实现2050年工业碳排放削减50%的可行性分析

-6-实现2050年工业碳排放削减50%的可行性分析JulianM.AllwoodJonathanM.CullenRachelL.Milford绪论2006年，人为原因造成的CO2排放总量为280亿吨，其中超过三分之二来自能源使用和工艺排放。这些排放中有36%来自工业，而5种主要原料（钢铁、水泥、塑料、纸和铝）的生产排放占到了56%。自2000年以来，受到亚洲建筑业发展的驱动，这些原料的需求呈快速上升的态势。预测分析则认为，2050年对这些原料的需求将很可能会翻番。IPPC的报告建议，为了维持全球平均气温比工业革命前上升2.0~2.4℃的水平，至2050年，全球CO2的年排放量应在2000年的水平上，至少削减50%~85%。国际层面，在最近的G8峰会上，各国领导人同意在2050年之前减少约一半的全球CO2排放量。而在国家层面，减排的目标已经被纳入国家政策，如英国的《气候变化法案2008》要求到2050年之前实现80%的CO2排放削减目标。如果工业产品的需求翻番，同时又可以执行要求较低的减排目标，那么其他领域的减排目标将不可能实现。因此，目前在规划排放削减战略时应清楚地认识到，即使工业产品的需求会持续增加，仍应要求工业界在2050年削减至少50%的总排放量。如果对这5种原料的需求翻番，其排放有可能减半吗？实现这一目标最简单的方式是在原材料产业采取行动。但由于这些产业都是能源密集型产业，其本身已经取得了显著的能效提升。使用废料再生产的产品比以初级原材料生产的产品需要更少的能源，那加强物质循环是否能降低排放呢？假设再循环率等于使用后废弃物回到新产品中的比例，则可以通过全球原材料平衡来加以计算。对金属来说，再循环率是可以上升的。纸的再循环率也可以上升，但产量将减少，因为在造纸过程中纸纤维是受到破坏的，同时其碳排放强度比一次生产要大。由于塑料的组成是非常复杂的，塑料的再生也是受限的。水泥的再循环则是不可能的。但金属、纸和塑料的再生仍属于能源密集型产业。原材料生产企业的目标是增加产出。考虑到未来工艺效率提升的空间有限，管理者们要么完全改变供电方式，采用不排放碳的供电模式，要么采取碳捕集和碳储存（CCS）技术来突破约束。其他所有领域也在争相使用不排放碳的电力，而采用电力进行水泥和钢铁生产在技术上存有困难，因此，前一种选择是非常难以实现的。目前，工业界更多地是将关注点放在CCS技术：根据IEA的资料，若不广泛采用CCS技术，到2050年，工业用能的碳排放将比今天高63%。CCS技术的广泛应用，将使工业界在2050年减少17%（行动方案）和37%（蓝图方案）的碳排放。2008年9月，第一个工业规模采用CCS技术的发电厂在德国Schwarze投入运行，CCS技术的实际成本尚不清楚。据估计，每吨CO2的减排成本为200~500美元，如果在所有工厂都升级这一技术将预计投入2.5万亿美元。另外，合适的碳储存地点还不确定，隔离CO2的事故排放风险也不清楚。与CCS技术的探索不同，工业界有三种主要的能源效率提升战略：最大化生产效率；采用设计和再循环方式降低能源密集型原料的使用；零碳生产。由此提出了工业界三种可行的减排战略：（1）通过减量、生命延伸或其他原料替代方式减少原料需求；（2）非破坏性地将产品部件再循环使用于工艺中，但不分解成液体形式；（3）根本的技术创新，采用能源强度小的工艺路线将液态原料变为成品。当前和未来的原料流动及碳排放分析我们基于Sankey图（图略）分析了当前及未来的原料流动和碳排放情况。全球某种原料的流动需要通过各种不同的阶段，相应流动示意线的-7-宽度说明了流动的等级。从全球来看，以建筑为例，由于目前使用的建筑物数量是上升，未来排放的预测对这个比例的敏感度是很高的，因为纳入库存的部分需要额外的初次原料生产，而这通常是能源强度最高的工艺。我们基于五种情景模拟分析2050年的原料流动和排放。第一种情景，2050CEE是一个乐观的方案，基于初级原料生产行业采取的行动。这一情景采用了2050年的系数，其假设是：所有能率最高、最大再循环率及20%的能源供应能被“碳化”，所有下游产业的能源强度和常量都提高20%。此外，对于塑料行业，假设2050年的排放可以被塑料焚烧产生的热回收所抵消。其他四个情景假设都将2050CEE作为基准并进一步有所变化。2050CCS将CCS应用到初级原料生产中的所有排放（例如，所有燃烧和反应过程的工艺排放及电力产生的排放），可以降低能效。2050NDR探索了“非破坏性再循环”，即产品生命末期的废物某部分转变成新产品的一部分。2050NDR的一个例子就是再循环使用旧建筑中的钢，采用构造的方式，而非重新锻熔和铸造。2050RED预测了在实现减排目标情况下，2050年对原料需求的减少量。2050EFF讨论了工艺技术根本性的创新，使用更少的能源并提升产量。结论对于钢铁、水泥、铝和塑料而言，初级生产是碳排放的主要来源。对于纸来说，初级生产的排放低于造纸过程的排放，因为大多数造纸厂在燃料混合物中使用了废的生物质。水泥是不能再循环的，而塑料再循环在目前阶段是可以被忽略的，因为它牵涉到大量的聚合物形成、填充和添加剂使用。钢铁和铝则存在有大量的废料回用。2050CEE情景下，钢铁行业的碳排放在产品需求增长的情况下，仍比2006年下降了14%。2050CCS方案显示，初级生产零排放仅能使总排放下降40%，因为锻造、再循环等过程的能源排放超过了2050年的目标。2050NDR方案显示，如果投入再循环过程的原料有92%进入了制造工艺，那减排的目标是可以实现的。2050RED方案显示，与2050CEE方案相比，如果需求减少43%，则减排目标可以实现。2050EFF方案中，排放和废物率减少51%后，可以达到减排目标。五种2050战略的结果，可以用一个简单的比值来总结。如果战略是成功的，这个比例就是达到减排目标所采取的措施比例。如果100%的投入都不能达到减排目标，则这个比例就是超过2050排放目标的排放量除以目标排放量。当然，这个比例的准确性依赖于对2050年预期的预测准确度。这里需要考虑两个不确定因素：2050年的绝对需求量以及2050年纳入库存的需求量。任何一个原料的2050CEE方案在任一需求水平或增长率情况下都不能实现减排目标。2050CCS方案仅对水泥这一原料有效。对于需求量较低的铝，CCS是有效的技术，因为其初级生产是所有能源使用的主导。对于其他三种原料，即使完全实施2050CEE方案并在所有基础工艺中都使用CCS技术，2050年的减排目标也是不能实现的。如果新的工艺路线可以减少50%的能源使用，并减少50%的废弃物产生，则除水泥以外，其他原料的2050EFF方案都能实现减排目标。对于2种金属原料而言，如果目前的热循环数量可以随着废弃物产生减少而减少，则这一方案将可能是可行的。如果2050年需求量减少50%，那2050RED方案对于5种原料将都是可行的。这一方案可以通过使用其他能源强度小的工艺进行替代（如提议采用木材建造高层房屋）、通过智能设计和新的制造工艺“轻量化”（如铝制饮料罐在过去20年里轻了20%）或产品生命延伸（如设计具有灵活性的建筑，可以改造而非全部拆除；设计模块型的汽车和家用电器，不同部件可以分别升级；或使用可再装的，而非一次性的饮料容器）。2050NDR在实现减排目标上，是1种混合各方案的成功例子。对于水泥行业，这个方案可以是有效的，有证据显示，再循环使用正在研究中。Addis提出了在建筑业中再循环使用水泥的指南，预制部件（如预制混凝土楼板）可以与整个建筑分开，而得以再循环使用。基于对两个建筑设计和预制部件建筑的案例研究，Gorgolewski认为，目前的挑战在于：缺少相应的认证和缺少供应链，建筑拆解、再造和设计过程导致人力成本上升，以及经技术需求。如果非影印技术可以进一步发展，政府机构使用的纸张将可以重复使-8-用。通过冷焊技术，铝可以在室温条件下再循环使用，而目前再循环工艺中5%的能源消耗发生在锻熔过程。讨论本次分析中的所有情景模拟都假设2050CEE方案包括了在初级生产中全球实施所有已知的改进技术、一些能源的脱碳处理、提高循环率及在所有其他工艺中提升20%的效率。分析显示，如果全球对这些原料的需求如预测那样翻番的话，除非所有工业排放的50%碳都能被减少或者捕集，则初级原料增加的情况下，仅能实现50%的排放削减。2050EE方案有关工艺改进可能是可行的，但结果难以预料，因此，也很难在政策中予以实施。但是，减少工业界碳排放的另一个可选战略是减少初级原料的输出。通过增加产品的使用期、从设计开始减少原材料的需求、以不破坏的方式再使用部件，或原料以及原料替代等方式可以实现这一目标。这些战略在初级原料工业界比较难以实施，但从理论上来说是可行的，并可能有深远的影响。那么这些方案在经济上是否也可行呢？CCS预计的碳捕集成本为200~500美元。对于钢铁行业而言，结构用型钢目前的价格是每吨1000美元，加上中价位的CCS后将增加700美元。与之相比，使用过的旧梁价格约为300$/t，所以只要能很好的管理拆解和物流的额外成本，2050NDR方案已经比2050CCS更为经济了。2050RED方案比2050CEE方案需要的原料要少，其总成本取决于生产优化产品的额外加工成本。减少的原料销售的潜在收入损失，可以通过原料更长的使用期来弥补。本文的目的不是准确预测2050年的原料流动和排放情况。相反，本文旨在提出一个问题，即相关方的战略选择是否可以实现最终的排放削减目标。但结果显示不太可能。以现有原料情况下提供更多的服务，这一战略可能以相对较低的成本提供较为显著的减排潜力。但是，它们的开发在短期内是不太可能盈利的，因此，不可能有初级原料生产商开发这一战略，因为，他们的目标是通过产量增长盈利，除非这些公司将仅有原材料销售获利改为通过原材料加工和服务等综合方式获利。我们的分析提出的关键问题包括：1、实施减少初级原材料消费的各情景模拟方案究竟能削减多少排放和原材料使用？每个战略的技术限制是什么？2、在基础设施、体系、服务、规章或标准方面需要如何行动以推进和支撑这些情景方案？3、减少初级原材料消费与节省原材料购买相比，额外的成本是多少？假设各情景方案中许多案例都会造成成本的增加，会产生什么新的商业模式？政府需要怎样干预？未来所有原料的需求是否会受能源/碳价格的影响？4、是否所有原料的需求都能受到控制？对各环节原料输入的减少是否会导致反弹效应，使整体的需求上升？5、本文中考虑的5种原料排放削减的战略对工业界剩余的44%碳排放影响如何？裴蓓译自OptionsforAchievinga50%CutinIndustrialCarbonEmissionsby2050.《EnvironmentalScience&Technology》.2010,April1:888~1894.