中国给水排水2022年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会(第十三届)邀请函暨征稿启事
 
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题目:碳中和背景下污泥厌氧消化系统的能量循环和能量回收 报告人:北京市市政工程设计院研究总院有限公司 戴明华 水一院副总工程师

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-03-23  浏览次数:458
核心提示:题 目:碳中和背景下污泥厌氧消化系统的能量循环和能量回收 报告人:北京市市政工程设计院研究总院有限公司 戴明华 水一院副总工程师
中国给水排水2022年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会(第十三届)邀请函暨征稿启事

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题 目
:碳中和背景下污泥厌氧消化系统的能量循环和能量回收

报告人:北京市市政工程设计院研究总院有限公司 戴明华 水一院副总工程师

污泥处理处置是我国污水处理的短板,同时也是打赢污染防治攻坚战的重要任务。基于污泥特性与处理处置技术特征,污泥处理处置过程碳排放主要包括能耗药耗造成的能量源碳排放、逸散性温室气体排放,以及能量资源回收和产物利用形成的碳补偿。敬请期待!


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2020年9月第七十五届联合国大会上,习近平主席宣布,我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。

 

此后,欧盟、日本、韩国、加拿大等也相继公布碳中和目标实现时间表,美国也提出重回《巴黎协定》。

 

目前,全球重要经济体,占全球GDP75%、占全球碳排放量65%的国家开始碳中和。一场波澜壮阔的全球绿色低碳转型大潮正在形成。

 

所谓碳中和(Carbon neutrality)是指企业、团体或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳排放总量,通过植树造林、节能减排等形式全部抵销,实现“零排放”。

 

 

 

01碳中和将带来哪些改变?

 

 

从中国当前现状来看,发电和工业端以及交通部门是碳排放的主要来源,农业、居民、商业和公共服务等行业的碳排放相对较低。

 

在工业端,能源加工行业、钢铁行业以及化学原料制造业等相关高耗能行业不仅是煤炭消费的重点行业,也是二氧化碳排放的主要行业。因此,随着碳中和战略全面展开,未来40年,中国的能源系统将发生颠覆性改变。

 

与此同时,由于产业链效应,能源系统的变革,必将推动国家经济发生全方位改变。中国能源研究会常务理事、国家应对气候变化战略研究和国际合作中心研究员李俊峰指出,“碳中和不仅仅只是能源的事,它与产业链等方方面面都有关系。碳中和目标将深刻影响下一步产业链的重构、重组和新的国际标准。

 

在2030年之前实现碳达峰,这就要求部分地区和部分行业率先达峰。根据我国碳达峰、碳中和目标节点,工信部今年将实施工业低碳行动和绿色制造工程,并制定钢铁、水泥等重点行业碳达峰行动方案和路线图。正在制定的“十四五”规划也将碳达峰和碳中和作为污染防治攻坚战的主攻目标。预计今年秋冬将出台部门、地方和行业等的专项规划。

 

2021年1月1日起,全国碳市场首个履约周期(截止到今年12月31日)正式启动,涉及2225家发电行业的重点排放单位。这是我国第一次从国家层面将二氧化碳控排责任压实到企业,通过市场倒逼机制,促进产业技术升级。变革的序幕已悄然拉开!

 

 

 

02污水处理行业是耗能大户

 

 

相比而言,污水处理行业能耗虽然没有发电、钢铁、化工等行业那么高,但总能耗占比并不小,也属于能耗大户。

 

据统计,我国2014年污水处理厂电耗占全国总电耗的0.26%,算上工业废水处理和污泥处理,所占比例将超过2%。美国有16000多座污水处理厂,耗电量占全社会总耗电量的1%。在丹麦,水和废水的处理流程消耗了25%~40%的市政电力。

 

另外,污水处理需要消耗大量燃料和药剂,间接排放大量温室气体,处理过程本身也会直接排放温室气体。联合国数据显示,全球污水处理等水处理行业碳排放量大约占全球碳排放量2%左右。美国2017年能源消耗量中约2% 用于饮用水和污水处理系统,产生约4100万吨温室气体。

 

此外,水泵也是污水处理主要能耗来源之一。格兰富集团数据显示,水泵消耗的能源占所有与水相关设施能耗的10%。

 

从能量转化的角度来说,传统污水处理模式本质是以能耗换水质。为了减少水污染,我们使用大量电能,间接产生大量二氧化碳排放,对全球生态环境造成负面影响。

 

因此,为了减少碳排放,降低污水处理能耗和物耗是行业升级的必然目标。目前,世界上已有多个国家发布污水厂碳中和技术路线图,美国提出2030年所有污水处理厂都要实现碳中和。

 

然而,作为重要的公共事业,中国污水处理率还没达到100%,减少水污染仍然是生态环境保护工作的重中之重。可以预见,污水处理行业短期内尚不具备承担大规模减排任务的客观条件。

 

但是,从提升企业核心竞争力层面来讲,绿色低碳发展也是必走之路。同时,作为政策驱动的行业,企业若能提早开启低碳变革,必将赢得更大的主动权和更广阔的发展空间。

 

 

 

03如何实现绿色低碳发展?

 

 

那么,污水处理行业如何实现绿色低碳发展呢?总的来说可以从开源和节流两个方面考量。梳理国内外先进经验,具体可以从以下几个方面入手。

 

1.优化工艺回收有机物能量

 

首先,通过开源实现能量自给,是从根本上解决绿色低碳发展问题。据测算,污水中所含能量达污水处理本身所消耗能量的9-10倍之多。通过优化污水处理工艺,回收有机物能量,利用沼气热联发电,可实现碳中和。

 

奥地利Strass污水处理厂持续优化改进工艺,早在2005年即实现产能大于能耗(108%能源自给率),现已达到200%能源自给率,超标准实现碳中和。

 

美国希博伊根污水处理厂利用高浓度食品废物与污泥厌氧共消化产生的甲烷进行热电联产,同时采取节能措施,实现电量与耗电量比值达90%~115%,已逼近碳中和目标。

 

在污泥处置领域,国内小红门、高碑店污泥处理中心成功运行,污泥产气率超出预期目标,除满足热水解能量平衡的需要外,还有余量。这充分表明,污泥高级厌氧消化技术已经比较可靠、稳定,既为国内污泥处理探索出新思路,同时也为实现碳中和提供有力支撑。

 

当然,污水处理工艺优化是一个长期的过程。奥地利strass污水处理厂曾经用十多年时间持续优化处理工艺,才达到当前的处理水平。

 

此外,我国城市污水处理厂进水COD浓度偏低,只有欧美国家的40%-70%,造成碳源不足。这就要求必须因地制宜研发适合中国国情的污水处理工艺。

 

2.中国的污水处理概念厂实践

 

在深入研究了解国外先进污水处理厂理念、工艺、技术和工程实践的同时,中国学术界和产业界也在积极探索新的污水处理模式。

 

2014年,中国工程院院士曲久辉等6位专家提出“建设面向未来的中国污水处理概念厂”的构想。2018年,河南水利投资集团和中持水务公司以概念厂早期版本为蓝本,建设了河南商丘睢县第三污水处理厂。

 

睢县项目综合运用秸秆、畜禽粪便、水草及污泥等多种物料进行协同高干厌氧消化,采用DANAS干式厌氧发酵技术,显著提高有机质处理效率,实现物质的良性循环和资源化运营。产生的沼气用于发电,可满足厂区20-30%的能耗。

 

同时,降低污泥处理难度,污泥处理后产生的有机肥已用于厂区农作物实验性种植。该项目得到广泛认可,也让当地居民和政府切身感受到创新发展、绿色发展的魅力。

 

如果说睢县项目是1.0版的概念厂,那么2020年4月动工的江苏宜兴城市水资源概念厂则是2.0版。该项目是第一个完整遵循概念厂理念的污水处理厂,除了污染物削减基本功能,还具有城市能源工厂、水源工厂、肥料工厂等新功能,进一步将发展成为城市与乡村全方位融合和互利共生的新型环境基础设施。该项目于今年年中建成,如能持续稳定运营,将为中国污水处理行业绿色低碳发展和产业升级带来深远影响。

 

3.改造升级曝气系统

 

其次,因地制宜积极采取各种措施实现能量节流,也是绿色低碳发展的重要组成部分

 

有数据表明,我国污水处理厂处理单位体积污水的电耗在0.15~0.28kW·h/m3左右。其中,曝气鼓风机电耗所占比例为56.2%。虽然不同处理工艺能耗不同,但曝气系统总体能耗占比最大是事实。因此,污水处理厂节能降耗关键点在升级改造曝气系统。

 

曝气系统节能的核心是在保证出水达标的前提下,按需提供微生物所需的溶解氧,达到供需平衡,避免曝气能耗的浪费。这就需要精准掌控微生物的活动过程,同时精准控制鼓风机的运行过程。既要防止过度曝气,也要防止曝气不足。这对硬件设备和控制系统的稳定性、可靠性和精准度等提出很高要求。

 

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据国内一家多年从事曝气系统节能降耗技术研究的企业介绍,要想实现曝气系统精准控制,不仅对技术有要求,而且对设备的选型和品牌也有要求,甚至对流量计、液位计等计量设备的安装位置也有严格要求。总的来说,改造升级曝气系统需要系统角度综合考量各个要素,是一项复杂的系统性工程。

 

国内有案例表明,通过对鼓风机进行节能改造,日均耗电量从32990降低到29835,降低3155,降幅达11.4%。粗略估算,每年可减少二氧化碳排放1148吨。对于中小型污水处理厂来说,每年至少能节省几十万甚至上百万的电费。同时削减单位总氮达10.8%,削减单位氨氮达13.1%。

 

4.优化原料投入环节

 

污水处理工艺多样,但本质是通过生化反应来去除水中污染物。因此,在处理环节需要投加碳源和多种化学药剂。这些原材料在生产和运输过程中消耗能源,在投加过程中也消耗一定能源。因此,优化投料环节,有助于节能降耗减少碳排放。

 

如何优化原料投入环节呢?目前,市场上主要有两种方式。

 

第一种,对加药系统进行配置升级,由常用的变频计量泵升级为数字泵,加药量有不同程度减少。

 

另外,也有企业深入研究碳源投加和除磷加药环节,对加药设备进行智能化精准化控制。有数据表明,相比传统模式,最高可减少9.66%的加药量。

 

第二种,运用AI技术对污水水量、水质等参数和加药系统运行数据等进行大数据分析,形成最优算法模型,从而实现加药系统精细化控制,也能有效降低药品消耗以及设备运行能耗。

 

5.优化排水管网输水性能

 

在城市污水处理系统中,污水的收集和输送涉及大规模的管网铺设和较长距离的输送,需要大量的能耗用以支持日常的运行和维护。为了最大可能降低这部分能耗,必须采取多种措施优化管网输水性能

 

其中,最基础的是改造升级管网运营管理模式,重点工作包括漏损点勘测、定位、维修和潜在漏损风险的预防。实现排水管网运行状态实时监测,并能迅速分析是否发生漏损、堵塞,及严重程度、具体地点等,为管理人员快速维修提供精准支撑。

 

提高排水管网输水性能,最根本性的解决措施是提高排水管网覆盖率,实现污水100%收集,同时进行雨污分流改造,大幅提高污水处理厂进水碳氮比。如此就能解决碳源不足问题,有效提高污水处理厂有机质-甲烷转化率,把污水处理厂变成发电厂,从根本上解决能耗问题,实现碳中和。

 

6.排水泵站节能降耗

 

排水泵站也是耗能大户。有数据表明,排水泵站占城市水务总能耗的35%。因此,对排水泵站进行升级改造,或采用智能化运营模式,能有效降低能耗

 

目前主要有两种方法,其一是采用变频技术改造老旧排水泵站,或者新建项目直接采用数字泵等新型设备设施,以此降低泵站能耗。

 

其二,站在系统角度,从更高层面优化排水泵站运营模式。在此基础上运用物联网和移动互联网技术,打造智能管理平台,实现排水泵站远程控制、集中管理和数字化运营,达到节能降耗的目的。

 

 

04总结

 

 

总的来说,污水处理行业实现碳中和是一项长期的系统性工程。仅仅站在污水处理厂行业角度,需要从“用户控制-源头分离-管网收纳-净化处理”全流程进行系统性规划。在这个过程中,需要政府相关部门和企业全面升级管理运营模式,从管理驱动升级为数据驱动,构建全新的数字化管理新模式,实现整个运营模式的智慧化升级。

 

从根本上解决这一问题,需要我们跳出污水处理行业,站在生态文明建设、城乡融合发展、污水资源化、能量自给、环境友好等更多层面综合考量,需要从“点-线-面-体”不同层次进行顶层规划、系统设计和统筹安排。这不单是整个行业技术和理念的更新,而且是整个社会思想和认知的革命。

 

这将是一个漫长和曲折的过程。让人欣喜的是,污水处理概念厂的提出和实践已迈出关键性第一步,我们有理由相信,中国污水处理行业将很快为碳中和战略做出积极贡献。  来源:前海深港国际先进技术研究院   









碳中和深度研究报告:大重构与六大碳减排路线


(报告出品方/作者:光大证券,殷中枢、黄帅斌、王招华,孙伟风、王锐、马瑞山、陈无忌、郝骞)

1、 碳中和:大重构

1.1、 发展的权利:大国博弈与利益统一

站在全球视角,我们认为中国加快“碳达峰、碳中和”主要基于以下三方面推动:

(1)“碳中和”是中国经济的内在需求——能源保障、产业转型

在能源保障方面:2020 年底,我国原油进口依赖度达 73%,天然气进口依赖度 也在 40%以上;基于能源保障考虑,发展新能源具有必要性。与此同时,我国 已在新能源领域建立起全球优势。根据麦肯锡测算,我国在太阳能电池板领域的 国家表现远超美国,在所有行业对比中位列第一。

在产业转型方面:虽然“新冠疫情”对全球经济的负面影响正在逐步消除,但是 仍有流动性泛滥、债务问题等未来潜在的风险点;中国经济已经取得了长足的进 度,然而面对比如贸易摩擦、技术封锁等复杂的国际形势,做好自己显得尤为重 要,科技创新和产业升级将是未来重要的发展方向,加快新产业的战略布局,产 业结构调整的力度前所未有,步伐明显加快,在能源与资源领域、网络信息领域、 先进材料与制造领域、农业领域、人口健康领域等出现科技革命的可能性较大。

“碳减排”作为重要的抓手,通过“碳成本”这一要素的流动,推动我国产业结 构性改革。

2)“碳中和”的对立性——大国博弈、贸易摩擦

部分发达国家其实此前已多次讨论过包括对中国在内的不实施碳减排限额国家 的进口产品征收“碳关税”,但因经济与贸易依赖性、碳市场不成熟等原因而搁 浅。

根据 OECD 数据,2015 年我国对外出口约 6 亿吨 CO2,其中对美出口 2.26 亿 吨,占比约 35%。假设国际对我国按 40 美元/吨征收碳税,增加开支约 260 亿 美元;按 100 美元/吨,增加 650 亿美元。假设我国碳排放成本全部内部化,2019 年我国碳排放 98.26 亿吨,按碳价 100 美元/吨测算,需 9826 亿美元。

“排碳限制”的本质,是一种发展权的限制;而“碳关税”的本质,是应对贸易 劣势的一种手段,而这种劣势,可能一部分是由实施碳减排后成本增加而造成的。 站在我国的角度:“碳关税”既是贸易壁垒“压力”,也是产业结构升级的“动 力”。

为什么“新冠疫情”后,我国推动“碳中和”更加迅速?——增加国际声誉和话 语权。2019 年我国碳排放量达 98.26 亿吨位列全球第一(人均碳排放和碳排放 量/GDP 均相对较低),自 2005 年以来为全球碳排放总量最高的国家(加入世 贸组织后,全球产业链分工变化所致)。近年来我国碳排放增速已有所放缓,但 较为庞大的人口基数使得我国碳排放全球占比仍在持续提升,2019 年达 28.76%。

而针对“新冠疫情”源头问题,经常有部分西方国家和人员因政治原因公开抹黑 中国。而加速推动“碳中和”将助力我国树立负责任的大国形象,在国际气候法 律秩序构建中争取获得“话语权”,并掌握未来全球“游戏规则”的主动权和制 定权。

目前,全人类气候目标竞赛已经开启,根据 EnergyClimate 机构推出的净零排 放竞赛计分卡,目前我国已处于第四梯队,位列全球第 28 位。

3)“碳中和”的统一性:全球难得的政策与利益一致点

从全球来看,多数国家已更新 NDC(国家自主贡献)目标。“碳中和”已成为 全球大趋势。

拜登上台后,美国重新加入《巴黎协定》,应对气候变化是拜登此次总统竞选的 核心承诺之一,未来美国将在全球气候变化、新能源发展方面采取更多的措施。

虽然前期中美在贸易和技术层面有着种种的不愉快,但是在应对全球气候变化方 面,无论是中美还是全球,在碳中和方面,具有相同的利益和方向。

1.2、 我国的碳减排将是一段艰苦的历程

尽管全球越来越多的政府正在将碳中和目标纳入国家战略,但就具体目标而言, 仍有区别。如欧盟在 2020 年 3 月提交《气候中性法》,旨在从法律层面确保欧洲到2050 年成为首个“气候中性”大陆。美国加州和中国分别制定了 2045 年 和 2060 年“碳中和”目标。加州的目标包括削减所有温室气体排放,包括二氧 化碳、甲烷等,并抵消其无法削减的排放量,而中国的目标仅针对二氧化碳。

我国碳排放下降斜率更大。由于发展阶段的不同,发达国家已普遍经历“碳达峰”, 为达到 2050 年“碳中和”,更大程度上只是延续以往的减排斜率。而我国碳排 放总量仍在增加,需要经历 2030 年前“碳达峰”,然后走向 2060 年前“碳中 和”。从实现“碳中和”的年限来看,比发达国家时间更紧迫,碳排放下降的斜 率更大。

在陡峭的碳排放量下降曲线背后,是规模化的经济结构转型。这意味着我国当前 经济结构下相当规模的存量资产将失去原有功能。

煤电资产搁浅的问题,表明了转型需经历阵痛。一方面,从能源结构和自身禀赋 来看,我国的能源消耗以煤为主,煤电发电量在 2019 年占总发电量的 65%,远 超发达国家;另一方面,我国煤电机组的平均服役年限仅 12 年,而发达国家普 遍达到 40 年以上。更快的碳排放量下降斜率,意味着将会有大量的未达到退役 年限的煤电资产提前“搁浅”。

根据牛津大学 2017 年研究,在不同的情景假设下,我国煤电搁浅资产规模估算 可能高达 30,860-72,010 亿元(合 4,490-10,470 亿美元),相当于中国 2015 年 GDP 的 4.1-9.5%。由于近年来我国仍在新建煤电机组,实际搁浅规模可能更 大。

1.3、 “碳中和”对我国意味着什么?

在碳排放量结构方面,目前发电已成为占比最高的部门。2019 年我国碳排放量 115 亿吨,其中发电碳排放量 45.69 亿吨 CO2,占比 40%;工业燃烧碳排放量 33.12 亿吨 CO2,占比 29%。

各大碳排放重点国家中,除美国外,碳排放占比最高的均为发电部门(美国为交通,占比 45%)。因此,要实现“碳中和”,能源转型首当其冲。

广义的能源板块包括能源的产生、转换、消费过程,用途包括驱动、产热等,是 大多数温室气体排放的根源。除此之外,交通、工业过程和农业也是温室气体排 放的主要来源。

从微观角度看,工业企业碳核算边界内主要包含三个方面:

1)燃料在氧化燃烧过程中产生的温室气体排放;

2)在生产、废弃物处理处置过程中除燃料燃烧之外的物理或化学变化造成的温 室气体排放;

3)企业输入/出的电力、热力所对应的电力、热力生产环节产生的二氧化碳排放。

这意味着我们需要从燃料燃烧/非燃烧过程着手,向可再生能源转变;或通过节 能降耗的措施减少二氧化碳的排放。

2、 六大碳减排路线:供给侧改革、能源革命与产业升级

我们从“能源碳”和“物质碳”两方面出发,构建了“碳中和”的实现路径。

一、能源碳

1)能源供给侧:提高可再生能源比例,构建零碳电力为主、氢能为辅的能源结 构,同时大力发展储能以保障电网平衡。

2)能源需求侧:分行业看,主要是工业、交通、建筑三个部门;按实现路径划 分,主要有终端电气化、源头减量、节能提效三种途径。

二、物质碳

物质碳与工业过程息息相关,因此涉及到大规模的工艺改变和原材料替换。

2.1、 源头减量:碳减排驱动的供给侧改革

(1)2021 年 1 月 26 日,国务院新闻发布会披露,工信部与国家发改委等相关 部门正在研究制定新的产能置换办法和项目备案的指导意见,逐步建立以碳排放、 污染物排放、能耗总量为依据的存量约束机制,确保 2021 年全面实现钢铁产量 同比的下降。

促进钢铁产量的压减主要从以下四个方面:

一是严禁新增钢铁产能。对确有必要建设的钢铁冶炼项目需要严格执行产能置换 的政策,对违法违规新增的冶炼产能行为将加大查处力度,强化负面预警。同时 不断地强化环保、能耗、安全、质量等要素约束,规范企业生产行为。

二是完善相关的政策措施。根据产业发展的新情况,工信部和国家发改委等相关 部门正在研究制定新的产能置换办法和项目备案的指导意见,将进一步指导巩固 钢铁去产能的工作成效。

三是推进钢铁行业的兼并重组,推动提高行业集中度,推动解决行业长期存在的 同质化竞争严重,资源配置不合理,研发创新协同能力不强等问题,提高行业的 创新能力和规模效益。

四是坚决压缩钢铁产量。结合当前行业发展的总体态势,着眼于实现碳达峰、碳 中和阶段性目标,逐步建立以碳排放、污染物排放、能耗总量为依据的存量约束 机制,研究制定相关工作方案,确保 2021 年全面实现钢铁产量同比下降。

回顾上一轮供给侧改革,以差别化电价、阶梯电价为代表的市场化政策,以及清 查中频炉(地条钢)为代表的行政手段(包括后期的环保督查),有效促进了钢 铁行业落后产能淘汰,也使钢铁价格飙升。 目前,政策尚处于讨论中,我们需要进一步进行分析:

1)虽然碳减排是一场“马拉松”,但是指标的设定、路径的选择具有显著的政 策因素,而目前在其他减排路径经济技术较为一般或时间成本较高的情况下,短 期压减产能或许是一条行之有效的措施;

2)目前,生态环境部主管碳减排相关事宜,从环保督察手段来看,历史已证明 其有效性;

3)各地、各行业都将制定自己的减排目标和减排路径,不可避免有排名、比较 的因素。 综上所述,我们对通过压减落后产能来降低能耗进而减少二氧化碳排放的政策手 段持乐观态度。当然具体仍需要待政策最终落地,具体评估减排指标与减排路线。

(2) 2021 年 2 月 4 日,内蒙发布《调整部分行业电价政策和电力市场交易政 策》,对部分行业电价政策和电力市场交易政策进行调整。严格按照国家规定对 电解铝、铁合金、电石、烧碱、水泥、钢铁、黄磷、锌冶炼 8 个行业实行差别电 价政策,继续对电解铝、水泥、钢铁行业执行阶梯电价政策。

2021 年 2 月 24 日,甘肃省发布《高耗能行业执行差别电价管理办法通知》, 要求 2021 年 3 月 31 日前完成本地区首次执行差别电价企业确认工作。针对钢 铁、铁合金、电解铝、锌冶炼、电石、烧碱、黄磷、水泥等八个高耗能企业,按 照允许类、限制类、淘汰类,执行差别化电价。

从近期政策来看,以碳排放、能耗总量、污染物排放为依据的存量约束机制正在 收紧。

电网企业因实施差别电价政策而增加的加价电费收入全额上缴省级国库,纳入省 级财政预算,实行“收支两条线”管理,统筹用于支持经济结构调整和节能减排 工作。对水泥行业、钢铁行业因实施差别电价政策增加的电费收入,10%留电网 企业用于弥补执行差别电价增加的成本;90%上缴省级国库,纳入省级财政预算, 统筹用于支持行业技术改造和转型升级,促进经济结构调整。

在“碳达峰”、“碳中和”目标的倒逼之下,“能耗指标”将成为重要的抓手, 2021 年全球经济复苏,大宗商品价格上涨动力较强,叠加“碳中和”目标下的 产能压降手段,高能耗产品供给侧约束后,价格有可能进一步提升。

我们根据能耗指标,梳理了高耗能类型产品:电解铝、硅铁、电炉锰铁、石墨电 极、烧碱、涤纶、铜等,都有可能成为限制对象。

2.2、 能源替代:新能源长期发展的盛宴

现有的能源系统中,煤、石油是主要力量。据统计年鉴数据,2019 年我国能源 消费总量 48.7 亿吨标煤,其中煤炭、石油、天然气、一次电力及其他能源占比 分别为 57.7%、18.9%、8.1%、15.3%。

从用途来看,石油主要用于终端消费(交通、工业),煤炭主要用于中间消费(火 力发电),天然气主要用于终端消费(交通、工业、建筑部门)。

回顾人类对能源利用的探索历程,实际上是从利用核外电子到利用核内电子的过 程,但这恰是宇宙、物质、能源发展的逆过程。

二次能源中,对电能的利用是一项伟大的革命,现已成为能源利用的枢纽,从历 史上看,“电”也引发了多次生产技术革命。而氢能同作为二次能源,具有可存 储的优势,但也因制备和使用效率稍逊而经济性较差,但从能量循环的角度看, 可以有助于碳的减排。

锂、氢能同作为可行且具有前景电子存储载体,其重要的原理特点在于,Li+与 H2 都是小粒子,有助于提升物质/能源转换便利性。

碳中和的最重要目的就是减少含碳温室气体的排放,采用合适的技术固碳,最终 达到平衡。

为达到碳中和,我们预计到 2060 年,清洁电力将成为能源系统的配置中枢。供 给侧以光伏+风电为主,辅以核电、水电、生物质发电;需求侧全面电动化,并 辅以氢能。

2.2.1、能源供给侧:可再生能源主导

总量层面:

核心假设:

(1)我们采用“自上而下”的测算方法,假设未来 GDP 增速和发电量增速从“十 三五”末期的 5%逐步下降到 2.5%;而由于节能降耗的原因,未来单位 GDP 能 耗逐步下降,电力消费弹性系数将小于 1。

(2)假设未来我国总发电量和 GDP 保持同步增长态势且增速一致,假设 GDP 和总发电量增速分别为 2021-2030 年 4%、2031-2040 年 3%、2041-2060 年 2.5%。

根据我们的上述假设,以 2019 年发电量 7.22 万亿千瓦时为基础,2030 年发电 量达到 11.9 万亿千瓦时(和部分机构的预测数据基本一致),2060 年发电量进一步达到 32.71 万亿千瓦时。

结构层面:

在总发电量预测的基础上,我们将进一步对不同发电方式未来的发电量及相应的 装机需求进行拆分。

(1)火电:装机量方面,在 2030 年碳达峰基础上,在经济发展的过程中 2020-2030 年仍需要有一定规模的火电装机支撑发电量增长,因此我们假设火电 装机在 2020-2030 年间每年仍将维持增长态势,但增量逐步减少直至 2030 年无 新增火电装机;2030-2060 年,火电装机每年将逐步退出电力市场,直至 2060 年碳中和时存量火电装机清零。利用小时数方面,随着火电装机的逐步减少,未 来火电将更多用于调峰平抑发电曲线,因此我们假设火电利用小时数从 2020 年 的 4080 小时逐步降低至 2030 年的 3080 小时,后续则保持平稳。发电量方面, 在装机量和利用小时数假设的基础上,火电的发电量占比将从 2020 年的 68%逐 步减少至 2060 年碳达峰时的 0%。

(2)水+核能+生物质:假设未来水+核能+生物质整体的发电量情况保持稳定, 2020-2060 年,在 1.7 万亿千瓦时的基础上每年增长 2%。

(3)光伏+风电:在火电发电量逐步减少,水+核能+生物质发电量保持相对稳 健增长的背景下,光伏和风力发电将逐步成为未来最重要的发电方式。发电量占 比方面,我们假设光伏+风电发电量中光伏发电的占比维持在 40%;利用小时数 方面,假设风电、光伏年利用小时数分别维持在 2400h、1300h;装机量方面, 在总发电量发展、其他发电方式发电量、光伏发电量占比、以及光伏和风电利用 小时数等预测的基础上,我们测算得出2030年风电、光伏新增装机量分别为1.53、 1.88 亿千瓦,2060 年风电、光伏新增装机量进一步达到为 2.19、2.7 亿千瓦

(4)储能:由于光伏、风电的不稳定性,必须辅以必要的储能以平抑发电波动。 假设储能容配比从 2020 年的 10%逐步提升至 2060 年的 100%,备电时长从 2020 年的 2h 逐步提升至 2060 年的 4h,则储能每年的新增容量将从 2020 年的 0.24 亿千瓦时增长至 2060 年的 19.55 亿千瓦时。

需要注意的是,我们对光伏、风电新增装机量的预测源自对部分关键变量的核心 假设,如果其未来发生变化(如火电利用小时降低超预期、水+核能+生物质发 电量降低、储能配套设施建设超预期等),则未来光伏、风电每年的新增装机量 或将超预期增长。

投资层面:

在每年光伏、风电新增装机量的测算基础上,我们将进一步测算可再生能源发电 设施建设所需要的投资规模。

(1)预测光伏、风电、储能的单位投资成本保持下降趋势,到 2030 年分别达 到 0.371 元/瓦、5.63 元/瓦、1.03 元/瓦时,到 2060 年分别达到 1.35 元/瓦、 4.5 元/瓦、0.5 元/瓦时。

结合我们对光伏、风电、储能新增装机预测,可以得到 2021-2060 年每年在可 再生能源发电端所需要的投资规模。我们预测“碳中和”将为可再生能源发电领 域累计增加约 84 万亿元人民币的新增投资,其中光伏、风电装机建设投资规模 约 60 万亿元,储能设施投资规模约 24 万亿元。

氢能

在能源供给侧脱碳的过程中,氢能与电能同为重要的二次能源,扮演着重要作用, 如重工业(高温-超高温环境)、道路交通(氢燃料汽车)、大规模储能、船运 等。

目前,电解水制氢的成本仍较高。根据能源转型委员会的预测,随着电解槽成本 下降,未来电解水制氢将成为主流方法。要实现“零碳”排放,电解水所需的电 力也必须来自于可再生能源,由此产生的氢气称为“绿氢”。

海上风电制氢(直接在风机附近制氢)是海上风电未来发展的重要方向,主要有 两个原因:

1)随着海上风电离岸越来越远,外送电缆投资成本也逐步攀升,而利用风机所 发电力将水电解产生氢气后,通过比电缆便宜得多的管道将氢气送到岸上,甚至 有些海域有现成的天然气管道可供使用;

2)氢气可以储存,而电力难以储存。

2.2.2、能源需求侧:终端电气化

由于能源供给侧向绿色电力转变,所以需求侧的脱碳首先意味着终端电气化。 根据国网能源研究院 2019 年 12 月的研究成果,终端电气化率在 2050 年达到 50%以上,其中工业、建筑、交通部门分别达到 52%、65%、35%。

工业部门电气化

钢铁、电解铝、水泥等行业是能耗大户,也是碳排放大户。

钢铁行业的电气化路径主要是从高炉转向电炉,电炉及其设备、耗材仍具有较好 的投资机会。根据钢协数据,2019 年我国钢铁行业 90%以上的产能采用高炉 (BOF)技术,而电炉技术(EAF)仅占生产总量的 9%。特别是以废钢为原料 的短流程炼钢技术,碳排放量仅 0.4 吨二氧化碳/吨钢,若使用绿色电力为电炉 供能,则碳排放量可降为 0。

水泥的生产过程中需要将水泥窑加热到 1600 摄氏度以上,目前电炉的使用尚未 商业化,投资成本较高。目前较为可行的方法是用沼气、生物质替代化石燃料。

建筑部门电气化

从建筑属性来看,可以分为公共建筑、城镇居民建筑和农村居民建筑。从用途来 看,供热、制冷、烹饪是中国建筑部门的主要能源消费来源。建筑部门的电气化 率仍较低,2017 年仅为 28%。

目前,制冷、照明、家电已经实现了 100%电气化,供暖和烹饪的电气化推进较 为缓慢。我国北方城镇普遍实行集中供暖,主要热源为燃煤热电联产和燃煤锅炉。 自 2017 年以来,我国北方地区推行“煤改气”、“煤改电”,对建筑部门的电 气化有一定的推动作用。

炊事方面,根据清华大学建筑电气化接受程度调研,一方面,住宅炊事用能逐渐 向公建转移,应关注公建餐厅电气化;另一方面,住宅炊事电气化最大难点在于 改变用户习惯。

总之,建筑部门电气化需综合考虑公共部门与居民住宅,也要考虑南北方气候差 异。随着人民生活水平提高,家用电器的数量和使用强度呈上升趋势。未来采暖 电气化应逐步替代燃煤锅炉,炊事电气化应重点关注餐厅电气化和住宅炊事习惯 引导。

交通部门电气化

交通部门的电气化具有三个方面的含义:

1)道路交通(小型、轻型):绿色电力为基础的电动车(电池),配套充电桩、换电站;

2)道路交通(重型)、铁路或海运:氢能(或氨气),配套加氢站;

3)航空:生物航空柴油为主要方向。

我们预计,乘用车销量在 2040 年见顶,电动车的渗透率在 2045 年达到 100%, 则电动车的销量将在 2045 年达到 3600 万辆/年。假设单车售价保持下行趋势, 在 2060 年达到 12 万元/辆左右。则电动车领域累计将带来 130 万亿人民币的累 计新增投资

随着电动车保有量的提升,假设车桩比在 2030 年达到 1:1,则 2060 年充电桩 总数将超过 5 亿个。综合考虑充电桩的新建需求和更换需求,累计新增投资达到 18.15 万亿元人民币。

氢能燃料电池将主要用于重型道路交通(客车、货车)。假设轻型、中型、大型 货车的年销量保持在 150、20、70 万辆,燃料电池渗透率在 2045 年达到 40%、 60%、80%,而后保持该渗透率;轻型、中型、大型客车的年销量保持 30、7、 7 万辆,燃料电池渗透率在 2045 年达到 30%、50%、70%,而后保持该渗透率, 则累计新增投资达到 29 万亿元人民币。

2.3、 回收利用:绿色低碳的循环经济

再生资源的回收利用可以有效减少初次生产过程中的碳排放。目前来看,市场潜 力主要集中在三大领域:

1)高耗能行业(钢铁、水泥、铝和塑料)的产品再生;

2)废弃物(秸秆、林业废弃物、生活垃圾)的能源化利用;

3)动力电池回收利用。

废钢利用:

据世界钢铁协会预测,从中长期来看,过去二十年中国钢材消费量的迅速增长, 将带动中国国内的废钢资源快速增长。在未来数年里,中国国内的废钢供应量可 满足中国的炼钢需求。

钢铁行业的电气化趋势(电炉代替高炉)与废钢的利用属于同一路径。对比发达 国家,我国的电炉钢产量占比处于较低水平。

再生铝:

电解铝的碳排放来源主要包括:电力消耗、碳阳极消耗、阳极效应导致全氟化碳 排放。再生铝可以有效减少初次生产的能耗与碳排放,目前我国的再生铝产量占 比同样处于较低水平。

塑料循环利用:

在化工行业的数千种产品中,仅氨、甲醇和 HVC(高价值化学品,包括轻烯烃 和芳烃)三大类基础化工产品的终端能耗总量就占到该行业的四分之三左右。

据上海市再生资源回收利用行业协会披露,2019 年我国产生废塑料 6300 万吨, 回收量 1890 万吨,回收率仅 30%。

根据能源转型委员会研究,2050 年,中国的塑料需求中 52%可由回收再利用的 二次塑料提供,初级塑料产量与国际能源署的照常发展情景中的回收率水平下的 产量相比减少 45%,HVC 和甲醇的需求分别较照常发展情景大幅减少 40%和 18%。

动力电池回收:

磷酸铁锂电池回收后两大利用途径:梯次利用与拆解回收,这两个途径并不是排 斥关系,而是互补关系。

三元正极材料回收与再生的技术路线主要分以下两种形式:

物理修复再生,对只是失去活性锂元素的三元正极材料,直接添加锂元素并通过 高温烧结进行修复再生;对于严重容量衰减、表面晶体结构发生改变的正极材料, 进行水热处理和短暂的高温烧结再生;

冶金法回收,主要有火法、湿法、生物浸出法三种方式。其中火法耗能高,会产 生有价成分损失,且产生有毒有害气体;生物浸出法处理效果差,周期较长,且 菌群培养困难;相比之下,湿法具有效率高、运行可靠、能耗低、不产生有毒有 害气体等有毒,因此应用更普遍。

对于三元电池,我们预测:2019 年预计可回收三元正极 0.13 万吨,随后逐年递 增至 2030 年的 29.25 万吨。

1)NCM333:随着 2014 年安装的 NCM333 三元电池于2019 年开始退役,2019 到 2022 年 NCM333 回收量逐步增加,2022 年达峰值 1.28 万吨,随后由于 NCM333 的退出而逐步减少,至 2026 年回收量归零;

2)NCM523:2016 年开始进入市场的 NCM523 于 2021 年开始报废回收,随后 回收量于 23-28 年稳定在 4-6 万吨之间,预计 2030 年上涨至 10.78 万吨;

3)NCM622:2017 年进入市场的 NCM622 于 2022 年开始报废回收,回收量小 幅上涨,直到 28 年上涨幅度增加,预计 30 年可回收 6.03 万吨;

4)NCM811:2018 年进入市场的 NCM811 于 2023 年开始报废回收,预计 30 年可增长至 12.44 万吨。预计 30 年可回收锂 2.09 万吨,镍 11.47 万吨,钴 2.80 万吨,锰 3.23 万吨。

对于磷酸铁锂电池,我们预测:

1)2030 年,报废铁锂电池将达到 31.33 万吨;

2)随着梯次利用逐年上升,预计 2030 年可梯次利用的铁锂电池达 109.93GWh, 共 25.06 万吨;其余 6.27 万吨进行拆解回收,可回收锂元素 0.28 万吨;

3)2027 年梯次利用的磷酸铁锂电池将在 2030 年达到报废标准,此时拆解回收 8.604 万吨,可回收锂元素 0.379 万吨。二者总计可以回收锂元素 0.65 万吨。

市场空间方面,根据我们的测算: 三元电池回收:在金属处于现价( )时,2030 年三元电池锂/镍/钴/ 锰回收市场空间预计 103.67/154.24/85.80/5.29 亿元。

磷酸铁锂电池回收:

中性假设条件下(梯次利用残值率 30%),2030 年梯次利用市场空间预计 180.93 亿元。在锂金属处于现价(2021/1/22)时,2030 年磷酸铁锂电池锂元素回收 市场空间预计 32.38 亿元。

2.4、 节能提效:低碳社会的护航者

工业节能:

2020年吨新型干法水泥熟料综合能耗已下降至85kg标煤,较2005年下降35%。 吨钢综合能耗下降至 552 克标煤,较 2005 年下降 20%以上。

中国钢铁行业还有一定的节能技术推广、能效提高的空间。如余热回收(TRT 等技术)、高级干熄焦技术(CDQ)等。

对于水泥行业来说,2020 年底已有 80%的水泥窑利用余热发电,总装机 4850 兆瓦。同时,现有的商业模式(DBB 模式、EPC 模式、BOT 模式)较为成熟, 将推动我国实现“2035 年熟料生产完全不依赖外部电力”的目标。

针对化工行业,由中国石油和化学工业联合会主办的石油和化工行业重点耗能产 品能效“领跑者”标杆企业评选已持续多年,2018 年行业单位能耗持续下降, 万元收入耗标煤同比下降 10%,电石、纯碱、烧碱、合成氨等重点产品单位综 合能耗同比分别下降 2.18%、0.6%、0.51%和 0.69%。

建筑能效提升:

根据国务院新闻办公室《新时代的中国能源发展白皮书》,截止 2019 年底,我 国累计建成节能建筑面积 198 亿平米,占城镇既有建筑面积比例超过 56%。推 动既有居住建筑节能改造,提升公共建筑能效水平,是建筑领域节能的重要途径。 在居民制冷、取暖领域,热泵技术可以有效利用空气热能,较现有的壁挂炉、电 加热等方式更节能。

节能设备

功率半导体 IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的应用,可以有效提升能效水平,尤 其是在家电(变频家电)和工业(工业控制和自动化)领域,两者占 IGBT 下游 需求的 47%左右。

根据产业在线统计,2013 年变频空调标准颁布实施,空调的变频占有率提升超 过了 6 个百分点;2016 年 10 月份冰箱新标准实施,2017 年冰箱的变频化率迅 速提高了 10%;洗衣机新标准在 2018 年 10 月推出,2019 年变频洗衣机的市 占率较推出前大幅增加了 8 个百分点。

未来随着能效要求的进一步提升,以 IGBT 为核心的变频领域前景广阔。

2.5、 工业过程脱碳与工艺变革

工艺变革

除了能源使用(主要是化石燃料燃烧及电力/热力使用),工业过程碳排放也是 重要的二氧化碳来源,2017 年占比 13%。 工业过程碳排放与各个行业采用的生产工艺直接相关。

(1)如钢铁行业:含碳原料(电极、生铁、直接还原铁)和溶剂的分解和氧化;

(2)电解铝:碳阳极消耗、阳极效应导致全氟化碳排放;

(3)水泥:污水污泥等废弃物里所含有的非生物质碳的燃烧、原材料碳酸盐分 解产生的二氧化碳排放、生料中非燃料碳煅烧。

相比于“能源碳”,“过程碳”的去除更加困难。原因在于:

(1)生产工艺深度整合,对工艺过程的某一部分的改变都伴随着过程其他部分 的改变;

(2)生产设施的使用寿命很长,通常超过 50 年(定期维护)。改变现有场地 的工艺需要昂贵的重建或改造;

(3)大宗商品全球交易,水泥、钢铁、氨和乙烯是大宗商品,在采购决策中, 成本是决定性因素。除水泥外,这些产品都在全球范围内进行交易。一般来说, 在所有四个部门中,外部性都没有被考虑在内,而且还没有为可持续或脱碳产品 支付更多费用的意愿。

随着“碳中和”的推进,短流程钢的产量占比将逐步提升。对于剩余长流程钢来 说,可以采用基于工艺改造的脱碳路线,如基于氢气的直接还原铁(DRI)、电 解法炼钢、生物质炼钢、碳捕集与封存(CCS)。

水泥生产过程中,由于石灰石分解产生的二氧化碳排放占到总量的 60%,因此 将不可避免用到碳捕集与封存(CCS)。其次,原料替代(粉煤灰、钢渣)等替 代品已被广泛使用,其他如氧化镁、碱/地质聚合物粘合剂等同样具备潜力。

2.6、 CCUS:零排放“兜底”技术

由于工艺替代的困难,“物质碳”在一定程度上不可避免,特别是在水泥、钢铁、 化工等重工业领域。也即如果不采用 CCUS,这些行业几乎不可能实现净零排放。

二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)是指将二氧化碳从排放源中分离后或直接 加以利用或封存,以实现二氧化碳减排的工业过程。

碳捕集的主要应用领域包括:

(1)煤气化制氢以及甲烷重整制氢过程;

(2)工业部门的化石燃料燃烧过程;

(3)化工原料相关碳排放和水泥生产的过程排放等;

(4)电力部门中的应对短期和季节性峰值的火力发电。

2019 年中国共有 18 个捕集项目在运行,二氧化碳捕集量约 170 万吨;12个地质利用项目运行中,地质利用量约 100 万吨;化工利用量约 25 万吨、生物利用 量约 6 万吨。

在 CCUS 捕集、输送、利用与封存环节中,捕集是能耗和成本最高的环节。二 氧化碳排放源可以划分为两类:

一类是高浓度源(如煤化工、炼化厂、天然气净化厂等),另一类是低浓度源(如 燃煤电厂、钢铁厂、水泥厂等)。高浓度源的捕集成本大大低于低浓度源。

捕集环节:典型项目(低浓度燃煤电厂)的成本约在 300-500 元/吨;

运输环节:罐车运输成本约为 0.9-1.4 元/吨/公里,管道运输成本约为 0.9-1.4 元/吨/公里;

利用封存环节:驱油封存技术成本约在 120-800 元/吨,同时可以提高石油采收 率。咸水层封存的成本约为 249 元/吨。

3、 投资观点:快与慢、短与长

通过构建“碳中和”实现框架,我们跟随全社会碳足迹,总结出各个领域的不同 的路径。当然,由于技术、成本、实施条件的差异,不同的路径之间成熟度差异 较大。

目前比较成熟的路径有:工业领域的钢铁电炉、废钢利用、水泥协同处置、再生 铝等,道路交通领域的电动车与充电桩,能源领域的清洁能源,建筑领域的电气 化与空气热泵、装配式建筑等,以及消费侧的绿色出行、垃圾分类等;

处于起步阶段的路径有:工业领域的压减、转移产能,交通领域的燃料电池、氢 能、电池回收等,能源领域的智慧电网、弃风弃光利用、火电产能压减等;

处于研究阶段的路径有:水泥清洁燃料、化工 Power-to-X、钢铁氢还原,以及 碳捕集在各个领域的推广应用。

详见报告原文。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库官网】。




 
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直播题目:环境工程规划与设计中的生态学思考   直播时间7月16日下午14-16日   主讲人:魏俊,正高级工程师,现任中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司生态环境工程院副院长 贺凯:日本下水道发展,污染控制策略及相关前沿水污染控制技术     报告人贺凯本科,硕士,博士分别毕业于南开大学(2009年),清华大学(2012年),和京都大学(2016年)环境工程专业。博士毕业后
直播主题: 《城市综合管廊建设发展现状及未来发展趋势》直播时间:7月8号下午 14-16点   主讲人:油新华   油新华,博士,教授级高工。现任中国建筑股份有限公司技术中心副总工程师,中国市政工程协 报告题目:  海绵城市原理下的城市水系统的构建思路和实例解剖  M.Sc. Chiyan Peng  理学硕士 彭赤焰先生 简介     德国汉诺威水协的汉诺威水有限公司 总经理 主要负责中国业务,i
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