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          2. 中國給水排水2022年中國城鎮污泥處理處置技術與應用高級研討會(第十三屆)邀請函暨征稿啟事
             
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            題目:碳中和背景下污泥厭氧消化系統的能量循環和能量回收 報告人:北京市市政工程設計院研究總院有限公司 戴明華 水一院副總工程師

            放大字體  縮小字體 發布日期:2021-03-23  瀏覽次數:450
            核心提示:題 目:碳中和背景下污泥厭氧消化系統的能量循環和能量回收 報告人:北京市市政工程設計院研究總院有限公司 戴明華 水一院副總工程師
            中國給水排水2022年中國城鎮污泥處理處置技術與應用高級研討會(第十三屆)邀請函暨征稿啟事

             中國給水排水2022年中國城鎮污泥處理處置技術與應用高級研討會(第十三屆)邀請函暨征稿啟事
             


               污泥大會報告日程中國給水排水2021年污泥大會邀請函0322.doc

               中國給水排水2021中國垃圾滲濾液處理大會邀請函暨征稿啟事0224.doc


            題 目
            :碳中和背景下污泥厭氧消化系統的能量循環和能量回收

            報告人:北京市市政工程設計院研究總院有限公司 戴明華 水一院副總工程師

            污泥處理處置是我國污水處理的短板,同時也是打贏污染防治攻堅戰的重要任務;谖勰嗵匦耘c處理處置技術特征,污泥處理處置過程碳排放主要包括能耗藥耗造成的能量源碳排放、逸散性溫室氣體排放,以及能量資源回收和產物利用形成的碳補償。敬請期待!


               污泥大會報告日程中國給水排水2021年污泥大會邀請函0322.doc


               中國給水排水2021年固廢資源化大會邀請函0322.doc



               中國給水排水2021中國垃圾滲濾液處理大會邀請函暨征稿啟事0224.doc



            2020年9月第七十五屆聯合國大會上,習近平主席宣布,我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和。

             

            此后,歐盟、日本、韓國、加拿大等也相繼公布碳中和目標實現時間表,美國也提出重回《巴黎協定》。

             

            目前,全球重要經濟體,占全球GDP75%、占全球碳排放量65%的國家開始碳中和。一場波瀾壯闊的全球綠色低碳轉型大潮正在形成。

             

            所謂碳中和(Carbon neutrality)是指企業、團體或個人在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳排放總量,通過植樹造林、節能減排等形式全部抵銷,實現“零排放”。

             

             

             

            01碳中和將帶來哪些改變?

             

             

            從中國當前現狀來看,發電和工業端以及交通部門是碳排放的主要來源,農業、居民、商業和公共服務等行業的碳排放相對較低。

             

            在工業端,能源加工行業、鋼鐵行業以及化學原料制造業等相關高耗能行業不僅是煤炭消費的重點行業,也是二氧化碳排放的主要行業。因此,隨著碳中和戰略全面展開,未來40年,中國的能源系統將發生顛覆性改變。

             

            與此同時,由于產業鏈效應,能源系統的變革,必將推動國家經濟發生全方位改變。中國能源研究會常務理事、國家應對氣候變化戰略研究和國際合作中心研究員李俊峰指出,“碳中和不僅僅只是能源的事,它與產業鏈等方方面面都有關系。碳中和目標將深刻影響下一步產業鏈的重構、重組和新的國際標準。

             

            在2030年之前實現碳達峰,這就要求部分地區和部分行業率先達峰。根據我國碳達峰、碳中和目標節點,工信部今年將實施工業低碳行動和綠色制造工程,并制定鋼鐵、水泥等重點行業碳達峰行動方案和路線圖。正在制定的“十四五”規劃也將碳達峰和碳中和作為污染防治攻堅戰的主攻目標。預計今年秋冬將出臺部門、地方和行業等的專項規劃。

             

            2021年1月1日起,全國碳市場首個履約周期(截止到今年12月31日)正式啟動,涉及2225家發電行業的重點排放單位。這是我國第一次從國家層面將二氧化碳控排責任壓實到企業,通過市場倒逼機制,促進產業技術升級。變革的序幕已悄然拉開!

             

             

             

            02污水處理行業是耗能大戶

             

             

            相比而言,污水處理行業能耗雖然沒有發電、鋼鐵、化工等行業那么高,但總能耗占比并不小,也屬于能耗大戶。

             

            據統計,我國2014年污水處理廠電耗占全國總電耗的0.26%,算上工業廢水處理和污泥處理,所占比例將超過2%。美國有16000多座污水處理廠,耗電量占全社會總耗電量的1%。在丹麥,水和廢水的處理流程消耗了25%~40%的市政電力。

             

            另外,污水處理需要消耗大量燃料和藥劑,間接排放大量溫室氣體,處理過程本身也會直接排放溫室氣體。聯合國數據顯示,全球污水處理等水處理行業碳排放量大約占全球碳排放量2%左右。美國2017年能源消耗量中約2% 用于飲用水和污水處理系統,產生約4100萬噸溫室氣體。

             

            此外,水泵也是污水處理主要能耗來源之一。格蘭富集團數據顯示,水泵消耗的能源占所有與水相關設施能耗的10%。

             

            從能量轉化的角度來說,傳統污水處理模式本質是以能耗換水質。為了減少水污染,我們使用大量電能,間接產生大量二氧化碳排放,對全球生態環境造成負面影響。

             

            因此,為了減少碳排放,降低污水處理能耗和物耗是行業升級的必然目標。目前,世界上已有多個國家發布污水廠碳中和技術路線圖,美國提出2030年所有污水處理廠都要實現碳中和。

             

            然而,作為重要的公共事業,中國污水處理率還沒達到100%,減少水污染仍然是生態環境保護工作的重中之重?梢灶A見,污水處理行業短期內尚不具備承擔大規模減排任務的客觀條件。

             

            但是,從提升企業核心競爭力層面來講,綠色低碳發展也是必走之路。同時,作為政策驅動的行業,企業若能提早開啟低碳變革,必將贏得更大的主動權和更廣闊的發展空間。

             

             

             

            03如何實現綠色低碳發展?

             

             

            那么,污水處理行業如何實現綠色低碳發展呢?總的來說可以從開源和節流兩個方面考量。梳理國內外先進經驗,具體可以從以下幾個方面入手。

             

            1.優化工藝回收有機物能量

             

            首先,通過開源實現能量自給,是從根本上解決綠色低碳發展問題。據測算,污水中所含能量達污水處理本身所消耗能量的9-10倍之多。通過優化污水處理工藝,回收有機物能量,利用沼氣熱聯發電,可實現碳中和。

             

            奧地利Strass污水處理廠持續優化改進工藝,早在2005年即實現產能大于能耗(108%能源自給率),現已達到200%能源自給率,超標準實現碳中和。

             

            美國希博伊根污水處理廠利用高濃度食品廢物與污泥厭氧共消化產生的甲烷進行熱電聯產,同時采取節能措施,實現電量與耗電量比值達90%~115%,已逼近碳中和目標。

             

            在污泥處置領域,國內小紅門、高碑店污泥處理中心成功運行,污泥產氣率超出預期目標,除滿足熱水解能量平衡的需要外,還有余量。這充分表明,污泥高級厭氧消化技術已經比較可靠、穩定,既為國內污泥處理探索出新思路,同時也為實現碳中和提供有力支撐。

             

            當然,污水處理工藝優化是一個長期的過程。奧地利strass污水處理廠曾經用十多年時間持續優化處理工藝,才達到當前的處理水平。

             

            此外,我國城市污水處理廠進水COD濃度偏低,只有歐美國家的40%-70%,造成碳源不足。這就要求必須因地制宜研發適合中國國情的污水處理工藝。

             

            2.中國的污水處理概念廠實踐

             

            在深入研究了解國外先進污水處理廠理念、工藝、技術和工程實踐的同時,中國學術界和產業界也在積極探索新的污水處理模式。

             

            2014年,中國工程院院士曲久輝等6位專家提出“建設面向未來的中國污水處理概念廠”的構想。2018年,河南水利投資集團和中持水務公司以概念廠早期版本為藍本,建設了河南商丘睢縣第三污水處理廠。

             

            睢縣項目綜合運用秸稈、畜禽糞便、水草及污泥等多種物料進行協同高干厭氧消化,采用DANAS干式厭氧發酵技術,顯著提高有機質處理效率,實現物質的良性循環和資源化運營。產生的沼氣用于發電,可滿足廠區20-30%的能耗。

             

            同時,降低污泥處理難度,污泥處理后產生的有機肥已用于廠區農作物實驗性種植。該項目得到廣泛認可,也讓當地居民和政府切身感受到創新發展、綠色發展的魅力。

             

            如果說睢縣項目是1.0版的概念廠,那么2020年4月動工的江蘇宜興城市水資源概念廠則是2.0版。該項目是第一個完整遵循概念廠理念的污水處理廠,除了污染物削減基本功能,還具有城市能源工廠、水源工廠、肥料工廠等新功能,進一步將發展成為城市與鄉村全方位融合和互利共生的新型環境基礎設施。該項目于今年年中建成,如能持續穩定運營,將為中國污水處理行業綠色低碳發展和產業升級帶來深遠影響。

             

            3.改造升級曝氣系統

             

            其次,因地制宜積極采取各種措施實現能量節流,也是綠色低碳發展的重要組成部分。

             

            有數據表明,我國污水處理廠處理單位體積污水的電耗在0.15~0.28kW·h/m3左右。其中,曝氣鼓風機電耗所占比例為56.2%。雖然不同處理工藝能耗不同,但曝氣系統總體能耗占比最大是事實。因此,污水處理廠節能降耗關鍵點在升級改造曝氣系統。

             

            曝氣系統節能的核心是在保證出水達標的前提下,按需提供微生物所需的溶解氧,達到供需平衡,避免曝氣能耗的浪費。這就需要精準掌控微生物的活動過程,同時精準控制鼓風機的運行過程。既要防止過度曝氣,也要防止曝氣不足。這對硬件設備和控制系統的穩定性、可靠性和精準度等提出很高要求。

             

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            據國內一家多年從事曝氣系統節能降耗技術研究的企業介紹,要想實現曝氣系統精準控制,不僅對技術有要求,而且對設備的選型和品牌也有要求,甚至對流量計、液位計等計量設備的安裝位置也有嚴格要求?偟膩碚f,改造升級曝氣系統需要系統角度綜合考量各個要素,是一項復雜的系統性工程。

             

            國內有案例表明,通過對鼓風機進行節能改造,日均耗電量從32990降低到29835,降低3155,降幅達11.4%。粗略估算,每年可減少二氧化碳排放1148噸。對于中小型污水處理廠來說,每年至少能節省幾十萬甚至上百萬的電費。同時削減單位總氮達10.8%,削減單位氨氮達13.1%。

             

            4.優化原料投入環節

             

            污水處理工藝多樣,但本質是通過生化反應來去除水中污染物。因此,在處理環節需要投加碳源和多種化學藥劑。這些原材料在生產和運輸過程中消耗能源,在投加過程中也消耗一定能源。因此,優化投料環節,有助于節能降耗減少碳排放。

             

            如何優化原料投入環節呢?目前,市場上主要有兩種方式。

             

            第一種,對加藥系統進行配置升級,由常用的變頻計量泵升級為數字泵,加藥量有不同程度減少。

             

            另外,也有企業深入研究碳源投加和除磷加藥環節,對加藥設備進行智能化精準化控制。有數據表明,相比傳統模式,最高可減少9.66%的加藥量。

             

            第二種,運用AI技術對污水水量、水質等參數和加藥系統運行數據等進行大數據分析,形成最優算法模型,從而實現加藥系統精細化控制,也能有效降低藥品消耗以及設備運行能耗。

             

            5.優化排水管網輸水性能

             

            在城市污水處理系統中,污水的收集和輸送涉及大規模的管網鋪設和較長距離的輸送,需要大量的能耗用以支持日常的運行和維護。為了最大可能降低這部分能耗,必須采取多種措施優化管網輸水性能。

             

            其中,最基礎的是改造升級管網運營管理模式,重點工作包括漏損點勘測、定位、維修和潛在漏損風險的預防。實現排水管網運行狀態實時監測,并能迅速分析是否發生漏損、堵塞,及嚴重程度、具體地點等,為管理人員快速維修提供精準支撐。

             

            提高排水管網輸水性能,最根本性的解決措施是提高排水管網覆蓋率,實現污水100%收集,同時進行雨污分流改造,大幅提高污水處理廠進水碳氮比。如此就能解決碳源不足問題,有效提高污水處理廠有機質-甲烷轉化率,把污水處理廠變成發電廠,從根本上解決能耗問題,實現碳中和。

             

            6.排水泵站節能降耗

             

            排水泵站也是耗能大戶。有數據表明,排水泵站占城市水務總能耗的35%。因此,對排水泵站進行升級改造,或采用智能化運營模式,能有效降低能耗。

             

            目前主要有兩種方法,其一是采用變頻技術改造老舊排水泵站,或者新建項目直接采用數字泵等新型設備設施,以此降低泵站能耗。

             

            其二,站在系統角度,從更高層面優化排水泵站運營模式。在此基礎上運用物聯網和移動互聯網技術,打造智能管理平臺,實現排水泵站遠程控制、集中管理和數字化運營,達到節能降耗的目的。

             

             

            04總結

             

             

            總的來說,污水處理行業實現碳中和是一項長期的系統性工程。僅僅站在污水處理廠行業角度,需要從“用戶控制-源頭分離-管網收納-凈化處理”全流程進行系統性規劃。在這個過程中,需要政府相關部門和企業全面升級管理運營模式,從管理驅動升級為數據驅動,構建全新的數字化管理新模式,實現整個運營模式的智慧化升級。

             

            從根本上解決這一問題,需要我們跳出污水處理行業,站在生態文明建設、城鄉融合發展、污水資源化、能量自給、環境友好等更多層面綜合考量,需要從“點-線-面-體”不同層次進行頂層規劃、系統設計和統籌安排。這不單是整個行業技術和理念的更新,而且是整個社會思想和認知的革命。

             

            這將是一個漫長和曲折的過程。讓人欣喜的是,污水處理概念廠的提出和實踐已邁出關鍵性第一步,我們有理由相信,中國污水處理行業將很快為碳中和戰略做出積極貢獻。  來源:前海深港國際先進技術研究院   









            碳中和深度研究報告:大重構與六大碳減排路線


            (報告出品方/作者:光大證券,殷中樞、黃帥斌、王招華,孫偉風、王銳、馬瑞山、陳無忌、郝騫)

            1、 碳中和:大重構

            1.1、 發展的權利:大國博弈與利益統一

            站在全球視角,我們認為中國加快“碳達峰、碳中和”主要基于以下三方面推動:

            (1)“碳中和”是中國經濟的內在需求——能源保障、產業轉型

            在能源保障方面:2020 年底,我國原油進口依賴度達 73%,天然氣進口依賴度 也在 40%以上;基于能源保障考慮,發展新能源具有必要性。與此同時,我國 已在新能源領域建立起全球優勢。根據麥肯錫測算,我國在太陽能電池板領域的 國家表現遠超美國,在所有行業對比中位列第一。

            在產業轉型方面:雖然“新冠疫情”對全球經濟的負面影響正在逐步消除,但是 仍有流動性泛濫、債務問題等未來潛在的風險點;中國經濟已經取得了長足的進 度,然而面對比如貿易摩擦、技術封鎖等復雜的國際形勢,做好自己顯得尤為重 要,科技創新和產業升級將是未來重要的發展方向,加快新產業的戰略布局,產 業結構調整的力度前所未有,步伐明顯加快,在能源與資源領域、網絡信息領域、 先進材料與制造領域、農業領域、人口健康領域等出現科技革命的可能性較大。

            “碳減排”作為重要的抓手,通過“碳成本”這一要素的流動,推動我國產業結 構性改革。

            2)“碳中和”的對立性——大國博弈、貿易摩擦

            部分發達國家其實此前已多次討論過包括對中國在內的不實施碳減排限額國家 的進口產品征收“碳關稅”,但因經濟與貿易依賴性、碳市場不成熟等原因而擱 淺。

            根據 OECD 數據,2015 年我國對外出口約 6 億噸 CO2,其中對美出口 2.26 億 噸,占比約 35%。假設國際對我國按 40 美元/噸征收碳稅,增加開支約 260 億 美元;按 100 美元/噸,增加 650 億美元。假設我國碳排放成本全部內部化,2019 年我國碳排放 98.26 億噸,按碳價 100 美元/噸測算,需 9826 億美元。

            “排碳限制”的本質,是一種發展權的限制;而“碳關稅”的本質,是應對貿易 劣勢的一種手段,而這種劣勢,可能一部分是由實施碳減排后成本增加而造成的。 站在我國的角度:“碳關稅”既是貿易壁壘“壓力”,也是產業結構升級的“動 力”。

            為什么“新冠疫情”后,我國推動“碳中和”更加迅速?——增加國際聲譽和話 語權。2019 年我國碳排放量達 98.26 億噸位列全球第一(人均碳排放和碳排放 量/GDP 均相對較低),自 2005 年以來為全球碳排放總量最高的國家(加入世 貿組織后,全球產業鏈分工變化所致)。近年來我國碳排放增速已有所放緩,但 較為龐大的人口基數使得我國碳排放全球占比仍在持續提升,2019 年達 28.76%。

            而針對“新冠疫情”源頭問題,經常有部分西方國家和人員因政治原因公開抹黑 中國。而加速推動“碳中和”將助力我國樹立負責任的大國形象,在國際氣候法 律秩序構建中爭取獲得“話語權”,并掌握未來全球“游戲規則”的主動權和制 定權。

            目前,全人類氣候目標競賽已經開啟,根據 EnergyClimate 機構推出的凈零排 放競賽計分卡,目前我國已處于第四梯隊,位列全球第 28 位。

            3)“碳中和”的統一性:全球難得的政策與利益一致點

            從全球來看,多數國家已更新 NDC(國家自主貢獻)目標。“碳中和”已成為 全球大趨勢。

            拜登上臺后,美國重新加入《巴黎協定》,應對氣候變化是拜登此次總統競選的 核心承諾之一,未來美國將在全球氣候變化、新能源發展方面采取更多的措施。

            雖然前期中美在貿易和技術層面有著種種的不愉快,但是在應對全球氣候變化方 面,無論是中美還是全球,在碳中和方面,具有相同的利益和方向。

            1.2、 我國的碳減排將是一段艱苦的歷程

            盡管全球越來越多的政府正在將碳中和目標納入國家戰略,但就具體目標而言, 仍有區別。如歐盟在 2020 年 3 月提交《氣候中性法》,旨在從法律層面確保歐洲到2050 年成為首個“氣候中性”大陸。美國加州和中國分別制定了 2045 年 和 2060 年“碳中和”目標。加州的目標包括削減所有溫室氣體排放,包括二氧 化碳、甲烷等,并抵消其無法削減的排放量,而中國的目標僅針對二氧化碳。

            我國碳排放下降斜率更大。由于發展階段的不同,發達國家已普遍經歷“碳達峰”, 為達到 2050 年“碳中和”,更大程度上只是延續以往的減排斜率。而我國碳排 放總量仍在增加,需要經歷 2030 年前“碳達峰”,然后走向 2060 年前“碳中 和”。從實現“碳中和”的年限來看,比發達國家時間更緊迫,碳排放下降的斜 率更大。

            在陡峭的碳排放量下降曲線背后,是規;慕洕Y構轉型。這意味著我國當前 經濟結構下相當規模的存量資產將失去原有功能。

            煤電資產擱淺的問題,表明了轉型需經歷陣痛。一方面,從能源結構和自身稟賦 來看,我國的能源消耗以煤為主,煤電發電量在 2019 年占總發電量的 65%,遠 超發達國家;另一方面,我國煤電機組的平均服役年限僅 12 年,而發達國家普 遍達到 40 年以上。更快的碳排放量下降斜率,意味著將會有大量的未達到退役 年限的煤電資產提前“擱淺”。

            根據牛津大學 2017 年研究,在不同的情景假設下,我國煤電擱淺資產規模估算 可能高達 30,860-72,010 億元(合 4,490-10,470 億美元),相當于中國 2015 年 GDP 的 4.1-9.5%。由于近年來我國仍在新建煤電機組,實際擱淺規?赡芨 大。

            1.3、 “碳中和”對我國意味著什么?

            在碳排放量結構方面,目前發電已成為占比最高的部門。2019 年我國碳排放量 115 億噸,其中發電碳排放量 45.69 億噸 CO2,占比 40%;工業燃燒碳排放量 33.12 億噸 CO2,占比 29%。

            各大碳排放重點國家中,除美國外,碳排放占比最高的均為發電部門(美國為交通,占比 45%)。因此,要實現“碳中和”,能源轉型首當其沖。

            廣義的能源板塊包括能源的產生、轉換、消費過程,用途包括驅動、產熱等,是 大多數溫室氣體排放的根源。除此之外,交通、工業過程和農業也是溫室氣體排 放的主要來源。

            從微觀角度看,工業企業碳核算邊界內主要包含三個方面:

            1)燃料在氧化燃燒過程中產生的溫室氣體排放;

            2)在生產、廢棄物處理處置過程中除燃料燃燒之外的物理或化學變化造成的溫 室氣體排放;

            3)企業輸入/出的電力、熱力所對應的電力、熱力生產環節產生的二氧化碳排放。

            這意味著我們需要從燃料燃燒/非燃燒過程著手,向可再生能源轉變;或通過節 能降耗的措施減少二氧化碳的排放。

            2、 六大碳減排路線:供給側改革、能源革命與產業升級

            我們從“能源碳”和“物質碳”兩方面出發,構建了“碳中和”的實現路徑。

            一、能源碳

            1)能源供給側:提高可再生能源比例,構建零碳電力為主、氫能為輔的能源結 構,同時大力發展儲能以保障電網平衡。

            2)能源需求側:分行業看,主要是工業、交通、建筑三個部門;按實現路徑劃 分,主要有終端電氣化、源頭減量、節能提效三種途徑。

            二、物質碳

            物質碳與工業過程息息相關,因此涉及到大規模的工藝改變和原材料替換。

            2.1、 源頭減量:碳減排驅動的供給側改革

            (1)2021 年 1 月 26 日,國務院新聞發布會披露,工信部與國家發改委等相關 部門正在研究制定新的產能置換辦法和項目備案的指導意見,逐步建立以碳排放、 污染物排放、能耗總量為依據的存量約束機制,確保 2021 年全面實現鋼鐵產量 同比的下降。

            促進鋼鐵產量的壓減主要從以下四個方面:

            一是嚴禁新增鋼鐵產能。對確有必要建設的鋼鐵冶煉項目需要嚴格執行產能置換 的政策,對違法違規新增的冶煉產能行為將加大查處力度,強化負面預警。同時 不斷地強化環保、能耗、安全、質量等要素約束,規范企業生產行為。

            二是完善相關的政策措施。根據產業發展的新情況,工信部和國家發改委等相關 部門正在研究制定新的產能置換辦法和項目備案的指導意見,將進一步指導鞏固 鋼鐵去產能的工作成效。

            三是推進鋼鐵行業的兼并重組,推動提高行業集中度,推動解決行業長期存在的 同質化競爭嚴重,資源配置不合理,研發創新協同能力不強等問題,提高行業的 創新能力和規模效益。

            四是堅決壓縮鋼鐵產量。結合當前行業發展的總體態勢,著眼于實現碳達峰、碳 中和階段性目標,逐步建立以碳排放、污染物排放、能耗總量為依據的存量約束 機制,研究制定相關工作方案,確保 2021 年全面實現鋼鐵產量同比下降。

            回顧上一輪供給側改革,以差別化電價、階梯電價為代表的市場化政策,以及清 查中頻爐(地條鋼)為代表的行政手段(包括后期的環保督查),有效促進了鋼 鐵行業落后產能淘汰,也使鋼鐵價格飆升。 目前,政策尚處于討論中,我們需要進一步進行分析:

            1)雖然碳減排是一場“馬拉松”,但是指標的設定、路徑的選擇具有顯著的政 策因素,而目前在其他減排路徑經濟技術較為一般或時間成本較高的情況下,短 期壓減產能或許是一條行之有效的措施;

            2)目前,生態環境部主管碳減排相關事宜,從環保督察手段來看,歷史已證明 其有效性;

            3)各地、各行業都將制定自己的減排目標和減排路徑,不可避免有排名、比較 的因素。 綜上所述,我們對通過壓減落后產能來降低能耗進而減少二氧化碳排放的政策手 段持樂觀態度。當然具體仍需要待政策最終落地,具體評估減排指標與減排路線。

            (2) 2021 年 2 月 4 日,內蒙發布《調整部分行業電價政策和電力市場交易政 策》,對部分行業電價政策和電力市場交易政策進行調整。嚴格按照國家規定對 電解鋁、鐵合金、電石、燒堿、水泥、鋼鐵、黃磷、鋅冶煉 8 個行業實行差別電 價政策,繼續對電解鋁、水泥、鋼鐵行業執行階梯電價政策。

            2021 年 2 月 24 日,甘肅省發布《高耗能行業執行差別電價管理辦法通知》, 要求 2021 年 3 月 31 日前完成本地區首次執行差別電價企業確認工作。針對鋼 鐵、鐵合金、電解鋁、鋅冶煉、電石、燒堿、黃磷、水泥等八個高耗能企業,按 照允許類、限制類、淘汰類,執行差別化電價。

            從近期政策來看,以碳排放、能耗總量、污染物排放為依據的存量約束機制正在 收緊。

            電網企業因實施差別電價政策而增加的加價電費收入全額上繳省級國庫,納入省 級財政預算,實行“收支兩條線”管理,統籌用于支持經濟結構調整和節能減排 工作。對水泥行業、鋼鐵行業因實施差別電價政策增加的電費收入,10%留電網 企業用于彌補執行差別電價增加的成本;90%上繳省級國庫,納入省級財政預算, 統籌用于支持行業技術改造和轉型升級,促進經濟結構調整。

            在“碳達峰”、“碳中和”目標的倒逼之下,“能耗指標”將成為重要的抓手, 2021 年全球經濟復蘇,大宗商品價格上漲動力較強,疊加“碳中和”目標下的 產能壓降手段,高能耗產品供給側約束后,價格有可能進一步提升。

            我們根據能耗指標,梳理了高耗能類型產品:電解鋁、硅鐵、電爐錳鐵、石墨電 極、燒堿、滌綸、銅等,都有可能成為限制對象。

            2.2、 能源替代:新能源長期發展的盛宴

            現有的能源系統中,煤、石油是主要力量。據統計年鑒數據,2019 年我國能源 消費總量 48.7 億噸標煤,其中煤炭、石油、天然氣、一次電力及其他能源占比 分別為 57.7%、18.9%、8.1%、15.3%。

            從用途來看,石油主要用于終端消費(交通、工業),煤炭主要用于中間消費(火 力發電),天然氣主要用于終端消費(交通、工業、建筑部門)。

            回顧人類對能源利用的探索歷程,實際上是從利用核外電子到利用核內電子的過 程,但這恰是宇宙、物質、能源發展的逆過程。

            二次能源中,對電能的利用是一項偉大的革命,現已成為能源利用的樞紐,從歷 史上看,“電”也引發了多次生產技術革命。而氫能同作為二次能源,具有可存 儲的優勢,但也因制備和使用效率稍遜而經濟性較差,但從能量循環的角度看, 可以有助于碳的減排。

            鋰、氫能同作為可行且具有前景電子存儲載體,其重要的原理特點在于,Li+與 H2 都是小粒子,有助于提升物質/能源轉換便利性。

            碳中和的最重要目的就是減少含碳溫室氣體的排放,采用合適的技術固碳,最終 達到平衡。

            為達到碳中和,我們預計到 2060 年,清潔電力將成為能源系統的配置中樞。供 給側以光伏+風電為主,輔以核電、水電、生物質發電;需求側全面電動化,并 輔以氫能。

            2.2.1、能源供給側:可再生能源主導

            總量層面:

            核心假設:

            (1)我們采用“自上而下”的測算方法,假設未來 GDP 增速和發電量增速從“十 三五”末期的 5%逐步下降到 2.5%;而由于節能降耗的原因,未來單位 GDP 能 耗逐步下降,電力消費彈性系數將小于 1。

            (2)假設未來我國總發電量和 GDP 保持同步增長態勢且增速一致,假設 GDP 和總發電量增速分別為 2021-2030 年 4%、2031-2040 年 3%、2041-2060 年 2.5%。

            根據我們的上述假設,以 2019 年發電量 7.22 萬億千瓦時為基礎,2030 年發電 量達到 11.9 萬億千瓦時(和部分機構的預測數據基本一致),2060 年發電量進一步達到 32.71 萬億千瓦時。

            結構層面:

            在總發電量預測的基礎上,我們將進一步對不同發電方式未來的發電量及相應的 裝機需求進行拆分。

            (1)火電:裝機量方面,在 2030 年碳達峰基礎上,在經濟發展的過程中 2020-2030 年仍需要有一定規模的火電裝機支撐發電量增長,因此我們假設火電 裝機在 2020-2030 年間每年仍將維持增長態勢,但增量逐步減少直至 2030 年無 新增火電裝機;2030-2060 年,火電裝機每年將逐步退出電力市場,直至 2060 年碳中和時存量火電裝機清零。利用小時數方面,隨著火電裝機的逐步減少,未 來火電將更多用于調峰平抑發電曲線,因此我們假設火電利用小時數從 2020 年 的 4080 小時逐步降低至 2030 年的 3080 小時,后續則保持平穩。發電量方面, 在裝機量和利用小時數假設的基礎上,火電的發電量占比將從 2020 年的 68%逐 步減少至 2060 年碳達峰時的 0%。

            (2)水+核能+生物質:假設未來水+核能+生物質整體的發電量情況保持穩定, 2020-2060 年,在 1.7 萬億千瓦時的基礎上每年增長 2%。

            (3)光伏+風電:在火電發電量逐步減少,水+核能+生物質發電量保持相對穩 健增長的背景下,光伏和風力發電將逐步成為未來最重要的發電方式。發電量占 比方面,我們假設光伏+風電發電量中光伏發電的占比維持在 40%;利用小時數 方面,假設風電、光伏年利用小時數分別維持在 2400h、1300h;裝機量方面, 在總發電量發展、其他發電方式發電量、光伏發電量占比、以及光伏和風電利用 小時數等預測的基礎上,我們測算得出2030年風電、光伏新增裝機量分別為1.53、 1.88 億千瓦,2060 年風電、光伏新增裝機量進一步達到為 2.19、2.7 億千瓦。

            (4)儲能:由于光伏、風電的不穩定性,必須輔以必要的儲能以平抑發電波動。 假設儲能容配比從 2020 年的 10%逐步提升至 2060 年的 100%,備電時長從 2020 年的 2h 逐步提升至 2060 年的 4h,則儲能每年的新增容量將從 2020 年的 0.24 億千瓦時增長至 2060 年的 19.55 億千瓦時。

            需要注意的是,我們對光伏、風電新增裝機量的預測源自對部分關鍵變量的核心 假設,如果其未來發生變化(如火電利用小時降低超預期、水+核能+生物質發 電量降低、儲能配套設施建設超預期等),則未來光伏、風電每年的新增裝機量 或將超預期增長。

            投資層面:

            在每年光伏、風電新增裝機量的測算基礎上,我們將進一步測算可再生能源發電 設施建設所需要的投資規模。

            (1)預測光伏、風電、儲能的單位投資成本保持下降趨勢,到 2030 年分別達 到 0.371 元/瓦、5.63 元/瓦、1.03 元/瓦時,到 2060 年分別達到 1.35 元/瓦、 4.5 元/瓦、0.5 元/瓦時。

            結合我們對光伏、風電、儲能新增裝機預測,可以得到 2021-2060 年每年在可 再生能源發電端所需要的投資規模。我們預測“碳中和”將為可再生能源發電領 域累計增加約 84 萬億元人民幣的新增投資,其中光伏、風電裝機建設投資規模 約 60 萬億元,儲能設施投資規模約 24 萬億元。

            氫能

            在能源供給側脫碳的過程中,氫能與電能同為重要的二次能源,扮演著重要作用, 如重工業(高溫-超高溫環境)、道路交通(氫燃料汽車)、大規模儲能、船運 等。

            目前,電解水制氫的成本仍較高。根據能源轉型委員會的預測,隨著電解槽成本 下降,未來電解水制氫將成為主流方法。要實現“零碳”排放,電解水所需的電 力也必須來自于可再生能源,由此產生的氫氣稱為“綠氫”。

            海上風電制氫(直接在風機附近制氫)是海上風電未來發展的重要方向,主要有 兩個原因:

            1)隨著海上風電離岸越來越遠,外送電纜投資成本也逐步攀升,而利用風機所 發電力將水電解產生氫氣后,通過比電纜便宜得多的管道將氫氣送到岸上,甚至 有些海域有現成的天然氣管道可供使用;

            2)氫氣可以儲存,而電力難以儲存。

            2.2.2、能源需求側:終端電氣化

            由于能源供給側向綠色電力轉變,所以需求側的脫碳首先意味著終端電氣化。 根據國網能源研究院 2019 年 12 月的研究成果,終端電氣化率在 2050 年達到 50%以上,其中工業、建筑、交通部門分別達到 52%、65%、35%。

            工業部門電氣化

            鋼鐵、電解鋁、水泥等行業是能耗大戶,也是碳排放大戶。

            鋼鐵行業的電氣化路徑主要是從高爐轉向電爐,電爐及其設備、耗材仍具有較好 的投資機會。根據鋼協數據,2019 年我國鋼鐵行業 90%以上的產能采用高爐 (BOF)技術,而電爐技術(EAF)僅占生產總量的 9%。特別是以廢鋼為原料 的短流程煉鋼技術,碳排放量僅 0.4 噸二氧化碳/噸鋼,若使用綠色電力為電爐 供能,則碳排放量可降為 0。

            水泥的生產過程中需要將水泥窯加熱到 1600 攝氏度以上,目前電爐的使用尚未 商業化,投資成本較高。目前較為可行的方法是用沼氣、生物質替代化石燃料。

            建筑部門電氣化

            從建筑屬性來看,可以分為公共建筑、城鎮居民建筑和農村居民建筑。從用途來 看,供熱、制冷、烹飪是中國建筑部門的主要能源消費來源。建筑部門的電氣化 率仍較低,2017 年僅為 28%。

            目前,制冷、照明、家電已經實現了 100%電氣化,供暖和烹飪的電氣化推進較 為緩慢。我國北方城鎮普遍實行集中供暖,主要熱源為燃煤熱電聯產和燃煤鍋爐。 自 2017 年以來,我國北方地區推行“煤改氣”、“煤改電”,對建筑部門的電 氣化有一定的推動作用。

            炊事方面,根據清華大學建筑電氣化接受程度調研,一方面,住宅炊事用能逐漸 向公建轉移,應關注公建餐廳電氣化;另一方面,住宅炊事電氣化最大難點在于 改變用戶習慣。

            總之,建筑部門電氣化需綜合考慮公共部門與居民住宅,也要考慮南北方氣候差 異。隨著人民生活水平提高,家用電器的數量和使用強度呈上升趨勢。未來采暖 電氣化應逐步替代燃煤鍋爐,炊事電氣化應重點關注餐廳電氣化和住宅炊事習慣 引導。

            交通部門電氣化

            交通部門的電氣化具有三個方面的含義:

            1)道路交通(小型、輕型):綠色電力為基礎的電動車(電池),配套充電樁、換電站;

            2)道路交通(重型)、鐵路或海運:氫能(或氨氣),配套加氫站;

            3)航空:生物航空柴油為主要方向。

            我們預計,乘用車銷量在 2040 年見頂,電動車的滲透率在 2045 年達到 100%, 則電動車的銷量將在 2045 年達到 3600 萬輛/年。假設單車售價保持下行趨勢, 在 2060 年達到 12 萬元/輛左右。則電動車領域累計將帶來 130 萬億人民幣的累 計新增投資。

            隨著電動車保有量的提升,假設車樁比在 2030 年達到 1:1,則 2060 年充電樁 總數將超過 5 億個。綜合考慮充電樁的新建需求和更換需求,累計新增投資達到 18.15 萬億元人民幣。

            氫能燃料電池將主要用于重型道路交通(客車、貨車)。假設輕型、中型、大型 貨車的年銷量保持在 150、20、70 萬輛,燃料電池滲透率在 2045 年達到 40%、 60%、80%,而后保持該滲透率;輕型、中型、大型客車的年銷量保持 30、7、 7 萬輛,燃料電池滲透率在 2045 年達到 30%、50%、70%,而后保持該滲透率, 則累計新增投資達到 29 萬億元人民幣。

            2.3、 回收利用:綠色低碳的循環經濟

            再生資源的回收利用可以有效減少初次生產過程中的碳排放。目前來看,市場潛 力主要集中在三大領域:

            1)高耗能行業(鋼鐵、水泥、鋁和塑料)的產品再生;

            2)廢棄物(秸稈、林業廢棄物、生活垃圾)的能源化利用;

            3)動力電池回收利用。

            廢鋼利用:

            據世界鋼鐵協會預測,從中長期來看,過去二十年中國鋼材消費量的迅速增長, 將帶動中國國內的廢鋼資源快速增長。在未來數年里,中國國內的廢鋼供應量可 滿足中國的煉鋼需求。

            鋼鐵行業的電氣化趨勢(電爐代替高爐)與廢鋼的利用屬于同一路徑。對比發達 國家,我國的電爐鋼產量占比處于較低水平。

            再生鋁:

            電解鋁的碳排放來源主要包括:電力消耗、碳陽極消耗、陽極效應導致全氟化碳 排放。再生鋁可以有效減少初次生產的能耗與碳排放,目前我國的再生鋁產量占 比同樣處于較低水平。

            塑料循環利用:

            在化工行業的數千種產品中,僅氨、甲醇和 HVC(高價值化學品,包括輕烯烴 和芳烴)三大類基礎化工產品的終端能耗總量就占到該行業的四分之三左右。

            據上海市再生資源回收利用行業協會披露,2019 年我國產生廢塑料 6300 萬噸, 回收量 1890 萬噸,回收率僅 30%。

            根據能源轉型委員會研究,2050 年,中國的塑料需求中 52%可由回收再利用的 二次塑料提供,初級塑料產量與國際能源署的照常發展情景中的回收率水平下的 產量相比減少 45%,HVC 和甲醇的需求分別較照常發展情景大幅減少 40%和 18%。

            動力電池回收:

            磷酸鐵鋰電池回收后兩大利用途徑:梯次利用與拆解回收,這兩個途徑并不是排 斥關系,而是互補關系。

            三元正極材料回收與再生的技術路線主要分以下兩種形式:

            物理修復再生,對只是失去活性鋰元素的三元正極材料,直接添加鋰元素并通過 高溫燒結進行修復再生;對于嚴重容量衰減、表面晶體結構發生改變的正極材料, 進行水熱處理和短暫的高溫燒結再生;

            冶金法回收,主要有火法、濕法、生物浸出法三種方式。其中火法耗能高,會產 生有價成分損失,且產生有毒有害氣體;生物浸出法處理效果差,周期較長,且 菌群培養困難;相比之下,濕法具有效率高、運行可靠、能耗低、不產生有毒有 害氣體等有毒,因此應用更普遍。

            對于三元電池,我們預測:2019 年預計可回收三元正極 0.13 萬噸,隨后逐年遞 增至 2030 年的 29.25 萬噸。

            1)NCM333:隨著 2014 年安裝的 NCM333 三元電池于2019 年開始退役,2019 到 2022 年 NCM333 回收量逐步增加,2022 年達峰值 1.28 萬噸,隨后由于 NCM333 的退出而逐步減少,至 2026 年回收量歸零;

            2)NCM523:2016 年開始進入市場的 NCM523 于 2021 年開始報廢回收,隨后 回收量于 23-28 年穩定在 4-6 萬噸之間,預計 2030 年上漲至 10.78 萬噸;

            3)NCM622:2017 年進入市場的 NCM622 于 2022 年開始報廢回收,回收量小 幅上漲,直到 28 年上漲幅度增加,預計 30 年可回收 6.03 萬噸;

            4)NCM811:2018 年進入市場的 NCM811 于 2023 年開始報廢回收,預計 30 年可增長至 12.44 萬噸。預計 30 年可回收鋰 2.09 萬噸,鎳 11.47 萬噸,鈷 2.80 萬噸,錳 3.23 萬噸。

            對于磷酸鐵鋰電池,我們預測:

            1)2030 年,報廢鐵鋰電池將達到 31.33 萬噸;

            2)隨著梯次利用逐年上升,預計 2030 年可梯次利用的鐵鋰電池達 109.93GWh, 共 25.06 萬噸;其余 6.27 萬噸進行拆解回收,可回收鋰元素 0.28 萬噸;

            3)2027 年梯次利用的磷酸鐵鋰電池將在 2030 年達到報廢標準,此時拆解回收 8.604 萬噸,可回收鋰元素 0.379 萬噸。二者總計可以回收鋰元素 0.65 萬噸。

            市場空間方面,根據我們的測算: 三元電池回收:在金屬處于現價( )時,2030 年三元電池鋰/鎳/鈷/ 錳回收市場空間預計 103.67/154.24/85.80/5.29 億元。

            磷酸鐵鋰電池回收:

            中性假設條件下(梯次利用殘值率 30%),2030 年梯次利用市場空間預計 180.93 億元。在鋰金屬處于現價(2021/1/22)時,2030 年磷酸鐵鋰電池鋰元素回收 市場空間預計 32.38 億元。

            2.4、 節能提效:低碳社會的護航者

            工業節能:

            2020年噸新型干法水泥熟料綜合能耗已下降至85kg標煤,較2005年下降35%。 噸鋼綜合能耗下降至 552 克標煤,較 2005 年下降 20%以上。

            中國鋼鐵行業還有一定的節能技術推廣、能效提高的空間。如余熱回收(TRT 等技術)、高級干熄焦技術(CDQ)等。

            對于水泥行業來說,2020 年底已有 80%的水泥窯利用余熱發電,總裝機 4850 兆瓦。同時,現有的商業模式(DBB 模式、EPC 模式、BOT 模式)較為成熟, 將推動我國實現“2035 年熟料生產完全不依賴外部電力”的目標。

            針對化工行業,由中國石油和化學工業聯合會主辦的石油和化工行業重點耗能產 品能效“領跑者”標桿企業評選已持續多年,2018 年行業單位能耗持續下降, 萬元收入耗標煤同比下降 10%,電石、純堿、燒堿、合成氨等重點產品單位綜 合能耗同比分別下降 2.18%、0.6%、0.51%和 0.69%。

            建筑能效提升:

            根據國務院新聞辦公室《新時代的中國能源發展白皮書》,截止 2019 年底,我 國累計建成節能建筑面積 198 億平米,占城鎮既有建筑面積比例超過 56%。推 動既有居住建筑節能改造,提升公共建筑能效水平,是建筑領域節能的重要途徑。 在居民制冷、取暖領域,熱泵技術可以有效利用空氣熱能,較現有的壁掛爐、電 加熱等方式更節能。

            節能設備

            功率半導體 IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的應用,可以有效提升能效水平,尤 其是在家電(變頻家電)和工業(工業控制和自動化)領域,兩者占 IGBT 下游 需求的 47%左右。

            根據產業在線統計,2013 年變頻空調標準頒布實施,空調的變頻占有率提升超 過了 6 個百分點;2016 年 10 月份冰箱新標準實施,2017 年冰箱的變頻化率迅 速提高了 10%;洗衣機新標準在 2018 年 10 月推出,2019 年變頻洗衣機的市 占率較推出前大幅增加了 8 個百分點。

            未來隨著能效要求的進一步提升,以 IGBT 為核心的變頻領域前景廣闊。

            2.5、 工業過程脫碳與工藝變革

            工藝變革

            除了能源使用(主要是化石燃料燃燒及電力/熱力使用),工業過程碳排放也是 重要的二氧化碳來源,2017 年占比 13%。 工業過程碳排放與各個行業采用的生產工藝直接相關。

            (1)如鋼鐵行業:含碳原料(電極、生鐵、直接還原鐵)和溶劑的分解和氧化;

            (2)電解鋁:碳陽極消耗、陽極效應導致全氟化碳排放;

            (3)水泥:污水污泥等廢棄物里所含有的非生物質碳的燃燒、原材料碳酸鹽分 解產生的二氧化碳排放、生料中非燃料碳煅燒。

            相比于“能源碳”,“過程碳”的去除更加困難。原因在于:

            (1)生產工藝深度整合,對工藝過程的某一部分的改變都伴隨著過程其他部分 的改變;

            (2)生產設施的使用壽命很長,通常超過 50 年(定期維護)。改變現有場地 的工藝需要昂貴的重建或改造;

            (3)大宗商品全球交易,水泥、鋼鐵、氨和乙烯是大宗商品,在采購決策中, 成本是決定性因素。除水泥外,這些產品都在全球范圍內進行交易。一般來說, 在所有四個部門中,外部性都沒有被考慮在內,而且還沒有為可持續或脫碳產品 支付更多費用的意愿。

            隨著“碳中和”的推進,短流程鋼的產量占比將逐步提升。對于剩余長流程鋼來 說,可以采用基于工藝改造的脫碳路線,如基于氫氣的直接還原鐵(DRI)、電 解法煉鋼、生物質煉鋼、碳捕集與封存(CCS)。

            水泥生產過程中,由于石灰石分解產生的二氧化碳排放占到總量的 60%,因此 將不可避免用到碳捕集與封存(CCS)。其次,原料替代(粉煤灰、鋼渣)等替 代品已被廣泛使用,其他如氧化鎂、堿/地質聚合物粘合劑等同樣具備潛力。

            2.6、 CCUS:零排放“兜底”技術

            由于工藝替代的困難,“物質碳”在一定程度上不可避免,特別是在水泥、鋼鐵、 化工等重工業領域。也即如果不采用 CCUS,這些行業幾乎不可能實現凈零排放。

            二氧化碳捕集、利用與封存(CCUS)是指將二氧化碳從排放源中分離后或直接 加以利用或封存,以實現二氧化碳減排的工業過程。

            碳捕集的主要應用領域包括:

            (1)煤氣化制氫以及甲烷重整制氫過程;

            (2)工業部門的化石燃料燃燒過程;

            (3)化工原料相關碳排放和水泥生產的過程排放等;

            (4)電力部門中的應對短期和季節性峰值的火力發電。

            2019 年中國共有 18 個捕集項目在運行,二氧化碳捕集量約 170 萬噸;12個地質利用項目運行中,地質利用量約 100 萬噸;化工利用量約 25 萬噸、生物利用 量約 6 萬噸。

            在 CCUS 捕集、輸送、利用與封存環節中,捕集是能耗和成本最高的環節。二 氧化碳排放源可以劃分為兩類:

            一類是高濃度源(如煤化工、煉化廠、天然氣凈化廠等),另一類是低濃度源(如 燃煤電廠、鋼鐵廠、水泥廠等)。高濃度源的捕集成本大大低于低濃度源。

            捕集環節:典型項目(低濃度燃煤電廠)的成本約在 300-500 元/噸;

            運輸環節:罐車運輸成本約為 0.9-1.4 元/噸/公里,管道運輸成本約為 0.9-1.4 元/噸/公里;

            利用封存環節:驅油封存技術成本約在 120-800 元/噸,同時可以提高石油采收 率。咸水層封存的成本約為 249 元/噸。

            3、 投資觀點:快與慢、短與長

            通過構建“碳中和”實現框架,我們跟隨全社會碳足跡,總結出各個領域的不同 的路徑。當然,由于技術、成本、實施條件的差異,不同的路徑之間成熟度差異 較大。

            目前比較成熟的路徑有:工業領域的鋼鐵電爐、廢鋼利用、水泥協同處置、再生 鋁等,道路交通領域的電動車與充電樁,能源領域的清潔能源,建筑領域的電氣 化與空氣熱泵、裝配式建筑等,以及消費側的綠色出行、垃圾分類等;

            處于起步階段的路徑有:工業領域的壓減、轉移產能,交通領域的燃料電池、氫 能、電池回收等,能源領域的智慧電網、棄風棄光利用、火電產能壓減等;

            處于研究階段的路徑有:水泥清潔燃料、化工 Power-to-X、鋼鐵氫還原,以及 碳捕集在各個領域的推廣應用。

            詳見報告原文。

            (本文僅供參考,不代表我們的任何投資建議。如需使用相關信息,請參閱報告原文。)

            精選報告來源:【未來智庫官網】。




             
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