to achieve low-and zero-carbon transformation of its manufacturing industry.This study focuses on the impact of the EU Carbon Border Adjustment Mechanism on Chinas manufacturing industry,clarifies the concept of a near-zero-carbon manufacturing system,and elaborates on its core content from th
6、e major dimensions of key technologies,measurement basis,and market driving force.It also proposes the technical development directions of the near-zero-carbon manufacturing system from the aspects of product manufacturing and power supply and suggests the establishment of a source-grid-load carbon
7、measurement system to clarify carbon emission responsibilities.Moreover,the future development path for Chinas carbon market is explored after reviewing the carbon markets both in China and abroad.The practical solutions proposed by the study is expected to provide a basic reference for promoting th
8、e high-quality development 收稿日期:2023-08-30;修回日期:2023-11-03通讯作者:*张勇军,华南理工大学电力学院教授,研究方向为智能电网与能源互联网的规划、运行与控制;E-mail:资助项目:中国工程院咨询项目“东部产业技术助力宁夏新能源综合示范区高质量发展的策略建议”(2022NXZD3)本刊网址: 2024 年 第 26 卷 第 1 期and low-carbon transformation of Chinas manufacturing industry.Keywords:European Union emissions trading sy
9、stem;Carbon Border Adjustment Mechanism;zero-carbon transformation;carbon emission measurement;carbon emission trading market一、前言自第三次工业革命以来,人类活动产生过量碳排放并导致气候显著变化1。联合国气候变化框架公约(1992年)等协议要求世界各国共同承担温室气体减排责任2。超过 60 个国家和地区提出了2050年前实现碳中和的发展目标35。尤其是欧盟,2005年率先建立全球最大的碳排放交易体系,2022年决议改革碳排放交易体系并于2023年5月正式发布碳边境调节机
10、制(CBAM)6:对进口商品征收碳税,使欧盟产品支付的碳价格与进口商品的碳价格趋同7。美国、日本、英国等受此驱动开始制定本国的碳边境调节机制,进一步增强了碳关税的国际性影响与可操作性,也使CBAM趋向于具有全球影响力、成为多边或区域属性的制度。目前,我国提出了碳达峰、碳中和(“双碳”)战略目标8,明确了建立健全“双碳”标准计量体系,加强标准国际衔接等要求9。多个省份也在推进“双碳”部署方面发布了地方性政策2。与此同时,我国拥有世界上规模最大的制造业,在能耗管理、碳排放控制方面面临较大压力10,也不可避免地受到CBAM等一系列国外机制的影响。我国制造业进行低碳转型,是环境、资源、市场、国际责任等
11、因素的综合反映,经济可持续发展的内在要求。在国家“双碳”战略目标、国际碳排放交易体系的推动下,我国制造业正在有序开展零碳化转型,涵盖从上游零部件生产到下游应用的全过程以及能源供应。相应地,我国制造业体系的低碳转型路径研究获得了产业界和学术界的较多关注,如基于新型工业化的内涵提出相应发展路径11,建立指标体系并评估制造业在数字化转型、绿色发展两方面的发展协调程度12,探讨制造业“双碳”发展的逻辑与路径以及相应的理论框架13,从各个层面研判碳中和目标下我国制造业的发展路径1,10,14。也要注意到,在已有制造业低碳转型的研究中,以碳元素为脉络、计及工程实践可行性的路径成果稀缺,对碳排放计量与交易等
12、关键支撑因素的讨论并未展开;企业、政府、第三方机构等未就近零碳体系形成共识,低碳化转型的着力点仍待明确。因此,受CBAM驱动的制造业近零碳化发展课题较为新颖、背景重大,需要开展深入探讨。近零碳制造是一种基于海量智能化设备与数据资源以实现低碳生产的可持续制造模式,在降低产品全生命周期耗能、碳排放及其他污染物方面具有突出潜力15。本文围绕我国近零碳制造体系建设课题,剖析CBAM对我国制造业的影响、近零碳制造体系的概念特征;从产品制造、电力供应两方面梳理近零碳制造体系的关键技术,探讨近零碳制造体系的计量基础、市场驱动力,进而提出我国碳排放权交易市场(碳市场)构建路径以保障制造业转型。从关键技术、计量
13、基础、市场驱动力 3 个层次出发,构建近零碳制造体系的实践方案,以为深化制造业“双碳”发展和低碳转型建设研究提供参考。二、碳边境调节机制对我国制造业的影响欧盟提出CBAM,旨在弥补进口产品原产国与欧盟之间存在的碳价差异,防止域内高碳企业先向域外转移再回移到内部,从而削弱欧盟本土行业的综合竞争力、碳减排政策成效16。CBAM 涵盖钢铁、水泥、电力等高碳行业,分为3个实施阶段来不断扩大覆盖面(见表1)1618。目前,欧盟尚未详细规定产品生产全流程中碳排放量的具体计算方式、直接排放范围边界等,需申报产品的碳排放量表1CBAM的主要内容阶段20232025年20262034年2035年后实施内容覆盖领
14、域的高碳产品进口商,需申报进口数量以及相应的直接排放总量,无需缴纳费用进口企业必须每年申报上一年度的进口货物数量以及其中对应的总碳排放量(可以扣除已在产品原产国实际支付的碳价),购买对应数量的CBAM证书用于清缴完全取消覆盖高碳产品的免费配额,进口企业无法采用免费配额来抵扣碳排放量069碳边境调节机制下近零碳制造体系建设研究仅限于相关行业的生产加工过程(包括用电碳排放量、生产过程碳排放量),尚不涉及上/下游。直观上,CBAM主要影响我国的能源和资源密集型行业,如钢铁和铝行业1921,此类行业产品的碳排放主要来自电力供应的传递,随着CBAM覆盖范围的逐步扩大将面临较为显著的碳税成本压力;为新能源
15、制造业及其上/下游产业提供了更好的发展机遇。然而,其他制造业将面临趋紧的碳排放约束,需要加快推进制造业近零碳化转型,引导国内相关主体共建绿色制造生态。(一)择机扩建清洁能源制造产业CBAM推高了各地的碳排放成本,将带动各地钢铁、化工等高碳行业扩大对新能源设备的需求。我国在可再生电力,绿氢,碳捕集、利用与封存(CCUS)等领域具有技术和市场规模的双重优势,在风电、光伏发电、动力电池等装备方向更是拥有产业链的主导地位。从长期视角看,CBAM有利于我国能源转型领域的投资和对外贸易,可推动相关细分制造业的发展,重点建设清洁能源制造产业,充分把握新市场形势下的国际合作机遇。(二)以近零碳技术推动高碳排放
16、制造业的近零碳转型CBAM于2023年启动试运行,到2034年转入全面运行,这一阶段与我国经济高质量发展转型时期基本重叠。我国需着力发展数字经济、新兴产业,突破生态碳汇、碳捕集等负碳技术并扩大应用规模。高碳排放行业积极使用绿电、加强近零碳产品研发、升级工艺装备,践行“优质减量”的发展道路。企业层面提高碳排放核算能力,掌握CBAM政策内容并熟悉证书购买等操作。(三)加强碳市场建设力度与制造业应用效能制造业与碳计量方法、碳市场联系密切:制造业采用低碳技术以减少碳排放,应用碳计量方法以掌握和管理碳排放,参与碳市场交易以实现减排目标并获得收益激励。这种密切联系推动了制造业的可持续发展,有利于实现低碳经
17、济,可以认为碳市场对制造业绿色转型起到关键性的驱动作用。高质量建设全国碳市场,衔接国内外碳交易机制,完善碳排放计量与监测系统,为在制造业中的全面推广应用筑牢基础能力。从直接影响来看,国内碳排放权交易政策引导企业自发开展绿色转型;从间接影响来看,在CBAM背景下,企业可通过国家的碳排放权交易政策来获得一定额度的出口产品碳税豁免,进而降低企业的碳排放成本。然而在我国,目前全国碳市场的覆盖范围不完整(尚未全面纳入高碳行业),加之国内碳价与欧盟差距较大,已承担国内碳成本的企业仍需购买CBAM证书以弥补差价;碳排放计量与监测系统仍不够成熟,短期内无法为碳市场运行提供可靠的数据支撑。因此,我国亟需完善碳排
18、放交易体系,扩大碳市场覆盖面,充分激发碳市场活力;加强碳排放数据的监测、报送与核查能力,推动国内碳市场项目与海外项目互认,从而提高我国碳价的国际市场认可度。三、近零碳制造体系的概念特征(一)近零碳制造的内涵近零碳制造体系以促进制造业绿色发展为目标,涵盖近零碳制造技术、碳排放计量系统、碳市场等主要内容。强调在产品制造全生命周期中(原材获取、能源使用、产品设计、生产与装配)实现近零碳化,侧重开展全生命周期中的碳排放减量及控制,以碳效率提升为直接目标,深度融合产业价值链、供应链、碳排放链22。制造业碳排放源涉及原材料生产、运输等过程产生的碳排放,生产耗能关联的碳排放,制造生产链条中的全部碳排放;以数
19、字化、智能化为驱动力,为近零碳生产提供新要素并改善技术效率,变革制造业企业的生产过程、组织方式、业务模式10,12。(二)近零碳制造体系的发展要素当前,我国制造业步入了平稳发展阶段,但智能制造水平整体不高,转型升级需要一定周期23。制造业转型、近零碳制造业发展应是全方位的:把握“双碳”战略目标实施节奏,推动制造业积极实施绿色转型;通过碳排放权交易政策引导企业转型,以精确的碳排放计量与监测来推动制造业产业链的健康运行;研发和推广高效低成本的绿色创新技术,从外部环境、内部技术层面出发,为高耗能、高碳排放类制造企业提供良好的转型基础。070中国工程科学 2024 年 第 26 卷 第 1 期近零碳制
20、造体系的发展要素主要分为关键技术、计量基础、市场驱动力3个层面。首先,以近零碳关键技术为核心,从制造业生产低碳化、能源或电力供应脱碳两方面进行节能降碳。其次,以碳排放精细化计量与监测为基础,通过产品制造、电力系统两方面实现“源网荷”碳排放量的可测量与可核实。在制造业参与碳市场的背景下,准确开展碳计量是确保企业在碳市场中合法性和可信度的前提。最后,以碳市场协同发展为驱动力,扩大我国碳市场覆盖范围、完善与国际碳市场衔接机制,支持制造业以近零碳排放为目标进行转型升级。四、近零碳制造体系的关键技术近零碳技术创新是我国制造业在“双碳”战略目标下转型发展的关键内容13。支撑我国实现碳中和的技术体系主要有C
21、O2净零排放技术、非CO2温室气体减排技术,其中前者细分为零碳电力系统、低碳/零碳化终端用能系统、CO2负排放技术24。为此,面向制造业从“源”到“荷”的全面绿色转型需求,主要从产品制造近零碳技术(含零碳化终端和CO2负排放技术)、电力供应近零碳技术两方面出发,梳理制造业实现近零碳化的关键技术。(一)产品制造近零碳技术近零碳制造技术分布于产品制造的全过程。重点面向产品制造,以数字化、智能化为主攻方向,从产品规划、设备运行、碳排放资源利用、碳排放监测、碳税管理五方面开展现状剖析,以全面覆盖制造流程的近零碳场景。1.产品近零碳规划技术产品近零碳规划指在产品设计过程中,考虑质量、功能等基础属性,进一
22、步将低碳性能引入产品的全生命周期(包括设计、制造、使用、回收等阶段),通过设计优化获得低碳方案,优选低碳材料及制造工艺,使产品使用过程保持低能耗、低污染以及可进行回收与再制造。已有研究将产品碳足迹评估法引入了产品设计及规划过程,在产品设计结构中集成了碳排放数据,如提出基于碳足迹特征的低碳概念设计产品模型及其集成建模方法2527,运用碳足迹特征建立设计结构模型以分析产品隐含的碳足迹信息28,29。2.设备近零碳运行技术在制造业运行的近零碳化方面,选择可显著降低制造过程碳排放的设备运行方式是关键,相关研究主要包括:基于数字化、智能化生产调度的系统层面优化,基于工艺参数的设备层面优化22。针对具有低
23、碳排放约束的柔性作业车间调度问题,建立了最小完工时间、机器总工作量、机器碳排放的数学模型30,31。综合优化工件的机器配置、工艺路线等,形成了可降低制造过程碳排放的多目标工艺规划与调度集成优化模型32。关注制造车间的碳效率,建立两阶段动态调度模型,形成制造车间层面碳效率的动态评估与优化能力33,34。此外,通过物联网进行设备互联互通,针对系统与设备的总耗能、碳排放量均最小的优化目标,运用全局优化算法并基于当前负荷条件获得相应运行参数,实现主动式节能减排效果。3.碳排放数字化监测技术制造系统的数字化、智能化渐成趋势,获得的碳源、碳耗、碳排放等碳数据为实施制造过程碳排放的监测与可视化提供了基础条件
24、,成为近零碳转型方案设计及优化的判断依据。监测制造过程的碳排放,主要涉及碳数据采集、碳排放状态评估、数字驱动的近零碳优化决策等环节。目前,能效监测与管理系统已在机床加工、汽车制造等制造业获得广泛应用35,36,进一步扩充功能后有望形成碳排放数字化监测能力。例如,集成应用生产全环节的碳排放性能评价模型及指标,实现制造过程碳排放的动态核算与实时监测37;休哈特控制图和指数加权移动平均的组合方法,在监测工业碳排放方面具有良好的适用性38。4.碳排放资源化利用技术CO2资源化利用是CCUS技术中的重要环节,以制备高附加值化工产品的原料居多39,如制作低碳烃、高分子聚合物等有机化工产品,通过电化学方法将
25、CO2转化为碳纳米材料40。微藻固碳、CO2气肥技术等生物利用方式,在种植业中也可发挥积极作用41。然而,我国正在快速发展的CCUS项目经济可持续性较弱,与碳利用存在脱节。未来碳领域的重点任务是拓宽CO2资源化利用途径,引入碳转化量、转化能耗、转化投资、转化价值、转化利润等指标来全面考察制造企业的经济和综合收益,拓展CO2化工利用,CO2转化为碳基新材料、人工071碳边境调节机制下近零碳制造体系建设研究生物合成、油气行业高附加值产品等碳排放资源利用新方向39。5.智能化碳税管理技术制造企业的碳税管理需覆盖碳核查、碳交易、碳履约、碳监测等内容,核心在于以降碳计划驱动企业高效绿色运行42。我国大部
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