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2022碳中和目标下的中国化工零碳之路.pdf
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1、碳中和目标下的中国化工零碳之路2022.04rmi.org/4碳中和目标下的中国化工零碳之路前言 5第一章开启中国化工零碳之路:挑战与优势 6全球最大化工产品生产和消费国 7中国化工行业零碳转型的挑战 9中国化工行业零碳转型的优势 10第二章零碳图景下化工行业供需展望 11合成氨 12甲醇 13乙烯 14第三章化工行业碳减排路径:立足资源禀赋,发展颠覆技术 17技术可行性:化工行业碳减排路径 18经济可行性:零碳解决方案的成本分析 23第四章中国化工零碳之路:时间、空间演变和转型模式 33中国化工零碳转型时间线 34中国化工零碳产能地理分布 37中国化工零碳转型模式 43第五章政策建议 48报
2、告参考文献 51目录rmi.org/5碳中和目标下的中国化工零碳之路化工行业i是中国实现碳中和的关键行业之一,全国化工行业的碳排放占工业领域总排放的20%、占全国二氧化碳总排放的13%。化工行业也是难减排行业,其能源和原料难以被电气化完全替代。此外,中国初级化工产品产能较新,也为快速转型带来一定挑战。在双碳目标下,中国已着力构建碳达峰碳中和“1+N”政策体系ii,增强顶层部署,并抓紧明确重点领域、重点行业以及各地的行动方案。根据中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见,高耗能高排放项目严格落实产能等量或减量置换,对煤电、石化、煤化工等实行产能控制,未纳入国家有关领
3、域产业规划的,一律不得新建改扩建炼油项目和新建乙烯项目。目前,中国化工企业在积极推进碳中和进程,例如,中国石化力争在国家目标提前十年实现碳中和,宝丰集团建设全球单厂规模最大太阳能电解水制氢项目以降低煤化工碳排放等等。落基山研究所(RMI)是国内最早开展中国零碳图景研究的机构之一。早在2019年,落基山研究所与能源转型委员会(ETC)发布中国2050:一个全面实现现代化国家的零碳图景报告,对中国全经济体实现零碳进行了情景分析,力图为国家长远战略目标决策提供技术参考。2021年9月,落基山研究所发布 碳中和目标下的中国钢铁零碳之路报告,对钢铁行业如何实现零碳转型和助力碳中和目标,进行了具体路线图的
4、分析和搭建。本报告 碳中和目标下的中国化工零碳之路 同样是落基山研究所针对重工业零碳转型的系列研究报告之一,将针对化工行业,开展零碳转型路线图研究。i 本文中的化工行业是石化和化学工业行业,包含石油原料产业链和非石油原料产业链,是指利用石油、煤炭等上游原材料进行化学加工的产业。ii“1+N”即中国加速构建碳达峰、碳中和的政策体系,其中,关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见 即“”,是中央层面推进“双碳”工作的系统谋划和总体部署。2030年前碳达峰行动方案是碳达峰阶段的总体部署,“N”则包括能源、工业、交通运输、城乡建设等分领域分行业碳达峰实施方案,以及科技支撑、能源保障、碳
5、汇能力、财政金融价格政策、标准计量体系、督察考核等保障方案。相比于钢铁和水泥的需求增长放缓,中国化工行业的整体需求随着社会经济水平的提升,需更长的时间达到需求峰值。与控制需求相比,生产技术路径的转型更为重要。本报告的研究聚焦化工行业的零碳生产情景。本报告中,零碳生产即在化工产品的生产过程中达到二氧化碳的净零排放(可利用CCS等末端处理技术),最终产品为零碳化工产品。在此基础上,化工行业应优化原料来源,促进生产过程和原料的零碳,与上下游行业共同努力实现全生命周期净零排放。低碳生产是零碳生产的过渡路径,即大幅度降低生产过程中的碳排放。化工行业需要充分利用多样的碳减排手段,从能源和原料角度,降低甚至
6、消除生产过程中的碳排放,促进化工行业的碳达峰和碳中和。我们的分析表明,在碳中和目标下,中国三大化工产品合成氨、甲醇和乙烯的需求除了受传统用途驱动外,还将受新型需求点影响。此外,产品结构、原料结构、能耗结构和生产工艺也将发生巨大变化。由于供需关系、技术发展速度、成本构成等因素的不确定性,相比深入地研究和确定脱碳时间表,本研究更聚焦于在假设时间框架下中国化工行业的零碳转型趋势、短中长期安排和技术经济路线图,以期为政策制定、市场方向等提供参考。前言第一章开启中国化工零碳之路:挑战与优势rmi.org/7碳中和目标下的中国化工零碳之路化工行业的二氧化碳排放占工业领域总排放的20%、占全国二氧化碳总排放
7、的13%。1中国是全球最大的化工产品生产和消费国,中国化工行业零碳转型对全国实现碳中和目标至关重要,也对全球化工价值链低碳转型意义重大。中国化工的零碳转型之路挑战iii 工业生产部门分为过程工业和产品工业:过程工业的原料为自然资源,包括物理变化和化学变化,如化工行业、建材行业和冶金行业;产品工业的原料是工程工业的产品,以物理变化为主,产品大多为人类直接使用,如汽车、冰箱等的生产。iv 工业增加值是工业企业全部生产活动的总成果扣除了在生产过程中消耗或转移的物质产品和劳务价值后的余额,为工业企业生产过程中新增加的价值。和优势并存。其中,挑战包括持续增加的需求、高煤炭依赖程度和较年轻的资产。此外,中
8、国化工零碳转型也具备独特的优势,包括较强的新技术部署能力、以具备零碳转型意愿和能力的国有化工企业为主导以及规模化、集成化发展优势等。全球最大化工产品生产和消费国化工行业在广义上为石化和化学工业行业,即石油原料产业链和非石油原料产业链。化工行业属于工业生产部门中的过程工业iii,即以自然资源为原料,通过物理和化学反应,生产用于非零售流通领域的通用大宗产品,作为产品工业的原料。化工产品的上游原材料主要包含煤炭、石油、天然气、原盐、石英石等自然资源。中国因为富煤缺油少气的资源特点,煤化工产业相对其他国家占比更大。化工行业产品众多,包含大宗化学品和精细化学品。大宗化学品的生产规模较大、利润水平较低,处
9、于化工产业链上游,包含烯烃、芳烃等,而精细化学品则以大宗化学品为原料深加工而来,规模较小但附加值更高,用于农药、涂料等。中国是全球最大的化工产品生产国,国际影响力在逐步扩大。根据欧洲化学工业委员会CEFIC数据,如图表1,2019年中国化工产品产值合人民币10.4万亿元(1.48万亿欧元),占全球的40.6%,预计2030年销售额将达到全球销售额的48.6%2。中国的化工行业近年来一直保持快速增长,工业增加值iv2015-2020年年均增长率为5.2%3。中国也是全球最大的化工产品消费国,且保持消费量的快速增长。根据德国化学工业协会VCI数据,中国2019年化工产品需求消费额折合人民币10.7
10、万亿元(1.54万亿欧元),占全球总消费额的41.6%,比2018年的39.1%增加了3个百分点4。分产品的全球市场份额也占主导地位,根据IHS Markit数据,中国的合成氨、甲醇和乙烯消费量分别占全球总消费量的约30%、60%和20%5。其中乙烯消费量为乙烯单体的表观消费量,若涵盖乙烯产业链下游产品,占比可进一步提高,如中国低密度聚乙烯(LDPE)消费量的全球占比为34%。图表1 全球分地区化工产品销售额和消费额(2019)0.02.04.06.08.010.012.0?/()1=7CEFIC,VCIrmi.org/8碳中和目标下的中国化工零碳之路0%10%20%30%40%50%60%7
11、0%80%90%100%(%)IHS Markit整体来看,中国化工行业的低端产品的产能过剩,而高端产品的产能短缺。尿素、电石、烧碱、纯碱等传统化工产品,产能利用率长期较低,行业正努力控制低端产品的过剩产能,从土地供应、能源技术评价、环境影响评价等方面优化结构,利用符合政策要求的先进工艺提升项目整体技术水平和运营效率。高端聚烯烃、特种工程塑料、高端膜材料等高端产品,对外依存度保持在较高水平,需要国内产能进一步发展以缓解高端产品的进口压力与产业链安全风险。总的来说,多数传统化工产品产能增速放缓或产能总量下降,而化工新材料和专用化学品产能持续发展。图表2 全球分地区主要化工产品消费量(2020)数
12、据来源:IHS Markitrmi.org/9碳中和目标下的中国化工零碳之路中国化工行业零碳转型的挑战化工是难减排的重工业行业之一,碳排放主要来自反应过程和能源消耗。中国化工部门碳排放约为每年13亿吨,在全国二氧化碳总排放中的占比为13%,占工业领域总排放的20%。此外,化工行业的非二氧化碳温室气体排放也将增加碳当量排放,如合成氨产业链中产生的氧化亚氮和天然气化工装置逸散的甲烷等。作为重点耗能和排放行业之一,化工行业的企业也有望在未来几年纳入全国碳市场,成为中国实现碳中和愿景的重点关注领域。中国化工行业零碳转型的挑战主要包括:从需求端看,行业仍处于上升期,化工产品的总需求整体仍将不断增加。总需
13、求方面,中国人均化工产品消费额为折合人民币8107元,而美国的人均化工产品消费额为9584元,比中国高近20%。随着国内经济水平和国民生活品质的提升,中国对于化工产品需求总量有较大的增长空间;对外依存度方面,高端化工产品自给率不足,如国内光伏级EVA和茂金属聚乙烯进口依赖度分别为75%和80%6,随着中国化工高精尖技术的突破,和政策资源对于高端产品供给的鼓励,高端化工产品的对外依存度会不断下降且产能会持续增加。从供给端看,中国化工生产对煤依赖度高,而与煤相关的碳强度大大高于其他原料。中国因为自身的煤炭资源禀赋,煤化工产业体量很大。以甲醇产品为例,中国甲醇产量有75%为煤制,而全球这个比例仅为3
14、5%7,美国和欧洲均没有煤制甲醇。煤炭相比其他的原料有更高的碳元素含量,生产碳含量相对较少的产品时,比其他原料碳排放更大。如生产一吨甲醇,煤炭路径的工业过程碳排放约为2.1吨,天然气路径的工业过程排放仅为0.7吨;而生产一吨合成氨的煤炭路径和天然气路径的工业过程碳排放分别为4.2吨和2.1吨8。中国庞大的煤化工产业为脱碳增加了难度。此外,中国化工生产相关资产仍偏年轻化,快速转型可能带来的搁浅资产风险更高。根据国际能源署IEA数据9,如图表3,中国年龄较新的产能在化工等重工业行业中占据全球总产能的一半以上。例如,中国目前合成氨生产设施投产后的平均运行年限仅13年,甲醇约8年,乙烯约7年,近期仍有
15、不少新增产能规划建设,而典型的设施投产后的寿命均在30年甚至40年以上。与其他国家相应生产设施均接近退役时限的情况相比,中国化工行业在零碳转型的过程中,需要同时综合考虑有计划地淘汰高碳产能、在现有设施基础上进行碳减排改造、直接上新零碳产能等多种方案组合。因此,如何妥善处置现有资产,规划好转型的时间线并尽量避免资产搁浅的问题更为棘手。图表3 全球初级化工产品产能年龄构成(2020)rmi.org/10碳中和目标下的中国化工零碳之路中国化工行业零碳转型的优势v 乙烯装置中最关键的三台离心压缩机组,即裂解气压缩机、丙烯压缩机、乙烯压缩机中国化工行业在零碳转型的挑战中也孕育着三大机会:首先,中国具有较
16、强的技术集成水平,且市场规模大,拥有快速规模化应用新技术的能力。乙烯成套工艺技术是石化产业技术含量最高、最复杂的技术之一,而2012-2013年中石油大庆石化60万吨和中石化武汉石化80万吨乙烯装置顺利投产,已标志着国产化大型乙烯成套技术工业化的成功。此外,随着沈鼓、陕鼓等装备制造厂技术水平提升,中国已成为世界上第五个可以制造百万吨级乙烯生产设备“三机”v的国家。在煤化工方面,继各类技术突破以来,中国快速实现了2000吨/天大型气化炉、大型变换炉、12万等级的空分设备、8万等级以上的空压机、百万吨煤制油反应器、60万吨级甲醇制乙烯(MTO)反应器等的规模化突破。目前,可助力脱碳的绿氢、CCS等
17、技术初步发展。在未来,得益于中国快速规模化新技术的能力,这些技术有望快速实现成本降低。中国化工行业的主要企业以国有企业为主,有能力和资源带动行业的零碳转型。美国化学与工程新闻(C&EN)发布的2020年全球化工50强名单中,有5家中国内地企业入选,其中有3家为国有企业,即中石化、中石油和中国中化控股的先正达。中石化和中石油分别以616亿美元和227亿美元的销售额远远领先其他中国内地企业,国有企业占据中国化工市场的主要市场份额。国有企业是双碳行动的重点主体,一方面,国有企业受国家政策的约束力更强,另一方面,也承担示范和引领的角色。例如,国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知指出,重点领域
18、国有企业特别是中央企业要制定实施企业碳达峰行动方案,发挥示范引领作用。此外,规模化布局与产业集成趋势明显,有利于资源、能源的充分利用和规模经济发挥。大型化装置可以提高能效,从而降低单位碳排放,如乙烯30万吨/年以下的小型装置能耗限定值为830kgoe/t,折CO2排放为2.56tCO2/t,而30万吨/以上的大型装置能耗限定值仅为720kgoe/t,折CO2排放为2.22tCO2/t10。园区化可充分发挥化工产业聚集的协同效应,依靠消费区或资源地,优化电能和热能利用,形成产业链纽带并实现标准化运营。根据中国石油和化学工业联合化工园区“十四五”发展指南及2035中长期发展展望,“十四五”期间中国
19、将重点培育70个具有一流竞争力的化工园区。由于化工行业中产品种类众多,上下游链条复杂,本报告主要关注三个代表性产品,即合成氨、甲醇和乙烯。首先,从碳排放角度看,在中国化工行业的所有子行业中,目前合成氨、炼油和甲醇碳排放总量最高11。考虑到未来成品油需求量增长潜力受限,炼油产业的产能规模将有收缩的趋势。乙烯产业目前当量自给率约为60%,产能增长潜能大,未来乙烯产业的碳排放也将随之增长。因此合成氨、甲醇和乙烯将是未来化工行业碳减排的主要关注点。其次,从在价值链中的地位看,合成氨、甲醇和乙烯下游产品众多且附加值高,是化工产业的关键基础化学品。例如,乙烯是石油化工中最重要的基础化学品之一,乙烯产品占石
20、化产品的75%以上12。乙烯下游的各品类高端塑料也是推动社会全方面发展的重要产品。图表4 中国化工行业子行业碳排放(2020)0.00.51.01.52.02.5PX()第二章零碳图景下化工行业供需展望rmi.org/12碳中和目标下的中国化工零碳之路化工行业是难减排行业中为数不多的整体需求量仍在增长的部门,产业链较长且产品繁多,细分产品的供需关系复杂。本研究认为,未来合成氨消费量将先降后升,主要需求来源为农业和工业,长期有作为船用燃料的增长潜能;甲醇消费量将先升后降,需求包括乙烯制取、甲醇燃料和传统下游,其中用于乙烯制取稳中有升,甲醇燃料和传统下游逐步收紧;乙烯消费量持续增长,主要由终端产品
21、塑料的庞大市场支撑,但由于塑料回收技术和体系日益成熟,原生塑料需求减少,导致乙烯消费量增速放缓。随着中国工业化、城镇化逐渐步入后期,钢铁、水泥的需求长期来看将有较明显的减量趋势。而与钢铁、水泥不同,化工行业零碳转型的一大挑战是相关产品需求仍有持续上涨趋势。因此,分析化工零碳转型的第一步,是对行业内主要产品的供给和需求进行展望,深入分析其影响因素,以及碳中和新约束对产品供求情况的作用。本章将针对合成氨、甲醇和乙烯三个主要基础化工产品的供需情况进行分析展望。合成氨合成氨的供需量主要受下游需求影响,受进出口影响较小。合成氨2020年的表观消费量为6000万吨,增速约为2%,主要消费领域为农业部门和工
22、业部门,未来,船运燃料或将成为合成氨的重要需求增长点。农业是合成氨需求的主要来源,其次是工业需求。其中,在农业领域,合成氨主要用于生产尿素,进而直接施肥或生产复合肥。在工业中,合成氨可用于生产三聚氰胺、脲醛树脂、炸药、杀虫剂等。目前,合成氨在农业的消费量占总体的约70%,工业约占30%。在“减肥增化”的背景下,未来合成氨的农业消费占比将逐渐下降,而工业方面的需求可呈上涨趋势。此外,在碳中和背景下,除目前已有用途外,合成氨作为潜在的船运新型燃料,可能出现新的需求增长点。合成氨在农业方面的需求呈降低趋势,主要原因是化肥利用效率的提高。“十三五”以来,我国化肥消费总量呈下降趋势,提前实现了农业部20
23、15年提出的到2020年化肥使用量零增长行动方案。随着中国人口增长放缓、渐趋稳定并缓慢下降,中国的化肥消费量将逐渐平稳并下降。从利用效率看,中国目前耕地单位面积化肥使用量约为主要发达国家水平的两倍,化肥使用效率较低,2017年仅为35%,远不及美国的52%和欧洲的68%,充分挖掘效率提升潜力将大大降低化肥需求量。此外,受肥效提高、有机肥替代、环保治理升级和落后产能加速退出等多重因素影响,未来农业用合成氨消费将不断减少。事实上,根据国家统计局数据,近五年国内化肥产量已呈现不断下降趋势,年均降幅达6.3%。工业方面,合成氨的需求有可能上升。在工业领域,合成氨的主要产品炸药、脲醛树脂等广泛应用于采石
24、采矿、土木建筑等领域。随着经济的发展和国民生活品质的提升,相应的合成氨工业需求将有一定程度上涨。但考虑到中国的工业化、城镇化逐渐步入后期阶段,相关开发、土建等需求空间有限,这部分的合成氨需求也不会出现大规模上涨。未来,合成氨作为船运等领域的新型能源,可能爆发新的需求增长点。作为能源载体,合成氨具有稳定可靠、易液化易储运等特点,且可利用氢制取并可在必要时转化为氢,是克服氢较难实现长距离、高效、安全、低成本运输等问题的重要介质。长途大型船运目前正在从高排放的燃料油或柴油逐步转化为低碳的液化天然气(LNG),而在零碳趋势下,合成氨将成为长途船运的重要选择。根据挪威船级社DNV的预测,在激进情境下20
25、50年合成氨燃料将占到全球总船用燃料的25%13。在RMI的零碳情景下,到2050年,中国船运50%的能源需求将由合成氨提供。此外,合成氨也可直接燃烧或掺入其他燃料用于发电。例如,日本最大的电力生产商JERA公司计划在20242025年实现日本碧南四号燃煤发电厂中掺入20%的合成氨,2035年前在所有自营燃煤发电厂掺混20%合成氨燃料,并逐步提高掺混比例,于2050年前实现100%合成氨热力发电。合成氨的进口依赖度较低,长期有出口潜能。合成氨在常温下为气态,需经加压或降温液化以长途船运,相对于常温下固态或液态的产品更难进出口。2020年合成氨进口量120万吨,仅占合成氨表观消费量的2%。中短期
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