中國鋁冶煉行業二氧化碳排放達峰路徑研究

王麗娟，邵朱強，熊 慧，李 丹，楊富強，嚴 剛

1.生態環境部環境規劃院,北京 100012

2.中國有色金屬工業技術開發交流中心有限公司,北京 100814

3.北京安泰科信息股份有限公司,北京 100814

4.中國有色金屬工業協會,北京 100814

鋁及其合金具有優良的物理和化學性能，廣泛應用于建筑、運輸、包裝、交通、太陽能等領域[1-2]，從全生命周期看可分解為氧化鋁、電解鋁、再生鋁等領域.目前我國為全球最大的電解鋁、氧化鋁生產國以及再生鋁利用國，分別占全球總量的57.0%、54.0%、40.0%左右.習近平總書記在第75 屆聯合國大會一般性辯論會上承諾，中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.要實現這一宏偉目標，就必須從根本上改變經濟結構，特別是控制能源密集型產業的快速擴張.鋁及其合金生產是高載能、高排放行業[3-5]，單位產品的溫室氣體排放分別是鋼和銅的12.4 和2.3 倍[6]，未來將面臨巨大的減排壓力.

作為溫室氣體排放的主要貢獻者之一，鋁工業已被納入多數能源和氣候模型中[7].早期鋁工業碳排放研究對象主要為電解鋁[8-9]，目前已進一步擴展到包括氧化鋁、電解鋁、再生鋁等全鏈條產品[10-13].研究方向主要分為四類：一是鋁工業各項技術對溫室氣體排放的影響[14-15]，即研究惰性陽極、二次利用、余熱回收等先進技術對CO2排放的影響；二是鋁工業全生命周期對環境的影響[10-12]，側重于分析鋁生產過程中的投入(原料和能源)和產出(材料、廢物和排放)，并結合生命周期方法(LCA)分析我國鋁生產中溫室氣體排放的歷史演變及溫室氣體排放驅動因素；三是采用動態物流分析(MFA)、回歸分析等方法，對中國鋁消費、廢鋁等進行分析，估算鋁冶煉行業減排潛力[13]；四是在全國或全球模型下鋁工業發展情景的研究[16-19].其中，前3 類研究主要從一個或幾個因素出發，自下而上地提出鋁行業達峰路徑，但由于新的經濟發展形勢，如僅按原趨勢外推，則無法反映行業真實發展趨勢；第4 類研究中自上而下的國際國內模型中，中國鋁冶煉行業只是作為整體中的一部分，欠缺我國鋁冶煉行業分領域的詳細數據，對未來鋁冶煉工業碳達峰路徑的預測將有所偏差.

因此，該研究從鋁需求總量預測出發，研究新經濟形勢下中國2021?2035 年鋁冶煉行業CO2排放及達峰路徑.首先，建立鋁需求預測模型，統籌考慮經濟發展、人均鋁消費水平、歷史趨勢、鋁產品進出口量等因素，預測2021?2035 年的鋁需求總量、氧化鋁產量、電解鋁產量以及再生鋁利用量；其次，采用情景分析方法評估鋁冶煉行業各項措施的減排潛力，識別碳減排的主要驅動因素，提出推動碳達峰的關鍵舉措，以期為制定碳達峰目標下鋁冶煉行業碳排放控制路徑提供參考.

1 方法與數據

1.1 技術路線

為系統開展我國鋁冶煉行業碳達峰研究，構建了以鋁消費總量、鋁產品產量、能源消費、碳陽極(還原劑)消耗量、CO2排放量為主要內容的研究框架，對不同階段鋁冶煉行業發展情景和碳排放變化趨勢進行預測分析.根據國家總體達峰研究，系統研判鋁冶煉行業碳達峰時間、峰值、達峰路徑，并在此基礎上提出鋁冶煉行業碳達峰的主要措施和配套政策機制.技術路線如圖1 所示.

圖1 技術路線Fig.1 Technology framework

1.2 行業發展預測方法

鋁需求的主要驅動力因素為國內消費[10]及鋁產品凈出口量[13,20].工業化國家經濟增長與金屬消費需求經驗表明，金屬消費量與經濟發展水平密切相關，隨著經濟的發展，人均金屬消費量呈“S”型曲線，工業化快速發展階段金屬需求呈快速增長趨勢，在后工業化階段趨于平穩并逐步下降.我國國內單位GDP鋁消費強度已在2015 年達到峰值5.4 kg/(104元)(2010年不變價)，人均鋁消費將進入增長趨緩區間

回歸分析被用作評估和分析因變量與一個或多個獨立解釋變量之間的關系，近年來一些研究使用回歸分析來預測未來鋁等有色金屬產品消費量[13,16].該研究采用以上兩種方法對鋁需求量進行預測，根據鋁需求量的大小設計鋁高需求情景和鋁低需求情景：①根據歷史發展規律，在不考慮產量控制的影響下，應用回歸分析對2021?2035 年的鋁需求量進行趨勢預測；②采用安泰科對中國鋁消費回歸分析方法，結合經濟社會發展宏觀判斷、人均鋁消費水平、人口、城市化率、歷史鋁消費量、鋁凈出口量等因素的影響，對我國2021?2035 年的鋁消費進行預測，計算公式：

式中：AL(t)為t年的鋁需求總量，t；X(t)為t年解釋變量；α0、αi為回歸模型參數；ε(t)為殘差.

電解鋁產量為鋁需求總量減再生鋁產量、未鍛軋鋁及鋁材凈進口量〔見式(2)〕，其中未鍛軋鋁及鋁材凈進口量根據出口政策、歷史趨勢綜合判斷得出.

式中：ALP(t)為t年電解鋁產量，t；AL(t)為t年鋁需求總量，t；Y(t)為t年再生鋁量，t；In(t)為t年未鍛軋鋁及鋁材凈進口量，t.

氧化鋁需求量主要取決于電解鋁生產需求.目前，我國氧化鋁95%以上用于電解鋁生產，綜合考慮進口量等外部因素，逐年確定2021?2035 年氧化鋁產量，計算公式：

式中：AO(t)為t年氧化鋁產量，t；ALP(t)為t年電解鋁產量，t；β為氧化鋁與電解鋁關系系數，t/t.

再生鋁利用量受國內廢鋁累積量和進口廢鋁量影響.鋁消費領域十分分散，回收周期不一，主要鋁消費部門如建筑行業、電力工業、交通運輸、耐用消費品、機械設備、容器和包裝、其他行業鋁的壽命期平均在40、20、16、12、20、1、10 年左右[13,21]，該研究中舊廢鋁以15～25 年前國內消費量的移動平均乘以75%進行測算，新廢鋁由當年鋁消費量乘以5%進行測算.進口廢鋁主要受進口政策影響，未來不會有較大增長空間，假設保持當前水平.再生鋁利用量測算公式：

式中：f(t)為t年國內舊廢鋁量，t；p(t)為t年國內新廢鋁量，t；Ins(t)為t年進口廢鋁量，t.

1.3 情景設置

鋁冶煉行業碳排放與能源消費量[2,10,14]、再生鋁利用水平[13]等因素相關.能源消費量與能效和能源結構相關，因我國電力結構主要以煤電為主，生產單位電解鋁溫室氣體排放量仍然相對較高，約為美國的2 倍[12-13,22-23].由于節能技術的推廣以及鑄軋和連鑄連軋等短流程工藝的應用，降低了設備能耗[23]，我國平均鋁錠綜合交流電耗為13 525 kW·h/t，比全球平均水平低800 kW·h/t 左右.

單位再生鋁產生的溫室氣體排放量僅為原鋁的4.5%[12,23]，發展再生鋁工業也是減少碳排放的一個重要選擇[24].1980 年，中國、北美和歐洲的再生鋁產量占比均約為20%.北美和歐洲再生鋁利用率的增長趨勢基本相同，從1980 年的20%線性增至2017 年的50%以上.雖然1995?2010 年中國再生鋁利用率保持在25%～35%之間，但2017 年又回落至近20%.

根據鋁需求量的預測情景，將清潔能源使用比例、再生鋁利用率、短流程工藝比例作為控制變量，設計基準情景、低碳情景和強化控制情景3 個情景.基準情景和低碳情景采用鋁高需求情景，強化情景采用鋁低需求情景.基準情景下清潔能源使用率、再生鋁利用率、短流程工藝比例保持2020 年水平不變；低碳情景和強化情景下，控制變量取值將高于當前水平.鋁冶煉行業不同措施設計原則見表1.

表1 鋁冶煉行業不同措施設計原則Table 1 Estimation principle on the effect of CO2 emission mitigations in aluminum industry for different factors

1.4 碳排放分析方法

從鋁產品全生命周期分析(LCA)角度對鋁冶煉行業(含電解鋁、氧化鋁、再生鋁)開展全口徑、分階段的發展情景與碳排放趨勢分析.具體包括鋁電解及其他過程中使用的電力消耗排放，電解過程中碳陽極消耗排放，氧化鋁生產過程中煤氣/天然氣、電力/熱力消耗排放，再生鋁生產過程中天然氣消耗排放等[25](見表2).但該研究未包含電解過程陽極效應產生的PFCs (全氟化碳)排放.鋁冶煉碳總排放包括電力消耗排放、一次能源消耗排放、炭陽極消耗排放三部分，其中電力根據來源不同分為網電及自備電(見圖2).

表2 鋁冶煉行業碳排放類型、定義及應用范圍Table 2 Types,definitions and application scope of carbon emissions from the aluminum industry

圖2 鋁冶煉行業碳排放流程Fig.2 Carbon emission flow chart in aluminum industry

1.5 數據來源

2000?2020 年國內鋁消費、人均國內生產總值和城市化率的歷史數據[26-28]來自中國有色金屬工業協會、國際鋁業協會以及國家統計局，噸鋁炭陽極凈耗、煤炭、天然氣排放因子等來自《中國電解鋁生產企業溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》[25]，電解鋁網電、自備電單位用電量排放系數來自電力行業相應排放系數預測值[29].

2 結果與討論

2.1 行業排放現狀和特征

我國鋁需求總量為國內消費量與未鍛軋鋁及鋁材凈出口量之和，2020 年我國鋁產品總需求量為4.4×107t，其中，國內鋁消費3.9×107t，占比為87.2%；未鍛軋鋁及鋁材出口為5.7×106t，占比12.8%.由圖3可見：鋁廣泛應用于建筑結構、交通運輸、電力、包裝、機械制造等眾多領域.建筑結構是國內鋁消費的第一大領域，其消費占比為28.0%；交通運輸、電力領域鋁消費分別位居第二、三位，占比分別為19.5%和10.0%.

圖3 我國鋁消費結構Fig.3 Domestic aluminum consumption structure

基于該研究采用的碳排放核算邊界與方法，2020年我國鋁冶煉行業CO2排放量為5.0×108t.從排放來源看，鋁冶煉行業排放主要來自電力消費的間接排放，其中電力消耗引起的CO2間接排放約占排放總量的75.8%；能源消費的直接排放約占14.2%，工業過程(炭陽極)直接排放約占10.0%.由表3 可見：從各產品環節來看，電解鋁是最大的CO2排放部門，其總CO2排放量為4.20×108t，占鋁冶煉總排放量的83.8%；氧化鋁CO2排放合計0.80×108t，占鋁冶煉總排放的16.0%；再生鋁一次能源CO2排放合計0.01×108t，占鋁冶煉總排放的0.02%.因此，分行業排放來看，控制電解鋁行業碳排放應為鋁冶煉行業碳排放控制重點考慮方向；從排放環節結果來看，降低電力消耗總量是最有效的減排路徑.

表3 2020 年我國鋁冶煉行業CO2 排放量Table 3 CO2 emissions from the aluminum industry in 2020 in China 108 t

2.2 行業發展預測結果

情景分析結果顯示，我國鋁消費量將繼續增長，預計在2029?2032 年達峰，之后將逐步下降.由圖4可見：按照高需求情景發展，我國鋁需求量將在2032年達峰，峰值為5.8×107t，比2020 年增加了1.4×107t；按照低需求情景發展，鋁需求量將在2029 年達峰，峰值為5.3×107t.

圖4 2010?2035 年不同情景下我國鋁需求量Fig.4 Aluminum production from 2010 to 2035 under different scenarios in China

通過對歷史數據、進出口政策、國際貿易局勢的綜合分析，假設未鍛軋鋁及鋁材的進口量、出口量分別為5.0×105和5.0×106t.再生鋁利用量根據國內舊廢鋁、國內新廢鋁、進口廢鋁測算，2020 年再生鋁利用量為7.3×106t，在2032 年前后達到峰值2.1×107t.根據該研究確定的電解鋁計算方法測算，電解鋁產量呈先增后降的趨勢，在2029 年前后達到峰值，峰值區間為4.6×107～5.0×107t，之后隨著國內鋁消費量達到峰值平臺區及廢鋁替代的擴大，電解鋁產量將趨于下降.

2.3 行業碳排放預測及達峰路徑

2.3.1 行業碳排放預測

由圖5 可見，在基準情景、低碳情景、強化情景下，鋁冶煉行業CO2排放量均在“十四五”末期至“十五五”初期達峰，峰值在5.3×108～6.4×108t 之間.基準情景下鋁冶煉行業CO2直接排放量在2032 年達峰，間接排放量在2024 年達峰，峰值分別為1.7×108和4.8×108t，分別比2020 年增加0.4×108、1.1×108t；低碳情景下，鋁冶煉行業CO2直接排放量和間接排放量分別在2024 年、2023 年達峰，峰值分別為1.5×108和4.3×108t，分別比2020 年增加0.2×108、0.6×108t；強化情景下，鋁冶煉行業CO2直接排放量和間接排放量均約在2024 年達峰，峰值分別為1.4×108和3.9×108t，分別比2020 年增加0.1×108、0.2×108t.綜上，鋁冶煉行業以電力等間接排放為主，通過減少行業電力使用或排放強度來降低間接排放達峰是鋁冶煉行業碳達峰的關鍵.

圖5 2010?2035 年我國鋁冶煉行業不同情景下CO2 排放量Fig.5 CO2 emission trends of the aluminum industry under different scenarios in China

2.3.2 碳達峰影響因素分析

鋁需求的變化與行業達峰緊密相關，通過低碳情景和強化情景的對比可以看出，在控制變量相同的情況下，到2030 年，當鋁需求增加7.9%時，鋁冶煉行業CO2排放峰值將提高9.7%.

為進一步識別鋁冶煉行業碳減排的主要影響因素，結合該研究中3 類情景設計參數，以2020 年為基準年，定量分析提高再生鋁利用率、提高清潔能源使用比例、提高短流程比例等因素對鋁冶煉行業CO2總排放量產生的影響，各項措施參數取值如表4 所示.

表4 碳排放控制關鍵措施參數取值Table 4 Parameter values of key measures for carbon emission control in the aluminum industry %

不同情景下，各類驅動因素對鋁冶煉行業CO2排放的貢獻率如表5 所示.從各項措施的減排貢獻來看，提高再生鋁利用量將是鋁冶煉行業減少CO2排放潛力最大的措施，到2030 年，提高再生鋁利用率將帶動鋁冶煉行業CO2減排1.3×108t，對2030 年行業總CO2減排量的貢獻率為77.3%.其次是提高清潔能源使用比例和提高短流程比例.電力的清潔化是鋁行業碳減排的重要手段，到2030 年，提高電解鋁行業清潔能源利用率將帶動鋁冶煉行業CO2減排0.4×108t，對2030 年行業總CO2減排量的貢獻率為21.5%.通過提高短流程比例，降低鋁行業能源消耗強度也是鋁冶煉行業碳減排的重要方向，到2030 年，提高短流程比例將帶動鋁冶煉行業CO2減排0.02×108t，對2030年行業總CO2減排量的貢獻率為1.2%.

表5 不同因素對鋁冶煉行業碳減排貢獻率Table 5 Impact of different factors on carbon emission reduction in aluminum industry

2.4 行業碳達峰路徑政策建議

研究發現，電解鋁產量是決定鋁冶煉行業碳排放量的主要因素；另外，改變供電模式、提高再生鋁利用量、降低單位能耗也可以在一定程度上減少碳排放.建議重點從以下幾個方面加快推進碳達峰工作.

a)嚴格控制產能總量.電解鋁產能的控制在降低鋁冶煉行業峰值中起重要作用，建議嚴格執行產能置換辦法，研究差異化電解鋁產能減量置換政策，提高行業準入門檻，嚴格控制鋁冶煉行業產能總量.氧化鋁不追求完全自給自足，鼓勵適量氧化鋁進口，根據國內電解鋁產量調整國內氧化鋁產能規模.

b)推進清潔能源替代.研究中鋁需求總量達峰年在2029－2032 年之間，但鋁冶煉行業總排放均在“十四五”末期至“十五五”初期達到峰值，主要是由于電力清潔化水平不斷提高，使CO2間接排放快速下降.因此，建議在考慮清潔能源富集地區生態承載力的前提下，鼓勵電解鋁產能向可再生電力富集地區轉移，由自備電向網電轉化，減少煤炭消耗，從源頭削減CO2排放.

c)調整優化產業結構.用再生鋁替代電解鋁，每噸可減少CO2排放10.6 t，在鋁需求一定的情況下，通過提高再生鋁的利用量來降低CO2排放.當“十四五”“十五五”期末再生鋁利用量分別比“十三五”期末提升4.2×106、6.3×106t 時，到2030 年將分別累積帶動鋁冶煉行業CO2減排0.44×104、1×108t.建議加快廢鋁資源分類回收體系建設，提高保級利用水平.把握國家垃圾分類政策推行契機，建議將量大面廣的鋁產品納入單獨分類回收體系.制定再生鋁預處理企業規范條件，提高現有廢鋁資源回收利用企業規范化水平，科學布局、因地制宜推動建設一批區域廢鋁資源回收預處理配送中心，引導高品質再生鋁原料進口，從源頭解決再生鋁企業廢鋁原料供給難題.完善綠色采購體系，加大保級回收，推動企業優先采購廢鋁資源作為原料，引導企業和消費者優先選用綠色鋁材和產品.

d)強化技術節能.技術進步和短流程將帶來電解鋁綜合交流電耗的下降，建議推動電解鋁短流程比例，推動電解槽余熱回收等綜合節能技術創新，提高電解鋁智能化管理水平，減少能源消耗環節的碳排放.

3 結論

a)統籌考慮我國經濟社會發展需求、貫徹新發展理念、構建新發展格局要求以及國家碳達峰、碳中和目標約束，基于各種情景下鋁產品產量預測，結合降低能耗、提高再生鋁產量等措施，提出了鋁冶煉行業碳達峰路徑.研究表明，通過嚴格落實電解鋁產能總量控制、推進清潔能源替代、調整優化產業結構等多項措施，我國鋁冶煉行業碳排放將在“十四五”末期至“十五五”初期達峰，峰值在5.3×108～6.4×108t 之間，達峰后保持2 年左右平臺期.

b)根據鋁需求量變化對CO2排放的影響，電解鋁產量控制是降低鋁冶煉行業峰值的關鍵，到2030年，當鋁需求增加7.9%時，鋁冶煉行業CO2排放峰值排放量將提高9.7%.在相同需求下，不同情景鋁冶煉CO2排放結果表明，提高再生鋁利用水平是實現碳達峰最有效的措施，到2030 年對行業碳減排的貢獻率可達77.3%.優化產業布局、改善供電結構是實現鋁冶煉行業碳達峰的重要途徑，到2030 年對行業碳減排的貢獻率為21.5%.優化產業結構、提高短流程比例也是鋁冶煉行業碳減排的重要方向.

c)為有效推動鋁冶煉行業實現碳達峰，建議繼續堅持電解鋁產能置換政策，提高行業準入門檻，嚴控產能總量.加快廢鋁資源分類回收體系建設，完善有色金屬原料標準，推動資源綜合利用標準化，提高再生鋁的利用水平.通過推動產業集群化、現代化發展，減少中間產品物料運輸、提升鋁水直接合金化的短流程比例等手段降低能源消耗，從而間接控制CO2排放量.引導使用火電的電解鋁產能向可再生電力豐富地區有序轉移，達到碳排放控制目標.